Разработка прогрессивных методов ремонта электрических машин в условиях ЭРЦ АО "ЕВРАЗ НТМК"

4. Сигнализаторы уровней. Принцип действия основан на локации уровня жидких или сыпучих материалов ультразвуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, и на явлении отражения этих импульсов от границы раздела «газ - контролируемая среда». Мерой уровня при этом является время распространения звуковых колебаний от излучателя до контролируемой границы раздела сред и обратно до приемника. Результат измерения выводится на персональный компьютер, где все измерения запоминаются, с последующей возможностью их просмотра и анализа, а также подключения к системе автоматизированного сбора и обработки данных. Уровнемер в составе системы может включать конечные автоматы, насосы и др. устройства при уровне выше максимального и ниже минимального значения, что позволяет автоматизировать технологический процесс. Дополнительно формируется токовый выход (0,5 мА, 0-20 мА) для самопишущих приборов. Сигнализатор уровня позволяет контролировать температуру среды в резервуарах. Основным форматом выводимых данных является расстояние от вершины резервуара до поверхности, содержащегося в нем вещества. По желанию заказчика, при предоставлении необходимой информации возможна доработка устройства для вывода высоты, массы либо объема вещества в резервуаре.

5. УЗ анализаторы состава газов основаны на использовании зависимости скорости УЗ в смеси газов от скоростей в каждом из составляющих эту смесь газов.

6. Охранные УЗ устройства основаны на измерении различных параметров УЗ полей (амплитуды колебаний при перекрытии пространства между излучателем и приемником, изменении частоты при отражении от движущегося объекта и т.п.).

7. Измерители температуры газов и пожарные сигнализаторы, основанные на изменении скорости распространения при изменении температуры среды или появления дыма.

8. Приборы ультразвукового неразрушающего контроля.

Неразрушающий контроль является одним из основных технологических приёмов обеспечения качества материалов и изделий. Не должно эксплуатироваться не одно изделие без проверки. Можно производить проверку путем испытания, но так можно испытать 1- 10 изделий, но нельзя проверить 100% всё изделия, т.к. проверить это значит испортить всё изделия. Поэтому, проверять необходимо, не разрушая. Одни из наиболее дешевых, простых и чувствительных является УЗ метод неразрушающего контроля. Главными достоинствами по сравнению с другими методами неразрушающих испытаний являются УЗ:

- обнаружение дефектов, находящихся глубоко внутри материала, что стало возможным благодаря улучшенной проникающей способности. Ультразвуковое обследование проводится до глубины нескольких метров. Контролю подвергаются различные изделия, например: длинные стальные стержни, роторные штамповки и т.д.;

- высокая чувствительность при обнаружении чрезвычайно малых дефектов длиной несколько миллиметров;

- точное определение местоположения внутренних дефектов, оценка их размера, характеристика направления, формы и природы;

- достаточность доступа только к одной из сторон изделия;

- контроль процесса электронными средствами, что обеспечивает почти мгновенное выявление дефектов;

- объемное сканирование, что позволяет обследовать объем материала;

- отсутствие требований по мерам предосторожности, связанным со здоровьем;

- портативность оборудования.

3.5 Практическое применение высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний

На сегодняшний день основные процессы, реализуемые и интенсифицируемые при помощи высокоэнергетических ультразвуковых колебаний, принято разделять на три основные подгруппы, в зависимости от вида среды, в которой они реализуются Рис.3.5.1.



Рис. 3.5.1. Применение высокоэнергетических ультразвуковых колебаний

В зависимости от вида среды процессы условно делятся на процессы в жидких, твердых и термопластичных материалах и газообразных (воздушных) средах. В последующих разделах будут более подробно рассмотрены процессы и аппараты для интенсификации процессов в жидких, твердых и термопластичных материалах, газообразных средах .
Далее рассмотрим примеры основных технологий, реализуемых с использованием высокоэнергетических ультразвуковых колебаний.

1. УЗ очистка. Сегодня существует множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. УЗ очистка более быстрая, обеспечивает высокое качество и отмывает труднодоступные участки. При этом обеспечивается замена высокотоксичных, огнеопасных и дорогих растворителей обычной водой. С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится очистка металлических за несколько минут.

Причина ускорения очистки в кавитации, особым явлением при котором в жидкости образуются мельчайшие газовые пузырьки. Эти пузырьки лопаются (взрываются) и создают мощные гидропотоки, которые вымывают всю грязь. На этом принципе существуют сегодня стиральные машины и малые установки мойки. УЗ очищает металлы от полировочных паст, прокат от окалины, драгоценные камни от полировочных мест. Очистка печатных форм, стирка тканей, мойка ампул. Очистка трубопроводов сложной формы. Кроме очистки, ультразвук способен производить удаление мелких заусенец, полировку. Ультразвуковое воздействие в жидких средах уничтожает микроорганизмы и поэтому широко используется в медицине и микробиологии. Возможна и другая реализация УЗ очистка дыма от твердых частиц в воздухе. Для этого также используется ультразвуковое воздействие на туманы и дым. Частицы в УЗ поле начинают активно двигаться, соударяются и слипаются, осаждаются на стенки. Это явление называется ультразвуковой коагуляцией и используется для борьбы с туманом на аэродромах, на дорогах и в морских портах.

