Збільшення частоти ультразвукових коливань призводить до скорочення часу зростання та зменшення максимального радіусу кавітаційної порожнини, що сприяє підвищенню тиску парогазової суміші у бульбашці до початку захлопування та зменшує інтенсивність ударних мікрохвиль. Крім того, із зростанням частоти коливань зростає поглинання акустичної енергії. Зниження частоти коливань призводить до різкого зростання шуму установок, і навіть збільшення резонансних розмірів випромінювача. Більшість установок для ультразвукового очищенняпрацює у діапазоні частот 18...44 кГц.

Існує граничне значення інтенсивності коливань, перевищення якого призводить до збільшення амплітудного значення тиску, і кавітаційний пляшечку вироджується в пульсуючий. Крім того, при великій інтенсивності відбувається екранування ультразвукового поля хмарою кавітації поблизу випромінювача, що збільшує витрату енергії. Інтервал інтенсивностей коливань при ультразвуковій очистці становить 0,5...10 Вт/см 2 .

Технологія ультразвукового очищення

Весь технологічний процес ультразвукового очищення включає операції, що передують звуковому очищенню, безпосередньо ультразвукове очищення та операції, що йдуть за очищенням.

Підготовку забрудненої поверхні до ультразвукового очищення здійснюють шляхом замочування деталей у воді, миючому розчині або органічних розчинниках. Це дозволяє сяяти з деталей основну кількість забруднень і скоротити час їхнього наступного ультразвукового очищення в 2...4 рази. Для замочування деталей, забруднених пастами, рекомендується застосовувати ацетон, фреон, бензин, гас. Однак за наявності у складі забруднень жирних кислот і парафінів замочування деталей у лсгколстучих розчинниках недоцільно. Ці розчинники, вимиваючи лсгкорастворимыс рідкі компоненти пасти, засушують і ущільнюють забруднення, що значно утруднює процес їх подальшого ультразвукового очищення. Для дрібних деталей із слабозв'язаними забрудненнями замочку перед їх ультразвуковим очищенням взагалі нс рекомендується проводити.

Оптимальний режим очищення залежить від характеру забруднень, складу та температури миючого розчину, матеріалу та стану поверхні деталей, методу очищення та інтенсивності ультразвуку. Вибір методу очищення визначається конструкцією деталі чи складальної одиниці, а також вимогами до стану їх поверхонь. До найбільш поширених методів ультразвукового очищення відноситься метод занурення, введенням випромінювача в порожнину очищення, контактний і безперервно-послідовний. Очищення може виконуватися як при нормальному, так і підвищеному статичному тиску. Для очищення прецизійних деталей, що мають високоточні поверхні з малою шорсткістю, застосування підвищеного статичного тиску не рекомендується, оскільки може відбуватися ерозія кавітації доведених поверхонь.

При очищенні методом зануреннядрібні деталі поміщають у сітчасті кошики чи барабани і занурюють в ультразвукову ванну, розташовуючи їх якомога ближче до поверхні випромінювачів, тобто. у зоні найбільшої активності ультразвуку. З метою забезпечення високоякісного очищення всієї поверхні деталей барабани безперервно обертаються або здійснюють коливальні рухи у ванні щодо випромінювачів. В результаті деталі в процесі очищення безперервно повертаються і всі їхні ділянки опиняються у зоні ультразвукового впливу.

Мал. 3.29. Схема механізованої ультразвукової ванни:

• 1 - перетворювачі; 2 - Корпус ванни; 3 - завантажувальні сітчасті барабани;
• 4 – привід; 5 – пульт управління

На рис. 3.29 наведено схему механізованої ультразвукової ванни для очищення дрібних деталей з їх примусовим переміщенням в ультразвуковому полі. У дно ванни вбудовані перетворювачі. Очищувані деталі поміщаються в сітчасті завантажувальні барабани, яким від приводу повідомляється рівномірний обертальний рух. Крім того, у конструкції ванни передбачені системи циркуляції та фільтрації миючого розчину, а також пульт керування.

При виборі умов ультразвукового очищення необхідно мати на увазі, що при впливі кавітації на деталь може виникнути небажане явище - ерозія прецизійних поверхонь. Слід наголосити, що процес ерозії деталей в ультразвуковому полі настає через певний проміжок часу. Справа в тому, що в початковий період при захлопуванні кавітаційних бульбашок відбувається пластичне деформування поверхні деталі, що покращує її експлуатаційні показники. Однак надалі при багаторазовому впливі кавітаційних бульбашок з'являються мікротріщини втоми, що призводять до відриву частини металу. Звідси випливає, що при ультразвуковій очистці прецизійних деталей складної конфігу-

Мал. 3.30. Пристрій для очищення глибоких отворів:

1 - хвилевід; 2 - діафрагма; 3 - магнітострикційний перетворювач; 4 - Корпус; 5 - штуцер для подачі миючого розчину; 6 - рукоятка; 7 - курок-вимикач

рації необхідно реалізувати умови, у яких час очищення всіх поверхонь деталі було значно менше часу початку кавітаційної ерозії поверхонь деталей, розташованих у випромінювача.

Метод очищення деталі введенням випромінювачів у зону обробкизастосовується для деталей, що мають глибокі отвори, канавки, кишені та інші порожнини. У цьому випадку очищення проводиться спеціальними хвилеводами, що працюють як з поздовжніми, так і згинальними коливаннями. Коливальні системи з поздовжніми коливаннями доцільно застосовувати у тих випадках, коли глибина отвору чи порожнини не перевищує чверті довжини хвилі у випромінювачі. У випадках очищення більш глибоких отворів використовуються випромінювачі з трубою, що згинає-колеблется, довжина якої може досягати 10...20 довжин хвиль згинальних коливань. Для очищення внутрішніх поверхонь циліндрів великого діаметра можуть застосовуватися занурювальні пристрої, в яких використовуються радіальні коливання порожнистих випромінювачів. Застосування випромінювачів зазначених типів дозволяє значно прискорювати процес очищення деталей складної конфігурації, а ряді випадків є єдиним методом високоякісного очищення.

