СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF ULTRASOUND HYDRODYNAMIC SURFACE CLEANING

Предлагаемый способ относится к области ультразвуковой технологии очистки изделий и может быть использован в авторемонтных заводах для поверхностной очистки металлических изделий различных поверхностей.
Известен способ [1] ультразвуковой очистки поверхности, заключающийся в размещении изделия в жидкой среде и возбуждении в ней ультразвуковых колебаний.
Недостатком данного способа является низкая эффективность очистки, падение амплитуды колебаний при ведении процесса в моющей жидкости и необходимость помещения изделия в специальную емкость.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ [2] очистки поверхностей, заключающийся в том, что поверхность подложек сканируют струей озвученной моющей жидкости по радиусу поверхности ее от центра к периферии и обратно. Подложку вращают относительно струи в плоскости, перпендикулярной направлению ее подачи. С обратной стороны подложки по всей траектории создают второй поток жидкости, омывающий поверхность подложки с обратной стороны, озвучивают его через толщину подложки и затем воздействуют озвученной жидкостью на обратную сторону подложки.
Недостатком этого способа является то, что вихревой поток не обеспечивает полный отрыв частиц грязи от поверхности с различными конфигурациями изделий, процесс очистки связан с созданием двух струй и сканированием струи озвученной моющей жидкости по всей траектории.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа очистки поверхности в заданном диапазоне ультразвуковых колебаний путем распространения непрерывного вихревого потока очищающей жидкости, который отрывают частицы загрязнений и обеспечивает повышение очищаемой поверхности.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение эффективности очистки поверхностей.
Суть указанного технического результата заключается в том, что очищаемую поверхность сканируют непрерывной струей очищающей жидкости, в которой генерируют (инжектируют) ультразвуковые колебания, струю жидкости закручивают вокруг своей оси в форме вихревого потока, возникающие силы инерции при этом создают гидродинамический абразивный эффект.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, реализующей ультразвуковой гидродинамический способ очистки поверхностей, где на фиг.1, а представлена кинематическая схема с действующими силами, на фиг.1, б - направление сил инерции.
Особенностью ультразвукового гидродинамического способа очистки поверхностей является то, что использованы силы инерции, действующие на поверхности изделий со стороны циркулирующей жидкости.
На фиг.1 показаны планы скоростей и инерционных сил в точке А между стенкой камеры 1 и поверхностью изделия 2 на установившемся режиме. В этой точке очищающая жидкость имеет абсолютную скорость с, которая слагается из геометрической суммы переносной (окружной) u и относительной w скоростей:
c=u+w.
Векторы скоростей u и w направлены по касательным в точке А: u - к окружности радиусом ОА в сторону вращения вихря; w - к линиям точки 2, А, 3 очищающей жидкости во внешнюю сторону.
c
o
w
k
c
На каждую частицу очищающей жидкости, приходящую через точку А, действуют следующие элементарные силы инерции dF, dF, dF и dF. Сила dF является центробежной. Она возникает вследствие переносного движения, и ее модуль может быть найден из уравнения
c
c
2
dF=dmrω,
c
где dm - масса элементарной частицы очищающей жидкости, находящейся в точке А; r - расстояние от точки А до центра ультразвуковой камеры; ω - угловая скорость переносного движения.
o1
o
Сила dF представляет собой первую составляющую центробежной силы инерции dF относительного движения. Его появление обусловлено криволинейностью поверхности камеры 1. Уравнение для определения модуля этого вектора имеет вид
o1
1
2
dF=dmw/r,
1
где r -радиус кривизны в точке А развертки линии вихревого потока на плоскость, перпендикулярную оси установки изделия.
o2
о
Вектор dF направлен по нормали к проекции линии тока на меридиональную плоскость в сторону внешнего тора. Результирующая сила dF равна геометрической сумме:
o
o1
o2
dF=dF+dF.
w
Возникновение силы dF вызвано неравномерностью относительной скорости w. План инерционных сил соответствует случаю ускоренного движения очищающей жидкости вдоль линии тока.
w
Для установления связи силы F с вариацией относительной скорости w может быть использовано уравнение
w
dF=dmdw/dt.
k
Вектор dF представляет собой силу Кориолиса, появляющуюся в результате наложения относительного и переносного (вращательного) движения. Ее модуль определяется из уравнения
k
dF=2dmw ω sin(w, ω).
c
o
w
o
w
k
Направление сил инерции показано на чертеже (вид б). Вектор dF направлен по линии ОА. Линиями действия векторов dF и dF служат соответственно нормаль и касательная к линии тока в точке А. Вектор dF направлен по нормали от центра кривизны вихревой струи 3. Направления векторов dF и w совпадают при замедлении и противоположны при ускорении относительного движения очищающей жидкости. Для определения направления силы dF необходимо спроектировать вектор w на плоскость, перпендикулярную главной оси гидродинамического вихря 3, затем повернуть полученную проекцию на угол 90° против направления переносного вращения. Градиент давлений вдоль линии тока, обусловленный действием указанных сил инерции, вызывает вихревую циркуляцию очищающей поверхности 2.
Способ осуществляют следующим образом струей жидкости в рабочей полости ультразвуковой камеры.
c
o
w
k
Очищаемую поверхность 2 сканируют непрерывной струей 3 очищающей озвученной ультразвуковыми колебаниями жидкости и закрученной до достижения вихревого эффекта. За счет того, что колебания, распространяясь в непрерывной струе очищающей жидкости, обладающей силами инерции dF, dF, dF и dF, достигают изделия 4, ударяясь об очищаемую поверхность 2, происходит отделение частиц грязи, а вихревой поток 3 способствует более эффективному очищению загрязненных поверхностей с различными углублениями. Оторвавшиеся частички грязи, увлекаемые вихревой струей 3 и вращающиеся под ее воздействием как внутри вихря, так и на его периферии, будут способствовать более эффективному очищению поверхности, используя абразивный эффект.
c
k
Процесс удаления загрязнений происходит намного легче и эффективнее, так как вихревая струя 3 удаляет частицы грязи при меньшей мощности ультразвуковых колебаний, если при обычном воздействии ультразвука некоторые частицы грязи не смогут полностью оторваться от очищаемой поверхности, то под дополнительным воздействием вихревой струи 3', обладающей силами инерции dF и dF, будут оторваны от поверхности 2 и удалены с нее. Это достигается за счет того, что энергия вихревой струи 3 многократно превосходит энергию обычной струи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новое в ультразвуковой технике и технологии. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания. Воронеж, 17-19 сент. 1974, М.: Машпром, с.56-77.
2. Патент РФ №2243038, МПК В08В 33/12. Опубл. 27.12.2004.