Закономерности распределения активности кавитации в ультразвуковой ванне

Доклады БГУИР_DokladyBGUIR

2018, № 3

УДК 621.9.048.6

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ КАВИТАЦИИ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВАННЕ

Н.К. ТОЛОЧКО1, А Н. ЧЕЛЕДИНОВ2, В.Л. ЛАНИН3

1 Белорусский государственный аграрный технический университет, Республика Беларусь 2ОАО «Красносельскстройматериалы», Республика Беларусь 3Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь

Поступила в редакцию 7 марта 2018

Аннотация. Экспериментально изучены особенности неравномерной очистки поверхности предметов в ультразвуковой ванне, обусловленной неоднородным распределением активности кавитации в объеме воды, заполняющей ванну.

Ключевые слова: ультразвуковая ванна, активность кавитации, очистка поверхности.

Abstract. The features of the non-uniform cleaning of the objects surface in an ultrasonic bath caused by the irregular distribution of cavitation activity in the volume of water filling the bath are studied experimentally.

Keywords: ultrasonic bath, cavitation activity, surface cleaning.

Doklady BGUIR. 2018, Vol. 113, ]Чо. 3, pp. 88-93 Regularities of distribution activity of cavitation in ultrasound bath N.K. Tolochko, A.N. Cheledinov, V.L. Lanin

Введение

Ультразвуковые (УЗ) ванны широко применяются для удаления загрязнений с поверхности изделий электроники, оптических и ювелирных изделий, медицинских инструментов, деталей машин. Эффективность УЗ очистки повышается с активностью акустической кавитации ак в жидких средах. На практике необходимо создавать такие условия воздействия ультразвука, при которых достигается равномерное удаление загрязнений с поверхности очищаемых предметов. Эффективность УЗ очистки зависит как от выбора частоты и интенсивности ультразвука, так и от однородного распределения ак по всему объему моющей жидкости в УЗ ванне. Однако экспериментальные данные [1] показывают, что ак распределяется по объему жидкости в рабочей полости УЗ ванны неоднородно, из-за чего поверхности очищаются неравномерно. Характер влияния объемной неоднородности ак на равномерность УЗ очистки до сих пор исследован недостаточно. Данная статья посвящена экспериментальному изучению особенностей неравномерной очистки поверхности предметов в УЗ ванне, обусловленной неоднородным распределением ак в объеме воды, заполняющей ванну.

Методика проведения исследований

Кинетика процесса очистки с учетом активности кавитации описывается уравнением [2]

^ = 1 - °'5\ (1) т

где Am и m - удаленная и исходная масса материала.

Энергетическую оценку активности действия кавитации можно дать с помощью безразмерного критерия эрозионной активности представляющего отношение мощности, запасаемой кавитационным пузырьком в единичном объеме жидкости за единичное время при расширении полости к средней удельной мощности в фазе захлопывания. Выразив значения

мощностей через параметры полости, получим [3]

•

min J

где At - время захлопывания полости, f - частота ультразвуковых колебаний; Rmin, Rmax -минимальное и максимальное значения радиуса полости.

Однако ввиду нестационарного характера кавитации определение размеров захлопывающихся полостей затруднено, поэтому для оценки активности кавитации применяют косвенные методы. Значения ак оценивали по среднему кавитационному давлению в локальной зоне с помощью кавитометра ICA-4D-M (БГУИР). Прибор отличается высокой степенью локализации измеряемой зоны кавитации и измеряет в относительных единицах активность захлопывающихся и пульсирующих кавитационных пузырьков. Об уровне ак судили по величине электрического напряжения, создаваемого в пьезоэлектрическом датчике, соединенном с погружным волноводом, которое указывалось на индикаторной шкале кавитометра.

Эксперименты выполняли на УЗ моечной установке типа УЗУ-0,25. УЗ генератор имел потребляемую и выходную мощность соответственно 450 и 250 Вт, рабочую частоту - 18 кГц. Ванна с размерами полости: длина 22 см, ширина 17 см, глубина 16 см и объемом 4,5 л была снабжена тремя пьезоэлектрическими преобразователями, встроенными в центральную часть ее дна. Ванну заполняли водой, высота столба воды составляла 12 см (рис. 1).

Исследования проводили как в незагруженной, так и в загруженной ванне. В качестве загружаемых в ванну объектов использовали модельные образцы, выполненныев виде дисков из плотной резины диаметром 6 см и толщиной 2 см. Требуемое положение горизонтально ориентированных дисков в объеме воды обеспечивали с помощью проволочных держателей. Диски загружали двумя способами. В первом варианте загрузки диски размещали в два слоя, по четыре диска в каждом слое. Во втором варианте загрузки диски размещали в три слоя, по три диска в верхнем и нижнем слоях и шесть дисков в среднем слое. В пределах каждого слоя диски располагали над излучателями в центральной части полости ванны. Диски, находящиеся в соседних слоях, частично перекрывали друг друга. Расстояние между соседними слоями, а также между нижним слоем и дном ванны составляло 2 см.

