Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологий и оборудования для очистки деталей сложной конфигурации и пропитки изоляции электрических машин 12
1.1 Ритерии оценки технологий 12
1.2 Классификация существующих технологий очистки деталей 14
1.3 Технологии пропитки изоляции электрических машин 19
1.4 Обзор перспективных ультразвуковых технологий 24
1.4.1 Ультразвуковой способ очистки деталей 24
1.4.2 Ультразвуковой способ пропитки изоляции 26
Глава 2 Анализ волновых процессов в активной жидкостной среде 29
2.1 Характеристика ультразвуковой волны 29
2.2 Физические свойства ультразвука 32
2.2.1 Акустические свойства 32
2.2.2 Характерные особенности ультразвука 33
2.3 Волновое уравнение и его особенности для ультразвуковых систем 33
2.4 Общие решения волнового уравнения 46
2.5 Экспериментальные исследования распределения 65
Глава 3. Обоснование конструкции универсального ультразвукового модуля 67
3.1. Критерии обоснования конструкции 61
3.2 Обоснование модульной схемы ультразвуковой системы 71
3.2.1 Ультразвуковые генераторы 72
3.2.2 Ультразвуковые излучатели 80
3.3 Исследование переходных процессов пьезоэлектрических излучателей с жесткой обратной связью 91
3.4. Экспериментальные исследования переходного процесса 98
Выводы по главе 102
Глава 4. Экспериментальные исследования ультразвуковых систем и разработка технологий 103
4.1. Теоретическое обоснование оптимального размещения излучателей в активной зоне 103
4.2. Анализ возможностей придания равномерности гидравлическим воздействиям в активной зоне 111
4.3. Технологии очистки деталей ультразвуковым способом 125
4.3.1 Технология очистки радиаторов выпрямительных установок 125
4.3.2 Технологические и технико-экономические характеристики ультразвуковых установок 125
4.4. Технология и оборудование для пропитки изоляции электрических машин 128
Заключение 131
Список использованной литературы 131
Приложение
- Классификация существующих технологий очистки деталей
- Физические свойства ультразвука
- Обоснование модульной схемы ультразвуковой системы
- Анализ возможностей придания равномерности гидравлическим воздействиям в активной зоне
Введение к работе
Современное морское судно представляет собой сложное инженерное сооружение, при постройке и эксплуатации которого используются достижения различных отраслей науки, - от астрономии, радиолокации и гидродинамики до теплотехники и ядерной энергетики. Крупнотоннажные морские суда могут перевозить несколько тысяч пассажиров и десятки тысяч тонн грузов. Мощность паросиловых установок современных морских судов исчисляется десятками и сотнями тысяч киловатт. На ледокольно-транспортных судах, буксирах, каботажных пассажирских судах, паромах, пожарных и спасательных судах, т.е. на судах, работающих с переменными режимами, от которых требуются высокие маневренные качества, применяется электропередача. В этом случае главными являются многооборотные двигатели, работающие на электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для питания гребных или других электродвигателей. Для небольших каботажных судов, буксиров и рейдового флота целесообразно применение дизельных силовых установок. Расходы на работу и обслуживание собственно судовой энергетической установки (СЭУ) составляет более половины общих расходов. Экономичность силовой установки зависит во многом и от текущих расходов на ее обслуживание и ремонт [11].
В области проектирования, эффективной эксплуатации и ремонта СЭУ наиболее известными являются работы российских ученых Барановского A.M., Беляковского Н.Г., Гаврилова М.Н., Глушкова СП., Зуева А.К., Истомина П.А., Калашникова С.А., Крылова А.Н., Лебедева О.Н., Марченко О.Я., Орлина А.С., Папковича П.Ф., Сомова В.А., Юра Г.С., Янчеленко В.А. и др.
Эффективным решением проблемы совершенствования промышленных технологий ремонта СЭУ является использование новых источников (или видов) энергии. Одним из них является ультразвук. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности обеспечивают многократное ускорение процессов, протекающих на границе контакта материалов и среды (очистка, пропитка, по-
лимеризация, предотвращение образования накипи, и др.), повышая качество обрабатываемых изделий.