Наприклад, для очищення глибоких отворів малого діаметра (від 4 до 8 мм), а також для локального очищення окремих деталей застосовуються спеціальні ручні ультразвукові головки (рис. 3.30). В отвір, що очищається, вводиться трубчастий хвилевід, в якому збуджуються згинальні коливання від магнітострикційного перетворювача. За допомогою діафрагми акустична система прикріплюється до корпусу з ручкою. У цьому випадку перетворювач охолоджується безпосередньо миючим розчином, що надходить

Мал. 3.31. Схема установки для ультразвукового очищення внутрішніх порожнин труб:

1 - перетворювач; 2 - Напівхвильова опора; 3 - Труба; 4 - Інструмент; 5 - ультразвуковий концентратор

через штуцер і виходить через трубчастий хвилевід в зону очищення. У рукоятці встановлено курок-вимикач.

Контактний методдоцільно застосовувати для очищення внутрішніх порожнин тонкостінних виробів, доступ до яких обмежений або утруднений. У цьому випадку ультразвукові коливання передаються стейкам виробів, що очищаються, і вже вони працюють як випромінювач ультразвуку. Джерелом коливань служить маг-іітострикціоппий перетворювач великої потужності (4 кВт). Труба за допомогою пневматичного приводу затискається між циліндричним хвилеводом та напівхвильовою опорою, утворюючи резонансну акустичну систему (рис. 3.31). Труба поступово переміщається в осьовому напрямку, а у її внутрішню порожнину насосом подається миючий розчин. У тих випадках, коли необхідно очистити одночасно і зовнішню поверхню, трубу поміщають у ванну з миючим розчином. Для очищення довгих труб застосовуються кільцеві випромінювачі, в яких заготовки співвісно переміщуються.

При використанні контактного методу для очищення прецизійних деталей необхідно мати на увазі такі обставини:

контакт з випромінювачем прецизійної поверхні деталі може викликати її пошкодження;

Порушення в деталі знакозмінної напруги може викликати погіршення її геометричної форми.

Таким чином, застосування контактного методу можна рекомендувати з урахуванням зазначених вище положень.

Для ультразвукового очищення великогабаритних деталей, а також заготовок, що рухаються, доцільно застосовувати безперервно-послідовний метод,при якому виріб, що очищається, переміщається над поверхнею випромінювача. Слід наголосити, що цей метод відрізняється високою продуктивністю та ступенем автоматизації. Саме тому він широко застосовується на великих металургійних підприємствах в умовах безперервної роботи виробництва.

На рис. 3.32 наведено схему ультразвукової ванни для очищення сталевої смуги при потоковому виробництві. В цьому випадку смуга стали шириною більше 1 м, що рухається в потоці зі швидкістю 100... 150 м/хв, проходить через ультразвукову ванну, заповнену миючим лужним розчином. При вертикальному русі смуги у ванні з двох сторін від ніс на відстані

10... 15 мм встановлені блоки з магпітострикціонними перетворювачами загальною потужністю 300 кВт.

Після виконання операції ультразвукового очищення необхідно видалити залишки миючого розчину і потім підготувати деталі до міжопераційного або складського хропіння. Вимоги до стану поверхні деталі визначаються особливостями операцій, що йдуть за очищенням, а також умовами та тривалістю зберігання. Як правило, заключні операції включають видалення залишків миючого розчину, пасивацію та сушіння деталей.

Мал. 3.32. Схема ультразвукової ванни для очищення сталевої смуги: 1 - рушійна смуга сталі; 2 - Блоки з перетворювачами; 3 - ванна з лужним розчином

Мал. 3.33. Ультразвукове миття тину U-1000: а- Схема; б - загальний вигляд; 1 - контролер миття; 2 - верхній пристрій виділення осаду; 3 - відстійник; 4 - Влаштування випуску осаду; 5 – ультразвукові випромінювачі; 6 - Влаштування зливу осаду; 7 - насос для ополіскування; 8 - Нагрівальні елементи; 9 - Корпус ванни; 10 - елементи, що регулюють змивання

На рис. 3.33 наведено схему та загальний вигляд ультразвукового миття типу U-1000 фірми Ultron (Республіка Польща).

Миття типу U-1000 включає: систему для змивання верхнього шару; пристрій для осідання жиру; пристрій для осідання мулу; мікропроцесорний контролер; теплову та акустичну ізоляцію.

За рахунок цього забезпечується:

• ? ефективне відділення забруднень;
• ? ефективне використаннямиючих засобів;
• ? можливість пристосування до технологічної лінії;
• ? фільтрування рідини.

До особливостей конструкції миття типу U-1000 відносяться (рис. 3.33, б):

• ? спеціальна кришка ємності, що забезпечує мінімальну втрату тепла;
• ? пневматичний привід для легкого відкривання та закривання кришки;
• ? насос закритого циклу, розміщений зовні для легкого доступу під час чищення та деаерування;
• ? система для відведення зрідженої рідини в мийну камеру, що дозволяє зберегти чистоту дома роботи миття;
• ? контролер, що дозволяє одночасно замінювати таймер та термостат, а також плавно регулювати час роботи миття

та температуру нагрівання. Контролер дає можливість налаштування пульсуючого режиму роботи. Пульсуючий режим роботи (приблизно 1,0 роботи ультразвуку та 0,2 перерви) полегшує видалення газу з розчину та якнайшвидше осадження забруднень. Під час перерви газові бульбашки можуть вільно піти з розчину, піднімаючись вгору, а забруднення вільно опускаються на дно;

Спускні клапани у нижній частині ємності для ретельного видалення мулу та інших забруднень.

Ультразвук має такий багатофакторний вплив, що застосування ультразвукових коливань дозволяє суттєво прискорити будь-який із перерахованих способів очищення та підвищити її якість: змінний тиск, коливання частинок рідини та вторинні акустичні явища – «звуковий вітер», ударні хвилі, кавітація та ультразвуковий капілярний ефект.

Першорядну енергетичну роль при цьому відіграє кавітація. При захлопуванні кавітаційних бульбашок утворюються кумулятивні мікроструминки рідини, швидкість яких досягає сотень метрів в секунду, спрямовані до поверхні, що очищається. Під дією ударних хвиль та високошвидкісних мікрострумів відбувається інтенсивне руйнування плівки забруднень (твердої або рідкої) та її відокремлення від поверхні. Кавітація забезпечує інтенсивне ультразвукове емульгування рідких і ультразвукове диспергування твердих частинок забруднень, що відокремилися.