2. Процессы ультразвуковой пропитки. Основана на звукокапиллярном эффекте. При этом, пропитанная жидкость как бы «вгоняется» в капилляры и время пропитки сокращается в десятки раз. Этот способ используют для пропитки электротехнических изделий: обмоток трансформаторов, роторов, статоров, катушек и др., а также для герметизации литых пористых деталей. В результате время пропитки сокращается в несколько раз, и в ряде случаев достаточно одноразовой пропитки вместо многократной. Капиллярная пропитка является важнейшей стадией многих технологических процессов. Таких, как выщелачивание, производство нанесенных катализаторов, придание различным материалам необходимых свойств. Длительность и полнота пропитки в основном могут быть лимитированы такими факторами, как вязкость жидкости и смачивание твердой фазой, наличие защемленного газа. Поэтому интенсифицирующее воздействие должно быть направлено на уменьшение влияния этих факторов на процесс. Уменьшение вязкости при увеличении температуры широко используется, но имеет предел, связанный со свойствами жидкости и пропитываемых систем. Для однородной жидкости ее вязкость от каких-либо воздействий существенно не изменяется. В неоднородных и неньютоновских жидкостях на вязкость могут повлиять электрические и гидродинамические явления. Вязкость полимеров (расплавов, растворов) может уменьшаться также в результате деструкции. Казалось бы, что наиболее простым является влияние на гидродинамику фильтрационного потока. Поскольку толщина пограничного слоя в колеблющихся потоках уменьшается с ростом частоты, то наложение высокочастотных колебаний должно влиять на скорость пропитки. Для выбора частоты колебаний можно принять, что толщина пограничного слоя должна быть меньше среднего диаметра характерных каналов. Получившая наибольшее распространение кавитационная гипотеза объясняет ультразвуковой капиллярный эффект ударами кумулятивных струй или в упрощенном варианте давлением, возникающим при захлопывании кавитационных пузырьков около устья капилляра . Капиллярный эффект объясняется следующими экспериментальными фактами:

1) В низкочастотных акустических полях (без кавитации) наблюдается как подъем жидкости в капилляр (положительный эффект), так и опускание жидкости (отрицательный эффект), в зависимости от характера асимметрии входа (диффузор или конфузор);

2) Смещение уровня жидкости в капиллярах наблюдается при воздействии ультразвуковых колебаний на капилляр через воздух

(в отсутствие кавитации);

3) "Ультразвуковой капиллярный эффект" не наблюдается при гидродинамической кавитации без колебаний потока жидкости и в отсутствие колеблющихся в устье потоков жидкости;

4) Насосный эффект, т. е. поднятие жидкости по капилляру, находящемуся в контакте с излучателем ультразвука, наблюдается как при кавитации, так и в ее отсутствие.

Приведенные факты указывают на то, что не только кавитация является источником постоянного давления, создающего ультразвуковой капиллярный эффект.

3. УЗ сварка. В настоящее время, с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, производится сварка полимерных термопластичных материалов. Сварка полиэтиленовых тюбиков, коробок, банок обеспечивает отличную герметичность. В отличие от других способов, с помощью ультразвука можно варить загрязненные пластмассы, трубки с жидкостью и т.д. При этом содержимое стерилизуется. С помощью ультразвуковой сварки производится сварка тончайшей фольги или проволоки к металлической детали. Причем УЗ сварка - является холодной сваркой, поскольку шов формируется при температуре ниже температуры плавления. Таким образом, соединяются сваркой алюминий, тантал, цирконий, ниобий, молибден и т.п. В настоящее время ультразвуковая сварка нашла наибольшее применение для высокоскоростных процессов упаковки и производства полимерных упаковочных материалов.

4. Пайка и лужение. С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится пайка алюминия. С помощью УЗ можно лудить, а затем паять керамику, стекло, что ранее было невозможно. Ферриты, припайка полупроводниковых кристаллов к позолоченным корпусам реализуются сегодня с применением ультразвуковой технологии.

5. Ультразвук в современной химии. В настоящее время, как следует из литературных источников сформировано новое направление в химии - УЗ химия. Изучая химические превращения, происходящие под действием УЗ, ученые установили, что УЗ не только ускоряет окисление, но в некоторых случаях обеспечивают восстанавливающее действие. Таким образом, восстанавливается железо из окислов и солей. Получены хорошие положительные результаты по интенсификации УЗ следующих химико-технологических процессов:

- электроосаждение, полимеризация, деполимеризация, окисление, восстановление, диспергирование, эмульгирование, коагуляция аэрозолей, гомогенизация, пропитка, растворение, распыление, сушка, горение, дубление и др.

Электроосаждение

- осаждающийся металл приобретает мелкокристаллическую структуру, уменьшается пористость. Таким образом, осуществляемо меднение, лужение, серебрение. Процесс идет быстрее и качество покрытия выше, чем в обычных технологиях. Получение эмульсий: вода и жир, вода и эфирные масла, вода и ртуть. Барьер несмешиваемости преодолевается благодаря УЗ.
Полимеризация (соединение молекул в одну) степень полимеризации регулируется частотой УЗ.

Диспергирование

- получение сверхтонких пигментов для получения красителей.
Сушка

- без нагревания биологически активные вещества. В пищевой, фармакологической промышленности. Распыление жидкостей и расплавов. Интенсификация процессов в распылительных сушках. Получение металлического порошка из расплавов. Эти распылительные устройства исключают вращающие и трущиеся детали. УЗ усиливает эффективность горения в 20 раз жидких и твердых топлив. Пропитка в сотни раз быстрее проходит жидкость через капилляры пропитываемого материала. Используется при производстве рубероида, шпал, цементных плит, текстолита, гетинакса, пропитке древесины модифицированными смолами.

6. УЗ в металлургии. Известно, что металлы при плавлении поглощают газы алюминия и его сплавы. 80% всех газов в расплавленном металле приходится на долю Н2. Это привод к ухудшению качества металла. Газы удается удалять с помощью УЗ, что позволило в нашей стране создать специальный технологический цикл и широко использовать его при производстве металлов.

- УЗ способствует закалке металлов

- В порошковой металлургии УЗ способствует слипанию частичек изготавливаемого материала. При этом отпадает необходимость в уплотнении большим давлением.

7. УЗ в горном деле. Применение ультразвука позволяет реализовать следующие технологии:

- Удаление парафина со стенок нефтяных скважин;

- Исключение взрывов метана в шахтах за счет его распыления;

- УЗ обогащение руд (флотационный метод с применением УЗ).

