Светотехн. и электротехн (курс лекций)

почти мгновенно при практически несжимаемой жидкости, то образуется ударная волна большой силы, распространяющаяся во все стороны с огромной скоростью.

Давление на фронте ударной волны достигает нескольких сотен миллионов паскалей. С уменьшением силы тока в разрядном контуре и расширением канала разряда плотность тока в канале уменьшается, плазма остывает и деионизируется, превращаясь в пары и газы, образуя парогазовую полость. По мере расширения полости вследствие движения жидкости и ее инерции при движении давление в полости падает и в конечной фазе становится меньше атмосферного. Полость начинает сжиматься, а затем снова расширяться, придавая этим процессам кавитационный характер. При электрогидравлическом эффекте электрическая энергия преобразуется непосредственно в механическую с высоким к. п. д. На рисунке 37 приведена принципиальная электрическая схема генератора импульсов тока электрогидравлической установки. Основные узлы этого генератора: зарядная цепь, накопительная емкость, коммутирующее устройство и рабочий искровой промежуток, помещенный в жидкость и представляющий собой нагрузку генератора импульсов.

Коммутирующим устройством является воздушный или газовый разрядник. Высокое напряжение может достигать нескольких десятков киловольт. Принцип действия схемы аналогичен принципу действия схемы, изображенной на рисунке 36. Коэффициент полезного действия схемы не превышает 50%.

Рис. 37. Схема генератора импульсов тока электрогидравлической установки: Тр — повышающий трансформатор на 50—100 кВ; ВП — формирующий искровой воздушный промежуток 10 —15 мм; РП — рабочий промежуток в жидкости от 10 до 100 мм; К — кенотрон.

Тема 2.5.

Ультразвуковая техника и технология

Природа и свойства ультразвука. Ультразвук представляет собой периодические механические упругие колебания с частотой, превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха. Средой распространения ультразвука могут быть газы, жидкости и твердые тела. Границы слышимых звуков у разных людей не одинаковы и изменяются с течением времени. Принято считать область слышимых звуков от 16 до 16·103 Гц и колебания от 16·103 до 1010 Гц ультразвуковыми. Для технических целей наибольшее распространение получил диапазон частот в пределах от 16 да 1600 кГц. Периодически изменяющее свои размеры тело создает в окружающей его среде периодические процессы сжатия и разряжения, распространяющиеся по этой среде. Тело при расширении сжимает непосредственно примыкающий к нему слой среды, который, в свою очередь, передает это сжатие следующему прилегающему слою. Частицы среды, упруго взаимодействуя, движутся вдоль распространения сжатия. Состояние сжатия проходит через всю среду. В следующий момент, когда тело начинает сжиматься, сжатые слои среды получают возможность расширяться. Частицы среды начинают перемещаться в обратную сторону.

Создаваемые в окружающей среде упругие напряжения сжатия и разряжения возбуждают колебания частиц среды около положения равновесия. Эти чередующиеся процессы сжатия и разряжения, распространяющиеся во все стороны, и есть звуковые волны. Различают три основных типа волн: продольные, поперечные и поверхностные. Если изменение объема тела во времени происходит по гармоническому закону, то и вызываемые им ультразвуковые колебания будут гармоническими.

Разделение частиц в неоднородных суспензиях возможно на основании того, что в ультразвуковом поле переменное движение частиц, обладающих неодинаковой массой, различно и зависит от частоты колебательного процесса. С увеличением частоты колеблются только наиболее мелкие частицы, а относительно крупные совершают движения по сложным траекториям.

Коагуляция заключается в образовании из мелких частиц более крупных. Под воздействием ультразвука и гидродинамических сил притяжения частицы соударяются и укрупняются, а затем осаждаются. Это явление используют при очистке дымовых газов. Вследствие поглощения ультразвука частицами коагуляция проводится на низких частотах.

Дегазация состоит в укрупнении мелких пузырьков газа, которые образуются под действием кавитации и вследствие колебания и движения сталкиваются, объединяются и образуют пузырьки больших размеров, которые всплывают.

Звуковое давление представляет собой чередование сжатий и разряжений, причем амплитуда сжатия равна амплитуде разряжения. На препятствие, находящееся в поле звуковой волны, звуковое давление действует таким образом, что создает на поверхности этого препятствия силу, меняющую свой знак в соответствии с частотой колебаний звуковой волны.

Радиационное давление существует наряду со звуковым и выражается в том, что поверхность препятствия испытывает постоянное по силе и знаку давление, стремящееся сдвинуть это препятствие по направлению распространения волны.

Звуковой ветер представляет собой постоянное движение частиц среды в виде постоянного потока в направлении распространения волны. Это перемещение проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкостей под действием ультразвуков.