Эффективность ультразвуковых воздействий на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями. [130,145,139] В направлении практического использования ультразвука наиболее известны: предприятие ЭЛМА (Германия), предприятие «Ультрасоник» (Украина), научно - исследовательские лаборатории, возглавляемые Г.В. Алексеевым (Владивосток) и В.Н.Хмелевым (Бийск). Из отечественных научно-исследовательских институтов наиболее известен Акустический институт имени Н.Н. Андреева. Несмотря на достигнутые ими результаты, в области ультразвуковой обработки деталей сложной формы в гидравлической среде существует множество нерешенных проблем как в научной, так и в практической областях. Ультразвуковые технологии до настоящего времени почти не использовались в производстве вследствие того, что в ультразвуковых генераторах использовались электронные компоненты низкой степени интеграции. К тому же излучающие элементы на основе магнитострикционных материалов обладали низким КПД и во время работы создавали вокруг себя вредные паразитные излучения (акустические и электромагнитные), соизмеримые по интенсивности с полезным воздействием.
Перспективный путь использования ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в технологических процессах ремонта СЭУ может быть реализован в мощных, высокоэффективных ультразвуковых технологических установках, изготовленных на базе современной электронной техники и пьезокерамических излучающих элементов.
1. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности обеспечивают многократное ускорение процессов, протекающих между жидкими и жидкодис-персньши средами (растворение, очистка, дегазация, пропитка, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизация, полимеризация, предотвращение образования накипи, и др.). При этом не только увеличивается выход полезных про-
дуктов (например, экстрактов), но и в ряде случаев им придаются дополнительные свойства (например, биологическая активность и стерильность). Кроме того, удается получить вещества с новыми свойствами (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии).
2. Воздействие ультразвуковых колебаний на хрупкие твердые материалы
позволяет осуществлять технологические процессы, практически не
реализуемые традиционными методами - размерную обработку (сверление,
снятие фасок, выполнение пазов) таких материалов, как керамика,
полупроводниковые материалы, стекло, самоцветы, ферриты и т.п.
3. Ультразвуковые колебания позволяют интенсифицировать многие
процессы, происходящие на границе контакта материалов (сварку металлов и
полимерных материалов, склеивание), ускоряя технологические процессы и по
вышая качество получаемых изделий.
Несомненные и уникальные достоинства ультразвуковых технологий должны были обеспечить их широчайшее использование при решении сложных проблем современных производств, ориентированных на выпуск конкурентоспособной продукции. Однако отмеченные выше достоинства ультразвуковых технологий до настоящего времени почти не используются в практической производственной деятельности. Причин этому несколько.
а) До недавнего времени ультразвуковые аппараты изготовлялись из
электронных компонентов низкой степени интеграции, а излучающие элементы
и волноводы представляли собой сложные конструкции на основе
магнитострикционных материалов.
Использовавшиеся в производственной практике мощные генераторы ультразвуковых колебаний обладали очень низким КПД и во время работы создавали вокруг себя вредные излучения (акустические и электромагнитные), несоизмеримые с полезными воздействиями.
б) Малое распространение ультразвуковых технологий было обусловлено
тем, что отсутствовал рынок потребителей мощных ультразвуковых аппаратов,
и только рыночное развитие экономики стимулировало появление множества предприятий, успешная деятельность которых в значительной степени зависит от эффективности используемых технологий.
в) Широкое внедрение ультразвуковых технологий сдерживалось
отсутствием методического обеспечения, регламентирующего применение
ультразвуковых технологий и аппаратуры в промышленности.
г) Реализация ультразвуковых технологий и применение ультразвуковых
аппаратов ограничивались отсутствием комплексного подхода к измерениям
параметров аппаратуры, технологических процессов и готовой продукции,
способного обеспечить оптимальную настройку аппаратов и максимальную эф
фективность ультразвуковых воздействий на обрабатываемые среды.
