CC BY
162
УДК 621.7
Н.Е. Курносов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (8412)368071, [email protected] (Россия, Пенза, ПГУ),
К.В. Лебединский, асп., вед. инженер, (8412)368071, !ку [email protected] (Россия, Пенза, ПГУ)
К ВОПРОСУ ГИДРОКАВИТАЦИОННОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Рассмотрен вопрос интенсификации процесса очистки машиностроительных изделий. Предложена методика расчета очистки изделий от загрязнений в общем виде, и от действия кавитации, преимущественно сформированной гидродинамическим методом. Описаны факторы, влияющие на производительность процесса.
Ключевые слова: очистка, адгезия загрязнений, интенсификация процесса, кавитация.
Современный уровень высокоточной техники и технологий требует соответственного обеспечения качества, соблюдаемой на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации деталей, узлов и агрегатов. Анализ вопроса, связанного с технологиями промышленного изготовления изделий, входящих в состав механизмов и машин, позволяет утверждать, что в любой технологической цепочке производства должна присутствовать качественная очистная операция, особенно перед финишными операциями нанесения покрытий и сборкой. Это в значительной мере влияет на точность контрольных операций, что, в свою очередь, на повышения точности и надежности машиностроительной продукции
Высококачественная очистка изделий - сложная, трудоемкая, а с учетом сегодняшней стоимости энергоресурсов - критически затратная технологическая операция любого производства. С целью снижения энер-го- и трудозатрат на проведение очистной операции требуется совершенствование данного технологического процесса.
Анализ существующих технологий и оборудования для очистки изделий, используемых на предприятиях показывает, что эффективное энергоемкое оборудование существует, но на производстве применяется устаревшее оборудование, так как приобретение современных моечных машин предполагает существенные затраты и перестройки технологической цепочки производства.
Наиболее перспективным и не столь кардиальным способом повышения качества очистки и снижения потребления ресурсов в условиях сегодняшнего состояния производств является использование комплексной интенсификации процессов.
Из анализа методов и способов интенсификации, и, применительно для очистки изделий, в большей степени интенсифицировать очистной процесс можно за счет кавитационных процессов, и, объединить большин-
147
ство интенсификационных методов за счет устройств гидрокавитационного воздействия.
В отличие от ультразвуковой гидродинамическая кавитация может объединять в себе: воздействия кавитационных пузырьков, потока очищающей среды, повышение температуры среды без дополнительных устройств нагрева, гидравлическое воздействие физико-химического процесса растворения и воздействия на химические вещества и т.д.
Анализ работ в области кавитационной обработки показывает, что к настоящему времени накоплен обширный материал, отражающий результаты исследований и практику применения кавитационных эффектов. Тем не менее, основная часть литературных источников описывают кавитационные явления, происходящие под действием ультразвука. Гидродинамическая кавитация еще не в полной мере изучена и поиск путей совершенствования и расширения возможностей её использования, несомненно, является актуальной проблемой дальнейшего развития кавитационной техники и технологий, в частности, как метода комплексной интенсификации процессов очистки изделий от загрязнений.
На основании выше изложенного цель работы является исследование механизма очистки деталей от загрязнений по адгезии загрязнений на поверхности изделия, механизма действия кавитации при очистке, оценки степени влияния различных факторов на интенсификацию процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо установить закономерности процесса очистки, для чего рассмотреть физику данного процесса, выявить основные принципы очистки (адгезии загрязнений, кавитационного действия и условий при которых процесс очистки является наиболее эффективным) и закономерности, влияющие на производительность очистной технологической операции.
Удаление загрязнений это всегда в той или иной мере затрата работы на отделение загрязнения от очищаемой поверхности. При этом задача сводится к преодолению сил сцепления между соприкасающимися телами, которые определяются энергией взаимодействия частиц на границе раздела этих тел.
В общем виде формула для вычисления работы Л по отделению загрязнения от очищаемой поверхности [1]
Л = W ■ 5,
где W - работа отделения загрязнения от поверхности; 5 - поверхность контакта загрязнения с очищаемым телом.