За рахунок акустичних течій забезпечується видалення з прикордонного шару розчинених або зруйнованих під дією кавітації забруднень обсяг рідини. Особливо велику роль грають акустичні течії при видаленні розчинних забруднень.

Ефективність очищення збільшується з наближенням оброблюваної поверхні до випромінювача. Однак наближати вироби до випромінювача на відстань менше 1-2 мм недоцільно, тому що при малих зазорах між випромінювачем і оброблюваною поверхнею погіршуються умови видалення забруднень з прикордонного шару та зменшується активність кавітації внаслідок зміни схеми захлопування кавітаційних бульбашок. При малих зазорах кумулятивний струмінь діє паралельно поверхні, що очищається, і не виробляє необхідної очищувальної дії.

Перевагою ультразвукового очищення є не лише можливість досягти якісного очищення контрольованої поверхні від найрізноманітніших забруднень, але й видалити забруднення із порожнини капілярного дефекту. Найбільш ефективним є застосування ультразвуку в режимі, що забезпечує прояв ультразвукового капілярного ефекту. При цьому тупикові капіляри заповнюються реагентом на більшу глибину та з більшою швидкістю. Істотно прискорюється дифузійне переміщення розчиненого газу до гирла дефекту; розчинення забруднень, що є в порожнині дефекту; дифузійне переміщення забруднень до його гирла. В результаті прискорюється процес заповнення порожнин дефектів загалом і збільшується глибина проникнення робочих рідин у тупикові капілярні канали.

Застосування ультразвуку під час очищення дозволяє значно підвищити якість контролю. При цьому несуцільності очищаються на достатню глибину не тільки від рідин, але і таких забруднень, що важко розчиняються, як полірувальні пасти. В результаті кількість виявлених слідів наближається до загального числа прийнятих до уваги дефектів. Використання миючих рідин води та водних розчинів гліцерину та диспергуючої речовини при очищенні в ультразвуковому полі дає більший ефект, ніж застосування таких розчинників, як ацетон і бензин. Це зумовлено більшою активністю акустичної кавітації у воді та водних розчинах, ніж в ацетоні та бензині. Застосування ультразвуку дозволяє вирішити проблеми заміни пожежо-, вибухо-, екологічно небезпечних для людини та навколишнього середовища дефектоскопічних матеріалів на воду та водні розчини.

Анодно-ультразвукове очищенняє найбільш ефективним способомпідготовки виробів до контролю. Вона забезпечує видалення з поверхні виробів і порожнин дефектів твердих і високов'язких забруднень, а також оксидних плівок без застосування травильних складів. Після очищення нейтралізують сліди рідин, що очищають, вироби промивають водою і сушать. Швидкість такої обробки у 2,5–4 рази вища, ніж електролітична.

Анодно-ультразвукове очищення здійснюють в ультразвукових ваннах. Склади електролітів та режими обробки вибирають залежно від щільності та товщини шару забруднень. Промивання виробів після обробки виконують шляхом їх багаторазового занурення у ванни з гарячою, а потім холодною проточною водою. Тривалість промивання у кожній ванні 0,5–1 хв.

Склади електролітів та режими анодно-ультразвукового очищення виробів з хромонікелевих сталей та сплавів:

Люди вигадали безліч способів очищення поверхонь від різних забруднень. Тепер до них додався ультразвуковий.
Ультразвукове очищення або замінює, або доповнює традиційні очисні способи та методи - від ручних операцій із застосуванням різних розчинів до струминних мийних автоматів.
Однією з основних переваг ультразвукового очищення перед іншими способами є її висока якість, крім того, стало набагато легше очищати деталі, що мають складну форму, важкодоступні місця, вузькі щілини, маленькі отвори та порожнини. Ультразвукове очищення високопродуктивне і допускає заміну вогненебезпечних або дорогих органічних розчинників водними розчинами лужних солей, рідким фреоном та іншими менш небезпечними та дешевшими речовинами.
Чим пояснити високу ефективність ультразвукового очищення? Відповідь на це питання пов'язана з дуже цікавим фізичним явищем, що називається кавітацією.<пустота>).
Теоретично про існування цього явища знали відтоді, як петербурзький академік Леонард Ейлер обгрунтував можливість утворення рідини розривів (порожнеч) внаслідок локального зниження тиску з наступним захлопуванням виниклих порожнин. Ейлер пророкував кавітацію, жодного разу не спостерігаючи її.
Практично з кавітацією зіткнулися набагато пізніше, у минулому столітті, коли на кораблях замість бічних гребних коліс з'явилися гвинти, що обертаються з великою швидкістю. Капітани стали помічати, що швидкість їх судів з часом поступово падає без видимих ​​причин. Але причина була і досить видима. Коли оглянули гвинт одного з кораблів, поставлених у док на ремонт, побачили, що його лопаті схожі на пелюстки, з'їдені гусеницями. Цим явищем, природно, зацікавилися та почали його вивчати. Суднобудівників, а також творців гідротурбін турбувала перш за все одна думка: як боротися з цим грізним і невблаганним ворогом, як уберегти лопаті гвинтів та турбін від руйнівної дії хмари кавітаційних бульбашок, яка, як було встановлено, утворюється на кордоні<жидкость - твердое тело>за певних умов та певного режиму роботи.
Ну а нас кавітація у даному випадкуцікавить з іншого боку – не як ворог, а як... друг. Цей парадокс виник порівняно недавно - з того часу, коли почали вивчати ультразвук та розробляти технологію ультразвукового очищення.
Кавітаційні бульбашки виникають не тільки при обертанні гвинтів та турбін. Вони з'являються, якщо рідина випромінювати ультразвукові коливання. Кавітацію, що виникає під впливом ультразвукових коливань, іноді називають ультразвуковою кавітацією. Ультразвукові коливання утворюють рідини, що чергуються відповідно до частоти області високих і низьких тисків. У розрідженій зоні гідростатичний тиск знижується настільки, що сили, що діють на молекули рідини, стають більше сил міжмолекулярного зчеплення. В результаті різкої зміни гідростатичної рівноваги рідина ніби розривається, породжуючи численні дрібні бульбашки газів і парів, що були раніше в рідині в розчиненому стані. Наступного моменту, коли в рідині настає період високого тиску, що утворилися раніше бульбашки<захлопываются>. Виникають ударні хвилі з великим місцевим миттєвим тиском, що досягає декількох сотень атмосфер. Ось ці незлічені мікровибухи кавітаційних бульбашок і віддирають з поверхні оброблюваної деталі бруд, жири, окалину і нерідко навіть іржу.
Виникнення кавітації легко виявити по туманній хмаринці в ультразвуковому полі. При великих інтенсивності кавітації виникає шум, що нагадує шипіння чайника, що закипає.
Ультразвукова кавітація вже давно стала основним фактором, що сприяє прискоренню багатьох технологічних процесів, особливо в процесах очищення, а також у хімічній та металургійній промисловості. Але дуже важливо вміти керувати процесом кавітації. Ультразвукова кавітація в рідині залежить від її густини, в'язкості, температури, молекулярної маси, стисливості, вмісту газів, наявності мікроскопічних включень, частоти та інтенсивності ультразвукових коливань, статичного тиску та інших факторів. Так, наприклад, у воді кавітація сильніша, ніж в інших рідинах. Газ у рідині підвищує ефективність кавітаційних явищ. Зі збільшенням температури рідини інтенсивність кавітації зростає до певного максимуму, пройшовши який вона починає падати. Ефективність кавітації підвищується зі збільшенням потужності, але знижується зі зростанням частоти ультразвукових коливань. За дуже високих ультразвукових частот кавітацію взагалі неможливо отримати.
Вчені досить детально розробили технологію ультразвукового очищення, яка стала дуже поширеною та незамінною у різних галузях промисловості. В останні роки виник напрямок, що отримав назву високоамплітудного ультразвукового очищення. Характерною особливістю її є суттєве збільшення амплітуди коливань випромінювача та як наслідок зміна енергетичних характеристик випромінювання – зміна акустичних та кавітаційних параметрів технологічної рідини.
Ультразвук очищає найрізноманітніші металеві, скляні, керамічні та інші деталі. Так, наприклад, кільця підшипників легко очищаються від полірувальної пасти, друковані плати - від флюсу, деталі та прокат жерсті - від термічної окалини, оптичні деталі та дорогоцінні камені - від полірувальних речовин, дрібні деталі - від задирок, медичний інструмент, скляну тару - від різних забруднень тощо.
Особливо ретельне очищення потрібне для деталей пристроїв, що швидко обертаються, підшипників, електричних контактів, реле, паливної апаратури, а також деталей електронної, обчислювальної техніки, годинникових механізмів, оптичних приладіві т. д. Високоякісне очищення деталей від забруднень займає важливе місце в сучасної технологіїмасового виробництва
Ось деякі приклади ультразвукового очищення. На Челябінському та інших тракторних заводах застосовувалося ультразвукове очищення деталей паливного насоса. Ультразвукова установка показала хороші результати, дозволила замінити трудомістке ручне промивання, підвищити якість очищення та покращити умови праці.
Щоб очистити офсетну друкарську форму, її занурювали в луг, потім мили волосяною щіткою під струменем води. На це витрачалося багато часу. Крім того, робітник дихав шкідливими парами. Коли застосували ультразвук, форму очищали за кілька хвилин. Пристрій, який вигадали конструктори, складається з двох ванн. В одній з них за допомогою ультразвуку з фольги видаляють старе зображення, в іншій змивають з неї луг і бруд, що залишилися.
У тростильно-крутильних цехах чистильниць машин нещодавно впізнавали по руках - вічно розпарені, зморшки. І все тому, що робітниці щодня промивали в гарячій водікільцеві та ниткорозділювальні планки машин мокрого кручення. А коли вступила в дію ультразвукова установка для очищення плівок, цю операцію стали виконувати лише три особи замість 16. І праця стала іншою. Не миють, як колись, а лише навішують брудні та знімають чисті плівки.
На Одеському заводі бактеріальних препаратів спільно з кафедрою фізики Одеського політехнічного інституту розроблено та впроваджено ультразвуковий метод миття ампул. Раніше майже 80 відсотків їх при очищенні одружувалися. Тепер ультразвукові коливання прискорюють процес миття, різко покращують якість очищення. Швидко руйнуються всі забруднення, легко відокремлюються уламки скла. Ультразвук відмиває ампули до блиску. Значно скорочено відсоток шлюбу.
На Горьківському автозаводі також запровадили ультразвукову установку. Вона призначена для очищення картерів автомобілів від графітового мастила та олії. Установка складається з шести ультразвукових генераторів та двох ванн, у кожну з яких вмонтовано вісім магнітострикційних перетворювачів. Застосування установки дозволило в кілька разів підвищити продуктивність праці та заощадити близько дев'яти тисяч рублів за рік.
Чудового помічника здобули металурги. Усього п'ять хвилин потрібно ультразвуку для очищення після прокату одного кілометра сталевої стрічки. Незважаючи на величезну швидкість, процес виконується безшумно. Якість очищення висока, а витрата хімічних матеріалів зменшилася вчетверо.
Очищення від забруднень труб та трубопроводів - одвічна та велика проблема. Складність полягає в тому, що труби мають великі розміри та складні переплетення. У Радянському Союзі розроблено та запатентовано в ряді країн спосіб ультразвукового очищення труб будь-якої конфігурації та будь-якої забрудненості. Цим способом можна очищати зовнішню та внутрішню поверхні трубопроводів різної довжини та діаметра з необмеженою кількістю вигинів.
На механічних, оптичних, вартових та інших заводах почали успішно застосовувати метод ультразвукового очищення для зняття задирок. Дрібні деталі завантажують у ванну з водяним розчином абразиву. При включенні установки рідина у ванні<вскипает>, а під впливом зерен абразиву гострі кромки деталей закруглюються. Радіус заокруглення вбирається у 3-5 мікрон. При ультразвуковому методі обробки деталей продуктивність стала набагато вищою, ніж раніше.
Бавовняний агрегат має більше ста шпинделів. Від стану цих деталей багато в чому залежить продуктивність машини та якість зібраної бавовни. При роботі на шпинделях утворюється шкідливий наліт! Очищати їх дуже важко та довго. Цю роботу зараз виконує напівавтоматична ультразвукова установка, яку створив Всесоюзний науково-дослідний інститут технології машинобудування.
В даний час, у вік радіоелектроніки і ракетної техніки, надійність радіоапаратури має величезне значення. Заміна електровакуумних приладів напівпровідниковими значно підвищує їхню надійність. Але це тривалий процес, і<старушкам>-радіолампам ще доведеться неабияк попрацювати, незважаючи на те що | вони часто<подводят>нас. Вчені встановили, що радіолампа служитиме у півтора рази довше, якщо в процесі виробництва її деталі очистити за допомогою ультразвуку.