8. УЗ в сельском хозяйстве. Ультразвуковые колебания благоприятно влияют на семена и зерна перед их посадкой. Так, обработка семян томатов перед посадкой обеспечивает увеличение численности плодов, сокращает время созревания и увеличение количества витаминов. Обработка УЗ семян дыни и кукурузы приводит к повышению урожайности на 40 %.При обработке УЗ семян можно обеспечить дезинфекцию и ввести необходимые микроэлементы из жидкости.

9. Пищевая промышленность.На практике уже сегодня реализуются следующие технологии:

- Обработка молока для гомогенизации стерилизации;

- Обработка для увеличения сроков хранения и качества молока в

замороженном виде.

- Получение высококачественного порошкового молока;

- Получение эмульсий для хлебопечения;

- Обработка дрожжей на 15 % повышает их бродильную силу;

- Получение ароматических веществ, пюре, извлечение жира из печени;

- Выделение винного камня;

- Экстрагирование растительного и животного сырья;

- Производство духов (6...8 часов вместо года).

10. УЗ в биологии.

- Большие дозы ультразвука убивают микроорганизмы (стафилококки, стрептококки, вирусы);

- Малые интенсивности ультразвукового воздействия способствуют росту колоний микроорганизмов;

11. Влияние на человека. Ультразвуковое воздействие с интенсивностью до 0,1…0,4 Вт/см носит лечебное воздействие. В Америке лечебным считается воздействие с интенсивностью до 0,8 Вт/см

12. В медицине. Ультразвуковые скальпели, устройства для внешней и внутренней липосакции, лапороскопические инструменты, ингаляторы, массажеры находят самое широчайшее применение и позволяют лечить различные болезни [28].

3.6 Элементы оборудования ультразвуковых установок

Основными элементами колебательной системы являются источник ультразвуковых колебаний, акустический трансформатор скорости и детали крепления. Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов: механические и электрические.

К механическим источникам относятся ультразвуковые сирены и свистки, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии (например, скорости движения жидкостей или газов).

Электрические источники УЗК: преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Для этих целей служат различные преобразователи: электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические. Наиболее распространенными являются магнитострикционные и пьезоэлектрические. Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля. Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр, которые нашли широкое применение в производстве магнитострикционных преобразователей. Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим, т. е. если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформациям сжатия или растяжения, то на ее гранях, появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана-та бария, цирконата-титаната свинца. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель. И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная УЗ-волна), то на ее поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник.

Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем

Существуют ультразвуковые генераторы на транзисторах и тиристорах, ламповые и машинные.

3.7 Выбор акустических ультразвуковых устройств

При проектировании ультразвукового технологического устройства необходимо решать следующие задачи: расчет и конструирование ультразвуковой колебательной системы, подбор источников питания и проектирование кинематики перемещения отдельных узлов установки.

В процессе расчета ультразвуковых преобразователей определяют рабочую частоту, потребляемую мощность, входное электрическое сопротивление преобразователя. Этот комплекс параметров определяет возможность комплектации ультразвуковой технологической установки универсальным генератором или необходимость проектирования специализированного ультразвукового генератора.

Остальные узлы ультразвуковых технологических установок проектируют с учетом специфики конкретного технологического процесса.

Расчет и конструирование ультразвукового узла начинают с определения основных акустических параметров, которые обеспечивают заданные характеристики технологического процесса. Такими параметрами являются: частота, амплитуда колебаний (удельная акустическая мощность), площадь рабочей поверхности излучателя (инструмента). При этом в процессе проектирования ультразвукового узла в ряде случаев необходимо удовлетворить заданным ограничениям по массе и габаритным размерам.

Рабочую частоту выбирают с учетом влияния многих факторов. Для большинства технологических процессов частота колебаний определяет эффективность самого процесса. Например, при очистке, связанной с кавитационной эрозией, эффективность растет с понижением частоты в пределах ультразвукового диапазона, производительность ультразвуковой обработки при постоянной амплитуде смещений растет с увеличением частоты. При повышении частоты уменьшаются габаритные размеры и масса колебательной системы, облегчается выполнение санитарно-гигиенических требований к шуму ультразвуковых установок, но падает амплитуда колебательных смещений и КПД системы.

При определении акустической мощности необходимо учитывать назначение колебательной системы. Она может быть предназначена:

Для процессов, связанных с кавитационной активностью жидкости, оптимальное значение удельной акустической мощности для водных сред составляет Wa=l,0--2,0 Вт/см2. Этому значению удельной акустической мощности соответствует амплитуда колебательной скорости на поверхности излучателя 0,2 м/с.

Условия работы при излучении в среду характеризуются заданной площадью излучения и удельной акустической мощностью, которая определяется для данного технологического процесса.

3.8 Рабочая ультразвуковая частота

Относительная сила кавитации уменьшается при увеличении частоты. При повышении частоты пузырек не достигает конечной стадии захлопывания, в результате чего снижается микроударная энергия. На гиперзвуковых частотах очистка осуществляется акустическим потоком и волнами высокоскоростного давления в очищающей жидкости.

Рис. 3.8.1. Влияния частоты на кавитацию

Высокочастотную акустическую энергию в жидкости создает ультразвуковой излучатель. Для эффективности процесса очистки звуковая энергия должна иметь свободную зону прохождения от излучателя до очищаемой поверхности. Итак, для промышленных ультразвуковых устройств используются частоты 20-35кГц. Более низкие частоты около 20 кГц применяются для разрушения клеток, образуют пузырьки большего диаметра и более мощные волны давления, а частоты 35-40 кГц используются для интенсивной, но более бережной очистки [29].

3.9 Размер и мощность ультразвуковой ванны

Эффективность работы ультразвуковой ванны не находится в прямо пропорциональной зависимости от потребляемой мощности. Это не нагревательный прибор, который чем больше мощности потребляет, тем сильнее греет.

В УЗ технике работают другие физические законы и в основном они касаются эффективного согласования электронной и механической составляющих ультразвукового оборудования (т.е. грамотной электроники генератора с не менее грамотной механикой и физическими свойствами излучателя). Именно такое согласование позволяет уйти от потерь на переходах, от потерь на паразитные изгибные колебания, от потерь на разогрев и других потерь, снижающих КПД.

