CC BY
135
УДК 620.9, 621
Н. Е. Курносов, К. В. Лебединский
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ОТ МАСЛЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Аннотация. Приведена методика и результаты экспериментального исследования динамики процесса гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей из различных материалов от масляных загрязнений и влияния основных технологических параметров на продолжительность выполнения операции. Ключевые слова: гидродинамическая кавитация, экспериментальный образец, очистка, аэрирование.
Abstract. The article describes a technique and results of an experimental research of dynamics of various detail surfaces hydrodynamic cavitational cleaning from lubricated pollution and the influence of the basic technological parameters on durations of operational execution.
Key words: hydrodynamic cavitation, experimental sample, clearing, aeration.
Введение
Современный уровень развития техники в мировом масштабе вызывает необходимость обеспечения конкурентоспособности машиностроительной продукции за счет улучшения ее потребительских свойств и адекватного удешевления производства.
Анализ способов повышения качественных показателей на промышленных предприятиях Пензенской области показал, что наиболее распространенными являются применение прогрессивных методов обработки и придания поверхности изделий защитных, декоративных и специальных свойств с помощью гальванических покрытий.
В технологическом процессе перед гальванопокрытием требуется проведение очистки и травления деталей. Специфичность данной операции заключается в повышенных требованиях к качеству очистки, так как подготовка поверхности является определяющим фактором качества последующего покрытия. Отклонение от критериев по чистоте поверхности и технологических режимов осуществления процесса очистки приводит к появлению дефектов покрытия и выбраковки изделий.
Основными загрязнениями на поверхностях деталей являются смазочно-охлаждающие технологические средства, преимущественно масляные эмульсии жидкостей, применяемые при изготовлении с обработкой резанием, удаление которых осуществляется физико-химическим способом очистки при погружении в моющий раствор. По различным данным, очистка и подготовка поверхности достигает 10 % трудоемкости изготовления [1, 2].
Для повышения производительности процесса наиболее перспективным направлением является использование гидродинамической кавитации, позволяющей достичь высокого качества очистки за счет ее комплексного воздействия при существенном снижении операционного времени. Однако в научной литературе не в полной мере приводятся данные по влиянию различных факторов на процесс гидродинамической кавитационной очистки по-
верхностей деталей от жидкостных загрязнений, нечетко отражены рекомендации по подбору рациональных параметров процесса и назначению технологических режимов, требуемых для проектирования технологической операции [3-5].
Целью работы является выявление рациональных технологических параметров гидродинамической кавитационной очистки от масляных загрязнений и определение динамики процесса для образцов из различных материалов.
1. Методика проведения экспериментальных исследований
В качестве экспериментальных образцов взяты простые по форме (цилиндрические) образцы из различных материалов, часто встречающиеся в машиностроительном производстве (алюминий, сталь, бронза, фторопласт, эбонит) (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальные образцы
Для приближения к реальным условиям производства данные образцы подвергались обработке (чистовому точению) на токарно-винторезном станке
(рис. 2) с применением смазочно-охлаждающей жидкости (минеральное масло 8ЛБ 20^-20 АР1 8Б/СБ).
Рис. 2. Токарно-винторезный станок
Для проведения экспериментальных исследований был сконструирован и изготовлен специальный испытательный стенд (рис. 3).
Рис. 3. Испытательный стенд: 1 - насосный агрегат; 2 - моечная ванна;
3 - вихревое гидродинамическое кавитационное устройство
В состав испытательного стенда входят емкость объемом 40 л, электронагревательный элемент мощностью 2,3 кВт, насосный агрегат ЦНС 4/100 К5 (мощностью 2,2 кВт и производительностью 3,6 м3/ч), вихревое гидродина-
мическое кавитационное устройство с возможностью аэрирования жидкости ВК-10 (рис. 4, З).
