Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Классификация загрязнений поверхностей техники и их характеристика 7
1.2. Требования к чистоте поверхности и методы контроля остаточной загрязненности 9
1.3. Обзор способов очистки поверхностей 11
1.4 Анализ установок для очистки поверхностей водным льдом 28
1.5 Физические свойства льда 31
1.6 Выводы и задачи исследований 33
2. Теоретическое обоснование конструкции турбины 35
2.1. Анализ движения частицы льда в турбине 35
2.2. Расчет скорости полета частицы 49
3. Программа и методики исследований 54
3.1. Программа исследований 54
3.2. Общая методика исследований льдоструйной очистки 54
3.2.1. Получение льда для дробилки 63
3.2.2. Приготовление модельного загрязнителя 63
3.3. Методика определения размеров частиц 66
3.4. Методика определения эффективности очистки 68
3.5. Методика проведения экспериментов 69
3.6. Методика проведения многофакторного эксперимента 72
3.7. Обработка результатов исследований 74
4. Результаты исследований и их обсуждение 75
4.1. Влияние конструкции турбины на эффективность очистки 75
4.2. Влияние режимов работы установки на эффективность очистки 78
4.2.1. Влияние расстояния между очищаемой поверхностью и турбиной на эффективность очистки 78
4.2.2. Влияние продолжительности обработки образца на эффективность очистки 80
4.2.3. Влияние размеров частиц льда на эффективность очистки 83
4.2.4. Влияние угла атаки потока льда на образец на эффективность очистки 84
4.2.5. Влияние температуры бруска льда на эффективность очистки 86
4.2.6. Влияние частоты вращения турбины на эффективность очистки 87
4.3. Значимость факторов влияющих на эффективность удаления загрязнений 87
4.3 Очистка деталей встречающихся в сельскохозяйственной и перерабатывающей промышленности 88
5. Производственные рекомендации и оценка экономической эффективности технологии 97
5.1. Практические рекомендации по льдоструйной очистке поверхностей...97
5.2. Экономическая эффективность технологии 105
Общие выводы 113
Список литературы
- Классификация загрязнений поверхностей техники и их характеристика
- Анализ движения частицы льда в турбине
- Общая методика исследований льдоструйной очистки
- Влияние конструкции турбины на эффективность очистки
Введение к работе
Одной из важнейших операций при техническом обслуживании и ремонте машин и оборудования является очистка поверхностей от различных загрязнений. Исследованиям в области очистки поверхностей посвящены работы Тельнова Н.Ф., Тельнова А.Ф., Козлова Ю.С., Дегтерева Г.П., Черноиванова В.И, Рождественского В.Х., Юдина В.М., Мороза В.П., Пучина Е.А., Кириллова Ю.И., Садовского А.П., Брагиной Е.А. и других ученых.
Очистка связана с большим расходом энергии, химических материалов и воды, а также с вредным воздействием на окружающую среду.
В современных условиях требования к ресурсосбережению и экологической чистоте производственных процессов ужесточаются. В полной мере это относится и к очистке поверхностей.
Одним из перспективных в этом плане способов очистки поверхностей от загрязнений является очистка струей водяного льда.
Попытки применения водяного льда для очистки поверхностей начались в 60-70-е годы.
Частицы льда, обладая свойствами твердых частиц, при разгоне до высоких скоростей позволяют удалять многие загрязнения, не повреждая основания очищаемой поверхности. Использование при очистке водяного льда существенно упрощает регенерацию очищающей среды.
Исследование данного способа показало ряд преимуществ по отношению к остальным способам очистки:
Эффективная очистка как смолистых и жировых отложений, так и прочносвязанных загрязнений;
Минимальное вредное воздействие на окружающую среду;
Экономичность процесса очистки;
Возможность замкнутого, безотходного цикла;
Устранение абразивного воздействия на материал подложки;
Небольшое коррозионное влияние на очищаемую поверхность;
Абразив не забивается в щели деталей узлов;
Отсутствие пыли в процессе очистки.
Таким образом, применение водяного льда при очистке обеспечивает ресурсосбережение и экологическую чистоту процесса.
Существуют разные технологии, использующие водяной лед для удаления загрязнений. Все эти технологии предусматривают использование для разгона частиц льда энергии сжатого воздуха. При этом известно, что КПД таких установок низок. На машиностроительных и сталелитейных предприятиях для очистки металла широко используются дробеметные машины. Они гораздо экономичнее аналогичных дробеструйных машин. Кроме того, существующим технологиям присущи следующие недостатки: использование для получения частиц льда сложных и дорогостоящих льдогенераторов барабанного типа; необходимость использования дополнительных устройств для транспортировки ледяных частиц по трубопроводам установки из-за слипания частиц.