Промислові установки для очищення радіодеталей вперше у нашій країні створені Всесоюзним науково-дослідним інститутом струмів високої частоти імені В. П. Вологдіна. Процес очищення прискорюється в окремих випадках у сотні разів, при цьому досягається така чистота поверхні, про яку можна лише мріяти за всіх інших способів. Фахівці Ризького центрального проектно-конструкторського бюро механізації та автоматизації замінили ручне очищення осередків пам'яті ЕОМ від забруднень ультразвукової. Деталі, встановлені у спеціальних касетах (по 120-150 штук), поринають у ультразвукову ванну, де й очищаються. Трудомісткість знижується майже шість разів.
Прекрасні статуї Венеції з'їдено<черной оспой>- так називають жителі цього міста страшні сліди, які залишають на мармурі дим і кіптяву - бич великого сучасного міста. Головний охоронець венеціанських пам'яток, порадившись із вченими та інженерами, організував роботи з очищення мармуру за допомогою ультразвуку. На відміну від піскоструминного способу ультразвуковий не завдає ніякої шкоди мармуру, а швидкість та якість очищення високі. Науковці вважають, що ультразвук допоможе зберегти унікальні пам'ятки історії.
При частій демонстрації фільмів кінострічки зношуються, забруднюються і врешті-решт стають непридатними. Фахівці навчилися реставрувати стрічки, повертаючи їм колишню<молодость>. Але перш ніж розпочинати реставрацію, кінострічку потрібно добре промити, а це не так просто. Нещодавно деякі контори кінопрокату отримали ультразвукові машини для очищення різних типів кінострічок. Вони використовуються у нас вперше.
Ультразвуковий метод можна застосувати для прання тканин, особливо вовни. Зазвичай шерсть сильно забруднена жиром та іншими органічними речовинами. Мильні та лужні розчини погіршують якість волокна. При ультразвуковому пранні застосовуються нейтральні розчини, що зберігають якість волокна. Крім того, ультразвукове миття сприяє знищенню різних мікроорганізмів, що знаходяться в немитій вовні. Застосування ультразвукових машин особливо ефективно для прання грубих, сильно забруднених речей, коли звичайне прання малопридатне.
Одна з японських фірм розробила ультразвукову пральну машину, яку можна використовувати як домашню ванну. Людині, що сидить у ній, не потрібно робити жодних рухів: машина сама вимиє її, до того ж за дуже короткий час. Невідомо, правда, наскільки таке миття корисне для здоров'я, - реклама про це замовчує.
Там же, в Японії, за повідомленням тижневика<За рубежом>, винайдена пральна машина, яка не вимагає мила та інших миючих засобів. Вода в бачку машини за допомогою спеціального насоса насичується повітряними бульбашками, вони видаляють з тканини бруд. Використану один раз воду можна застосовувати вдруге, пропустивши через фільтр. У машині немає віджимної центрифуги, тому білизна під час прання в ній менше зношується.
Судячи з усього, процес прання в цій машині заснований на явищі ультразвукової кавітації.
При русі рідини по трубопроводу до неї часто потрапляють бульбашки повітря чи будь-якого газу. Це збільшує опір руху рідини та зменшує швидкість подачі продукту. У Фізикотехнічному інституті Академії наук Білорусії під керівництвом академіка АН БРСР Є. Коновалова розроблено метод очищення рідини від газів у трубопроводах. Він ґрунтується на створенні інтенсивного ультразвукового поля на одній із ділянок потоку. Під впливом ультразвуку бульбашки стикаються, зливаються, укрупнюються та спливають.
Перелічені приклади - далеко не повний перелік технологічних можливостей ультразвуку, вже, до речі, здебільшого реалізованих у численних установках, агрегатах та пристроях. Це ванни типу УЗВ та ін. Багато ультразвукових ванн, агрегатів, установок впроваджено у виробництво і дали значний економічний ефект.
Ультразвук застосовують і інших видів очищення, заснованих інших фізичних принципах дії. Од- \ на серйозні сьогоднішні технічні проблеми -| очищення забрудненого повітря від пилу, диму, кіптяви, туману, оксидів металів тощо. Найдрібніші частинки цих речовин із заводських фабричних труб спрямовуються нагору, та був розносяться вітром великі відстані. Наприклад, по сірому нальоту на листі дерев і навколишніх предметах неважко здогадатися, що у районі перебуває цементний завод. Тисячі тонн цементу втрачають заводи як розпорошених дрібних частинок при випаленні. Те саме відбувається і на хімічних, алебастрових, сажегазових та інших підприємствах.
Чи можна вирішити взагалі цю проблему? З давніх-давен вже користуються пиловловлюючими пристроями, дія яких заснована на різних принципах. Це пилоосадові камери, ротаційні пиловловлювачі, відцентрові уловлювачі, електрофільтри і т. д. Проте всі ці пристрої громіздкі і не завжди досить ефективні. Тому вчені продовжують шукати нові шляхи прискорення та підвищення якості очищення повітря від газу та забруднення. У Польщі у 1967 році відбувся міжнародний симпозіум щодо проблеми зменшення забрудненості повітряного середовища. Деякі вчені у своїх доповідях відзначали перспективність ультразвукового методу очищення повітря, оскільки він має багато позитивних якостей. Він не залежить від температури та вологості середовища, легко піддається автоматизації, ультразвукові пристрої прості в експлуатації.
Для боротьби із забрудненнями винайдено оригінальне пристосування, що облягає пил. Дія його заснована на здатності звукових і, зокрема, ультразвукових хвиль впливати на найдрібніші частки пилу. Тому якщо обладнати заводські труби ультразвуковими сиренами, то вони впливатимуть на тверді частинки диму, осаджуватимуть у певних місцях та перешкоджатимуть їх розповсюдженню.
У чому суть ультразвукового очищення повітря? Пилинки, які безладно літають у повітрі, під дією ультразвукових коливань частіше та сильніше вдаряються один про одного. В результаті вони злипаються та збільшуються у розмірі. Процес укрупнення часток називається коагуляцією. Укрупнені частинки швидше осідають, легше вловлюються звичайними фільтрами і повніше очищається повітря.
Ультразвукові методи очищення повітря від забруднення впроваджуються зараз у багато галузей промисловості та постійно вдосконалюються. Фахівці вважають, що необхідне створення багатоступінчастих ультразвукових осадників пилу, а також потужних, але економічних джерел живлення. Справа в тому, що у акустичних пиловловлювачів, які є зараз, є серйозний недолік - відносно велика витрата електроенергії. Тому акустичні пиловловлювачі застосовують поки в основному для уловлювання дуже цінного і тонкого пилу, наприклад, на свинцевих та бронзоплавильних заводах.
Явище коагуляції з успіхом може бути використане у боротьбі з туманами, що доставляють чимало турбот та неприємностей аеродромній службі, льотчикам та морякам. Скільки разів туман був винуватцем аварій та катастроф! Десятиліттями вчені шукали ефективні засобидля розсіювання туману. Деякі їх вже застосовують у районах аеродромів. А як бути на морі чи в океані, де судно може потрапити до зони туману на кілька днів? Досліди показали, що в даному випадку може ефективно допомогти ультразвукова сирена< стоянии рассеять туман на расстояние 300-400 метров Такую сирену, но меньших размеров, можно установить и на автомобиле.
Відомо, яку велику складність уявляє очищення парових котлів і теплообмінних апаратів від накипу, що погіршує їх теплопровідність. У теплообмінних апаратах шар накипу досягає 12-15 мм, що призводить до перевитрати палива до 10 відсотків. Найкраще вирішення проблеми в тому, щоб не допускати утворення накипу. Цю роль виконав ультразвуковий випромінювач, вмонтований у корпус парового котла. Налаштований на певний режим роботи, він або безперервно, або через деякі проміжки часу ніби струшує<содержимое>казана, не даючи твердим частинкам відкладатися на його стінках.
Для тієї ж мети ультразвуковий випромінювач застосовують у цукровій промисловості, де серйозну проблему є запобігання утворенню накипу в теплообмінних апаратах. До особливо важких наслідків призводить накипеутворення на випарній станції - одній з найважливіших ділянок цукрового за->вода. Розрахунки показали, що від накипу утворення втрати в цукровій промисловості країни рівні продукції десятків заводів середньої потужності, що працюють протягом трьох місяців. Введення ультразвукових коливань у теплові апарати попереджає утворення накипу.
Для запобігання накипу утворення створено кілька промислових приладів (УЗГІ-12, ІГ-67, АУР, УЗТІ-2, ІГУР-6). Принцип дії їх однаковий. Генератори зібрані на напівпровідниках. Прилади прості за пристроєм, надійні в експлуатації, не мають органів регулювання та налаштування, розраховані на безперервну цілодобову роботу. Прилади застосовуються в теплообмінній апаратурі: парових котлах, бойлерах, решеферах та корпусах випарювання цукрових заводів, холодильниках тощо.
При правильній експлуатації імпульсних ультразвукових генераторів та підтримці нормальних водно-хімічного режиму та лужності води нового накипу в котлах не утворюється. Старий накип протягом двох-трьох місяців відшаровується і випадає в осад, теплопередаючих поверхнях спостерігаються лише ламові відкладення, що легко змиваються струменем. води в, час профілактичних оглядів
А ось ще один оригінальний приклад. Вчені Одеси випробували ультразвуковий методочищення суден від ра-; вушок та водоростей. Ці на перший погляд нешкідливі суходи, що облюбували днища кораблів для своїх поселень, насправді не такі вже й нешкідливі: вони<крадут>у судна неабияку частку його швидкості. Механічна очистка - надзвичайно трудомістка операція, а головне, для того судно треба ставити в док, тобто на якийсь час виводити його з експлуатації. Свого часу у пресі з'явилося повідомлення про те, що днище судна Чорноморського пароплавства<Хирург Вишневский>, оброблене ультразвуком, і через 15 місяців плавання було чистим від непроханих<гостей>.

