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.

Владельцы патента RU 2286216:

Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой очистки и обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции. Установка содержит ультразвуковой стержневой магнитострикционный преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя. В установку дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры. Ультразвуковая установка формирует в обрабатываемой жидкой среде двухчастотное акустическое поле, что обеспечивает повышение интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой очистки и обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции.

Известно устройство для введения ультразвуковых колебаний в жидкость (патент DE, №3815925, В 08 В 3/12, 1989) посредством ультразвукового датчика, который звукоизлучающим конусом при помощи герметично изолирующего фланца закреплен в зоне дна внутри ванны с жидкостью.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является ультразвуковая установка типа УЗВД-6 (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.169), содержащая стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя.

Недостаток выявленных известных ультразвуковых установок состоит в том, что рабочая камера имеет единственный источник ультразвуковых колебаний, которые передаются в нее от магнитострикционного преобразователя через торец волновода, механические свойства и акустические параметры которого определяют максимально допустимую интенсивность излучения. Зачастую получаемая интенсивность излучения ультразвуковых колебаний не может удовлетворить требованиям технологического процесса в отношении качества конечного продукта, что заставляет продлевать время обработки жидкой среды ультразвуком и приводит к снижению интенсивности технологического процесса.

Таким образом, выявленные в процессе патентного поиска ультразвуковые установки, аналог и прототип заявленного изобретения при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания ультразвуковой установки, осуществление которой обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Сущность изобретения заключается в том, что в ультразвуковую установку, содержащую стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры. Кроме того, эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений. При этом нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода. Причем поверхность излучающего торца акустического волновода выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя.

Технический результат достигается следующим образом. Стержневой ультразвуковой преобразователь является источником ультразвуковых колебаний, обеспечивающих необходимые параметры акустического поля в рабочей камере установки для выполнения технологического процесса, что обеспечивает интенсификацию и качество конечного продукта. Акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в обрабатываемую жидкую среду рабочей камеры. При этом герметичность и подвижность соединения обеспечивается благодаря тому, что у волновода излучающий конец присоединен к нижней части трубы рабочей камеры посредством эластичного уплотнительного кольца. Подвижность соединения обеспечивает возможность передачи механических колебаний от преобразователя через волновод в рабочую камеру, в жидкую обрабатываемую среду, возможность выполнения технологического процесса, а следовательно, получения требуемого технического результата.

Кроме того, в заявленной установке эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений в отличие от прототипа, в котором оно установлено в зоне пучности смещений. В результате в установке по прототипу уплотнительное кольцо демпфирует колебания и снижает добротность колебательной системы, а следовательно, снижает интенсивность технологического процесса. В заявленной установке уплотнительное кольцо установлено в зоне узла смещений, поэтому оно не оказывает влияния на колебательную систему. Это позволяет пропустить через волновод больше мощности по сравнению с прототипом и тем самым повысить интенсивность излучения, следовательно, интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта. Кроме того, поскольку в заявленной установке уплотнительное кольцо установлено в зоне узла, т.е. в зоне нулевых деформаций, оно не разрушается от колебаний, сохраняет подвижность соединения излучающего конца волновода с нижней частью трубы рабочей камеры, что позволяет сохранить интенсивность излучения. В прототипе уплотнительное кольцо установлено в зоне максимальных деформаций волновода. Поэтому кольцо постепенно разрушается от колебаний, что постепенно снижает интенсивность излучения, а затем нарушает герметичность соединения и нарушает работоспособность установки.