Поэтому целью работы является разработка технологии очистки поверхностей струей водяного льда, обеспечивающей снижение расхода энергии и вредного воздействия на окружающую среду.
Объектом исследований является технологический процесс очистки поверхностей частицами водяного льда, разгоняемыми турбиной.
Научная новизна работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании конструктивной схемы льдоструйной установки и ее основных параметров, обеспечивающих разгон частиц льда с помощью турбины до требуемых скоростей; исследовании очистки поверхностей с помощью частиц льда на предлагаемой установке и определении рациональных режимов ее работы.
Практическая ценность работы заключается в разработке технологии очистки поверхностей от загрязнений частицами водяного льда, разгоняемых с помощью турбины, а также в разработке практических рекомендаций по очистке поверхностей струей водяного льда.
Работа выполнена на кафедре надежности и ремонта машин им. И.С. Левитского Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российского государственного аграрного заочного университета (ФГОУ ВПО РГАЗУ) под руководством доктора технических наук, профессора Юдина Владимира Михайловича.
Классификация загрязнений поверхностей техники и их характеристика
Требования, предъявляемые к поверхности по наличию на ней остаточных загрязнений, устанавливаются в зависимости от цели очистки и условий эксплуатации данной поверхности. Поэтому под чистотой поверхности понимают состояние, при котором на ней остается допустимое количество загрязнений [3, 4]. По ГОСТу 18206-78 допустимая чистота очищаемой поверхности связывается с параметром шероховатости Ra, и устанавливает плотность загрязнений в следующих пределах: при Ra до 10 мкм - не более 1,25 мг/см ; при Ra 2,5...0,63 мкм -не более 0,7 мг/см ; при Ra 0,63...0,16 мкм - не более 0,25 мг/см .
Также в зависимости от количества остаточных загрязнений различают макроочистку, микроочистку и активационную очистку [3,4].
Макроочистка представляет собой процесс удаления с поверхности наиболее крупных загрязнений, препятствующих операциям технического обслуживания техники, разборке и дефектации сборочных единиц.
При макроочистке достигается удаление загрязнений до уровня, обусловленного параметром шероховатости Ra поверхности.
Микроочистка предусматривает удаление загрязнений из микронеровностей поверхности. Такого уровня очистки необходимо достигать перед операциями сборки и при подготовке поверхности к нанесению лакокрасочных покрытий.
Активационная очистка заключается в травлении металла до активированного состояния.
Такой вид очистки обычно входит в состав подготовительных операций технологии гальванических покрытий, так как после операции микроочистки как правило поверхность остается загрязненной пленкой поверхностно-активных веществ, а также оксидными пленками.
Очищаемую поверхность, находящуюся на одной из стадий очистки, можно представить в виде схемы (рис. 1.4) [4].
Очистка поверхностей связана с затратой тепловой, механической и физико-химической энергии на разрушение загрязнений (преодоление прочностных, когезионных сил) и на удаление загрязнений с поверхности (преодоление удерживающих адгезионных сил) [1].
Механическая энергия необходима для разрушения загрязнений в процессе очистки за счет возникающих нормальных и касательных напряжений, а также для удаления загрязнений из зоны очистки. Тепловая энергия необходима для снижения когезионно-адгезионных связей удаляемых загрязнений. Так, вязкость асфальто-смолистых отложений в двигателях при повышении температуры от 20 до 100С уменьшается в сто и более раз.
Очистка поверхности под воздействием физико-химической энергии происходит за счет молекулярных превращений, растворения, эмульгирования, диспергирования химического травления загрязнений и очищаемой поверхности и других процессов. Реализация данной энергии обеспечивается применением моющих средств, которые можно разделить на органические растворители (ОР) и растворяюще-эмульгирующие средства (РЭС), кислотные растворы и синтетические моющие средства (CMC). Наибольший эффект при очистке обеспечивают CMC за счет содержащихся в них поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые активно адсорбируются на границе раздела "загрязнение - моющий раствор", что приводит к снижению свободной поверхностной энергии загрязнений и тем самым облегчает очистку.
Для осуществления очистки поверхностей от загрязнений используется широкая номенклатура моечного оборудования [1,4, 5, 7-22].
