УЛЬТРАЗВУКОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Область техники
Полезная модель относится к оборудованию для очистки деталей сложного профиля, загрязненных нефтепродуктами, с помощью комплексного воздействия ультразвука и химически активных веществ.
Предшествуюыщй уровень техники
В оборудовании, работающем в химически неоднородных и агрессивных средах, поверхности металлических деталей, соприкасающихся со средой, сорбируют на себя различные частиць, а также подвергаются окислению, что, в конечном итоге, приводит к их ускоренному разрушению. Особенно большой урон эти процессы наносят деталям нефтегазового оборудования, в частности деталям электроцентробежных погружных насосов (ЭЦН). Частички примесей, содержащиеся в нефти (как правило, это асфальто-смо.пистые соединения) образуют с поверхностью деталей прочное сцепление, разрушение которого требует больших энергетических затрат. Чисто же химическая очистка, например, с помощью ортофосфорной кислоты или других веществ (SU 1829967, В08В 3/08,1991) отнимает достаточно много времени, требует большого расхода дорогостоящих материалов, т.е. делает процесс неэкономичным.
В технике для очистки металлических деталей сложных профилей (таковыми являются, например, детали ЭЦН) применяют ультразвуковую обработку в ванне с моющим раствором, содержащим химические добавки, ослабляющие химическую связь окислов и отложений с поверхностями деталей. Для повьппения разрушающего воздействия ультразвука очистку ведут в предкавитационном или кавитационном режимах. При этом требуется создавать в ванне интенсивность звукового поля до 10 Вт/см и избыточное гидростатическое давление до 0,5 МПа.
Известна установка для очистки изделий (SU 1430126, 1987 г.), содержащая, расположенный в днище цилиндрической ванны, ультразвз ковой излучатель, держатель, включающий, по меньшей мере, одну приводную кассету, предназначенную для размещения очищаемых деталей, отражатели, служащие для направления акустических волн на детали, при этом привод держателя включает приводной вал и зубчатое сцепление для вращения кассет. Кассета имеет форму стержня, на который поочередно нанизьшаются детали и
жЯШшиИШ
j.s-.;.4,v; fl;:;; :.tof:p:;ihr:j
В08В 3/12
отражатели. Каждый отражатель вьшолнен в виде втулки, имеющей форму двух усеченных конусов, боковые поверхности которых обращены к деталям. Держатель вьшолнен в виде барабана, по периферии которого расположены кассеты. Оси держателя и кассет расположены горизонтально, т.е. перпендикулярно оси ванны. Очистка производится следующим образом. Плоская волна, распространяясь от поверхности излучателя вдоль вертикальной оси ванны, отражается от наклонных поверхностей конусных отражателей и падает почти под прямым углом на поверхность деталей. За счет вращения кассет и держателя вокруг горизонтальных осей облучению подвергаются все поверхности каждой детали. Недостатком такой конструкщш является потребность в большом количестве отражателей /практически равном количеству деталей/, что более, чем вдвое снижает рабочий объем ванны и, соответственно, производительность установки. Кроме того, отсутствует возможность концентрировать акустическое поле в зоне очистки деталей. Наконец, конструкция кассеты позволяет очищать только такие детали, которые имеют центральное отверстие для стержня кассеты.
Известно так же устройство для статической ультразвуковой очистки деталей (US 5383484, 1995 г.), которое содержит ванну для обработки деталей, заливаемую жидкостью, и установленные снаружи ультразвуковые излучатели, каждый из которых направляет сфокусированный пучок энергии ультразвуковых колебаний в полость ванны. Излучатели расположены вокруг ванны так, что формируемые ими пучки, охватывают всю наружную поверхность каждой детали. В объеме ванны число зон с повышенной концентрацией поля определяется количеством излучателей, и эти зоны до.11жны быть узкими и не взаимодействовать друг с другом, что автоматически снижает коэффициент использования объема ванны. Кроме того, при такой организации облучения, поверхности деталей сложной формы будут облучаться неодинаково, а поворот деталей в узком пучке энергии имеет смысл, если габариты деталей меньше поперечных размеров пучка. Из этого следует, что на размеры и форму деталей, подлежащих очистке, налагаются довольно жесткие ограничения.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция установки для очистки поверхностей металлических деталей УПХА-Р (Б.А.Агранат и др., Основы физики и техники ультразвука, М, изд. Высшая школа ,1987г., стр.306), включающая корпус, ванну для моющего раствора, вьшолненную в виде вертикального цилиндра и установленную по оси корпуса с образованием кольцевой камеры между стенками корпуса и ванны, и равномерно расположенные в кольцевой камере ультрЙзвуковые излучатели, активные поверхности которых обращены к оси ванны. Детали в цилиндрической
ванне размещают произвольно. Цилиндрическая форма ванны автоматически создает концентрацию акустического поля вблизи центральной оси установки. Тем самым, как в предьщущих случаях, эффективно используется лишь часть объема ванны. Равномерность обработки обеспечивается только за счет перемешивания моюшего раствора, что не всегда достаточно для очистки деталей.
Таким образом, недостатком конструкции является неэффективное использование значительного объема ванны в процессе очистки деталей.
Сушность полезной модели
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить производительность ультразвуковой установки за счет одновременной очистки большого количества деталей и увеличения интенсивности очистки, путем создания высокой концентрации акустического поля на поверхностях очищаемых деталей.