Использование кольцевого магнитострикционного излучателя позволяет реализовать большую мощность преобразования и значительную площадь излучения (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.34), а следовательно, позволяет обеспечить интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Поскольку труба выполнена цилиндрической, а введенный в установку магнитострикционный излучатель выполнен кольцевым, обеспечивается возможность напрессовки магнитопровода на наружную поверхность трубы. При подаче напряжения питания на обмотку магнитпровода в пластинах возникает магнитострикционный эффект, который приводит к деформации кольцевых пластин магнитопровода в радиальном направлении. При этом благодаря тому, что труба выполнена металлической, а магнитопровод акустически жестко напрессован на трубу, деформация кольцевых пластин магнитопровода трансформируется в радиальные колебания стенки трубы. В результате электрические колебания возбуждающего генератора кольцевого магнитострикционного излучателя преобразуются в радиальные механические колебания магнитострикционных пластин, а благодаря акустически жесткому соединению плоскости излучения магнитопровода с поверхностью трубы механические колебания передаются через стенки трубы в обрабатываемую жидкую среду. При этом источником акустических колебаний в обрабатываемой жидкой среде является внутренняя стенка цилиндрической трубы рабочей камеры. В результате в заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируется акустическое поле со второй резонансной частотой. При этом введение в заявленной установке кольцевого магнитострикционного излучателя увеличивает по сравнению с прототипом площадь излучающей поверхности: излучающая поверхность волновода и часть внутренней стенки рабочей камеры, на наружную поверхность которой напрессован кольцевой магнитострикционный излучатель. Увеличение площади излучающей поверхности повышает интенсивность акустического поля в рабочей камере и, следовательно, обеспечивает возможность интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Расположение нижнего торца магнитопровода кольцевого излучателя в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода является оптимальным вариантом, так как размещение его ниже излучающего конца волновода приводит к образованию мертвой (застойной) зоны для кольцевого преобразователя (кольцевой излучатель - труба). Размещение нижнего торца магнитопровода кольцевого излучателя выше излучающего конца волновода снижает КПД кольцевого преобразователя. Оба варианта приводят к снижению интенсивности воздействия суммарного акустического поля на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, к снижению интенсификации технологического процесса.

Поскольку излучающей поверхностью у кольцевого магнитострикционного излучателя является цилиндрическая стенка, то происходит фокусировка звуковой энергии, т.е. создается концентрация акустического поля по осевой линии трубы, на которую напрессован магнитопровод излучателя. Так как у стержневого ультразвукового преобразователя излучающая поверхность выполнена в виде вогнутой сферы, то эта излучающая поверхность также фокусирует звуковую энергию, но вблизи точки, которая лежит на осевой линии трубы. Таким образом, при различных фокусных расстояниях фокусы обеих излучающих поверхностей совпадают, концентрируя мощную акустическую энергию в малом объеме рабочей камеры. Поскольку нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода, у которого вогнутая сфера выпонена радиусом, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, точка фокусирования акустической энергии лежит на середине осевой линии трубы, т.е. в центре рабочей камеры установки концентрируется мощная акустическая энергия в малом объеме ("Ультразвук. Маленькая энциклопедия", главный ред. И.П.Голянина, М.: Советская энциклопедия, 1979, с.367-370). В области фокусировки акустических энергий обеих излучающих поверхностей интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду в сотни раз выше, чем в других областях камеры. Создается локальный объем с мощной интенсивностью воздействия полем. За счет локальной мощной интенсивности воздействия разрушаются даже труднообрабатываемые материалы. Кроме того, в этом случае от стенок отводится мощный ультразвук, что предохраняет стенки камеры от разрушения и загрязнения обрабатываемого материала продуктом разрушения стенок. Таким образом, выполнение поверхности излучающего торца акустического волновода вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Как было показано выше, в заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируется акустическое поле с двумя резонансными частотами. Первая резонансная частота определяется резонансной частотой стержневого магнитострикционного преобразователя, вторая - резонансной частотой кольцевого магнитострикционного излучателя, напрессованного на трубу рабочей камеры. Резонансная частота кольцевого магнитострикционного излучателя определяется из выражения lcp=λ=с/fрез, где lcp - длина средней линии магнитопровода излучателя, λ - длина волны в материале магнитопровода, с - скорость упругих колебаний в материале магнитопровода, fрез - резонансная частота излучателя (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.25). Иначе говоря, вторая резонансная частота установки определяется длиной средней линии кольцевого магнитопровода, которая в свою очередь обусловлена наружным диаметром трубы рабочей камеры: чем длиннее средняя линия магнитопровода, тем ниже вторая резонансная частота установки.

Наличие двух резонансных частот в заявленной установке позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта. Это объясняется следующим.