По принципу действия моечные машины разделяют на струйные, погружные, щеточные, циркуляционные, комбинированные и специальные [1, 4].
Струйные моечные машины В струйных моечных машинах физико-химический фактор воздействия водных растворов моющих средств дополняется механическими воздействиями (ударами) струи на удаляемые загрязнения [1, 4, 17-23, 25-32]. В качестве моющего средства применяется вода или водные растворы CMC [24]. Для формообразования струй используют различного рода насадки, а создания давления - центробежные, плунжерные и другие насосы.
Анализ движения частицы льда в турбине
Как указывалось в главе 1, коэффициент полезного действия дробеструйных машин гораздо ниже, чем дробеметных. Так, в серийном дробеструйном аппарате модели 334М, описанном в [75] при производительности по дроби 25 кг/мин, давлении воздуха в сети 0,6 МПа диаметре сопла 8 мм расходуется около 4 м воздуха в минуту, что соответствует мощности компрессора 25 кВт. Следовательно, для выброса 1 кг дроби необходимо затратить 1 кВт энергии. В дробеметном аппарате модели 392М при производительности по дроби 140 кг/мин мощность установленного электродвигателя составляет всего 14 кВт. Затраты энергии равны 0,1 кВт/кг, т.е. в 10 раз меньше, чем в аппарате модели 334М. Следует заметить, что на большинстве заводов это обстоятельство обычно не принимается во внимание, так как в цехах нет учета расхода сжатого воздуха, поступающего от общезаводской компрессорной станции.
По производительности дробеструйные аппараты также уступают дробеметным [75]. Так, производительность аппаратов модели 334М в 5,5 раз меньше производительности по дроби аппарата модели 392М.
Исходя из вышеизложенного, в проектируемой нами установке для разгона частиц льда используется турбина.
Наибольшее распространение турбины получили в литейном производстве для очистки заготовок от окалины, облоя и заусенцев. Также турбина используется для упрочнения поверхностей деталей пластическим деформированием. В качестве рабочих частиц используется дробь различной размерности.
Как правило, дробеструйные машины имеют размер рабочего колеса от 350 мм до 650 мм и частоту вращения его от 2250 мин"1 до 3500 мин"1.
Важнейшей характеристикой проектируемой установки является абсолютная скорость вылета частиц льда с турбины. Проведем анализ движения частиц льда в установке и определим факторы, влияющие на абсолютную скорость вылета частиц.
Для разрабатываемой льдоструйной установки одним из основных условий является устранение дополнительных соединений и емкостей между устройством для дробления льда и турбиной из-за возможности слипания полученных частиц и забивания ими соединяющих полостей. Поэтому турбину необходимо располагать горизонтально (с вертикальной осью вращения турбины), а устройство для дробления располагать непосредственно над турбиной. Такая схема расположения должна устранить указанный эффект частиц льда.
После дробления, частицы под действием силы тяжести будут падать вниз, и попадать на вращающуюся турбину (рис 2.1). В момент взаимодействия с турбиной на частицу будет действовать центробежная сила. Под действием этой силы частица будет удаляться от оси вращения. По распределительной лопатке частица переместится к стенке ограничительного стакана и через направляющее окно ограничительного стакана попадет на разгонную часть турбины (рис. 2.2).
В момент прохождения через направляющее окно частица будет иметь окружную скорость, приобретенную при движении вместе с распределительной лопаткой и постепенно увеличивающуюся радиальную скорость, которая возникнет вследствие действия центробежной силы на частицу. Таким образом, частица будет двигаться в "свободном полете" до момента столкновения ее с рабочей лопаткой.
Следует отметить, что в момент схода частиц с распределительной лопатки радиальная скорость W будет ровняться нулю не для всех частиц. Некоторые частицы будут попадать в такие условия, при которых они переместятся к направляющему окну без препятствий и, при вылете из окна, будут обладать начальной радиальной скоростью. По-видимому, такие частицы будут обладать максимальной абсолютной скоростью при вылете из турбины.
Турбина и распределительный стакан: 1 - распределительная лопатка, 2 - турбина, 3 - рабочая лопатка, 4 - опорная шайба, 5 - ограничительный стакан, 6 - направляющая воронка. В момент схода с распределительной лопатки окружная скорость частиц определяется следующей зависимостью [116]:
Основным фактором, который может повлиять на вылет частиц из ограничительного стакана, является количество распределительных лопаток на турбине. В существующих дробеметных аппаратах число распределительных лопаток равняется числу рабочих лопаток на турбине, что обосновывается горизонтальной подачей дроби к турбине и равномерной подачей дроби к рабочим лопаткам.