В то же время, работа по отделению загрязнения складывается из работы разделения двух соприкасающихся фаз, отнесенной к единице поверхности раздела - работы адгезии Жа, работы на преодоление сил связи между частицами загрязнения и повышение температуры очищаемого тела и окружающей среды Жд - сторонней работы, отнесенной к единице пло-
щади контакта.
То есть работа A может быть описана формулой
A = Wa + Wd.
Однако, работа Wd будет зависеть от очищаемого объекта и конкретных условий обеспечения процесса очистки (температуры самого объекта, температуры моющего раствора, РН, концентрации ПАВ и т.д.). Сторонняя работа может характеризоваться, введенным впервые, коэффициентом активности, определяющим отношение максимально возможной активности моющей среды для конкретных условий процесса очистки, степени и характера загрязнения, материала очищаемой детали (концентрации химических веществ, температуры и т.д.) к неактивной моющей
среде i = ^.
?min
Работа адгезии, в свою очередь, будет определяться адгезионным взаимодействием между очищаемым объектом и загрязнением.
Загрязнения, образующиеся на поверхностях деталей и изделий с точки зрения адгезионного взаимодействия могут быть трех видов: жидкости, пленки и частицы.
Адгезионное взаимодействие загрязнений с поверхностью определяются методами количественной оценки этого взаимодействия при помощи адгезионной прочности. Адгезия жидкости, пленок и частиц может быть оценена по силе и работе, которые необходимо приложить для нарушения адгезионного взаимодействия, т.е. для отрыва [2, 3, 4].
Прочность адгезионных связей различных типов загрязнений (жидкостей, пленок, частиц) будет определяться свойствами межмолекулярного взаимодействия этих поверхностей [5, 6]. Соответственно работа адгезии будет отличаться количественно для загрязнений, различных по своей природе.
Взаимодействие частиц с твердой поверхностью различают по их количеству: единичные частицы и слой.
Работа адгезии в случае единичной частицы:
W =F •ПГ2
Wa Fcm 11'к ’
17 2 где Fcm - сила статического прилипания; пгк - площадь контакта частицы
с поверхностью,
Fcm = 2п°2,
где а - сила притяжения (плотность заряда) [5].
В случае слоя частиц
Wa = mg sin а • S,
где m - масса слоя частиц; а - угол наклона поверхности; S - фактическая площадь контакта.
В свою очередь адгезия частиц различается в воздушной (газовой) и жидкой средах. Если высота слоя жидкости в зазоре между контактирующими телами превышает высоту мениска, образующегося при смачивании соприкасающихся тел, то адгезия рассматривается как жидкостная [4].
Удаление жидкостных загрязнений с поверхности нельзя осуществить теми методами, которые применяются в случае адгезии частиц, т.е. путем приложения внешней силы, превышающей адгезионное взаимодействие [2]. Под действием силы происходит деформация жидкости и изменение площади ее контакта с поверхностью.
На практике реализуются два случая взаимодействия жидкости и твердого тела: адгезия капли и адгезия большого количества жидкости [2]. Работа разделения двух контактирующих тел в случаях капли и слоя жидкости будет определяться площадью контакта жидкости (или капли) и твердого тела.
Для жидкостей на поверхности твердого тела основной характеристикой силы адгезионного взаимодействия является поверхностное натяжение, а для твердого тела - смачиваемость, характеризующаяся краевым углом смачивания.
Для обоих типов взаимодействия работу адгезии жидкости можно рассчитать по формуле, предложенной в работе [2].
Жа = ажг ■ (1 + с™0^ где ажг - поверхностное натяжение жидкости; 0 - краевой угол смачивания твердой поверхности.
Поверхностное натяжение ажг и краевой угол смачивания 0 подлежат экспериментальному определению и могут быть достаточно точно измерены и определена работа адгезии жидкости.
Адгезия пленок количественно определяется при помощи методов, основанных на отрыве пленок. Величина адгезии пленок не поддается точному расчету [3]. Работа, необходимая для отрыва может быть определена непосредственно экспериментально с учетом индивидуальных свойств материалов.
В общем виде работа адгезии, применительно к загрязнениям находящимся в жидкости будет иметь вид:
Жа = (аЗ +аТ -аЗТ ) ■5, где аЗ - поверхностное натяжение единицы поверхности отделенного от
поверхности загрязнения; аТ - поверхностное натяжение единицы поверхности тела, очищенной от загрязнения; азт - поверхностное натяжение единицы поверхности соприкосновения тела и загрязнения до очистки; 5 - площадь поверхности контакта.