Правильно спроектированные генераторы автоматически подстраивают именно отдаваемую в нагрузку УЗ мощность, как максимально возможную для конкретной рабочей жидкости, ее физических свойств (плотности, температуры, высоты ее уровня и объема загруженных изделий). Если «переборщить» с мощностью для конкретной жидкости и конкретных условий то большая часть УЗ энергии уйдет не на очистку, а на саморазогрев излучателей и тепловые потери в генераторе. Если для изделий требуется более мягкая, бережная ультразвуковая обработка, то нужно проводить очистку на относительно высоких частотах.

Выбор размера бака очень важен при выборе ультразвуковой ванны. Размер и количество объектов для очистки определяют размер ультразвуковой ванны:

При выборе ультразвуковой ванны нужно учитывать размеры аксессуаров, таких как корзины. Чтобы избежать перегрузки, рекомендуется выбрать чуть большую ультразвуковую ванну.

Объекты для очистки и реакционные сосуды запрещено класть на дно ультразвуковой ванны. Это может вызывать отказ устройства, так как детали будут отражать ультразвуковую энергию обратно на передатчик. Для обеспечения нормальной кавитации всегда нужно оставлять не менее 30мм между дном резервуара и изделием. Всегда используйте поддон или сито, или подвесную решетку.

Рис. 3.10.1. Ультразвуковые излучатели.

а.) Магнитострикционный излучатель

б.) Пьезоэлектрические излучатель

3.10 Ультразвуковые излучатели

Группа компаний "РЭЛТЕК" выпускает магнитострикционные (МС) и пьезоэлектрические (ПЭ) излучатели. Наиболее распространённым материалом для изготовления магнитострикционных преобразователей МС является сплав пермендюр. Достоинством МС преобразователя является возможность передачи в единичный излучатель мощности до 5 кВт, что чрезвычайно важно для построения мощных ультразвуковых систем и повышения надёжности их работы. Пьезоэлектрические ПЭ излучатели выпускает три типа МС излучателей: кольцевые, стержневые и мембранные. В технологических установках, когда амплитуда механических колебаний излучателей не превышает 5 мкм, экономически целесообразно применять ПЭ преобразователи, выполненные на основе пьезокерамики. КПД пьезоэлектрических ПЭ преобразователей примерно в два раза выше, чем у магнитострикционных при меньшей себестоимости их производства. ПЭ преобразователи характеризуются высокой надёжностью в эксплуатации, большим сроком службы по сравнению с МС преобразователями, они не требуют специального жидкостного охлаждения. Технические характеристики погружных пьезоэлектрических и магнитострикционные излучателей приведены в Таблицах: 3.10.1.,3.10.2..

Таблица 3.10.1.

Технические характеристики погружных пьезоэлектрических излучателей

Параметры	ПИ-1,4-22	ПИ-1,7-22
Номинальная мощность возбуждения, ВА	1400 +/-10%	1700 +/-10%
Резонансная частота, кГц	26 +/-2	26 +/-2
Рабочая среда	Вода, растворы ПАВ, щелочные растворы с концентрацией не более 10%, масло, лак.
Максимальная температура рабочей среды, 0С	65	65
Продолжительность непрерывной работы, час, не более (с последующим перерывом 1 час)	8	8
Глубина погружения излучателя в водный раствор, м, не более	0,65	1,5
Подвод напряжения возбуждения	Сверху, через слой воды	Через отверстие в стенке (дна) бака
Габаритные размеры, мм, не более:-излучателя в сборе -корпуса без элементов	1180x210x790 670x210x90	850x210x110 670x210x90
Масса, кг, не более	22	25

Таблица.3.10.2.

Технические характеристики магнитострикционных ультразвуковых излучателей

Тип преобразователя	P, кВт	F, кГц	U, В	Акустическая мощность не менее, кВт
Мембранный преобразователь
ПМС-2,5-22	2,5	22	440	1,2
Стержневой преобразователь
ПМС-1-22	1	22	220	0,45
ПМС-4-22	4	22	440	1,8
ПМС-5-18	5	18	440	2,2
Кольцевой преобразователь
КМС-1-18	1	18	220	0,5
ПМС-3-18	3	18	440	1,4
ПМС-5-10	5	10	440	2,5
ПМС-4-8	4	8	440	2,0
ПМС-4-18ОС	4	18	440	2,0

3.11 Монтаж погружных ультразвуковых излучателей

Погружные ультразвуковые излучатели предназначены для “озвучивания” уже имеющихся ёмкостей (ванн) или иного оборудования, что позволяет произвести модернизацию, ремонт или переоснащение любого производства без демонтажа существующего оборудования и с минимальными затратами, а так же возможность переоборудования ванн любого типа. Ультразвуковые погружные излучатели обладают универсальностью при встраивании в ванны, высокой эффективностью, простотой и надёжностью. Объём ванны не ограничен (модульным исполнением) Рис..



Рис. 3.11.1. Модулное исполнения ультразвуковой ванны

При выборе погружного ультразвукового излучателя для имеющееся ванны нужно учитывать размеры аксессуаров, таких как корзины. Для обеспечения нормальной кавитации всегда нужно оставлять не менее 30мм между дном резервуара и изделием. Всегда надо используйте поддон или сито, или подвесную решетку. При устанавливании погружного ультразвукового излучателя возможность модернизировать, или переоснастить любое производство без снятия имеющегося оборудования с незначительными затратами.

Рис. 3.11.1 Варианты монтажа погружных ультразвуковых излучателей в жидкостях

а - на дно ванны, отверстие в ванне не требуется;

б - на стенку ванны, отверстие в ванне не требуется;

в - на дно ванны, вывод ВЧ через боковую стенку;

г - на стенку ванны, вывод ВЧ через стенку;

д - на дно ванны, вывод ВЧ через дно.

