Ультразвуковые установки, предназначенные для обработки различных деталей мощным ультразвуковым акустическим полем в жидкой среде. Установки УЗУ4-1,6/0 и УЗУ4М-1,6/0 позволяют решать задачи тонкой очистки фильтров топливных и гидравлических масляных систем от нагара, смолистых веществ, продуктов коксования масел и т.п. Очищенные фильтры фактически приобретают вторую жизнь. Причем ультразвуковой обработке они могут подвергаться неоднократно. Выпускаются также установки малой мощности серии УЗСУ для очистки и ульразвуковой обработки поверхности различных деталей. Процессы ультразвуковой очистки необходимы в электронной, приборостроительной промышленности, авиации, ракетно-космической технике и везде, где требуются высокие технологически чистые технологии.

Установки УЗУ 4-1,6-0 и УЗУ 4М-1,6-0

Ультразвуковая очистка различных фильтров летательных аппаратов от смолистых веществ и продуктов коксования.

В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков (f = 6-10 5 кГц).

Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде.

При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая называется колебательной.

Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением.

Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой она движется. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может использоваться в технологических процессах.

Достоинства ультразвуковой обработки:

Возможность получения акустической энергии различными техническими приёмами;

Широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки, пайки и т. д.);

Простота автоматизации и эксплуатации;

Недостатки:

Повышенная стоимость акустической энергии по сравнению с другими видами энергии;

Необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;

Необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами и формой.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов:

Кавитация, т. е. образование в жидкости пузырьков и лопание их.

При этом возникают большие местные мгновенные давления, достигающие 10 8 Н/м2;

Поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.

Эти эффекты используются для:

Разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;

Коагуляции (укрупнения) частиц;

Диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;

Дегазации жидкостей или расплавов за счёт образования всплывающих пузырьков больших размеров.

1.1. Элементы ультразвуковых установок

Любая ультразвуковая установка (УЗУ) включает в себя три основных элемента:

Источник ультразвуковых колебаний;

Акустический трансформатор скорости (концентратор);

Детали крепления.

Источники ультразвуковых колебаний (УЗК) могут быть двух видов – механические и электрические.

Механические преобразуют механическую энергию, например, скорость движения жидкости или газа. К ним относятся ультразвуковые сирены или свистки.

Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объёма) под действием магнитного поля.

Магнитострикционный эффект у различных материалов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр (сплав железа с кобальтом).

Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нём переменного электромагнитного поля высокой частоты.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объём) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на её гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.

Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария, цирконата-титана свинца.

Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Формы концентраторов

Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обрабатываемого материала. Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью к агрессивным средам.

1.2. Технологическое использование ультразвуковых колебаний

В промышленности ультразвук используется по трём основным направлениям: силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль процессов.

Силовое воздействие на материал

Применяется для механической обработки твёрдых и сверхтвёрдых сплавов, получения стойких эмульсий и т. п.

Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на характерных частотах 16–30 кГц:

Размерная обработка на станках с применением инструментов;

Очистка в ваннах с жидкой средой.

Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел (рис. 1.2). Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение. Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний (обычно ламповый), к которому подключается обмотка 2.

Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию механических упругих колебаний – вибратор 1.

Рис. 1.2. Акустический узел ультразвуковой установки

Колебания вибратора, который переменно удлиняется и укорачивается с ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются концентратором 4, присоединённым к торцу вибратора.

К концентратору крепится стальной инструмент 5 так, чтобы между его торцом и обрабатываемой деталью 6 оставался зазор.

Вибратор помещается в эбонитовый кожух 3, куда подаётся проточная охлаждающая вода.

Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла 7 подаётся жидкость с мельчайшими зёрнами абразивного порошка.

От колеблющегося торца инструмента зёрна абразива приобретают большую скорость, ударяются о поверхность детали и выбивают из неё мельчайшую стружку.

Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, производительность установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16–30 кГц) и большим количеством зёрен абразива, движущихся одновременно с большим ускорением.

По мере снятия слоёв материала производится автоматическая подача инструмента.

Абразивная жидкость подаётся в зону обработки под давлением и вымывает отходы обработки.

С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование и другие.

Ультразвуковые ванны (рис. 1.3) применяются для очистки поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, плёнок окислов, минеральных масел и др.

Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.

Принцип действия такой ванны состоит в следующем: обрабатываемая деталь (1) погружается в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2). Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединённая с магнитострикционным вибратором (6) с помощью клеящего состава (8). Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3) распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.

Рис. 1.3. Ультразвуковая ванна

Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров. Кроме того, этим методом удаётся получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол и другие.

Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового производства.

Интенсификация технологических процессов

Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических процессов. Например, полимеризация при определённой силе звука идёт более интенсивно. При снижении силы звука возможен обратный процесс – деполимеризация. Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую скорость реакции.

В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств затвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.

Ультразвуковой контроль процессов

С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб. Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после действия на среду с достаточной точностью судят о её состоянии. Как правило, применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.

По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных смесей, не являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах не изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это даёт возможность определить процентное содержание примесей в исходном веществе.

По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать приборы ультразвуковой диагностики.

Выводы: ультразвук – упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц, не слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые установки широко используют для обработки материалов за счет высокочастотных акустических колебаний.

Общие сведения

Установка ультразвуковая УЗУ-1,6-О предназначена для очистки металлических фильтроэлементов и фильтропакетов гидравлической топливной и масляной систем летательных аппаратов, авиационных двигателей и стендового оборудования от механических примесей, смолистых веществ и продуктов коксования масел.
На установке возможна очистка фильтропакетов из материала Х18 Н15-ПМ по технологии завода-изготовителя фильтропакетов.

Структура условного обозначения

УЗУ4-1,6-О:
УЗУ - установка ультразвуковая;
4 - исполнение;
1,6 - мощность колебательная номинальная, кВт;
О - очистка;
У, Т2 - климатическое исполнение и категория размещения
по ГОСТ 15150-69, температура окружающего воздуха
от 5 до 50°С. ї Окружающая среда - невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, не содержащая агрессивных паров, газов, способных нарушить нормальную работу установки.
Установка соответствует требованиям ТУ16-530.022-79.

Нормативно-технический документ

ТУ 16-530.022-79

Технические характеристики

Напряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, В - 380/220 Мощность потребляемая кВт, не более: без освещения и нагревателей - 3,7 с освещением и нагревателями - 12 Рабочая частота генератора, кГц - 18 Мощность генератора выходная, кВт - 1,6 КПД генератора, %, не менее - 45 Напряжение анодное генератора, В - 3000 Напряжение накала генераторных ламп, В - 6,3 Выходное напряжение генератора, В - 220 Ток подмагничивания, А - 18 Ток анодный, А - 0,85 Ток сеточный, А - 0,28 Количество ванн, шт - 2 Объем одной ванны, л, не менее - 20 Время нагрева моющего раствора в ваннах от 5 до 65°С без включения генератора, мин, не более: при работе на масле АМГ 10 - 20 при работе на водных растворах гексаметафосфата натрия, тринатрийфосфата и азотнокислого натрия или синвала - 35 Длительность непрерывной работы установки, ч, не более - 12 Охлаждение элементов установки воздушно-принудительное. Время ультразвуковой очистки одного фильтроэлемента, мин, не более - 10 Время развертывания установки в рабочее положение, мин, не более - 35 Время свертывания в походное положение, мин, не более - 15 Масса, кг, не более - 510
Гарантийный срок - 18 мес со дня ввода в эксплуатацию.

Конструкция и принцип действия

Конструкция ультразвуковой установки УЗУ4-1,6-О (см. рисунок) представляет собой передвижной контейнер, укомплектованный поблочно.

Общий вид и габаритные размеры ультразвуковой установки УЗУ4-1,6-О
Установка имеет две технологические ванны. Снабжены кареткой для вращения фильтров и переноса их из одной ванны в другую. В каждой ванне установлен магнитострикционный преобразователь типа ПМ1-1,6/18. Охлаждение преобразователя воздушное, генератор встроенный. В комплект поставки установки УЗУ4-1,6-О входят: установка ультразвуковая УЗУ-1,6-О, ЗИП (запасные части и принадлежности), 1 компл., комплект эксплуатационной документации, 1 компл.

Установка состоит из лабораторной стойки, ультразвукового генератора, высокоэффективного, высокодобротного магнитострикционного преобразователя и трех волноводов-излучателей (концентраторов) к преобразователю. имеет ступенчатую регулировку выходной мощности, 50%, 75%, 100% номинальной выходной мощности. Регулировка мощности и наличие в комплекте трех различных волноводов-излучателей (с коэффициентом усиления 1:0.5, 1:1 и 1:2) позволяет получить различную амплитуду ультразвуковых колебаний в исследуемых жидкостях и упругих средах, ориентировочно, от 0 до 80 мкм на частоте 22 кГц.

Многолетний опыт изготовления и продаж ультразвукового оборудования подтверждает осознанную необходимость в оснащении всех видов современного высокотехнологичного производства Лабораторными установками.