Теоретическая трактовка процесса очистки сводится к замене одного вещества (загрязнения) другим (очищающим агентом) на одной и той же твердой поверхности [1] под действием определенных сил, превышаю-
150
щих адгезионные силы, т. е. работа очистки должна быть больше работы адгезии, при прочих равных условиях Жд = 0.
Жа < Жо .
Таким образом, необходимо совершить работу достаточную для полного отделения загрязнения от очищаемого тела. Обеспечить данную работу можно воздействием активной моющей среды или кавитацией при определенных условиях.
Очистка поверхностей (эрозия загрязнения), диспергирование твердых частиц и эмульгирование осуществляются, в основном, двумя характерными проявлениями кавитации: ударными волнами и кумулятивными струйками, образующимися при пульсации и схлопывании кавитационных пузырьков.
На загрязненных поверхностях всегда имеются концентраторы напряжений в виде микротрещин, неровностей поверхности и т.п. Под действием интенсивных микропотоков жидкость с кавитационными пузырьками (кавернами) проникает в поры, трещины, под отслоившееся части загрязнения, где при их захлопывании возникает мощное ударное локальное давление с сильной неравномерностью. При этом вызывающее появление в слое загрязнений дополнительных трещин и следов эрозии, способствующих скорейшему разрушению загрязнений.
Кроме того, разрушающее действие каверны может проявиться и при её расширении. В этом случае каверна при резком расширении своими границами может производить удары по окружающей жидкости, которые могут передаваться разрушаемому материалу (загрязнению).
Во время захлопывания кавитационный пузырек излучает ударную волну, которая в окрестности захлопывающегося пузырька может быть достаточно сильной, чтобы сжать ближайшие зародыши до еще меньшего объема. После прохождения ударной волны эти зародыши разрываются, и создается цепочка схлопываний [7].
На основе теории Рэлея давление, развиваемое при захлопывании кавитационного пузырька в слое жидкости, будет
Руд = 0.163 •
Я ЛЗ Я0
V Я у
•Р г
где Я0 - первоначальный радиус пузырька; Я - радиус пузырька в рассматриваемый момент времени; Рг - гидростатическое давление в окружающей жидкости.
Число разрушающих загрязнения ударов составляет лишь небольшую часть от числа схлопывающихся пузырьков. В зависимости от начальных параметров развития кавитации (скорости потока, размеров каверн, и т.д.) может развиваться или не развиваться достаточно высокое давление при схлопывании на загрязненной поверхности. Также может
оказаться, что центр схлопывания расположен слишком далеко от поверхности и образующаяся ударная волна не способна произвести разрушение.
Наиболее сильное воздействие на загрязнения, по мнению [8-10] обуславливается действием микроструек, образовывающихся при схлопы-вании пузырьков. Схлопывание пузырька происходит в сотые и тысячные доли секунды, поэтому окружающая пузырек жидкость занимает его место с большой скоростью, что приводит к возникновению местного кумулятивного удара жидкости.
Кумулятивные струйки разрушают загрязнение на поверхности твердого тела за счет кинетической энергии жидкости. Проникающая в полость каверны при ее разрушении жидкость производит удар, который можно приближенно оценивать по формуле, приведенной в работе [8]:
Ркум = ^ ,
где и - скорость проникновения струи в полость каверны; р - плотность жидкости; в - модуль сжатия жидкости (относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления)
в = (—)(—).
АР V
Согласно данным из работы [17] скорость кумулятивной струи
и
52 р
"3 р,
где р - давление жидкости; р - плотность жидкости.
Разрушение загрязнений происходит под действием многократных кратковременных импульсов напряжения. Для разрушения загрязнения недостаточно захлопывания одиночного пузырька, а необходимо захлопывание в одном и том же месте ряда пузырьков.
В качестве параметра, характеризующего воздействие кавитации, принимается безразмерная величина - индекс кавитации, предложенная Л.Д. Розенбергом:
*= АУ
V
где V - объем воздействующих кавитационных пузырьков; АУ - объем всех кавитационных пузырьков.