В проектируемой нами установке, частицы льда будут поступать к турбине свободным ниспадающим потоком, и заполнять пространство ограничивающего стакана по всему объему (рис. 2.3). Далее частицы, толкаемые распределительными лопатками, передают усилие находящимся впереди по вращению соседним частицам.
Общая методика исследований льдоструйной очистки
В соответствии с целью и задачами предусмотрена следующая программа исследований: — исследование влияния конструкции экспериментальной установки на эффективность очистки и определение рациональных конструктивных параметров; — исследование влияния режимов работы экспериментальной установки на эффективность очистки; — отработка режимов льдоструйной очистки поверхностей конкретных деталей машин и оборудования.
Общая методика исследований льдоструйной очистки Для проведения исследований льдоструйной очистки нами была изготовлена экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 3.1. При изготовлении установки учитывался опыт исследователей дробеметных аппаратов и сделанные нами рассуждения в главе 2.
Основными составляющими частями установки являются турбина и дробилка (рис. 3.1, 3.2). Турбина приводится во вращение с помощью углошлифовальной машины 11. На диске 12 закреплены текстолитовая шайба 14, распределительные 13 и рабочие 10 лопатки. Рабочие лопатки имеют возможность поворачиваться на диске турбины относительно их радиального положения. В дробилку входит крышка 4, в которой закреплена электрическая дрель 1, корпус 6 и патрон 3 с установленным на нем ножом 5 дробилки. Крышка также имеет подающую трубу 2.
На корпусе установлена противорежущая пластина 7, которая имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении вверх и вниз, и для определения ее положения, на корпусе закреплена шкала. На нижней части корпуса закреплен ограничительный стакан 8 с установленной в нем направляющей воронкой 15 и опорной шайбой 9. Ограничительный стакан имеет возможность проворачиваться относительно своей оси по корпусу дробилки. Для этого в верхней его части сделан ряд отверстий. Нижняя часть ограничительного стакана располагается между распределительными и рабочими лопатками, и торец стакана находится на некотором расстоянии от диска турбины, образуя зазор до 1 мм. Также в нижней части стакана находится распределительное окно, положение которого определяет место вылета частиц льда из турбины.
Нижняя плоскость опорной шайбы, нижняя часть ограничительного стакана и диск турбины образуют рабочую камеру, в которую поступают частицы и перемещаются там вместе с распределительными лопатками до момента вылета в распределительное окно.
Подающая труба (рис. 3.2) имеет два направляющих стержня, по которым может перемещаться нагружающее устройство (рис. 3.3.), состоящее из направляющих трубок 1, закрепленных в корпусе-ограничителе хода 2, добавочного груза 5, рабочего штока 3 и упорной пластины 4.
Схема экспериментальной установки должна обеспечивать беспрепятственную доставку частичек льда от дробилки до турбины, так как частички имеют склонность слипаться и забивать каналы и патрубки, по которым осуществляется их подача к разгонному устройству. Поэтому для надежной подачи полученных после дробления частиц к турбине, дробилку располагали непосредственно над турбиной. При таком расположении отпадает необходимость в дополнительных затратах энергии для доставки частиц к разгонному устройству, так как частицы поступают к турбине под действием собственной силы тяжести.
Конструкцию дробилки проектировали из условий, которые обеспечивают возможность подачи бруска льда для дробления и расположения дробилки над турбиной.
Кроме того, был проведен анализ способов измельчения твердых материалов с целью выбора способа получения ледяных частиц (рис. 3.4).
Наиболее приемлемым способом получения частиц льда из монолитного ледяного бруска, в нашем случае, является резание, так как не требует сложного оборудования и позволяет сделать устройство компактным. Устройства, работающие по такому принципу отличаются простотой и надежностью в эксплуатации [123].