Получение нано-материалов и нано-структур, внедрение и развитие нано-технологий невозможно без применения ультразвукового оборудования.

С помощью данного ультразвукового оборудования возможно:

• получение нано-порошков металлов;
• использование при проведении работ с фуллеренами;
• исследование протекания ядерных реакций в условиях сильных ультразвуковых полей (холодный термояд);
• возбуждение сонолюминисценции в жидкостях, в исследовательских и промышленных целях;
• создание мелкодисперсных нормализованных прямых и обратных эмульсий;
• озвучивание древесины;
• возбуждение ультразвуковых колебаний в расплавах металлов для дегазации;
• и многое, многое другое.

Современные ультразвуковые диспергаторы с цифровыми генераторами серии И10-840

Ультразвуковая установка (диспергатор, гомогенизатор, эмульгатор) И100-840 предназначена для лабораторных исследований воздействия ультразвука на жидкие среды с цифровым управлением, с плавной регулировкой, с цифровым выбором рабочей частоты, с таймером, с возможностью подключения различных по частоте и мощности колебательных систем и записью параметров обработки в энергонезависимую память.

Установка может быть укомплектована ультразвуковыми магнитострикционными или пьезокермическими колебательными системами с рабочей частотой 22 и 44 кГц.

При необходимости возможно комплектование диспергатора колебательными системами на 18, 30, 88 кГц.

Ультразвуковые лабораторные установки (диспергаторы) используются:

• для лабораторных исследований влияния ультразвуковой кавитации на различные жидкости и помещенные в жидкость образцы;
• для растворения трудно или мало растворимых веществ и жидкостей в других жидкостях;
• для проведения испытаний различных жидкостей на кавитационную прочность. Например, для определения стабильности вязкости промышленных масел (см. ГОСТ 6794-75 на масло АМГ-10);
• для исследований изменения скорости пропитки волокнистых материалов под воздействием ультразвука и для улучшения пропитки волокнистых материалов различными наполнителями;
• для исключения агрегатирования минеральных частиц при гидросортировке (абразивные порошки, геомодификаторы, природные и искусственные алмазы и т. д.);
• для ультразвуковой отмывки сложных изделий автомобильной топливной аппаратуры, форсунок и карбюраторов;
• для исследований на кавитационную прочность деталей машин и механизмов;
• и в самом простом случае - как высоко интенсивная ультразвуковая моющая ванна. Осадок и отложения на лабораторной посуде и стекле удаляются или растворяются за считанные секунды.

Лабораторная установка SonoStep сочетает в себе ультразвуковую обработку, перемешивание и подачу проб; при этом она имеет компактный дизайн. С ней легко работать, ее можно использовать для подачи обработанных ультразвуком проб на аналитические устройства, например, для измерения размеров частиц.

Ультразвуковая обработка помогает диспергировать агломерированные частицы для их подготовки и анализа дисперсности и эмульсий. Это важно при измерении размера частиц, например, с помощью динамического рассеяния света или дифракцией лазерного излучения.

Эффективно и просто

Рециркуляция стандартной пробы, ultrasonic generator – ультразвуковой генератор, stirrer - мешалка, ultrasonic transducer – ультразвуковой преобразователь, pump - насос, analytic device – аналитический прибор Рециркуляция пробы с помощью SonoStep, ultrasonic generator and transducer – ультразвуковой генератор и преобразователь, motor with pump head – двигатель с насосом, analytic device – аналитический прибор

Применение ультразвука для рециркуляции пробы требует наличия четырёх компонентов: сосуда для перемешивания, ультразвукового генератора и преобразователя (датчика) и насоса. Все эти компоненты соединены между собой шлангами или трубками. Типовая установка показана на схеме (стандартная рециркуляция).

Прибор SonoStep включает в себя источник ультразвука и центробежный насос, находящиеся в стакане, выполненном из нержавеющей стали (см. рис. «рециркуляция пробы с использованием Sonostep»).

Устройство SonoStep соединено с аналитическим прибором.

Последовательная ультразвуковая обработка для получения лучших результатов

Ультразвуковая обработка улучшает точность измерений размеров и морфологии частиц, поскольку SonoStep выполняет три важных функции:

• циркуляцию

Ультразвук удаляет воздух из жидкости и, тем самым, устраняет мешающее влияние пузырьков на проведение измерений. Он прокачивает объём пробы с регулируемым расходом и рассеивает частицы в жидкости. Мощность ультразвука прикладывается непосредственно под ротором насоса, она обеспечивает распыление агломерированных частиц перед их измерением. Это обеспечивает получение более полного и повторяемого результата.