Из вышеизложенного очевидно, что перспективный путь интенсификации различных технологических процессов с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности должен получить дальнейшее развитие, и должен быть реализован в малоэнергоемких, высокоэффективных ультразвуковых установках. Использование ультразвуковых технологий может иметь важное значение при ремонте и обслуживании судовых энергетических установок (СЭУ).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка научных основ очистки деталей СЭУ в гидравлической среде с использованием ультразвука и основанных на этом экологически чистых технологий очистки узлов и деталей техники, а также технологий пропитки обмоток электрических машин.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
- проанализировать существующие технологии очистки деталей и
пропитки изоляции электрических машин СЭУ и выработать рекомендации по
их совершенствованию;
- провести теоретическую оценку особенностей ультразвуковой обработки
объектов в гидравлической среде;
- рассчитать и разработать типовые модульные ультразвуковые системы с
целью унификации конструкции;
разработать принципы оптимизации конструкций ультразвуковых технологических систем очистки и пропитки по критерию максимальной эффективности;
разработать технологии очистки деталей и пропитки изоляции с привязкой к условиям ремонта дизель-генераторов и гребных двигателей СЭУ;
- провести исследование различных типов моющих растворов с привязкой
к конкретным деталям дизелей СЭУ.
Методы исследования. В ходе выполнения исследований использованы методы математической физики, математической статистики и планирования экспериментов, методов линейной оптимизации. Использованы методы компьютерного моделирования и проектирования с использованием программных пакетов AutoCAD, MathCAD, KOMTIAC-3D.
Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач, представляющих научную новизну и позволяющих обеспечивать решение поставленной задачи.
1. Предложены новые подходы к технологиям очистки и пропитки,
основанные на прогрессивных физических методах.
2. Разработаны математические методы и модели воздействия ультразвука
в гидравлической среде на детали сложной формы.
3. Предложены и разработаны математические модели оптимизации
конструкций рабочих емкостей и мест размещения ультразвуковых излучателей
плоской и объемной конфигураций;
4. Разработан и запатентован новый способ возбуждения ультразвуковых
излучателей, обеспечивающий возникновение регулярных потоков в активной
среде под воздействием вращающегося ультразвукового поля.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами внедрения ультразвуковых технологических установок на ремонтных предпри-
ятиях, практическими испытаниями и экспериментами, проведенными на реальных объектах.
Практическая ценность работы. Результаты исследований позволили создать новые ультразвуковые технологические установки для пропитки изоляции электрических машин и очистки деталей, внедренные в ряде ремонтных предприятий. Разработаны новые технологии очистки для большой номенклатуры детален судовых энергетических установок, включая элементы дизелей, механическое и электрическое оборудование. Предложена и внедрена методика проектирования модульных ультразвуковых технологических систем, включающая основные электронные блоки, унификацию конструкций, типоразмеров, оптимизацию размещения излучателей и способов управления ими.Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на ряде предприятий транспорта, в том числе на четырех ремонтных заводах, в 27 ремонтных предприятиях транспорта и военно-промышленного комплекса России, а также на предприятиях Украины, Латвии и Казахстана. Подтвержденный только двумя ремонтными заводами годовой экономический эффект составил более 1,5 млн. рублей. Срок окупаемости технологических установок и соответствующих технологий составляет от 1,5 до 10 месяцев.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях: «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», Новочеркасск, 2000; «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2002; «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП - 2002, АПЭП 2004, Новосибирск; «Science, Education and Society. Electric Traction Equipment» Zilina, 2003; «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии». Омск. 2003; «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях». Пенза, 2004; «Наука в транспортном измерении», Киев, 2005. «Проблемы развития рельсового транспорта», Луганск, 2005; «Ресурсосберегающие техноло-
гии на железнодорожном транспорте», Красноярск, 2005, и научно-технических конференциях в Новосибирской академии водного транспорта, 2002 - 2005 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 печатных работах, из них 5 в центральной печати и 4 за рубежом. По теме работы выполнены 4 отчета по НИОКР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Объем основной части диссертации составляет 131 страниц, 6 таблиц, 49 рисунков, список из 149 использованных источников.
Классификация существующих технологий очистки деталей
На ремонтных предприятиях в технологических процессах обработки поверхностей в соответствии с действующими нормативными документами широко используются относящиеся к группе легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) моющие средства, такие как ацетон, уайт-спирит, керосин, бензин, различные растворители и т.п. [21].
Органические растворители хорошо растворяют многие виды загрязнений. Это в первую очередь относится к ацетону (ГОСТ 2768—69 ), который хорошо смешивается не только с минеральными маслами, но и с водой. Ацетон применяется для удаления сложных растворителей, окончательной промывки слабозагрязненных деталей, а также для чистовой промывки деталей перед дефектоскопией. Детали, работавшие и минеральных маслах (коленчатые и распределительные валы дизелей), хорошо отмываются авиационным бензином Б70 (ГОСТ 1012 ТУ). Бензин лучше, чем ацетон, растворяет минеральные масла, смазки, жиры и некоторые природные и искусственные смолы и красители. Его применяют для удаления следов керосина из внутренних полостей дефектов.