[0

гг р

8

10 11

Рис. 1. Схема измерений активности кавитации: 1 - штатив, 2 - датчик, 3 - температурный датчик, 4 - пьезокерамический излучатель, 5- УЗ ванна, 6 - частотомер, 7 - УЗ генератор, 8 - кавитометр, 9 - электронный термометр, 10 - проволочный держатель, 11 - образцы

При проведении измерений ак вертикально расположенный щуп кавитометра погружали в воду, заполняющую ванну, так что его концевая часть (гидрофон) размещалась в полости ванны над центральным участком дна (где располагались излучатели) на разном расстоянии Н от излучателей, т. е. от дна ванны (минимальная величина Н составляла 2-3 мм). В загруженной ванне щуп кавитометра погружали в воду в зазорах между дисками.

Результаты исследований и их обсуждение

При распространении УЗ волны в жидкой среде происходят необратимые потери энергии, обусловленные внутренним трением (вязкостью) жидкости и теплопроводностью жидкой среды. В результате этих потерь интенсивность УЗ колебаний снижается по экспоненциальному закону:

I=I:

где 10 - интенсивность колебаний при х = 0, а- коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения складывается из двух составляющих, обусловленных вязкостью жидкости и ее теплопроводностью: а = а1+ а2.

Коэффициент поглощения, обусловленный вязкостью, прямо пропорционален вязкости П и квадрату частоты / и обратно пропорционален плотности жидкости р и квадрату скорости звука с [3]: 4%ц/'2

3рс2

Для воды на частоте 18 кГц этот коэффициент составляет (0,65-0,7)-10-

м

Коэффициент поглощения, обусловленный теплопроводностью жидкости, определяется как

2я2К ( Ср_ _ ^ С

2 X2р С . .

1с р \

где К - коэффициент теплопроводности, X - длина УЗ волны, рс - акустическое сопротивление, Су;Ср - удельные теплоемкости при постоянном объеме и давлении.

Для водных сред очистки коэффициент поглощения, обусловленный теплопроводностью среды, составляет (0,072-0,08) •Ю-3 м-1 .

На рис. 2 представлены типичные кривые зависимости ак(Н). Кривая 1 получена для незагруженной ванны, кривые 2 и 3 - для ванны, загруженной дисками (для двух разных вариантов загрузки соответственно).

н.сгл

Рис. 2. Зависимости активности кавитации ак от расстояния Н от излучателей в УЗ ванне: 1 - незагруженная ванна; 2 и 3 - ванна загружена дисками

Кривая 1 имеет вид нисходящего синусоидального затухающего тренда. Нисходящий характер кривой, т. е. уменьшение ак с удалением от излучателей обусловлено затуханием УЗ волн в результате их поглощения водой. В свою очередь, синусоидальный характер кривой свидетельствует о наличии стоячей УЗ волны. Выявление синусоидальной формы кривой является следствием высокой локальности измерений, осуществляемых кавитометром, благодаря чему он воспринимает изменения ак, соответствующие чередованиям областей

разрежения и сжатия. Эти чередования следуют вдоль направления распространения УЗ волны через полуволновые периоды А/2 ~ 4 см (длина волны в воде А = V// ~ 8 см, скорость звука в воде v= 1480 м/с, частота колебаний / = 18 кГц).

Кривая 2 имеет вид нисходящего синусоидального затухающего тренда подобно кривой 1, но при этом у нее есть ряд отличий от кривой 1. Во-первых, кривая 2 расположена ниже кривой 1 и, кроме того, амплитуда синусоиды у кривой 2 меньше, чем у кривой 1. Это означает, что загрузка ванны в целом приводит к снижению ак. Во-вторых, кривая 2 идет менее круто, чем кривая 1. Казалось бы, это должно приводить к уменьшению различий в значениях ак вблизи излучателей и у водной поверхности - акиз и аквп, соответственно. Однако на самом деле имеет место обратная картина: загрузка ванны приводит к увеличению различий в указанных значениях, что объясняется их общим снижением. Действительно, о степени влияния загрузки ванны на уменьшение ак по высоте столба воды можно судить по величине соотношения уз1/унз, где уз1 = (ак.из/ак.вп)31 соответствует загруженной ванне (первый вариант загрузки) и унз = (ак.из/ак.вп)ш -незагруженной ванне. Для того чтобы более точно оценить значения ак.из и аквп, т. е. общее уменьшение ак по высоте столба воды в ванне -от излучателей до водной поверхности, предпочтительно рассматривать вместо экспериментальных кривых синусоидальной формы соответствующие им срединные кривые (на рис. 2 изображены пунктиром). С учетом усредненных результатов ряда измерений, выполненных кавитометром, получаем (для серединных кривых): уз1 ~ 4,6 и унз ~ 3,1 и, соответственно, уз1/унз ~ 1,5. Таким образом, уменьшение ак по высоте столба воды для ванны, загруженной по варианту 1, в 1,5 раза больше, чем для незагруженной ванны.