При воздействии акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникают акустические течения - стационарные вихревые потоки жидкости, возникающие в свободном неоднородном звуковом поле. В заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируются два вида акустических волн, каждая со своей резонансной частотой: цилиндрическая волна распространяется радиально от внутренней поверхности трубы (рабочей камеры), и плоская волна распространяется вдоль рабочей камеры снизу вверх. Наличие двух резонансных частот усиливает воздействие на обрабатываемую жидкую среду акустических течений, так как на каждой резонансной частоте образуются свои акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость. Это также приводит к возрастанию турбулентности акустических течений и к еще более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкости, что повышает интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду. В результате интенсифицируется технологический процесс без снижения качества конечного продукта.

Кроме того, под воздействием акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникает кавитация - образование разрывов жидкой среды там, где происходит местное понижение давления. В результате кавитации образуются парогазовые кавитационные пузырьки. Если акустическое поле слабое, пузырьки резонируют, пульсируют в поле. Если акустическое поле сильное, пузырек через период звуковой волны (идеальный случай) захлопывается, так как попадает в область высокого давления, создаваемого этим полем. Захлопываясь, пузырьки порождают сильные гидродинамические возмущения в жидкой среде, интенсивное излучение акустических волн и вызывают разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью. В заявленной установке акустическое поле мощнее по сравнению с акустическим полем установки по прототипу, что объясняется наличием в нем двух резонансных частот. В результате в заявленной установке вероятность захлопывания кавитационных пузырьков выше, что усиливает кавитационные эффекты и повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Чем ниже резонансная частота акустического поля, тем крупнее пузырек, так как период у низкой частоты большой и пузырьки успевают вырасти. Жизнь пузырька при кавитации - один период частоты. Захлопываясь, пузырек создает мощное давление. Чем больше пузырек, тем более высокое давлении создается при его захлопывании. В заявленной ультразвуковой установке благодаря двухчастотному озвучиванию обрабатываемой жидкости кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты. При очистке поверхностей или при обработке суспензии мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердых частиц и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, провоцируют образование новых микротрещин в твердых частицах, еще более ослабляя в них механические связи. Твердые частицы разрушаются.

При эмульгировании, растворении и смешивании большие пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. В результате повышается интенсификация технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Кроме того, в заявленной установке в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами в обрабатываемой жидкой среде возникают биения, обусловленные наложением двух частот (принцип суперпозиций), которые вызывают резкое мгновенное возрастание амплитуды акустического давления. В такие моменты мощность удара акустической волны может в несколько раз превысить удельную мощность установки, что интенсифицирует технологический процесс и не только не снижает, а улучшает качество конечного продукта. Кроме того, резкое возрастание амплитуды акустического давления облегчает подвод кавитационных зародышей в зону кавитации; кавитация возрастает. Кавитационные пузырьки, формируясь в порах, неровностях, трещинах поверхности твердого тела, находящегося в суспензии, образуют локальные акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость во всех микрообъемах, что также позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленная ультразвуковая установка, за счет возможности формирования в обрабатываемой жидкой среде двухчастотного акустического поля, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта: результатов очистки поверхностей, диспергации твердых составляющих в жидкости, процесса эмульгации, перемешивания и растворения составляющих жидкой среды.

На чертеже изображена заявленная ультразвуковая установка. Ультразвуковая установка содержит ультразвуковой стержневой магнитострикционный преобразователь 1 с излучающей поверхностью 2, акустический волновод 3, рабочую камеру 4, магнитопровод 5 кольцевого магнитострикционного излучателя 6, эластичное уплотнительное кольцо 7, шпильку 8. В магнитопроводе 5 предусмотрены отверстия 9 для выполнения обмотки возбуждения (не показана). Рабочая камера 4 выполнена в виде металлической, например стальной, цилиндрической трубы. В примере выполнения установки волновод 3 выполнен в форме усеченного конуса, у которого излучающий конец 10 посредством эластичного уплотнительного кольца 7 герметично присоединен к нижней части трубы рабочей камеры 4, а приемный торец 11 по осевой соединен шпилькой 8 с излучающей поверхностью 2 преобразователя 1. Магнитопровод 5 выполнен в виде пакета магнитострикционных пластин, имеющих форму колец, и акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры 4; кроме того, магнитопровод 5 снабжен обмоткой возбуждения (не показана).