Такой излучатель может крепиться ко дну или стенкам ванны. На него подаётся переменное напряжение от ультразвукового генератора определённой частоты. Эффективность подобной установки зависит от числа установленных ультразвуковых излучателей и их мощности. Ультразвуковые излучатели значительно улучшают качество очистки деталей, при этом обеспечивается отличный 100% результат. Они способствует качественному очищению поверхности от смазки и остатков охлаждающей жидкости, а также от смазочно охлаждающих жидкостей (СОЖ), налетов, различных механических загрязнений, продуктов порчи металл и накипи. В данном случае воздействие происходит не только на поверхность детали, но и на сам моющий раствор, только так обеспечивается идеальный результат [33].

Рис.3.11.2. Варианты монтажа погружных ультразвуковых излучателей в жидкостях

а - на дно ванны, вывод ВЧ через боковую стенку;

б - на дно ванны, вывод ВЧ через дно;

в - на дно ванны, отверстие в ванне не требуется;

г - на стенку ванны, вывод ВЧ через стенку;

д - на стенку ванны, отверстие в ванне не требуется.

Рис. 3.11.3. Движения ультразвуковых волн при монтаже с боку



Рис. 3.11.4. Схема примеров размещения погружного излучателя и движения звука в них

3.12 Конструкция погружного ультразвукового излучателя

Материал изготовления:

- нержавеющая сталь толщиной 1,5до3,0 мм;

Рабочая частота - 35 кГц;

Амплитудная модуляция - до 90%;

Высота - 90 мм.

Рис. 3.12.1. Размеры погружного ультразвукового излучателя

Рис. 3.12.2. Конструкция ультразвукового излучателя



Рис.3.12.3 Ультразвуковая пластина (съёмное дно)

Требуемая мощность генератора от размеров погружного ультразвукового излучателе в таблице 3..

Таблица 3.12.1.

Размеры погружных ультразвуковых излучателей

Размер a, мм	Размер b, мм	Мощность ультразвукового генератора, Вт
	150	225	300	375	450
150	50
225	100	200
300	150	300	450
375	200	400	600	800
450	250	500	750	1'000	1'250
525	300	600	900	1'200	1'500
600	350	700	1'050	1'400
675	400	800	1'200	1'600
750	450	900	1'350
825	500	1'000	1'500
900	550	1'100
975	600	1'200
1'050	650	1'300
1'125	700	1'400
1'200	750	1'500
1'275	800
1'350	850
1'425	900
1'500	950
1'575	1'000
1'650	1'050
1'725	1'100
1'800	1'150
1'875	1'200
1'950	<1'250

Погружные ультразвуковые излучатели рекомендуется приобретать в том случае, если уже имеются специальные ёмкости, ванны или другое.

Рис. 3.12.4. Пьезокерамического излучатель (ультразвуковой излучатель) типа Ланжевена

В таблице 3.12.2. от мощность и частоты зависит размер излучателя.

Таблица 3.12.2.

Размер излучателя

Рабочая частота, кГц	Номинальная мощность, Вт	D, мм	d, мм	h, мм	L, мм
22	100	59	52	85	66
28	50
35	50	50	39	59	60
41	50
60	30	32	26	40	37

В данном случае существует возможность модернизировать, отремонтировать или переоснастить любое производство без снятия имеющегося оборудования с незначительными затратами.

На самом деле погружные ультразвуковые излучатели универсальны при встраивании в ванну, они отличаются высокой эффективностью, надёжностью при работе и простотой. Ванна может иметь модульное исполнение, при этом её объем неограничен.

Такой излучатель может крепиться ко дну или стенкам ванны. На него подаётся переменное напряжение от ультразвукового генератора определённой частоты. Эффективность подобной установки зависит от числа установленных ультразвуковых излучателей и их мощности.

Так как активно используются новые требования касательно эксплуатационного качества продукции современной промышленности, изготовление изделий с защитным покрытием увеличивается. Качественное нанесение подобных покрытий можно выполнить только при условии специальной подготовки поверхности, поэтому погружные ультразвуковые излучатели могут сыграть важную роль. Он способствует качественному очищению поверхности от смазки и остатков охлаждающей жидкости, а также от СОЖ, налетов, различных механических загрязнений, продуктов порчи металл и накипи.

Так как очищение деталей происходит в жидкой среде, не обойтись без активизации молекул этой среды. Для этой цели и осуществляются ультразвуковые колебания. Современные ультразвуковые излучатели значительно улучшают качество очистки деталей, при этом обеспечивается отличный 100% результат. В данном случае воздействие происходит не только на поверхность детали, но и на сам моющий раствор, только так обеспечивается идеальный результат.

3.13 Материалы для ультразвуковой установки очистки и пропитки

Материал для очистки:

"Фаворит К Ультра White" супер концентрированная представляет собой пасту белого цвета с приятным запахом. При работе с концентратами не требуется защита персонала. pH- 1,0-2,0, расход 50-200 грамм на

Рис. 3.13.1. Концентрат очистки

10 литров воды. Многократность применяемых растворов. Область применения: очистка благородных металлов, черных металлов, цветных серебра, металлов таких как меди, бронзы, латуни, а так же для очистки деталей от карбоновых, оксидных, солевых, минеральных отложений и загрязнений. Очистка ювелирных изделий.

"Фаворит К Ультра Yellow" супер концентрированная представляет собой пасту желтого цвета с приятным запахом. При работе с концентратами не требуется защита персонала. pH- 1,0-2,0, расход 50-200 грамм на 10 литров воды. Многократность применяемых растворов. Область применения: очистка благородных металлов, черных металлов, цветных металлов таких как меди, бронзы, латуни, а так же для очистки деталей от карбоновых, оксидных, солевых, минеральных отложений и загрязнений. Очистка ювелирных изделий.