Растворитель 645 (ГОСТ 18188—72) применяют в промышленности для разбавления нитроцеллюлозных лаков и эмалей. Его используют для очистки деталей от масел, жиров, мыл, мягкого сажистого нагара, некоторых природных и искусственных смол и целлюлозных лакокрасочных покрытий. Некоторые компоненты растворителя 645 сравнительно медленно испаряются и поэтому долго удерживаются в полостях дефектов. После обработки растворителем 645 детали тщательно промывают ацетоном.
Растворители Р-4 (ГОСТ 7827-55); 646, 647, 648 (ГОСТ 18188-72); 649 (ТУ МХП 1812-48) и 650 (ТУ МХП 2696-55) применяют так же, как и растворитель 645. Детали промывают растворителями многократно (два — три раза) с применением нескольких растворителей так, чтобы на поверхности детали и во внутренней полости дефекта оставались вещества, легко удаляемые при просушивании. При всех своих положительных качествах ЛВЖ обладают высокой экологической и пожарной опасностью.
При предварительной очистке сборочных единиц, а также при окончательной очистке деталей из черных металлов используются водорастворимые технические моющие средства (ТМС) - каустическая и кальцинированная сода, Лабомид, Форс, Темп, РИК, МЛ-80, МС и т.п.
При использовании таких ТМС необходимо обеспечение высокотемпературных режимов обработки, что влечет за собой значительное тепло- и энергопотребление и выделение вредных испарений. Кроме того, остается проблема сброса отработанных моющих растворов на очистные сооружения. Не все во-домасляные эмульсии, образующиеся при отмывке, перерабатываются, а потому и сбрасываются вместе со сточными водами. Необходимость межоперационной защиты деталей от коррозии и антикоррозийного покрытия после очистки вызывает дополнительные затраты на промывку, сушку и смазку. В соответствии с действующими правилами ремонта [87, 88, 89, 96] сборочные единицы должны очищаться дважды: до и после разборки. Предварительная очистка необходима для обеспечения чистоты на рабочих местах. Классификация применяемых основных видов предварительной очистки приведена в таблицах 1.1, 1.2. После разборки детали сборочных единиц подвергают очистке для обеспечения оценки пригодности к дальнейшей эксплуатации в соответствии с допускаемыми нормами износа, а также возможности восстановления дефектных и поврежденных деталей или необходимости их отбраковки.
Окончательная очистка деталей производится, как правило, струйным способом в моечных машинах с применением моющих растворов (см. таблицу 1.2) с последующей промывкой водой и сушкой. Детали, подлежащие дефектоскопированию для обнаружения трещин, очищают до и после проверки. Детали имеют различную загрязненность, они загрязнены не только по наружной поверхности, но и часто имеют загрязненную внутреннюю полость дефекта.
В зависимости от среды, в которой находились детали, внутренние области поверхностных дефектов могут быть заполнены как жидкими, так и твердыми веществами с различными физическими и химическими свойствами. Условия щ) предварительной очистки также влияют на качество и надежность контроля де талей. Так, например, после пескоструйной, гидропескоструйной и других подобных обработок тонкие узкие поверхностные дефекты закрываются пласти чески деформированным металлом. Очистка деталей от ржавчины и лакокрасочных покрытий наждачной бумагой или наждачными кругами также приводит к заволакиванию мелких трещин металлом. Одновременно с этим трещины забиваются металлической и абразивной пылью и мелкими кусочками лакокрасочного покрытия. То же самое происходит при зачистке деталей металлическими щетками. При шлифовании и полировании деталей поверхностные трещины заполняются металлической и абразивной пылью и трудно удаляемой полировочной пастой. Одновременно с этим происходит наволакивание металла на трещину.
Механическое удаление загрязнений и зачистка деталей снижают вероятность обнаружения дефектов при дефектоскопии. Поэтому очищать детали для контроля желательно не механическим, а химическим или электрохимическим способом (органическими растворителями, щелочным или анодно-щелочным способом). Способ очистки выбирают в зависимости от вида, химических свойств и других особенностей загрязнений, а также от требований по чувствительности контроля.