Отмеченные выше отличия кривой 2 от кривой 1 свидетельствуют о влиянии загрузки ванны дисками на характер распределения ак по объему воды в ванне. Это влияние обусловлено тем, что диски представляют собой препятствия распространению УЗ волн, вызывающие их многократные рассеяния.

Влияние загрузки ванны на характер распределения ак усиливается с увеличением количества загружаемых дисков, о чем свидетельствует вид кривой 3. Во-первых, кривая 3 расположена ниже кривой 2 и, кроме того, амплитуда синусоиды у кривой 3 меньше, чем у кривой 2. Практически кривая 3 теряет свой синусоидальный характер и становится близкой по своему виду к нисходящей серединной кривой. Во-вторых, кривая 3 идет менее круто, чем кривая 2. При этом степень влияния загрузки ванны на уменьшение ак по высоте столба воды характеризуется соотношением уз2/унз ~ 1,6 (здесь ~ 5,0).

Активность кавитации изменяется пропорционально интенсивности УЗ волн, которая уменьшается по экспоненциальному закону с увеличением расстояния Н от излучателя в результате поглощения УЗ волн водой [4]. Соответственно, с увеличением Н по такому же закону уменьшается и активность кавитации.

Таким образом, зависимость ак(Н), представленная нисходящей серединной кривой для незагруженной ванны (рис. 2), имеет вид

«к = акое-кН,

где аКО - активность кавитации у поверхности излучателя (Н = 0), к - коэффициент поглощения УЗ волн водой: чем больше к, тем сильнее снижается аК.

При уменьшении ак в е раз показатель степени кН = 1, откуда следует, что к = 1/Н. Таким образом, коэффициент поглощения к обратно пропорционален расстоянию распространения УЗ волны, на котором уровень кавитации убывает в е раз.

Уравнение (6) приблизительно описывает серединную кривую 1 на рис. 2 при аКО = 38,35 и к = 0,1 и имеет вид

ак = 38,35 е-0'1Н.

Зависимость аК(Н) для незагруженной ванны, представленная на рис. 2 нисходящей затухающей синусоидальной кривой 1, описывается эмпирическим уравнением

ак= [аКо+тт

где пит - амплитуда и частота синусоидальной кривой [5]. При п ^ 0 и/или т ^ 0 затухающая синусоидальная кривая вырождается в нисходящую серединную кривую.

С учетом полученных экспериментальных результатов зависимость ак(Н) как

для незагруженной, так и для загруженной ванны может быть описана в общем виде следующим эмпирическим уравнением:

а^ [ат+рп$,т

где Q, q ир - безразмерные коэффициенты.

Коэффициент Q ^ < 1) определяет снижение положения затухающей синусоидальной кривой ак(Н), коэффициент р (р < 1) - уменьшение амплитуды синусоиды, а коэффициент q (ц < 1) - уменьшение крутизны этой кривой в результате загрузки ванны объектами.

При Ql = 1, р! = 1 и q\ = 1 уравнение (9) сводится к уравнению (6), описывающему зависимость ак(Н) для незагруженной ванны (кривая 1 на рис. 2).

При Q <1, р <1 и q <1 уравнение (9) описывает зависимость ак(Н) для загруженной ванны. По мере увеличения количества загружаемых объектов значения Q, р и q уменьшаются. Соответственно, кривая ак(Н) смещается вниз, а амплитуда синусоиды и крутизна этой кривой уменьшаются.

Для описания с помощью уравнения (9) зависимостей ак(Н) для загруженной ванны, представленных на рис. 2, следует ввести, соответственно, коэффициенты Q2, q2 и р2 -для кривой 2 и коэффициенты Q3, q3 и р3 - для кривой 3.

Между всеми этими коэффициентами имеют место следующие соотношения: Ql > Q2 > Qз, ql> q2 > qз, р1 > р2 > рз.

Следует заметить, что значения Q, р и q могут зависеть как от степени загрузки ванны объектами, т. е. от относительного объема, занимаемого объектами в ванне, так и от характера загрузки, т. е. от количества, размеров и формы объектов, а также от их расположения в ванне. Поэтому весьма сложно определять экспериментальным путем значения Q, р и q для каждого конкретного варианта загрузки ванны с учетом всех указанных факторов.

В упрощенном случае о влиянии загрузки ванны на зависимость ак(Н) можно судить по виду соответствующей нисходящей серединной кривой, описываемой выражением

ак = QаmeqkH .