Фонтанирование жидкости возникает на поверхности жидкости под действием звукового ветра при определенных интенсивностях ультразвука. С увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний увеличивается число одновременно вырывающихся с поверхности капель и они сливаются в один общий фонтан.

Генерирование ультразвука. Основные элементы системы ультразвуковых колебаний — это преобразователь, акустический трансформатор скорости и детали крепления. Основными источниками ультразвуковых колебаний являются преобразователи, в которых механическая или электрическая энергия преобразуется в энергию ультразвуковых колебаний. В соответствии с этим различают преобразователи механические и электрические. К первым относятся источники, преобразующие, например, скорость и давление потока газа или жидкости в ультразвуковые колебания (свистки, сирены и другие), К их достоинствам относятся простота и надежность, к недостаткам — низкая частота и малая мощность ультразвуковых колебаний в жидкости. Наибольшее распространение получили электрические источники с пьезоэлектрическими и - магнитострикционными преобразователями.

Пьезоэлектрические преобразователи. В 1880 г. братья Кюри

во Франции установили, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов (кварц, сегнетовая соль, турмалин и др.) на их поверхности возникают электрические заряды. При замене растяжения сжатием знак заряда изменяется. Это явление было названо пьезоэлектрическим эффектом.

Обратный пьезоэлектрический эффект проявляется в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси кристалла, происходит сжатие или растяжение кристалла, вызывающее соответствующее уменьшение или увеличение его размеров. Частота изменения размеров кристалла соответствует частоте смены знака электрических зарядов или частоте переменного напряжения, прикладываемого к его граням. При напряжении 1000 В пластинки кварца изменяют свои размеры на миллионные доли миллиметра. Наибольшее практическое применение в качестве пьезоэлектрических материалов получили кварц и титанат бария (ВаТiO3). Кварц обладает высокой стойкостью по отношению к химическим воздействиям, высокой механической прочностью и влагостойкостью. Пьезоэлектрический эффект относительно постоянен до 200° С. При увеличении температуры эффект ослабевает и при 573° С исчезает. Существенный недостаток заключается в относительно слабом пьезоэлектрическом эффекте, обусловливающем применение большого электрического напряжения, которое в мощных излучателях достигает нескольких тысяч вольт.

В последнее время для изготовления преобразователей значительное распространение получил титанат бария, специально обработанные пластинки из которого обладают значительно большим пьезоэффектом, чем кварцевые пластинки при том же электрическом напряжении, прикладываемом к их поверхностям. Стоимость этих искусственно созданных пластинок значительно ниже, чем вырезанных из кварца. Применение преобразователей из титаната бария ограничивается температурой 140° С. Пьезоэлектрический эффект у пластинок из титаната бария был обнаружен советским ученым профессором Б. Н. Вулом. Эффективный способ увеличения интервала рабочей температуры заключается в добавлении к титанату бария титаната свинца и титаната кальция. К преимуществам преобразователей, изготовленных из керамики титаната бария, в дополнение к сказанному выше следует отнести высокий к. п. д. преобразования электрической энергии в ультразвуковые колебания, большую стойкость к электрическому пробою и возможность работы при низких рабочих напряжениях, прилагаемых к поверхности пластин (10-100 В), а также возможность изготовления преобразователей различной формы и размеров.

Магнитострикционные преобразователи. В 1842 г. Джоулем был открыт магнитострикционный эффект, заключающийся в том, что ферромагнитные тела (железо, никель, кобальт, пермендюр и другие сплавы), помещенные в магнитное поле, меняют свои размеры. Деформация ферромагнитного тела может проявляться в уменьшении или увеличении его размеров в направлении силовых линий магнитного поля. Если переменный ток пропускать по катушке так, чтобы магнитное поле было направлено вдоль сердечника, то его длина будет изменяться.

Изменение размеров ферромагнитных тел под действием переменного магнитного поля называется магнитострикционным эффектом, а излучатели, принцип действия которых основан на этом явлении, называют магнитострикционными или просто магнитострикторами. Магнитострикционные преобразователи выполняют с замкнутыми двух- и многостержневыми шихтованными магнитопроводами.

Акустические трансформаторы скорости (волноводы, концентраторы)

служат для ввода ультразвуковых колебаний в зону среды, в которой происходит

обработка материала, и для согласования параметров преобразователя с нагрузкой. Трансформаторы представляют собой стержни разнообразной формы в зависимости от назначения и нагрузки. Они должны иметь малый коэффициент потерь, высокую прочность, коррозионную и кавитационную стойкость, жаропрочность, химостойкость и т. д. Длина стержня должна быть такой, чтобы на ней могло уложиться целое число полуволн. Такой трансформатор, припаянный или приваренный к излучающей поверхности магнитострикционного преобразователя, является элементом колебательной системы.