Пропиточный материал:

Лаком электроизоляционным МЛ-92 пропитывают обмотки у электрических машин, аппаратов и трансформаторов, им покрывают
электроизоляционные детали, нанося методом окунания или наливом в 1-2 слоя. При необходимости лак МЛ-92 разбавляют ксилолом, толуолом или смесью одного из этих растворителей с уайт-спиритом в соотношении 3:1. Толщина однослойного покрытия лаком составляет от 20 до 30 мкм. Первый слой лака перед повторным окунанием и второй слой лака перед горячей сушкой выдерживают при температуре (20 ± 2)°С в течение 15 - 20 мин. Затем сушат при температуре (105 -110)°С в течение 1 ч. В толстом слое лак просыхает при температуре 120°С в течение 16ч. Расход на однослойное покрытие лаком от40г/мдо48г/м. При соблюдении требований к подготовке

поверхности, нанесению материалов и сушке покрытий, допускается нанесение лака МЛ-92 по алюминиевым сплавам без предварительного грунтования; эксплуатация покрытий в зонах с умеренным и тропическим климатом. При этом обеспечиваются электроизоляционные свойства покрытия.

- Лак МЛ-92 относится к материалам, которыеподвергаются действию электрических напряжений, тока, электрической дуги и поверхностных разрядов;

- Лак МЛ-92 обладает высокими электроизоляционными свойствами;

- Изделия, обработанные лаком МЛ-92, эксплуатируются в условиях различных климатических зон, выдерживая высокое температурное воздействие (до 130°С).



Рис. 3.13.2. Установка ультразвуковая

Назначение и область применения:

Установка предназначена для мойки и пропитки якорей и статоров электрических машин с применением энергии ультразвуковых (УЗ) колебаний. При мойке происходит удаление с обрабатываемых поверхностей, из раковин и трещин, старой изоляции , механических и масляных загрязнений. При пропитке происходит заполнение пропиточным лаком раковин и трещин в изоляции, внутренних полостей и каналов обмоток и сердечников, равномерное и качественное покрытие наружных поверхностей обмоток и сердечников.

Технические характеристики:

· Длительность пропитки УЗ, мин -- 8, 16, 32

· Электропитание -- 3фаз. 50Гц, 380В

· Потребляемая мощность, кВт, не более -- 4

Условия, при которых должна включаться вытяжная вентиляция

· при открывании моечно-пропиточной ёмкости во время установки в неё и вынимания из неё пропитываемых изделий;

· при мойке и пропитке.

3.14 Особенности ультразвукового технологического оборудования

Существующее УЗ технологическое оборудование различной мощности, степени сложности и назначения, базируется на общих принципах работы и сходно по своей структуре.

На рисунке 3.13.1. представлена структурная схема УЗ технологического аппарата, который состоит из сетевого источника питания, транзисторного усилителя (инвертора), задающего генератора УЗ частоты, устройства контроля и управления, устройства согласования, колебательной системы (пьезопреобразователя и концентратора), технологической среды.

Рис. 3.14.1. Структурная схема ультразвукового генератора

УЗ электронные генераторы - предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и применяются для питания электроакустических преобразователей . В настоящее время УЗ генераторы выполняются на полупроводниковых приборах транзисторах и тиристорах. Применение тиристорных инверторов ограничено из-за низких частотных свойств тиристоров и сложности схемы управления. Наиболее широко в настоящее время применяются УЗ генераторы на транзисторах. Так как параметры транзисторов непрерывно улучшаются, они являются наиболее перспективными приборами и для новых разработок УЗ генераторов. По схемному решению генераторы могут быть с независимым возбуждением, с самовозбуждением, с электрической или акустической автоподстройкой частоты . По своим техническим возможностям УЗ аппараты могут быть универсального применения и специализированные.

Универсальные рассчитаны на работу с различными технологическими средами, допускают широкую вариацию выходных параметров (мощности, частоты, напряжения и т.п.) и условий согласования с нагрузкой. Примерами универсальных аппаратов могут служить: погружной УЗ аппарат, разработанный ООО «Сапфир» и состоящий из излучателя и генератора УЗГ-500М2, выполненных в отдельных корпусах и соединённых между собой высокочастотным кабелем. Корпус излучателя выполнен герметичным из нержавеющей стали. Подобные аппараты разработаны швейцарской фирмой ACTIVE ULTRASONIC . Они комплектуются стержневыми излучателями, позволяющими эффективно выводить УЗ энергию в жидкие среды. Излучатели могут быть использованы для оснащения УЗ химических реакторов и технологических ванн различной мощности. Мощность отдельного излучателя лежит в пределах от 600 Вт до 2000 Вт.

Специализированные аппараты рассчитаны на питание одной или нескольких определенных нагрузок. Эти генераторы имеют неизменяемые выходные параметры (рабочую частоту, выходную мощность и т.д.). Универсальные генераторы предназначены для использования в лабораториях, на опытных производствах, для питания устройств, где не происходит изменения параметров технологического воздействия. При применении в массовом производстве, где выходные параметры генератора остаются неизменными, предпочтительны специализированные ультразвуковые аппараты.

Характеристики аппаратов, как электрические, так и неэлектрические обусловлены, характеристиками ультразвуковой технологической установки, в состав которой они входят.

Наличие взаимного влияния параметров среды и преобразователя приводит к влиянию параметров технологической среды на электрические параметры УЗ колебательных систем и электронных генераторов. Это объясняется тем, что УЗ колебательная система, являясь частью технологического аппарата, одновременно входит в состав генератора электрических колебаний, являясь его электрической нагрузкой. УЗ колебательная система представляет собой электромеханическую резонансную систему, к главным характеристикам которой относятся резонансная частота и добротность. Параметры такой системы очень чувствительны к влиянию на неё различных факторов. В связи с этим любое воздействие на колебательную систему изменяет её основные характеристики, что приводит к изменению параметров генератора. Таким образом, на работу генератора электрических колебаний УЗ частоты оказывает влияние изменение параметров колебательной системы.

