В современном машиностроении, использующем высоконагруженные узлы трения, одной из актуальных является проблема обеспечения высокой чистоты трущихся поверхностей. Твердые и вязкие частицы, оседающие (внедряемые) на поверхности при технологической обработке деталей и сборке, увеличивают трение, нагрев, изнашивание и контактную усталость.
Ведущие мировые фирмы, например, BONFICIO и TEKNO (Италия), TAKOM Better Engineering (Германия) и др., выпускают десятки различных установок для мойки деталей: конвейерные системы промышленных моек, монорельсовые, циклические системы, установки для мойки труб и др. В выпускаемых установках детали обрабатывают, погружая их в моющую жидкость, в том числе с использованием ультразвука, а также по струйным и комбинированным схемам, например, с дополнительным ополаскиванием, сушкой и др.
Примером установок фирмы TAKOM для авиационно-космических изделий является полностью автоматизированная транспортная установка для мойки Total Automation C-24-55/56/DH (рис. 1), включающая мойку деталей при температуре около 90°С, сушку и др. После промывки установка возвращает оператору чистые и сухие детали.
Рис. 1. Фотография автоматизированной установки C-24-55/56/DH
Однако несмотря на повышенный интерес к проблеме очистки деталей, существующие технологии и установки нуждаются в совершенствовании: необходимо дальнейшее повышение качества промывки, в особенности – удаление частиц, шаржированных при абразивной обработке деталей, а также повышение производительности мойки, сокращение количества применяемых химикатов, использования для промывки углеводородных жидкостей и др.
В СамГТУ удалось добиться более эффективной мойки благодаря разработке технологии и устройств для очистки деталей (патенты РФ № 1734886 (1993 г.); 2024336 (1994 г.); 2329879 (2008 г.) и др.), в которых основной эффект достигается за счет возбуждения низкочастотной кавитации.
В разработанных установках акустическая кавитация создается либо в емкости для промывки деталей при их погружении в моющую жидкость (рис. 2 и 3), либо в струях (рис. 6) для промывки деталей сложной конфигурации при больших размерах.
Рис. 2. Схема кавитационной установки
Акустическая кавитация вызывает пульсацию давления и, как следствие, – образование и захлопывание кавитационных пузырьков. В момент захлопывания температура газа в пузырьках, по литературным данным, достигает 10 000°С, а давление – до 100 МПа. В таком режиме разрушение разрушающиеся кавитационные пузырьки очищают поверхности деталей в несколько раз интенсивнее и качественнее, чем в ультразвуковых ваннах.
При разработке установок было показано, что максимальная интенсивность кавитации достигается при возбуждении резонансных колебаний столба моющей жидкости, образуемого внутри ее емкости, как это показано на рис. 2.
Кавитационная установка (рис. 2) имеет ванну цилиндрической формы 1 и диск–активатор 2. Ванну заполняют технической водой комнатной температуры. Очищаемые детали 3 размещают в рабочей зоне ванны 4, включают вибрационный привод 5, который сообщает диску 2 линейные колебательные перемещения. Настройку на резонансный режим осуществляют путем плавного изменения частоты вращения приводного двигателя постоянного тока 6, вращающего многовершинный кулачок вибрационного привода. Зона резонанса в зависимости от конфигурации, размеров ванны, числа деталей и температуры воды принадлежит низкочастотному интервалу 100–150 Гц.
Регулируется также амплитуда активатора, определяющая интенсивность пульсации при условии, что рабочая амплитуда А>Aкрит.. При превышении Aкрит. устанавливается режим интенсификации кавитации.
Благодаря интенсивной кавитации промывка деталей производится в технической воде при комнатной температуре, не требует нагрева, применения моющих препаратов, химреактивов и предварительной промывки в углеводородных жидкостях.
Впервые установка была внедрена в СНТК им. Н.Д. Кузнецова (Самара) для промывки деталей узлов трения газотурбинных двигателей.
Один из вариантов установки был предназначен для промывки роторов генераторов и коллекторных электродвигателей, потерявших работоспособность из-за загрязнения и пропитки маслом. После промывки и сушки роторов полностью прекращалась электропроводность изоляции и восстанавливалась их работоспособность.
Рис. 3. Установка для промывки фильтров газотурбинных авиадвигателей
На рис. 3 показан вариант установки того же типа, предназначенный для промывки пакетов фильтроэлементов маслосистем авиационных газотурбинных двигателей (размер ячейки сетчатых фильтров 3–5 мкм). Камера установки имеет следующие размеры: ? = 150 мм, L= 700 мм.
Способ возбуждения резонанса в замкнутой емкости для получения высокопродуктивной кавитации был использован также при создании установки (рис. 4) для переработки застарелых нефтяных шламов, патент РФ № 2435636 (2010 г.).