Ультразвуковые генераторы предназначаются для преобразования электрической энергии промышленной частоты в энергию переменного тока высокой частоты, равной частоте ультразвуковых колебаний. Их принципиальные электрические схемы мало отличаются от схем высокочастотных установок. Ультразвук широко используется во многих отраслях народного хозяйства для различных целей.

Мощные ультразвуковые колебания применяются для размерной обработки материалов, очистки и мойки деталей, пайки, сварки, интенсификации процессов и других целей. Маломощные ультразвуковые колебания используются в измерительной технике и дефектоскопии. Ультразвуковые волны малой интенсивности распространяясь в какой-либо среде, не вызывают остаточных изменений в ней, так как уплотнения и разряжения, связанные с прохождением ультразвука, ничтожно малы. Отраже-ние и поглощение ультразвука, обусловленные составом и свойствами различных сред, позволяют с успехом применять ультразвуковые колебания для измерения различных параметров, контроля состояния и определения структуры сложных сред.

Обработка твердых материалов. Ультразвуковые установки получили большое распространение для обработки твердых материалов, обладающих большой хрупкостью. К таким материалам относятся стекло, фарфор, керамика, кварц, драгоценные камни, твердые сплавы, ферриты, минералокерамические резцы, карбид вольфрама и другие, обработка которых обычным механическим путем весьма

верстия в обрабатываемом материале. Обрабатываемую поверхность материала смачивают эмульсией абразивного порошка в воде или в масле. В качестве абразива можно использовать корунд или карбид бора, карбид кремния и другие, которые тверже обрабатываемого материала.

Когда головку рабочего инструмента подводят к обрабатываемой поверхности, находящиеся между ними частицы абразива ударяют по обрабатываемому материалу и выкалывают из его миниатюрные частицы. Так как частиц абразива много, а частота ударов определяется частотой ультразвука 20—30 кГц, то процесс обработки идет довольно быстро.

Ультразвуковая очистка. Прежде чем хромировать, никелировать или ремонтировать детали машин и приборов, надо очистить и обезжирить их поверхности. Особенно затруднительна очистка и мойка мелких деталей сложной формы, с отверстиями, узкими прорезями и винтовыми нарезками. В этом случае ультразвуковая очистка представляет собой эффективное средство повышения производительности труда и качества очистки.

Механическое действие ультразвука можно представить как удары захлопывающихся вблизи очищаемой поверхности кавитационных пузырьков, которые вызывают разрушение поверхностной пленки. Целесообразно применять такую очищающую жидкость, которая смачивает детали, эффективно воздействует на загрязнения и вступает в химическую реакцию с деталями, хотя ультразвуковая очистка возможна и в жидкостях, не растворяющих загрязнений. Применение ультразвука позволяет снизить трудоемкость очистки в 2—10 раз в зависимости от размеров, формы и материала очищаемых деталей. Расход химикатов при этом уменьшается в 2 раза и значительно повышается качество очистки. Для этих целей используются ультразвуковые установки с частотой 20—25 кГ при акустической мощности 1—2,5 кВт. Интенсивность должна быть 5—10 Вт/см2. Однако можно использовать и более высокую частоту 200—1600 кГц, при которой качество очистки повышается. Ультразвук можно успешно применять для очистки паровых котлов от накипи.

Ультразвуковая сварка. Ультразвуковая сварка позволяет соединять легко окисляющиеся металлы, сварка которых обычными способами затруднительна. Соединяемые поверхности изделий под относительно небольшим давлением прижимают друг к другу и одну из них при помощи ультразвука приводят в колебательное движение относительно другой с ультразвуковой частотой порядка 15—30 кГц (рис. 39). Под действием трения между поверхностями происходит разрушение окислых пленок и появляются пластические деформации микровыступов с образованием общих кристаллов, прочно соединяющих свариваемые поверхности деталей. Сварка происходит без заметного повышения температуры, и поэтому ее часто относят к холодным видам сварки. При помощи ультразвука хорошо свариваются алюминий, медь, их сплавы, а также тугоплавкие и активные металлы, такие, как молибден, цирконий и его сплавы титан и др. При ультразвуковой сварке не нарушаются физи- ко-химические свойства свариваемых материалов. Высокое качество сварки получается при толщине деталей до 2,5 мм. Сварка продолжается доли секунды.