4. Исследовательская часть

4.1 Принципиальная схема ультразвукового генератора в жидкой среде

Рис. 4.1.1. Схема принципиальная ультразвукового генератора

Конструкция представляет собой достаточно мощный генератор ультразвука и предназначена для ускорения происходящих в жидкой среде процессов. Источник ультразвука необходим для очень широкого спектра применения. Может использоваться для сокращения времени пропитки травления и промывки деталей, уменьшения времени обработки, ускорение протекания химических процессов в жидкости,

и для ускорения времени протекания самых разнообразных химических процессов, например, при приготовлении клея, серебрении медных проводов. Ускорение протекания химических процессов в жидкости, облученной ультразвуком, происходит, главным обрезом, благодаря явлению кавитации возникновению в жидкости множества пульсирующих пузырьков заполненных паром, газом или их смесью и звукокапиллярному эффекту [Л1]. В данном случае используется качание частоты, что повышают эффективность использования этого прибора при выполнении поставленных перед ним задач. Дело в том. что если взять какой либо конкретный сосуд, наполненный жидкостью, то при облучении его ультразвуком постоянной частоты, из-за различных физических факторов и прочих нюансов, эффективность применения этого устройстве может стать незначительной. Если же частота ультразвука будет непрерывно меняться, то те или иные чести корпуса емкости, слои и молекулы веществ раствора периодически будут попадать в резонанс, либо на основной частоте, либо на верхних гармониках, что благоприятно будет сказываться на увеличении скорости протекания реакций. В Данной работе представлена схема ультразвукового генератора переменной частоты. Основу конструкции составляют два генератора импульсов прямоугольной формы и мостовой усилитель мощности. На логических элементах И-НЕ DD1.3, DD1.4 выполнен перестраиваемый генератор импульсов формы меандр ультразвуковой частоты. Его рабочая частота зависит от емкости конденсатора С3 и общего сопротивления резисторов R5, R7. Чем сопротивление этих резисторов больше, тем частота меньше. На инверторах DD1.1, DD1.2 реализован низкочастотный генератор с рабочей частотой около 1 Гц. Оба генератора связаны между собой через резисторы R3,R4. Конденсатор С2 предназначен для того, чтобы частоте ведомого высоко-частотного генератора изменялась плавно. Если конденсатор С2 зашунтировать переключателем SA1, то частота высокочастотного генератора будет постоянной. На КМОП микросхеме DD2 и полевых транзисторов с изолированным затвором обогащённого типа выполнен мостовой усилитель мощности импульсов прямоугольной формы. Инверторы микросхемы раскачивают двухтактные повторители на полевых транзисторах. Когда на выводах 3. 6 DD2 логический (О), то на выходах DD2.3, DD2.4 будет логическая ( 1). Соответственно в этот момент времени будут открыты транзисторы VT1, VT3. a VT2, VT4 будут закрыты. Коэффициент полезного действия такого усилителя мощности приближается к 100 %. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к богатому гармониками акустическому излучению. На светодиоде HL1 выполнен индикатор включения, а на элементах C4...C7, L1 -- фильтр питания.

В качестве излучателей ультразвука используются две недорогие высокочастотные динамические головки типе 2ГД-36-2500 (6ГДВ-2-8). Не их месте можно использовать, например: 6ГД-13 (6ГДВ-4-8),

ЭГД-31 (5ГДВ-1-8) и другие аналогичные. Если будут использованы высокочастотные динамит мощностью 10 Вт и более, то их можно будет включить параллельно или оставить только один динамик. При использовании двух динамиков необходимо соблюдать фазировку подключения. При возможности, их желательно заменить мощным пьезокерамическим излучателем или магнитостриктором, который можно попробовать изготовить самостоятельно, намотав на фер- ритовом П-- образном сердечнике от ТВС телевизора несколько десятков витков многожильного медного провода, а в качестве мембраны применить небольшую стальную пластину. Катушка должна быть размещена на массивной опоре.( p) -- Канальные полевые транзисторы можно заменить на IRF5305, IRF9Z34S. IRF5210:

(n) -- канальные IRF511. IRF541. IRF520, IRFZ44N. IRFZ48N. Транзисторы устанавливаются на небольшие теплоотводы из дюралюминия. Микросхемы можно заменить на КР1561ЛА7, 564ЛА7, CD4011A. К561ЛЕ5. КР1561ЛЕ5. С04001В. Дроссель L1 -- любой миниатюрный индуктивностью 220....1000 мкГн. Резисторы R7, R8 -- самодельные проволочные из нихромовой проволоки на ток не менее 2 А. Переменный резистор СПЗ-ЗО, СПЗ-3-33-32 или с выключателем питания СПЗ-ЗЗ-20. выключатели SA1, SA2 -- П2К с фиксацией положения. Печатная плата генератора выполняется на омеднённом текстолите.

4.2 Настройка устройства

Движок переменного резисторе R6 устанавливается в среднее положение, контакты выключателя SA1 замыкаются, подбором емкости конденсатора С3 от 1000пф до 2200пф, и сопротивления резисторе R6 устанавливается частота генератора на DD1.3, DD1.4 около 30 кГц. Далее, контакты SA1 размыкаются и подбором сопротивлений резисторов R2, R3 и R4 следует установить девиацию ультразвуковой частоты от 24 кГц до 36...45 кГц. Делать её более широкой не следует, так как или работа устройстве станет слышимой человеком, либо заметно возрастут потери не переключение полевых транзисторов, а эффективность излучателей звука упадёт. Срыв работы генератора не DD1.3, DD1.4 не допускается, так как это может привести к повреждению катушек динамических головок. Источник питания должен быть рассчитан на ток не менее 2 А. Напряжение питания может быть от 11 до 13 вольт. Звукоизлучатели не должны располагаться в корпусе прибора или прикрепляться к нему снаружи, тек как мощное ультразвуковое облучение может значительно уменьшить срок службы некоторых радиодеталей.