"Звук, ультразвук, інфразвук"

Серед усіх технологічних процесів, що протікають у рідких середовищах з впливом ультразвуку, очищення поверхонь твердих тіл набуло найбільшого застосування.

Ультразвукове очищення- спосіб очищення, заснований на використанні нелінійних ефектів, що виникають у рідині під впливом ультразвукових коливань. Серед цих ефектів важливе значення має кавітація. Інші ефекти: акустичні течії, звуковий тиск, звукокапілярний ефект.

Кавітацієюназивається процес утворення порожнин і бульбашок в ультразвуковому полі під час фази розтягування, що є в змінному звуковому тиску. Під час фази стиснення ці порожнини та бульбашки закриваються.

Кавітація прискорює перебіг низки фізико-хімічних процесів. Причиною виняткової ефективності кавітації є те, що захлопування бульбашок починається біля поверхні, що очищається. Кавітація супроводжується виникненням дуже високих миттєвих гідростатичних тисків, які відривають частинки забруднень, що прилипли до поверхні, що очищається.

Кавітація чутна як шум, що шипить, що виникає в рідині при певному значенні інтенсивності ультразвукового поля.

Введення ультразвукових коливань в миючі розчини дозволяє не тільки прискорити процес очищення, а й отримати більш високий рівень чистоти поверхні. При цьому здебільшого вдається виключити пожежонебезпечні та токсичні органічні розчинники та використовувати виключно водні розчини технічних миючих засобів. Це, безсумнівно, веде до поліпшення умов праці робітників, підвищення культури виробництва, а також дозволяє частково вирішити питання екологічної безпеки.

Ультразвук застосовують для очищення від забруднень, що виникають як під час виготовлення виробів та деталей, так і при їх експлуатації. Особливо корисне ультразвукове очищення при підготовці поверхонь перед нанесенням покриттів та при очищенні складних порожнин та каналів у виробах.

Ультразвук широко використовують для очищення дроту, металевої стрічки, форсунок, кабелю та ін. До спеціальних застосувань технології ультразвукового очищення можна віднести очищення порошків, радіоактивно забруднених поверхонь, регенерацію керамічних фільтрів.