Рис. 4. Установка для переработки нефтяных шламов
Разработка проводилась совместно с НГДУ «Сергиевскнефть» ОАО «Самаранефтегаз» и была предназначена для очистки шламовых амбаров в нефтедобывающих районах области и страны.
Созданная установка позволила полностью отделить нефтепродукты от шлама.
При испытаниях установки застарелый шлам отбирали из хранилищ, смешивали с водой (оптимальный состав получали при 50-процентном соотношении воды и шлама), смесь помещали в реактор установки, настраивали на резонансный режим и проводили диспергирование шлама в течение 5–7 минут. Тонкодиспергированную эмульсию сливали в отстойник, в котором через 24 часа происходило полное отделение нефтепродуктов, всплывающих в верхний пояс отстойника, ниже располагался слой воды, а на дне – осевшие абразивные и другие твердые частицы.
Резонансный способ диспергирования, по нашему мнению, может найти широкое применение во многих производственных сферах как один из способов повышения производительности, например, в сфере переработки нефти.
Вторым видом разрабатываемых установок, как указывалось выше, стали устройства, в которых кавитация создавалась в струях моющей жидкости.
Рис. 5. Схема форсунки: 1 - завихритель струи; 2 - упругий пульсатор
Для реализации этой задачи были созданы центробежные форсунки (патент РФ № 2287739 и др.), рис. 5.
При работе центробежной форсунки моющая жидкость движется в соплах с искусственно созданной закруткой. Распределение перепада давления между входным сечением и соплом, а также величина кольцевого сечения сопла здесь учитываются коэффициентом расхода.
Моющая жидкость, подаваемая насосом из централизованной системы, турбулизуется, проходя через форсунку, а прерывистость движения упругого пульсатора создает кавитацию, насыщающую жидкость непосредственно перед подачей в зону мойки.
Приведенные способы приготовления моющей жидкости наиболее эффективны для повышения производительности и качества мойки.
Струйно-кавитационное устройство для мойки подшипников может быть встроено в штатные моечные машины, например МСП–01, без внесения конструктивных изменений и без перенастройки их основной (штатной) схемы.
Такая модернизация была проведена в вагонных депо станций Кинель и Самара Куйбышевской железной дороги, при этом удалось улучшить технические и качественные показатели мойки буксовых подшипников.
Применение кавитационного способа показало следующие основные характеристики.
Установки для мойки буксовых подшипников с кавитационными форсунками содержали две струйно-кавитационные головки , расположенные встречно на лотке установки в рабочей позиции промываемых подшипников.
Каждая головка имеет по четыре сопла, в которых установлены завихрители – кавитаторы потока эмульсии. В завихрителях-кавитаторах 5 зарождается гидродинамическая кавитация от скоростного потока эмульсии (параметры завихрителей – ноу-хау авторов). На входе форсунки содержится сопло Лаваля, а на выходе – конусные участки.
Рис. 6. Установка для мойки приборных подшипников
Техническая характеристика промывочного узла
Производительность мойки подшипников букс, шт/ч24Температура моющей жидкости (эмульсия), °С, не более90Время промывки, мин.2…4Насос центробежный, тип2К20-30Мощность электродвигателя, кВт5,5Скорость потока эмульсии через сопла, м/с15…20
При работе струйных блоков в подшипнике качения ролики подшипника получают дополнительное вращение под действием скоростных струй моющей эмульсии, что способствует лучшему эффекту промывки.
Идентичное устройство было разработано для мойки приборных подшипников (рис. 6).
Кассеты с приборными подшипниками размещали на вращающемся барабане 1, внутри и снаружи которого были расположены моющие форсунки 2.
Схема размещения кассет с промываемыми подшипниками приведена на рис. 7.
Проведенные разработки свидетельствуют не только об эффективности резонансного кавитационного способа мойки деталей, но и о легкости реализации этого способа.
Разработка конкретных технологий и установок является одним из профилей НТЦ «Надежность» СамГТУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акустические поля и кавитация. Обзорная статья в журнале «Наука в СССР», № 4, 1983, С. 49–55.
2. Патент РФ № 1734886. 1988. «Устройство для очистки деталей».
3. Патент РФ № 2287739. 2005. «Форсунка».
4. Патент РФ № 2329879. 2006. «Установки для сушки и мойки подшипников».
Д.Г. Громаковский
НТЦ «Надежность»
Самарского государственного технического университета
443100, Самара
ул. Молодогвардейская, 244
Тел./факс 8(846)3321931
E-mail:pnms3@mail.ru www.ntcnad.samgtu.ru
<"