Рис. 4. Схема ВК-10 Рис. З. Внешний вид ВК-10
Для контроля и поддержания температуры раствора использован измеритель-регулятор ТРМ 138-Р (зав. № 0З8З0090З02062610, 19.0З.2009, заводская поверка: техконтроль ПО «Овен») с термодатчиками (2 термопреобразователя сопротивления ДТС014-50М.В3.20/1 (зав. № 06693100707416616, 18.08.2010, № 06693100807433667, 31.08.2010, заводская поверка: техконтроль ПО «Овен»)), преобразователь интерфейса АС-4 (RS485-USB) для связи с ПК (зав. № 10162090702087145, 1З.07.2009, заводская поверка: техконтроль ПО «Овен»), программное обеспечение фирмы Oven. Энергопотребление измеряется счетчиком электроэнергии CE 303 S31 746-IAVZ (зав. № 009333031000019, 16.04.2010, заводская государственная поверка). Расход воздуха через эжекционное отверстие контролировалось с использованием расходомера Bronkhorst F-113AC-M50-AGD-44-V серийный № M10207381A (сертификат калибровки № BHTC69/CL9/992786 от 8.09.2010). Количество химического вещества измерялось на весах фирмы «Масса-М» ВК-1З00.1 (зав. № 010235, 2010, заводская государственная поверка).
Оборудование соединено с ЭВМ, данные обрабатывались соответствующим программным обеспечением, анализировались, выводились на экран и записывались.
Экспериментальные исследования проводились путем определения продолжительности гидродинамической кавитационной очистки образцов.
Контроль качества поверхности после очистки выполнялся люминесцентным методом. Критерием качества очистки являлось полное удаление загрязнения с поверхности образца без перетравливания.
На рис. 6 показана применяемая измерительная установка.
2. Анализ результатов экспериментального исследования
На основе планирования факторного эксперимента типа 23 проведена оценка степени влияния основных технологических факторов на продолжительность процесса очистки tOT, мин.
На основе проведенного качественного анализа и результатов предварительных экспериментальных исследований при построении математической модели в качестве факторов, влияющих на продолжительность гидродинамической кавитационной очистки, приняты: Х\ - температура раствора, °С; X2 - концентрация КаОИ, %; Xз - степень аэрирования.
Рис. 6. Измерительная установка
Степень аэрирования раствора определяется как отношение объема эжектируемого воздуха ) к объему жидкости, проходящей гидродинамическое кавитационное устройство (Уж).
Выбор в качестве химического вещества именно КаОИ объясняется тем, что оно используется как основное в большинстве моющих растворов при кавитационной очистке, обезжиривании и травлении поверхностей деталей.
Обработка полученных данных проводилась с использованием ЭВМ. Результаты опытов в виде графических зависимостей представлены на рис. 7-9.
Установлено, что повышение температуры технологической среды обеспечивет нелинейное сокращение продолжительности очистки, а динамика процесса для образцов из рассматриваемых материалов имеет стабильную закономерность и зависит от вида материала по смачиваемости его поверхности.
Экспериментально определено, что увеличение концентрации КаОИ обеспечивает снижение времени очистки в нелинейной зависимости, а повышение концентрации раствора более 1 % (10 г/л) нецелесообразно из-за того, что продолжительность очистки существенно не уменьшается, а контроль момента перетравливания поверхности значительно усложняется.
Получено, что при гидродинамической кавитационной очистке и дополнительном одновременном аэрировании достигается сокращение затрат
времени на осуществление операции при увеличении количества подаваемого воздуха, близкое к линейной зависимости. Однако качество очистки не достигается при увеличении степени аэрирования более 0,286.
‘Сталь ■ Рис. 7.
Температура, с 5ронзэ Алюминий
Фторопласт
Збснит
Продолжительность гидродинамической кавитационной очистки при изменении температуры жидкости
Рис. 8. Продолжительность гидродинамической кавитационной очистки при изменении концентрации №ОИ
Продолжительность очистки, мин
14
і
= О
О 0,05 0.1 0,15 0,2 0,25 0,3
Степень аэрирования —*—Сталь Ш Еронза Алюминий —Я—Фторопласт —Эбонит
Рис. 9. Продолжительность гидродинамической кавитационной очистки при изменении степени аэрирования
Исходя из полученных данных установлено, что процесс очистки может быть описан только нелинейной моделью.
Для нахождения уточненных значений промежуточных точек факторного пространства проведены дополнительные экспериментальные исследования с добавлением центральных точек.
После обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ и перехода от кодовых обозначений к натуральным, получена математическая модель, характеризующая влияние температуры, концентрации раствора NaOH и аэрирования на продолжительность гидродинамической кавитационной очистки образца, находящегося в зоне стабильной кавитации:
0 = ам (1644,94 - 19,66Т - 1513,36с -5878,48.? + 0,13Т2 +
+1340,37с2 +12719,16^2 + 2,3сТ + 4,6Щ - 241,4«?с), с. (1)
При этом коэффициент ам учитывает материал образца и составляет для стали ам = 1, алюминия ам = 1,05, бронзы ам = 0,98, фторопласта ам = 1,25 и эбонита ам = 0,88.
На рис. 10 показаны примеры полученных данных продолжительности гидродинамической кавитационной очистки в графическом виде.
Выполнена проверка полученной модели по критерию Фишера. Для расчета ошибки экспериментальных исследований применен метод наименьших квадратов. Расчетное значение критерия оказалось меньше табличного при 95 % уровне значимости, что позволяет говорить об адекватности отражения реальных закономерностей процесса полученной математической моделью.
Рис. 10. Продолжительность гидродинамической кавитационной очистки, определенная теоретически (кривые 1-6) и экспериментально (кривые 7-12):
1, 7 - гидродинамическая кавитационная очистка; 2, 8 - гидродинамическая кавитационная очистка в растворе №ОИ (концентрация 0,2 %);
3, 9 - гидродинамическая кавитационная очистка в растворе №ОИ (концентрация 0,4 %); 4, 10 - гидродинамическая кавитационная очистка с аэрированием (степень аэрирования 0,286); 5, 11 - гидродинамическая кавитационная очистка в растворе №ОИ (концентрация 0,2 %) и аэрированием (степень аэрирования 0,286); 6, 12 - гидродинамическая кавитационная очистка в растворе №ОИ (концентрация 0,4 %) и аэрированием (степень аэрирования 0,286)
Заключение
Таким образом, экспериментально установлено, что для качественной подготовки поверхности при выполнении операции гидродинамической кавитационной очистки образцов из стали, алюминия, бронзы, фторопласта и эбонита в щелочном растворе КаОИ с аэрированием от масляных загрязнений рекомендуется выбирать следующие диапазоны технологических режимов: время обработки tоч = 2,5...1 мин, концентрация КаОИ 0,2-0,4 %, температура раствора 40-60 °С при степени аэрирования 0,286.
Продолжительность операции в данных диапазонах (при нахождении детали в пределах зоны стабильной кавитации) представлена в табл. 1.
Таблица 1
Продолжительность гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием
Температура раствора, °С Время очистки (мин) при концентрации №ОИ (%)
0,2 0,3 0,4
40 2,5 1,9 1,4
50 1,8 1,4 1,0
60 1,3 1,0 0,8
Список литературы
1. Смирнов, Н. С. Очистка поверхности стали / Н. С. Смирнов, М. Е. Простаков, Я. Н. Липкин. - М. : Металлургия, 1978. - 232 с.
2. Козлов, Ю. С. Очистка изделий в машиностроении / Ю. С. Козлов и др. - М. : Машиностроение, 1982. - 264 с.
3. Флинн, Г. Физика акустической кавитации в жидкостях / Г. Флинн // Физическая акустика / под ред. У. Мэзона. - М. : Мир, 1967. - Т. 1, Ч. Б. - С. 7-138.
4. Розенберг, Л. Д. Физика и техника мощного ультразвука. Т. III. Физические основы ультразвуковой технологии / Л. Д. Розенберг. - М. : Наука, 1970. - 686 с.
5. Козырев, С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации / С. П. Козырев. - М. : Машиностроение, 1964. - 140 с.
Курносов Николай Ефимович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой транспортнотехнологических машин и оборудования, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Лебединский Константин Валерьевич ведущий инженер, кафедра транспортнотехнологических машин и оборудования, Пензенский государственный университет
E-mail: [email protected]
Kurnosov Nikolay Efimovich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of transport-technological machines and equipment, Penza State University
Lebedinsky Konstantin Valeryevich Engineering manager, sub-department of transport-technological machines and equipment, Penza State University
УДК 620.9, 621 Курносов, Н. Е.
Экспериментальные исследования гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений / Н. Е. Курносов, К. В. Лебединский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 2 (22). - С. 117-125.