Уравнение (10) приблизительно описывает серединные кривые 2 и 3 на рис. 2 при QаKo = 32,18 и qk = 0,14 (кривая 2) и QаKo = 22,59 и qk = 0,13 (кривая 3) и имеет вид

аК = 32,18 е-014Н

ак = 22,59 е"013Я

Заключение

Результаты исследований показывают, что в объеме моющей жидкости, заполняющей УЗ ванну, оснащенную донными излучателями, активность кавитации распределяется весьма неоднородно, что обусловлено затуханием УЗ волн вследствие их поглощения жидкостью, наличием чередующихся областей разрежения и сжатия вдоль направления распространения волн, рассеянием волн на погруженных в ванну объектах. Это может приводить к существенно-неравномерному удалению загрязнений с поверхности разных объектов, одновременно погруженных в ванну, а также с разных участков поверхности одного и того же объекта, что следует учитывать на практике при выборе оптимальных условий процесса очистки деталей в УЗ ваннах.

Для повышения равномерности активности кавитации в объеме ванны и соответственно увеличения качества очистки изделий в загруженных изделиями ваннах рекомендуется применять частотную девиацию УЗ сигнала [6]. Это позволяет периодически изменять длину волны УЗ и смещать во времени области разряжения и сжатия, усредняя тем самым активность кавитации в объеме ванны.

Список литературы

1. Томаль В.С., Ланин В.Л. Ультразвуковая очистка микрорельефных поверхностей оптоэлектронных изделий // Фотоника. 2007. № 4. С. 35-40.

и

2. Новицкий В.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия, 1983. 191 с.

3. Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука. М: Высшая школа, 1987. 352 с.

4. Голых Р.Н. Повышение эффективности ультразвукового кавитационного воздействия на химико-технологические процессы в гетерогенных системах с несущей высоковязкой или неньютоновской жидкой фазой: дис. канд. тех. наук: 05.17.08. Барнаул, 2014.

5. Факторы неравномерной очистки деталей машин в ультразвуковых ваннах / Н.К. Толочко [и др.] // Вест. машиностроения. 2017. № 4. С. 82-85.

6. Lanin V.L.,Tomal V.S. Increase ultrasonic cleaning efficiency of electronics modules // Engineering. 2013. № 5. P. 191-195.

References

1. Tomal' V.S., Lanin V.L. Ul'trazvukovaja ochistka mikrorel'efnyh poverhnostej optojelektronnyh izdelij // Fotonika. 2007. № 4. S. 35-40.

2. Novickij V.G. Primenenie akusticheskih kolebanij v himiko-tehnologicheskih processah. M.: Himija, 1983. 191 s.

3. Agranat B.A. Osnovy fiziki i tehniki ul'trazvuka. M: Vysshaja shkola, 1987. 352 s.

4. Golyh R.N. Povyshenie jeffektivnosti ul'trazvukovogo kavitacionnogo vozdejstvija na himiko-tehnologicheskie processy v geterogennyh sistemah s nesushhej vysokovjazkoj ili nen'jutonovskoj zhidkoj fazoj: dis. kand. teh. nauk: 05.17.08. Barnaul, 2014.

5. Faktory neravnomernoj ochistki detalej mashin v ul'trazvukovyh vannah / N.K. Tolochko [i dr.] // Vest. mashinostroenija. 2017. № 4. S. 82-85.

6. Lanin V.L.,Tomal V.S. Increase ultrasonic cleaning efficiency of electronics modules // Engineering. 2013. № 5. P. 191-195.

Сведения об авторах

Толочко Н.К., д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры технологии металлов Белорусского государственного аграрного технического университета.

Челединов А.Н., инженер ОАО «Красносельск-стройматериалы».

Ланин В.Л., д.т.н., профессор, профессор кафедры электронной техники и технологии Белорусского университета информатики и радиоэлектроники.

Information about the authors

Tolochko N.K., D.Sci., professor, professor of metal technology department of Belarusian state agrarian technical university.

Cheledinov A.N., engineer of OJSC «Krasnoselsk-stroimaterialy».

LaninV.L. D.Sci, professor, professor of electronic technique and technology department of Belarussian state university of informatics and radioelectronics.

Адрес для корреспонденции

220023, РеспубликаБеларусь, г. Минск, пр. Независимости, 99/2, Белорусский государственный аграрный технический университет тел. +375-29-710-48-26; e-mail: n.tolochko@hotmail.com Толочко Николай Константинович

Address for correspondence

220023, Republic of Belarus, Minsk, Nezavisimosti ave., 99/2, Belarusian state agrarian technical university tel. +375-29-710-48-26; e-mail: n.tolochko@hotmail.com Tolochko Nikolay Konstantinovich