Эластичное уплотнительное кольцо 7 закреплено на излучающем конце 10 волновода 3 в зоне узла смещений. При этом нижний торец магнитопровода 5 кольцевого излучателя 6 расположен в одной плоскости с излучающим концом 10 акустического волновода 3. Причем поверхность излучающего торца 10 акустического волновода 3 выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода 5 кольцевого магнитострикционного излучателя 6.

В качестве стержневого ультразвукового преобразователя может быть использован, например, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь типа ПМС-15А-18 (БТ3.836.001 ТУ) или ПМС-15-22 9СЮИТ.671.119.003 ТУ). Если технологический процесс требует более высоких частот: 44 кГц, 66 кГц и т.д., то стержневой преобразователь выполняют на базе пьезокерамики.

Магнитопровод 5 может быть выполнен из материала с отрицательной стрикцией, например из никеля.

Ультразвуковая установка работает следующим образом. Подают напряжения питания на обмотки возбуждения преобразователя 1 и кольцевого магнитострикционного излучателя 6. Рабочую камеру 4 заполняют обрабатываемой жидкой средой 12, например, для выполнения растворения, эмульгирования, диспергирования или заполняют жидкой средой, в которую помещают детали для очистки поверхностей. После подачи напряжения питания в рабочей камере 4 в жидкой среде 12 формируется акустическое поле с двумя резонансными частотами.

Под воздействием формируемого двухчастотного акустического поля в обрабатываемой среде 12 возникают акустические течения и кавитация. При этом, как было показано выше, кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты.

В кавитирующей жидкой среде, например, при диспергировании или очистке поверхностей мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердой составляющей смеси и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, разбивают ослабленную изнутри частицу на мелкие фракции.

Кроме того, в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами возникают биения, приводящие к резкому мгновенному возрастанию амплитуды акустического давления (к акустическому удару), что приводит к еще более интенсивному разрушению наслоений на очищаемой поверхности и к еще большему измельчению твердых фракций в обрабатываемой жидкой среде при получении суспензии. Одновременно, наличие двух резонансных частот усиливает турбулентность акустических течений, что способствует более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды и более интенсивному разрушению твердых частиц как на поверхности детали, так и в суспензии.

При эмульгировании и растворении большие кавитационные пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких кавитационных пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. Ударная акустическая волна и повышенная турбулентность акустических течений, являющиеся результатами двухчастотного озвучивания обрабатываемой жидкой среды, также разрушают межмолекулярные связи и интенсифицируют процесс перемешивания среды.

В результате совместного воздействия перечисленных выше факторов на обрабатываемую жидкую среду выполняемый технологический процесс интенсифицируется без снижения качества конечного продукта. Как показали испытания, по сравнения с прототипом удельная мощность заявленного преобразователя в два раза выше.

Для усиления кавитационного воздействия в установке может быть предусмотрено повышенное статическое давление, которое может быть реализовано аналогично прототипу (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.169): система трубопроводов, связанных с внутренним объемом рабочей камеры; баллон со сжатым воздухом; предохранительный клапан и манометр. При этом рабочая камера должна быть снабжена герметичной крышкой.

1. Ультразвуковая установка, содержащая стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что поверхность излучающего торца акустического волновода выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя.

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.

Ультразвуковую очистку выполняют на ультразвуковых установках, включающих, как правило, одну или несколько ванн и ультразвуковой генератор. По технологическому назначению различают установки универсального и специального назначения. Первые применяют для очистки широкой номенклатуры деталей в основном единичного и серийного производства. В массовом производстве используют установки специального назначения, а нередко и автоматизированные агрегаты и поточные линии.

Рисунок 28 – Ванна для ультразвуковой очистки типа УЗВ-0,4

Мощность универсальных ванн колеблется от 0,1 до 10 кВт, а емкость - от 0,5 до 150 л. Небольшие по мощности ванны имеют встроенные в дно пьезокерамические преобразователи, а мощные - несколько магнитострикционных.