Эффективность применения этого устройстве также зависит не только от физико-химических свойств жидкости, характеристик излучателя, но и от того, каким образом будет облучаться емкость с раствором. Здесь, в каждом конкретном случае, следует поэкспериментировать, чтобы использование акустической энергии ультразвука стало наиболее эффективным. Например, если вы ограничитесь какой-либо суррогатной ёмкостью, например, трехлитровой стеклянной банкой, то динамические головки закрепляются на ней с помощью тугого резинового жгуте. Саму банку, при этом, необходимо плотно обмотать широким скотчем, это нужно на тот случай, если стекло не выдержит испытаний ультразвуком и банка расколется. Чтобы ещё более повысить эффективность этого приборе, следует предусмотреть возможность подогрева облучаемого ультразвуком раствора. Кроме описанных выше вариантов применения, можно попробовать использовать эту конструкцию и для отпугивания летающих насекомых, мелких грызунов, огородных вредителей. При работе этого устройства долго выдержать этот пронзительный звук, меняющийся в широком диапазоне не представляется возможным даже тем, кто находится и в других комнатах. Голова начинает даже не болеть, а её как будто в тиски жмёт, до тошноты противное состояние, выдержал секунд 30. Ток потребления можно рассчитать исходя из сопротивления применяемого ультразвукового излучателя, по закон Ома. Приняв за КПД 100% оконечного каскада, что почти так и есть, получаем 750 мА при напряжении питания 12 В. При уменьшении напряжение упадет мощность. Ультразвуковой излучатель питается от блока питания собранного кренки на 12 В для наименьших перепадов напряжения более стабильна получается частота. Диапазон выходных частот варьирует в широком пределе переменным резистором от слышимого спектра до не слышимого, необходимо лишь правильно подобрать скважность импульсов для правильной работы схемы простота этого устройства доступна для сборки и использования в домашних условиях.

4.3 Умножитель напряжения для питания пьезоизлучателя

Пьезоэлектрические преобразователи широко используются в ультразвуковых измерительных устройствах и в акустических оповещателях охранной сигнализации. Для получения от преобразователя достаточной звуковой мощности нужно, во первых, подавать напряжение с частотой, близкой к частоте его резонанса, а во вторых, амплитуда этого напряжения должна быть как можно ближе к максимально допустимой для используемого прибора. Для питания преобразователя чаще используют схему с трансформатором, работающую на резонансной частоте. Но для того, чтобы создать и оптимизировать такую схему, придется потратить немало времени и сил. Однако возможно сделать и бес трансформаторную схему. Пример подобной схемы изображен на Рисунке 4.3.1.



Рис. 4.3.1. Умножитель напряжения ультразвука

Пять инверторов и утроитель напряжения управляют пьезоэлектрическим преобразователем.

Задающий генератор собран на микросхеме триггера Шмитта IC1A. Частота устанавливается резистором R1 и конденсатором C1. Для точной настройки на частоту резонанса преобразователя следует подбирать номиналы обоих компонентов. Можно заменить R1 подстроечный резистор и подстраивать частоту с его помощью, добиваясь максимального напряжения на преобразователе.

Драйвер собран на пяти инверторах IC1B … IC1F. Диоды D1 и D2, вместе с окружающими их компонентами, образуют утроитель напряжения. На транзисторе Q2 сделан усилитель, а на транзисторах Q1 и Q3 драйвер пьезопреобразователя.

Генератор можно заменить микроконтроллером. Схема работает при напряжении питания не превышающем 10 В. Ее можно использовать и в системах с питанием 3.3 В, но тогда микросхему для генератора и драйверов нужно будет заменить на инвертор 74HC14. Если потребуется еще больше увеличить размах напряжения на преобразователе, можно подключить дополнительный удвоитель напряжения.

4.4 Ультразвуковые генераторы

Одной из ответственных частей УЗ аппарата является электронный генератор - устройство, предназначенное для преобразования энергии электрической промышленной сети в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.

Решение проблемы автоматической подстройки параметров генератора при всех возможных изменениях параметров обрабатываемых сред и разработка электрического генератора для специализированного ультразвукового станка является сложной проблемой.

Наиболее интересной и перспективной является схема генератора с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты.
К достоинству таких схем относятся все достоинства схем генераторов с независимым возбуждением, плюс к этому добавляется возможность автоматической подстройки частоты в соответствии с изменением механической частоты колебательной системы.

Однако у всех разработанных к настоящему времени генераторов с автоподстройкой частоты есть следующие общие недостатки:
1. Ограничение по максимальной развиваемой мощности, обусловленное длительным временем рассасывания зарядов в базах современных высоковольтных транзисторов при протекании больших токов.
2. Диапазон перестройки рабочей частоты генератора меньше возможного диапазона изменения собственной рабочей частоты колебательной системы.
3. Ограниченный диапазон изменения или полное отсутствие регулировок выходной мощности генераторов.

4. Полное отсутствие или недостаточное быстродействие систем автоматического поддержания амплитуды механических колебаний колебательной системы.

5. Отсутствие систем защиты от не регламентных режимов работы;

6. Отсутствие ультразвуковых колебательных систем, способных обеспечить максимально эффективное согласование выходного электрического сопротивления электрического генератора и механического сопротивления обрабатываемых сред в широком диапазоне.

7. Снижение производительности (эффективности ультразвукового воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии системы автоматической подстройки рабочей частоты.
На основании результатов создания электронных генераторов для ультразвуковых аппаратов и исследований, проведенных выше, был разработан электрический генератор, позволяющий исключить перечисленные недостатки.

Это стало возможным за счет обеспечения автоматической подстройки режимов работы электронной схемы генератора при всех возможных изменениях условий ультразвукового технологического воздействия, при использовании различных колебательных систем с большим числом разнообразных инструментов [30, 35].

Рассмотрим структурную схему, представленную на рисунке 4.4.1..

При включении УЗ станка низковольтная часть его питается с помощью источника питания 11, блок автоматики 12 запускает генератор 2 на максимально возможной частоте из диапазона перестройки генератора, и тот начинает поиск резонансной частоты колебательной системы. Это происходит следующим образом: сигнал с выхода генератора 2 подается на выходные ключевые каскады 3, этот же сигнал (опорный) поступает на один из входов фазового компаратора 1, на ключевые каскады нагружен колебательный контур 4, резонанс которого близок к резонансной частоте механической колебательной системы.