Ефективність ультразвукового очищення залежить від вибору багатьох параметрів, в т.ч. фізико-хімічних властивостеймиючої рідини. Для правильного вибору розчинів необхідно враховувати характер забруднень: ступінь їх адгезії до поверхні, що очищається, хімічна взаємодія з миючим розчином, здатність протистояти мікроударним навантаженням (кавітаційну стійкість). Попередня класифікація забруднень важлива для того, щоб визначити, за якою ознакою легше видалити їх з поверхні. Визначивши цю ознаку, можна правильно вибрати технологію ультразвукового очищення (миючі середовища та параметри звукового поля).

Враховуючи природу забруднень та характер їхнього зв'язку з поверхнею розрізняють такі основні види забруднень:

• Неорганічні забруднення:
• механічно слабо пов'язані з поверхнею (пил, тирса, металева та неметалічна стружка, сажа тощо);
• механічно шаржовані у поверхню (зерна абразивів, мінеральні або металеві частинки);
• обложені на поверхню (сольові кірки після обробки в сольових ваннах, накип тощо).
• Забруднення та покриття органічного характеру або на органічних зв'язках:
• механічно слабо пов'язані з поверхнею (пил, пластмасова тирса і стружка, сажа, вугілля, кокс);
• володіють невеликим ступенем адгезії до поверхні (жирові та масляні плівки та мастильні матеріали, шліфувальні, полірувальні та притиральні пасти);
• міцно зчеплені з поверхнею (смола, лак, клей, фарба тощо).

Устаткування для ультразвукового очищення

Для ультразвукового очищення потрібна ємність з миючою рідиною, що стикається з поверхнею, що очищається, і джерело ультразвукових коливань, званий ультразвуковим випромінювачем. Таким випромінювачем найчастіше виступає поверхня ультразвукового перетворювача. Можливі також варіанти, коли перетворювач кріпиться до стінки ємності або до самого об'єкта, що очищається, які і стають випромінювачами.

Типи обладнання, що використовується для ультразвукового очищення:

Найбільш поширені та різноманітні пристрої для ультразвукового очищення окремих деталей – це ультразвукові ванни. Ми випускаємо ванни різного обсягу(від 0,6 до 19 000 літрів) та форми. Залежно від призначення ванни можуть оснащуватися різноманітним додатковим обладнанням: нагріванням, таймером, переливною кишенею, струминним очищенням, циркуляцією та фільтрацією миючого розчину і т.д.

• Малі ванни з одним ультразвуковим випромінювачем: УЗВ-1, УЗВ-1.1.
• Малі ванни з кількома випромінювачами, автоматичним підігрівом та таймером: УЗВ-2, УЗВ-4, УЗВ-7.
• Ванни з переливними кишенями: МО-46, МО-55, МО-197, МО-229, МО-207.
• Ванни з додатковим струменевим очищенням: МО-12.
• Ванни для очищення великих та особливо великих виробів: МО-21, МО-92, МО-93.
• Спеціальні ванни для очищення розпилювачів, плунжерів і т.п.

Ультразвукові модулі використовуються для покращення наявного мийного обладнання. Вони можуть вбудовуватися в ємності, занурюватися в них або плавати на поверхні рідини.

Для очищення довгомірних виробів (дроту, стрічки, труб) ми пропонуємо спеціальні установки, які можуть вбудовуватись у виробничі лінії (

Дозволяє швидко та якісно обробити найрізноманітніші деталі, видалити найміцніші забруднення, замінити дорогі та небезпечні розчинники та механізувати процес очищення.

При повідомленні рідини ультразвукових коливань у ній виникають змінні тиски, що змінюються із частотою збудливого поля. Наявність у рідині розчинених газів призводить до того, щоб під час негативного напівперіоду коливань, коли на рідину діє розтягуюча напруга, у цій рідині утворюються та збільшуються розриви у вигляді газових бульбашок. У ці бульбашки можуть всмоктуватися забруднення з мікротріщин та мікропор матеріалу. Під дією стискаючих напруг під час позитивного напівперіоду тисків, бульбашки захлопуються. До моменту захлопування бульбашок на них діє тиск рідини, що досягає декількох тисяч атмосфер, тому захлопування бульбашки супроводжується утворенням потужної ударної хвилі. Такий процес утворення та захлопування бульбашок у рідині називається кавітацією. Зазвичай кавітація виникає поверхні деталі. Ударна хвиля подрібнює забруднення та переміщає їх у миючий розчин (див. рис. 1.10).

Мал. 1.10. Схема всмоктування забруднень з мікротріщин поверхні в зростаючу газову бульбашку.

Про
ділені частинки забруднень захоплюються бульбашками і виринають на поверхню (рис. 1.11).

Мал. 1.11. Ультразвукове очищення

Ультразвукова хвиля рідини характеризується звуковим тиском P зв. та інтенсивністю коливань I. Звуковий тиск визначають за формулою:

P зв. = . C.  .  . Cos(t-k x) = p m. Cos(t-k x),

де p m = . C.  .  - амплітуда звукового тиску,

 . C - хвильовий опір,

 - амплітуда коливань,

 - частота.

З підвищенням звукового тиску до оптимальної величини зростає кількість газових бульбашок рідини відповідно збільшується обсяг кавітаційної області. В ультразвукових установках для очищення звуковий тиск на межі “випромінювач-рідина” лежить у межах 0,2÷0,14 МПа.

Під інтенсивністю ультразвукових коливань на практиці приймають потужність, що припадає на одиницю площі випромінювача:

1,5÷3 Вт/см 2 - водні розчини,

0,5÷1 Вт/см 2 – органічні розчини.

Кавітаційне руйнування досягає максимуму тоді, коли час захлопування бульбашок дорівнює напівперіоду коливань. На утворення та зростання кавітаційних бульбашок впливають в'язкість рідини, частота коливань, статичний тиск та температура. Кавітаційний пухирець може утворитися, якщо його радіус менше деякого критичного радіусу, що відповідає певному гідростатичному тиску.

Частота ультразвукових коливань лежить у межах від 16 Гц до 44 кГц.

Якщо частота коливань низька, то утворюються більші бульбашки з малою амплітудою пульсації. Частина просто спливає на поверхню рідини. Ультразвук низької частоти гірше розповсюджується через поглинання, тому якісний процес очищення йде в області, близькій до джерела. При низькій частоті недостатньо добре очищаються мікротріщини, розміри яких менші за довжину хвилі ультразвуку.