Промывка деталей органическими растворителями производится перед дефектоскопией для удаления с поверхности детали и внутренних полостей поверхностных дефектов смазочных материалов, жировых отложений, лакокрасочных покрытий, керосина, влаги и жидкостей, оставшихся от предыдущей обработки деталей.
Физические свойства ультразвука
Ультразвук и звук — это волны одной природы, поэтому все явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот. Звуковые и ультразвуковые волны распространяются с определенной скоростью, зависящей от свойств окружающей среды [74]. При распространении ультразвуковые и звуковые волны переносят энергию, причем часть энергии «теряется» в среде, что приводит к затуханию волн. Для ультразвуковых волн, так же как и для звуковых существует явление Доплера - эффект изменения воспринимаемой приемником частоты волны при движении приемника или источника относительно среды. Это свойство используется в ультразвуковых расходомерах. Скорость звука в определенных условиях зависит от частоты. Это явление, называемое дисперсией, имеет место и в ультразвуковом диапазоне.
Переход звуковых и ультразвуковых волн из одной среды в другую сопровождается отражением и преломлением на границе раздела сред. При наложении нескольких когерентных звуковых волн происходит явление интерференции. То же явление наблюдается и для ультразвука. Если звуковая или ультразвуковая волна встречает на своем пути препятствие, она огибает его. Это явле ниє называется дифракцией упругой волны. Ультразвуковые и звуковые волны могут быть как продольными (в газах, жидкостях и твердых телах), так и поперечными (в твердых телах).
Существует обширный класс явлений, которые характерны только для ультразвука. Их трудно обнаружить в области звуковых частот. К ним относятся, например, радиационное давление, акустический ветер, ультразвуковой фонтан, притяжение частиц в ультразвуковом поле и т.д. Эти явления не наблюдаются в звуковом диапазоне частот, потому что ультразвуковая волна, имея большую частоту, чем звуковая, обладает при той же амплитуде и большей интенсивностью. Высокочастотные колебания частиц среды значительной интенсивности, естественно, оказывают более сильное влияние на физические процессы, сопровождающие распространение ультразвука, чем слабые звуковые колебания. Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии [58]. Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами: отражением, фокусировкой, образованием теней. 2.3 Волновое уравнение и его особенности для ультразвуковых систем
Рассмотрим следующую формальную задачу. В трехмерный сосуд с ультразвуковыми излучателями, расположенными в основании сосуда, и заполненный до некоторого уровня h активной жидкостью, помещается физическое тело (деталь, подлежащая очистке). Условное изображение рабочей емкости для очистки деталей с использованием ультразвука приведено на рисунке. 2.1.
Активной зоной является объем жидкости размером axbxh. Необходимо оптимизировать процедуру очистки по одному из критериев: - минимальный расход энергии W\ Эти критерии взаимосвязаны. Можно считать, что ультразвуковая установка работает в стационарном режиме, т.е. с постоянной мощностью Р. Это наиболее благоприятный режим, обеспечивающий стабильный технологический процесс. Тогда количество израсходованной энергии W определяется из простейшего соотношения: Следовательно, минимизация по времени эквивалентна минимизации по потребляемой энергии.
Параметры, по которым можно проводить оптимизацию, могут быть следующими: - линейные размеры сосуда а и Ъ; - высота жидкости h; - варианты размещения излучателей (на рисунке обозначены УИ). Для решения задачи рассмотрим волновое уравнение вида [58]: где / - искомая функция; х — координата, по которой распространяется плоская волна; р - давление внутри жидкости вдоль этой координаты; р0 — плотность жидкости в состоянии равновесия. Как видно из (2.16), динамика волнового процесса определяется дифференциальными уравнениями второго порядка в частных производных. Уравнение применимо в неограниченной по размерам сфере. Из термодинамики известно, что р есть функция плотности и температуры жидкости. Температура, в свою очередь, изменяется при сжатии и растяжении. Теплопроводность жидкостей, в отличие от твердых веществ, очень мала, поэтому в первом приближении можно считать, что процесс распространения переменного давления происходит адиабатически, то есть без заметного теплообмена между соседними частями. Тогда давление превращается в однозначную функцию от плотности: где Ар и Ар - соответственно изменения давления и плотности при нарушении равновесия.