Так как кавитационные полости могут занимать (относительно объема всей жидкости) объем от 0 до всего объема, индекс кавитации будет лежать в пределах 0<*<1.
Количество кавитационных пузырьков в единице объема жидкости и интенсивоность ударных волн, возникающих при их захлопывании, определяют эрозионную активность моющей среды.
При недостаточном темпе образования пузырей или при полном их отсутствии разрушение не происходит [11].
152
Принимая идеальное условие протекания процесса очистки (к = 1), в этом случае представляется максимальная эрозионная активность моющей жидкости. Работа очистки - сила, развиваемая при кавитационной очистке, будет равно действию давления от каждого схлопнувшегося пузырька как от действия давления ударной волны от расширения и схлопы-вания, так и от действия кумулятивной струи, умноженное на количество схлопывающихся пузырьков на фактической площади контакта. При этом количество кавитационных пузырей К должно быть столько, чтобы выполнялось следующее условие:
Жа < Жо = (Руд + Ркум )-К-5.
Также необходимо учесть еще одну переменную - характер течения кавитационных полостей относительно очищаемого тела. Процесс должен происходить таким образом, при котором среда окружающая очищаемое тело, должна двигаться по траектории определяющей максимальное покрывание всей поверхности загрязнения, унося оторванные загрязнения со скоростью, при которой смена жидкости происходит с частотой пульсации кавитационной каверны, частотой объемного схлопывания наибольшего числа каверн.
Теперь необходимо отметить факторы (физические свойства жидкостей: температура, газосодержание, плотность, вязкость,
поверхностное натяжение), влияющие на эрозионную активность кавитации.
Известно, что кавитационная эрозия зависит от насыщенности жидкости газом, а значит, напрямую зависит от способности жидкости растворять газ. На содержание газа в пузырьке влияет коэффициент растворимости газа 8. Чем он выше, тем быстрее газ диффундирует из жидкости в пузырек, в результате чего снижается эффективность кавитационного разрушения [10]. Для наиболее эффективной кавитации жидкость должна содержать как можно меньше растворенного газа. Согласно принципу Ле Шателье-Брауна растворимость газов в жидкости будет зависеть от температуры и давления. Давление влияет только при высоком его значении. При очень высоких давлениях изменение объема жидкости в результате растворения в ней газа становится соизмеримым с объемом растворенного газа. Для небольших давлений согласно закону Генри и закону Бойля-Мариотта давление объем растворенного газа не зависит от давления [12]. Поэтому для случая очистки при атмосферном давлении оно не будет иметь существенного значения относительно растворимости газа в жидкостях. Количество растворенного газа в жидкости уменьшается с увеличением температуры. Растворимость газов в воде на порядок ниже, чем в других жидкостях, поэтому водные растворы наиболее распространены при очистке с использованием кавитации. Большая теплопроводность и
меньшая растворимость газа способствуют более интенсивному захлопыванию кавитационной полости.
Исходя из вышесказанного, для достижения качественных результатов очистки чрезвычайно важна дегазация моющих растворов [9].
Еще одно свойство жидкости существенно влияет на процесс разрушения загрязнений - поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение снижается с увеличением температуры.
Плотность воды, в свою очередь, будет зависеть от температуры. Повышение температуры увеличивает химическую активность моющей среды (снижается поверхностное натяжение и вязкость), но до определенных пределов (так как возрастает давление насыщенных паров в пузырьке, снижающее эффективность кавитационного разрушения) [13]. С повышением температуры кавитационная эрозия вначале увеличивается до максимального значения, а затем уменьшается. Однако количество газа, растворенного в жидкости, как правило, уменьшается с повышением температуры. Чем больше тепла теряется из полости в результате теплопроводности, тем больше ее сжатие будет приближаться к условиям изотермического процесса. В большинстве газов при повышении окружающей температуры теплопроводность увеличивается, поэтому можно ожидать увеличение скорости сжатия [7].
Рост теплопроводности и уменьшение газосодержания с повышением температуры окружающей жидкости частично объясняют наличие максимума кавитационной эрозии во всех жидкостях [14-15].