Підвищення частоти коливань призводить до зменшення розмірів газових бульбашок і, отже, зменшення інтенсивності ударних хвиль при одній і тій же потужності установки. Для запуску кавітаційного процесу зі збільшеною частотою потрібна більша інтенсивність коливань. Зростання частоти ультразвукової установки очищення призводить зазвичай до зниження ККД установки. Тим не менш, підвищення частоти ультразвуку має ряд позитивних сторін:

Очищення здійснюється гідрострумами при значно меншій вібрації деталі;

Щільність ультразвукової енергії збільшується пропорційно до квадрата частоти, що дозволяє вводити в розчин великі інтенсивності або при постійній інтенсивності зменшувати амплітуду коливань;

Зі збільшенням частоти збільшується величина енергії ультразвуку, що поглинається.

Внаслідок поглинання енергії більш високої густини частинки масел, жирів, флюсів і т.п. забруднень поверхні деталі нагріваючись, стають більш рідкими і легко розчиняються в очищувальній рідині. Вода (як основа миючого розчину) не нагрівається;

Зі збільшенням частоти зменшується довжина хвилі, що сприяє більш ретельному очищенню дрібних отворів;

При коливаннях ультразвуку досить високої частоти (40 кГц) ультразвукова хвиля поширюється з меншим поглинанням і діє ефективно навіть великій відстані джерела;

Значно зменшуються габарити та маса ультразвукових генераторів та перетворювачів;

Зменшується небезпека ерозійного руйнування поверхні деталі, що очищається.

В'язкість рідини при ультразвуковій очистці впливає втрати енергії і ударний тиск. Збільшення в'язкості рідини підвищує втрати на в'язке тертя, проте час захлопування бульбашки при цьому скорочується, отже, збільшується сила ударної хвилі. Технічне протиріччя.

Температура неоднозначно впливає на процес ультразвукового очищення. Підвищення температури активізує миюче середовище, підвищує її розчинну здатність. Але при цьому зменшується в'язкість розчину та збільшується тиск парогазової суміші, що значно знижує стійкість кавітаційного процесу. Тут ми знову стикаємося із ситуацієютехнічного протиріччя.

Інженерний підхід до вирішення цієї суперечності полягає в оптимізації температури (в'язкості) розчину залежно від характеру та виду забруднень. Для очищення деталей від хімічно активних забруднень слід підвищувати температуру, а видалення погано розчинних забруднень потрібно вибирати таку температуру, що створює умови оптимальної кавітаційної ерозії.

Лужні розчини 40÷60ºС,

Трихлоретан 38÷40ºС,

Водні емульсії 21÷37ºС.

Крім кавітаційного диспергування забруднень, позитивне значення для очищення мають акустичні течії рідини, тобто. вихрові потоки, що утворюються в озвученій рідині у місцях її неоднорідностей або на межі розділу "рідина-тверде тіло". Високий рівень збудження рідини в шарі, що межує з поверхнею деталі, зменшує товщину дифузійного шару, утвореного продуктами реакції миючого розчину із забрудненнями.

Середовища ультразвукового очищення

Очищення проводять у водних миючих розчинниках, емульсіях, кислих розчинах. При використанні лужних розчинів можна значно зменшити температуру та концентрацію лужних компонентів, а якість очищення залишиться високою. При цьому зменшується вплив на деталь, що травить. До складу лужних розчинів входять найчастіше каустична сода (NaOH), кальцинована сода (Na 3 CO 3), тринатрійфосфат (Na 3 PO 4 . 12H 2 O), рідке скло (Na 2 O . SiO 2), аніоноактивні та неіоногенні ПАР ( сульфанол, тинол).

ПАР значно підвищують кавітаційну ерозію, тобто. інтенсифікують процес очищення Однак, небезпека кавітаційного руйнування поверхні матеріалу при додаванні ПАР також збільшується. Зниження поверхневого натягу у присутності ПАР призводить до збільшення кількості бульбашок в одиниці об'єму. У цьому ПАР знижує міцність поверхні деталі (технічне протиріччя).

Для запобігання ерозії металів необхідно вибирати оптимальні концентрації ПАР, мінімальну тривалість процесу та розташовувати деталі подалі від випромінювача (інженерне рішення).

Очищення ультразвуком в органічних розчинниках застосовують тоді, коли очищення в лужних розчинниках може призвести до корозії матеріалу або утворення пасивної плівки, а також, якщо необхідно скоротити час сушіння. Найбільш зручними є хлоровані розчинники із високою хімічною активністю; вони розчиняють різні забруднення і безпечні в експлуатації.

Хлоровані розчинники можна застосовувати у чистому вигляді та у складі азеотропних сумішей (переганяються без зміни складу). Наприклад, суміші фреону-113, фреону-30. Азеотропні суміші розчинників реагують із багатьма забрудненнями, при цьому ефективність очищення збільшується.

Для ультразвукового очищення застосовують також бензин, ацетон, спирти, спиртобензинові суміші.

Для ультразвукового травлення деталей під час очищення від оксидів застосовують концентровані кислі розчини (див. таблицю 1.6).

Таблиця 1.6.

Склад розчинів (масові частки) та режими ультразвукового травлення

Способи керування процесом ультразвукового очищення .

Зміна тиску рідини. Спосіб реалізується у вигляді створення вакууму або навпаки надлишкового тиску. При вакуумуванні рідини полегшується утворення кавітації. Надлишковий тиск підвищує ерозійну руйнацію, зсуває максимум кавітаційної ерозії в зону великих звукових тисків, впливає характер акустичних течій.

Накладення електричного чи магнітного полів на миюче середовище.При електрохімічному ультразвуковому очищенні кавітаційна область може бути локалізована безпосередньо у оброблюваної деталі; бульбашки газів, що виділяються на електродах, сприяють руйнуванню плівок забруднень; зменшується змочуваність олією поляризованої поверхні деталі.

Накладення на область кавітації магнітного поля викликає рух газових бульбашок, що мають негативний поверхневий заряд, що збільшує кавітаційну ерозію деталей.

Введення абразивних частинок у миючий розчин.Тверді частки абразиву беруть участь у механічному відділенні забруднень та стимулюють утворення кавітаційних бульбашок, оскільки порушують суцільність рідини.