Принимая неизменность давления при равновесии = 0, и подставляя Выражение (2.19) есть разложение нелинейной функции f в ряд Маклоре-на [63]. Поскольку f(pQ) = р0 выражение (2.5) преобразуется к виду: (2.20) В простейшем случае (незначительные изменения давления, сводящиеся к малым приращениям) ряд (2.20) ограничивается первым членом. В ходе динамических деформаций исходный объем V0 превращается в V(t): С другой стороны, произведение плотности на объем, равное массе вещества, не меняется: Подставляя (2.21) в (2.22), получим: откуда: Пренебрегая степенями высшей малости, получаем: исходное волновое уравнение приобретает вид:
Обоснование модульной схемы ультразвуковой системы
При выборе структурной схемы необходимо учесть, что резонансные частоты/и сопротивления z различны даже для отдельных излучателей одного типа. Подбор излучателей в условиях серийного производства по/ и z технологически сложен. Питание же нескольких излучателей от одного генератора не обеспечит равномерности загрузки излучателей по мощности. При такой структуре можно настроить на максимальную мощность только один из излучателей. Кроме того, при такой структуре не обеспечивается приемлемый уровень ремонтопригодности оборудования.
Равномерность загрузки по мощности излучателей в мозаичной системе ввиду различных частот и сопротивлений может быть достигнута только в модульных системах, когда каждый излучатель питается от отдельного модульного генератора, охваченного цепями автоподстройки по частоте. В свою очередь, модульный генератор должен состоять из функциональных субмодулей, что значительно улучшит ремонтопригодность и обеспечит возможность дальнейшей модернизации модульного генератора. Ультразвуковая система содержит модульные генераторы, колебательные системы, блок управления. Модульный генератор состоит из субмодулей: генератор Г с автоматической подстройкой, предварительный усилитель ПУ, усилитель мощности УМ, блок питания БП и реле управления Р. Основные функции модульного генератора: преобразование сетевого напряжения промышленной частоты в переменное напряжение с частотой от 18 до 60 кГц; автоподстройка частоты генератора; гальваническая развязка электрических цепей между субмодулями и от питающей промышленной сети.
В колебательную систему входят: согласующий дроссель с измерительной обмоткой и пьезоэлектрический излучатель. Функция колебательной системы — преобразование электрической энергии в энергию механических колебаний.
Основные функции блока управления: подключение генераторов к сети при запуске установки с пульта управления; отключение генераторов от сети при истечении времени установленного таймером; поочередное кратковременное направленное выключение модулей генераторов.
Полное электрическое сопротивление излучателя на собственной резонансной частоте минимально и практически активно. При питании излучателя импульсами прямоугольной формы с частотой, равной собственной резонансной частоте излучателя, в момент переключения транзисторов выходного каскада будет возникать колебательный переходной процесс со значительными выбросами тока, который приведет к слишком большому рассеиванию тепла на транзисторах. Питание излучателя синусоидальным напряжением устранит переходные процессы, но транзисторы выходного каскада будут работать в линейном режиме, что тоже приведет к недопустимо большому рассеиванию тепла на транзисторах. Экспериментальные исследования показали, что интенсивность ультразвука, возбуждаемого на частотах, не равных собственной резонансной частоте излучателя, но близких к этой частоте, не уменьшается при увеличении амплитуды напряжения питающих импульсов. На частотах, отличающихся на 5% от собственной резонансной частоты излучателя, активная составляющая сопротивления излучателя пренебрежительно мала по сравнению с реактивной емкостной составляющей. Следовательно, емкостную составляющую на этих частотах можно скомпенсировать индуктивностью, тогда в цепи возникнет электрический резонанс напряжений. Электрический резонанс в последовательной цепи характеризуется совпадением фазы тока с фазой входного напряжения, а также многократным увеличением амплитуды напряжения на реактивных элементах. При входных импульсах прямоугольной формы ток в цепи течет синусоидальный, как показано на рисунке. 3.1. Поскольку в момент перехода напряжения с прямой полярности на обратную (момент коммутации транзисторов), ток в цепи отсутствует, то на транзисторах будет рассеиваться минимальное количество тепловых потерь и, следовательно, КПД схемы будет максимальным.