Конструкция дробилки обеспечивает непрерывную подачу частиц к турбине в необходимом количестве для непрерывного процесса очистки. Увеличение размеров брусков льда, приготавливаемых для дробления, приводит к увеличению сил, которые возникают при дроблении брусков, и, следовательно, к увеличению размеров и массы электрической дрели. Для нашей установки необходимо обеспечить мобильность конструкции, поэтому большие размеры брусков льда для нас не приемлемы. Очевидно, что в процессе дробления получаемые частицы будут иметь не одинаковую форму и размеры, так как процесс дробления заключается в раскалывании льда ножом, и образующиеся в результате этого трещины будут распространяться в бруске льда случайным образом. Одним из факторов, который влияет на полученные конечные размеры частиц, является один из минимальных размеров бруска льда. При анализе существующих установок для очистки ледяной струей [107], было установлено, что размер частиц не превышает 5 мм. Поэтому в качестве базовой толщины бруска льда нами была принята толщина 5 мм. Для компенсации случайного распространения трещин, которые могут привести к уменьшению размера частиц при дроблении необходимо выбрать брусок льда с большей толщиной. Также для исследований влияния размеров частиц льда на эффективность очистки необходимо обеспечить получение частиц более крупного размера. Учитывая вышесказанное необходимо изготавливать бруски льда с шириной в 3-4 раза большей базового.
После разработки конструкции дробилки, проведения предварительных экспериментов и учитывая приведенные выше допущения, брусок льда имеет прямоугольную форму, и его размеры составили 60x16x150 мм ±5 % (рис. 3.5).
Влияние конструкции турбины на эффективность очистки
Данная нечувствительность очистки к числу распределительных лопаток объясняется непрерывной подачей частиц к распределительным лопаткам по всему периметру направляющей воронки, что показано нами в главе 2. Хотя увеличение числа распределительных лопаток будет способствовать упорядочиванию движения частиц льда в камере, следовательно, процесса вылета частиц в направляющее окно. Последнее подтверждается небольшим ростом площади очищенной поверхности на 2,9% при работе турбины с 8 распределительными лопатками.
Положение распределительных лопаток относительно рабочих не будет оказывать влияния на площадь очищенной поверхности в силу приведенных выше рассуждений.
Угол поворота рабочих лопаток относительно их радиального положения на турбине является параметром, определяющим скорость вылета частиц с турбины и угол раскрытия потока льда. Эксперименты показали, что поворот рабочих лопаток как в положительную, так и в отрицательную сторону отрицательно влияет на площадь очищенной поверхности (рис. 4.3). Это согласуется с предположениями, сделанными в теоретической части нашей работы.
При повороте лопаток в сторону вращения турбины наблюдается сужение пятна очищенной поверхности в горизонтальной плоскости и незначительное расширение в вертикальной плоскости. Следовательно, поток льда имеет меньший угол раскрытия по сравнению с работой турбины при радиально расположенных лопатках. При меньшем угле раскрытия потока льда и при одинаковом расходе ледяных частиц, плотность потока частиц будет выше.
При увеличении плотности потока частиц, увеличивается количество попаданий частиц льда по одной и той же поверхности. Поэтому если при очистке не требуется высокая производительность целесообразно работать на турбине с рабочими лопатками, наклоненными в сторону вращения диска турбины.
При работе на турбине с рабочими лопатками, отклоненными против вращения диска турбины, на образце наблюдается вытянувшееся пятно очистки с заметным его сужением. Это свидетельствует об увеличении угла раскрытия потока частиц льда, которое приводит к значительному разрежению потока частиц, что заметно по рваной форме пятна очистки. Однако скорость вылета частиц при работе на такой турбине позволяет частицам разрушать связи загрязнения с образцом и таким образом, поверхность очищается. Увеличение скорости и угла раскрытия потока частиц способствует удалению загрязнений частицами, которые при попадании на загрязненную поверхность под большим углом начинают скользить по ней, оставляя за собой разрушение загрязнения.
Исследования зависимости расстояния до объекта очистки при работе турбины с 4-мя рабочими лопатками показали (рис. 4.4), что увеличение расстояния сначала приводит к повышению площади очищенной поверхности, а затем к ее уменьшению. Наибольшая площадь очистки наблюдается на расстоянии 100... 110 мм.
Поток льда представляет собой раскрывающийся в горизонтальной плоскости факел, состоящий из частиц льда. Факел также раскрывается в вертикальной плоскости вследствие различных масс, размеров и скоростей частиц, но с гораздо меньшей скоростью. На небольшом расстоянии от турбины частицы образуют плотный поток льда, который воздействует на небольшую площадь очищ7аемой поверхности. При увеличении расстояния до очищаемой поверхности площадь воздействия потока льда на образец увеличивается. Одновременно происходит разрежение потока льда, поток частиц льда становится менее плотным. При разряженном потоке вероятность попадания частиц по одной и той же точке очищаемой поверхности уменьшается. Если одного попадания частицы по загрязнению не достаточно для его удаления, то на очищаемой поверхности начинают образовываться разрывы очищенной поверхности.