Установка для очистки металлических деталей, включает корпус, ванну для моюшего раствора, выполненную в виде вертикального цилиндра и установленную по оси корпуса, с образованием кольцевой камеры между стенками корпуса и ванны. В кольцевой камере равномерно расположены у;п тразвуковые излучатели, активные поверхности которых обращены к оси ванны. По оси ванны размещен жесткий цилиндрический отражатель. Установка снабжена держателями для очищаемых деталей, которые установлены равномерно по окружности между отражателем и стенкой ванны с возможностью вращения. Стенка ванной вьшолнена прозрачной для ультразвукового излучения, что обеспечивается подбором материала и/или конструкцией ванны. В частности, ванна может быть вьшолнена из подходящей пластмассы или в стенке ванны, изготовленной из металла, напротив излучателей, могут быть вьшолнены окна, закрытые тонкими плоскими пластинами. В предпочтительном конструктивном варианте держатели устанавливают с возможностью одновременного вращения вокруг собственной оси и оси ванны.
Указанное вьшолнение держателей и их установка с возможностью сложного вращения вокрзт своей оси и вокруг оси ванны позволяет повысить эффективность очистки одновременно большого количества деталей за счет создания максимально равномерного воздействия акустического поля на любом участке поверхности каждой детали.
Размещение в ванне, вдоль ее оси, жесткого цилиндрического отражателя, а также использование свободно размещенных в плоскости кольцевой камеры акустических излучателей, поле которых практически без ослабления направленно проникает в полость ванны, что позволяет в несколько раз повысить интенсивность облучения деталей в рабочем
объеме ванны.
Перечень фигур чертежей
Сущность полезной модели ноясняется чертежами, где на Фиг. 1 нредставлен осевой разрез предлагаемой ультразвуковой установки, на Фиг.2 - разрез по А-А в несколько увеличенном масштабе.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели Ультразвуковая установка включает корпус 1, представляющий собой металлический бак,  оси которого установлена герметичная металлическая ванна 2, заполняемая моющим раствором, например, раствором соляной кислоты. В дне ванны имеется сливное устройство 3. Наружная поверхность ванны 2 и внутренняя поверхность корпуса 1 образуют герметичнз) кольцевую камеру 4, полностью заполняемую жидкостью (обычно водой). Внутри кольцевой камеры 4, симметрично ее оси, по окружности установлены акустические цилиндрические изл)атели 5, каждый из которых представляет собой столбчатый элемент, собранный из соосных пьезокерамических колец. Расстояние между осями излучателей должно быть порядка длины волны в среде. Каждый цилиндрический излучатель 5 герметизирован резиновым чехлом (на чертежах не показан). Наружная боковая поверхность каждого излучателя 5, обращенна к периферии кольцевой камеры 4 закрыта на 180° акустическим экраном 6. В качестве излучателей 5 могут быть также использованы стержневые излучатели, излучающие поверхности которых обращены к оси установки. Высота излучателей 5 соответствует вертикальному размеру кольцевой камеры 4, определяемому требуемой производительностью установки. В боковой стенке ванны 2 напротив излучателей вырезаны окна, закрытые плоскими прямоугольными тонкими метал.1шческими пластинами 7. Материал стенок, толщина и размеры пластин выбираются такими, чтобы обеспечить коэффициент прохождения волны близким к 100% при углах падения ±45°. Стенки ванны могут быть вьщолнены и иным образом, например, в виде тонкой сплопшой цилиндрической оболочки (на чертежах этот вариант не показан), однако при этом в ней могут возникнуть паразитные колебания, несколько снижающие прохождение волоя.
По оси ванны установлен жесткий цилиндрический отражатель 8 диаметром в нескоярсо длин волн на рабочей частоте в моющем растворе.
деталями 9 приводятся во вращение с помощью механизма поворота 11. Размеры очищаемых деталей должны быть порядка длины волны на рабочей частоте в моющем растворе.
Для обеспечения высокой интенсивности акустического поля (более 10 Вт/см) в установке предусмотрена возможность создания избыточного статического давления до 0,3 Мпа. В соответствии с этим подбирается определенная толщина стенок бака. Прочностные параметры излучателей (электрическая и тепловая прочность) с учетом высоких интенсивностей акустического поля обеспечиваются подбором материалов и особенностями конструкции излучателей, а также режимом их работы. Так, для пьезокерамических колец используется высокоэффективная керамика ЦТБС-3, механическая прочность колец обеспечивается путем их армирования (сжатия в окружном направлении) стеклопластиком, а тепловая прочность - выбором определенной скважности задающего радиоимпульса, подаваемого на излучатели от генератора питания.
Ультразвуковая установка работает следующим образом. При подаче на излучатели 5 электрического напряжения, они излучают акустические колебания, направленные к оси установки. Поскольку стенки ванны 2 выполнены звукопрозрачными, акустические колебания распространяются в ванну 2 с моющим раствором и отражаются от акустического отражателя 8, установленного по оси ванны. Образовавщееся поле ультразвуковых колебаний воздействует на очищаемые поверхности загрязненных деталей 9. Поле в ванне 2 из-за многократных отражений от отражателя 8 и поверхностей ванны 2 носит характер стоячих волн. При вращении держателей 10 все очищаемые детали 9 пересекают пучности поля, что обеспечивает равномерность воздействия поля.
Введение отражателя в конструкцию установки увеличивает объем с высокой интенсивностью поля в ванне, по крайней мере, в три раза по сравнению с эквивалентным объемом аналогичной ванны без отражателя.
Рассмотренный вариант конструкции позволяет совместить высокую эффективность с высокой производительностью очистки поверхностей деталей нефтяного оборудования.