Однотипны ультразвуковые настольные ванны УЗУ-0,1; УЗУ-0,25 и УЗУ-0,4. Эти ванны чаще применяют в лабораторных условиях и единичном производстве; для их питания используют полупроводниковые генераторы с выходной мощностью 100, 250 и 400 Вт. Ванны имеют корпус прямоугольной формы и съемную крышку. В дно ванн встроены пьезокерамические преобразователи (тип ПП1-0,1) в количестве от одного до трех в зависимости от мощности ванны. Для загрузки деталей навалом имеются сетчатые корзины. Ванны имеют встроенные в общий корпус отсеки для ополаскивания деталей после очистки.

На рис. 28 показана ультразвуковая настольная очистная ванна типа УЗВ-0,4, работающая с генератором УЗГЗ-0,4. Она имеет металлический звукоизолированный корпус 1 цилиндрической формы и крышку 3, связанную с корпусом шарниром и эксцентриковым зажимом 2 с ручкой. К дну рабочей части ванны, являющейся резонансной мембраной, припаян пакет магнитострикционного преобразователя . Корпус его имеет две трубы для подачи и стока проточной воды, охлаждающей преобразователь. Штуцера этих труб выведены к нижней части корпуса для удобства присоединения к ним шлангов. На корпусе расположен тумблер включения и выключения ультразвуковых колебаний на генераторе при установке его в отдалении от ванны. Здесь же имеется ручка открытия слива моющей жидкости и соответствующий штуцер. Ванна комплектуется корзиной для загрузки очищаемых деталей.

Рисунок 29 – Ванна для ультразвуковой очистки типа УЗВ-18М

Из числа универсальных очистных ванн большей мощности широкое распространение получили ванны типа УЗВ. Ванны этого типа имеют аналогичную конструкцию. На рис. 29 приведена ванна типа УЗВ-18М. Сварной каркас 1 выполнен в звукозащитном исполнении. Он закрыт крышкой 5 с противовесами 4. Подъем и опускание крышки производится вручную ручками 6. В дно 9 рабочей части ванны встроены магнитострикционные преобразователи 8 типа ПМС-6-22 (от одного до четырех в зависимости от мощности ванны). Для отсоса паров моющей жидкости установлены бортовые сборники с выходным патрубком II, который присоединяется к вентиляционной системе цеха. В дно рабочей части вмонтирован кран для слива моющей жидкости; рукоятка 19 крана выведена на лицевую сторону. Слив по трубам 14 и 16 можно производить в бак-отстойник, канализацию или в бак 7, встроенный в ванну. Чтобы исключить возможность переполнения рабочей части жидкостью, имеется дренажная труба.

В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том числе и в состав многофункциональных аппаратов входят источник энергии (генератор) и ультразвуковая колебательная система.

УЗ колебательная система технологического назначения состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя).

В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты и создается знакопеременная механическая сила.

Согласующий элемент системы (пассивный концентратор) осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки и внутреннего активного элемента.

Рабочий инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него.

Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резонансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗ колебательной системы на резонансной частоте. Значения резонансной частоты УЗ колебательных систем должны быть пределах разрешенных диапазонов (для многофункциональных УЗ аппаратов это частота 22 ± 1,65 кГц).

Отношение накопленной в УЗ колебательной системе энергии к энергии, используемой для технологического воздействия за каждый период колебаний, называется добротностью колебательной системы. Добротность определяет максимальную амплитуду колебаний на резонансной частоте и характер зависимости амплитуды колебаний от частоты (т.е. ширину частотного диапазона).

Внешний вид типичной ультразвуковой колебательной системы показан на рисунке 2. Она состоит из преобразователя - 1, трансформатора (концентратора) - 2, рабочего инструмента - 3, опоры - 4 и корпуса - 5.

Рисунок 2 - Двухполуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих механических напряжений F

Распределение амплитуды колебаний А и сил (механических напряжений) F в колебательной системе имеет вид стоячих волн (при условии пренебрежения потерями и излучением).

Как видно из рисунка 2, существуют плоскости, в которых смещения и механические напряжения всегда равны нулю. Эти плоскости называются узловыми. Плоскости, в которых смещения и напряжения минимальны называются пучностями. Максимальные значения смещений (амплитуд) всегда соответствую в минимальным значениям механических напряжений и наоборот. Расстояния между двумя соседними узловыми плоскостями или пучностями всегда равны половине длины волны.