При движении стационарного потока жидкости в местах сужения потока, где скорость возрастает, давление в жидкости падает, в этих местах появляются кавитационные полости. Образование зон разного давления в потоке происходит за счет различных криволинейных течений.
Для оценки возможности возникновения кавитации из работы [8] используется величина к - число кавитации.
0.5р92 ’
где р - статическое давление в потоке; рх - давление насыщенного пара жидкости при данной температуре; р - плотность жидкости; 0 - скорость потока.
Чем больше величина к , тем меньше вероятность возникновения кавитации. Коэффициент кавитации, в зависимости от конкретного вида кавитационного устройства можно найти, используя экспериментальную оценку или математические методы моделирования, в том числе компьютерного моделирования в современных прикладных программных продуктах компьютерного анализа, имеющих возможность моделирования течения жидких сред.
Таким образом, из рассмотренного материала можно сделать вывод, что очистка поверхности непосредственно зависит от ряда факторов, в особенности от работы очистки (силы стороннего воздействия на загрязнение), которая в свою очередь зависит от активности моющей среды. В случае использования кавитации будет завесить от силы действия кавитации, а сила воздействия кавитации - от числа кавитации, то есть от количества кавитационных полостей воздействующих на загрязнение, поэтому, чем больше число кавитации - тем большая сила кавитации. Для большей интенсификации процесса необходимо создания большего числа кавитационных полостей.
Физические процессы, происходящие в поле кавитации очень сложны, поэтому разрабатываемые модели дают лишь очень упрощенную картину процесса. Приведенные формулы могут быть использованы для расчета адгезионной силы, действия кавитации (давление схлопывания, удара кумулятивной струи), возможности возникновения кавитации в местных гидравлических сопротивлениях, а также приведены некоторые зависимости физико-химических особенностей моющего раствора, при которых кавитационное действие наиболее целесообразно.
Описанные математические закономерности можно использовать при отработке технологии очистки для заданных загрязнителей и материалов изделия при конкретной прикладной задаче, разработки и оптимизации процесса очистки изделий, описания и обоснования воздействия кавитационных явлений на интенсификацию процесса очистки с целью выявления технико-экономического эффекта от использования кавитационного способа обработки.
Список литературы
1. Смирнов, Н.С., Простаков М.Е., Липкин Я.Н. Очистка поверхности стали. М. : Металлургия, 1978. 232 с.
2. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание М.: Химия, 1974.
416 с.
3. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977.
352 с.
4. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1976.
430 с.
5. Дерягин, Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973. 280 с.
6. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 398 с.
7. Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкостях Физическая акустика / под ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1967. Т. 1, Ч. Б. С. 7-138.
8. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1964. 140 с.
9. Медведев, А. Технология производства печатных плат / А. Медведев. М.: Техносфера, 2005. 360 с.
10. Розенберг, Л. Д. Физика и техника мощного ультразвука. т. III Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970. 686 с.
11. Меттер И. Физическая природа кавитации и механизм кавитационных повреждений // Успехи физических наук. 1948. Т. XXXV. Вып. 1. С. 52-79.
12. Карпетянц, М. Х. Введение в теорию химических процессов. М.: Высшая школа, 1970. 288 с.
13. Таблицы физических величин: справочник / под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
14. W.C. Schumb, H. Peters, L.H. Milligan // Metals and Alloys. 1937. № 8. S. 126.
15. Бебчук А. С. // Акустический журнал. 1957. № 3. С. 90.
16. Алешко П. И. Механика жидкости и газа. Харьков: 1977. 320 с. Кавитационные техника и технологии / А.Н. Ткаченко [и др.]. Киев:
Техника, 2001. 464 с.
N. E. Kurnosov, K. V. Lebedinskiy
TO THE QUESTION OF THE HYDROCAVITATIONAL INTENSIFICATION OF PROCESS CLEARING OF ARTICLES OF MACHINE INDUSTRY
The question of an intensification of process of clearing of machine-building products is observed. The design procedure of clearing of products from pollution in a general view, and from act of the cavitation mainly generated by a hydrodynamic method is offered. The factors influencing productivity ofprocess are presented.
Key words: clearing, adhesion of pollution, an intensification of process, cavitation.
Получено 14.01.12