При электрическом резонансе напряжение на реактивном сопротивлении излучателя увеличивается примерно в 10 раз и достигает порядка одного киловольта, что обеспечивает значительную интенсивность ультразвука (от 3 до 10 Вт/см ). Схема замещения колебательной системы с компенсирующим дросселем приведена на рисунке 3.2. Поскольку активное сопротивление вне собственного механического резонанса излучателя велико, то частоту электрического резонанса можно приблизительно определить из выражения: Так как емкость излучателя постоянна, то резонанс в цепи можно поддер живать подстройкой либо частоты, либо индуктивности.
Анализ возможностей придания равномерности гидравлическим воздействиям в активной зоне
Как показали исследования, описанные выше (гл. 2, разд. 4.1), воздействие ультразвуковых волн в активной зоне крайне неравномерно. При этом приведение электронной части системы и размеров рабочих емкостей к резонансу эту ситуацию не только не ослабляют, но и усиливают. Такую же роль имеет учет размеров и формы деталей. Ранее при расчетах мы пренебрегали размерами деталей. В действительности увеличение размеров обрабатываемых деталей до уровней, соизмеримых с размерами емкости, намного повышает неравномерность гидравлических воздействий. Проведенные эксперименты показали, что при этом начинают влиять удаление от излучателей, форма деталей, углы поворота и т.д. Все эти составляющие невозможно учесть при расчетах. Тем не менее, неравномерность гидравлических полей снижает эффективность системы как минимум на 15%.
Для придания большей равномерности полю гидравлических давлений независимо от формы детали и ее ориентации можно предложить по крайней мере три способа: - дополнительная модуляция основной частоты (фазовая или частотная) по линейному закону в пределах существующей девиации частот ё (в процентах); - суммирование колебания основной частоты с дополнительным случайным или псевдослучайным воздействием; - коммутацию излучателей с заданной частотой.
Независимо от способа изменения основной (несущей, резонансной) частоты, можно провести расчет к.п.д. получаемой системы как механической автоколебательной.
Рассмотрим механическую резонансную систему с частотой автоколебаний Q)Q И относительной расстройкой частоты 8. Из [60] получаем решение вида: где Е - амплитуда внешних воздействий, р — частота этих воздействий, X— амплитуда вертикальных смещений, д - величина расстройки.
Использование вариантов изменения частоты автоколебаний (снижения добротности автоколебательной системы), а также наложение на автоколебания дополнительных сигналов недостаточно эффективны. Это служит дополнительным аргументом в пользу динамических воздействий.
Дополнительно рассмотрим варианты использования таких воздействий. Они зависят от геометрии расположения излучателей по дну рабочей емкости. Можно предложить следующую классификацию способов коммутации. По закону коммутации: детерминированные или псевдослучайные. В первом варианте коммутация описывается по заданной функциональной зависимости, во втором - от генератора псевдослучайной последовательности.
По типу волны. Здесь возможно достаточно большое количество вариантов, которое зависит от количества излучателей и типа маршрута. По коэффициенту использования излучателей. Определим вначале понятие коэффициента использования. Предположим, рабочая емкость располагает N излучателями. В каждый момент времени можно использовать три их режима: - работают все излучатели независимо от времени; - в любое время работает одинаковое количество К излучателей (К N) - используется переменное число излучателей в зависимости от времени.
Если обозначить относительную величину Г) = K/N, которую можно назвать коэффициентом использования излучателей, то по последнему пункту классификации можно различать преобразования с постоянным (ц= const) и переменным (tj—var) коэффициентом использования. Появляется дополнительная возможность управления технологическим процессом, что до настоящего времени не учитывалось. Тем не менее, в устройство управления излучателями можно закладывать программы, позволяющие изменять режимы коммутации излучателей для повышения эффективности оборудования. Такие программы можно реализовывать в виде типовых исполнительных программных модулей для упрощения работы операторов.
Поясним термин эффективности оборудования. Для обоснования эффективности можно использовать различные критерии эффективности, которые часто противоречат друг другу. Можно в качестве критерия использовать время очистки детали. В этом случае, вероятно, должен присутствовать вариант максимальной загрузки излучателей. Но остается открытым вопрос оптимальной коммутации, поскольку остается большая вариабельность задания объемного поля гидравлического воздействия.