В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие акустическую и механическую связь её элементов. Соединения могут быть неразъемными, однако при необходимости смены рабочего инструмента соединения выполняются резьбовыми.

УЗ колебательная система вместе с корпусом, устройствами подвода питающего напряжения, и вентиляционными отверстиями выполняется обычно в виде отдельного узла. В дальнейшем, используя термин УЗ колебательная система, мы будем говорить обо всем узле в целом.

Используемая в многофункциональных УЗ аппаратах технологического назначения колебательная система должна удовлетворять ряду общих требований.

1) Работать в заданном частотном диапазоне;

2) Работать при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки;

3) Обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний;

4) Иметь максимально возможный коэффициент полезного действия;

5) Части УЗ колебательной системы, контактирующие с обрабатываемыми веществами должны обладать кавитационной и химической стойкостью;

6) Иметь жесткое крепление в корпусе;

7) Должна иметь минимальные габариты и вес;

8) Должны выполняться требования техники безопасности.

Ультразвуковая колебательная система, показанная на рисунке 2, является двух полуволновой колебательной системой. В ней преобразователь имеет резонансный размер, равный половине длины волны УЗ колебаний в материале преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний и согласования преобразователя с обрабатываемой средой используется концентратор, имеющий резонансный размер, соответствующий половине длины волны УЗ колебаний в материале концентратора.

Если показанная на рисунке 2 колебательная система выполнена из стали (скорость распространения УЗ колебаний в стали более 5000 м/с), то ее общий продольный размер соответствует L = С2p/w ~ 23 см.

Для выполнения требований высокой компактности и малого веса используются полуволновые колебательные системы, состоящие из четвертьволновых преобразователя и концентратора. Такая колебательная систем схематично показана на рисунке 3. Обозначения элементов колебательной системы соответствуют обозначениям на рисунке 3.

Рисунок 3 - Двухчетвертьволновая колебательная система

В этом случае удается обеспечить минимально возможные продольный размер и массу УЗ колебательной системы, а также уменьшить число механических соединений.

Недостатком такой колебательной системы является соединение преобразователя с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Однако этот недостаток удается частично устранить путем смещения активного элемента преобразователя от точки максимальных действующих напряжений.

Применение УЗ аппаратов

Мощный ультразвук уникальное экологически чистое средство стимуляции физико-химических процессов. Ультразвуковые колебания частотой 20 000 - 60 000 Герц и интенсивностью свыше 0,1 Вт./кв.см. могут вызывать необратимые изменения в среде распространения. Это предопределяет возможности практического использования мощного ультразвука в следующих областях.

Технологические процессы: переработка минерального сырья, обогащение и процессы гидрометаллургии руд металлов и т.д.

Нефтяная и газовая промышленность: рекуперация нефтяных скважин, экстракция вязкой нефти, процессы разделения в системе песок – тяжелая нефть, повышение жидкотекучести тяжелых нефтепродуктов и т.д.

Металлургия и машиностроение: рафинирование металлических расплавов, измельчение структуры слитка / отливки, обработка металлической поверхности для ее упрочнения и снятия внутренних напряжений, очистка внешних поверхностей и внутренних полостей деталей машин и т.д.

Химическая и биохимическая технологии: процессы экстракции, сорбции, фильтрации, сушки, эмульгирования, получения суспензий, смешения, диспергирования, растворения, флотации, дегазации, испарения, коагуляции, коалесценции, процессы полимеризации и деполимеризации, получение наноматериалов и т.д.

Энергетика: сжигание жидкого и твердого топлива, приготовление топливных эмульсий, производство биотоплива и т.д.

Сельское хозяйство, пищевая и легкая промышленность: процессы прорастания семян и роста растений, приготовлении пищевых добавок, кондитерской технологии, приготовлении алкогольных и безалкогольных напитков и т.д.

Коммунальное хозяйство: рекуперация водных скважин, подготовка питьевой воды, снятие отложений с внутренних стенок теплообменных аппаратов и т.д.

Защита окружающей среды: очистка сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, тяжелыми металлами, стойкими органическими соединениями, очистка загрязнённых почв, очистка промышленных газовых потоков и т.д.

Переработка вторичного сырья: девулканизация резины, очистка металлургической окалины от масляных загрязнений и т.д.