Ультразвуковая пайка. Как известно, обычными методами паять алюминий весьма трудно, так как стойкая окисная пленка на его поверхности препятствует смачиванию металла жидким припоем. Ультразвуковые колебания частотой 16—23 кГц в жидком припое вызывают кавитационные явления и ударные импульсы, воздействующие на припой и поверхность облуживаемых деталей и разрушающие окисную пленку. Легкие частицы окисной пленки всплывают на поверхность припоя, который затем беспрепятственно облуживает очищенную поверхность металла. Наиболее эффективна интенсивность ультразвуков 25—100 Вт/см2. Ультразвуковой паяльник представляет собой головку, на которой размещены жестко соединенные между собой нагреватель, акустический трансформатор скорости и магнитострикционный преобразователь (рис. 40).

Ультразвуковая пастеризация молока. В основе бактерицидного действия ультразвука лежит механическое воздействие на бактериальные клетки, вызывающее их раздробление. Разрушающее действие интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости обусловлено в основном явлением кавитации. Зона кавитации, в которой наблюдается бактерицидный эффект, называется зоной эффективной обработки. Замечено, что при малой интенсивности ультразвуковых колебании, недостаточной для образования зоны кавитации, механические воздействия приводят к ускоренному размножению бактерии и не обладают бактерицидными действиями.

Гомогенизация молока – раздробление жировых шариков под действием ультразвука. В таком состоянии молоко не отстаивается, лучше сохраняется, усваивается и применяется в качестве специального детского питания.

Другие технологические применения ультразвука. Ультразвук может быть использован для смешивания не смешивающихся обычным путем жидкостей, например, рыбьего жира с водой для выпойки животным и птице. Ультразвук может быть использован для мойки доильной аппаратуры и молочной посуды, осветления виноградного и других соков, ускорения созревания фотоэмульсий, улучшения антифрикционных свойств смазочных масел, повышающих износостойкость машин в эксплуатации, и для других целей.

Разработка систем практического использования ультразвука в технологических процессах сельского хозяйства еще не закончена, и эта проблема ждет своего решения.

Ультразвуковые дефектоскопы и приборы. В ультразвуковых дефектоскопах и приборах используются, в основном, следующие свойства ультразвука: способность при определенных частотах распространяться в твердых веществах на большую глубину без заметного ослабления и способность отражаться и преломляться на границе раздела двух веществ, разная скорость распространения и степень поглощения в различных средах и веществах.

Принцип действия простейшего дефектоскопа можно пояснить на следующем примере. Если к исследуемому объекту с одной стороны подвести ультразвуковые колебания, а с другой стороны эти колебания будут восприниматься приемником, например, в виде пьезоэлектрической пластинки, которая, колеблясь, создает электрические потенциалы, усиливаемые при помощи усилителя и регистрируемые соответствующими приборами, то показания приборов и характер изменения выходных электрических величин будут характеризовать внутреннее состояние вещества материала.

Если внутри исследуемого объекта есть дефект, то часть ультразвуковых волн отражается от границы дефекта и не попадает на приемную пьезоэлектрическую пластинку, создавая звуковую тень за дефектом и вызывая соответствующие изменения в показаниях электрических приборов, записях осциллографа или изображениях на экране.

При помощи ультразвука можно в различных деталях определить дефекты, их размеры, глубину залегания и состав отдельных компонентов вещества. Ультразвуковыми дефектоскопами контролируют качество сварки, целостность болтов, плотность соединения, однородность заливки вкладышей подшипников, качество клапанов двигателей, автомобильных покрышек, склейки пластических масс и фанерных листов и др.

Существуют ультразвуковые приборы, которые позволяют измерять расстояние, обнаруживать препятствия, определять толщину сального слоя у свиней, измерять концентрацию многих газов в воздухе, степень запыленности воздуха, вязкость и скорость жидкости и т. п.

Существует много методов преобразования звуковых изображений в видимые. Получение звуковых изображений является эффективным методом изучения структуры оптически непрозрачных сред и имеет большие перспективы для своего развития и применения.

Рис. 38. Устройство магнитострикционного излучателя для ультразвукового сверления материалов:

а — схема устройства; б — процесс сверления; 1 — обмотка подмагничивания сердечника постоянным током; 2—боковые плечи сердечника; 3— обмотка переменного тока; 4 — скрепление сердечника в узле ультразвуковой волны; 5 — магнитострикционный сердечник; в — гайка на свободном конце сердечника для крепления рабочего инструмента; 7 — рабочие инструменты для сверления отверстий различной формы (трансформаторы скорости); 8 —- обрабатываемый материал; 9—рабочий инструмент; 10 — суспензия с абразивным порошком.

Рис. 39. Принципиальная схема ультразвуковой точечной (а) и шовной (б) сварки:

1 — преобразователь; 2 — трансформатор скорости; 3 — наконечник; 4 — свариваемые детали; 5 — опора; 6 — генератор.

Рис40. Схема ультразвукового паяльника:

1 — питание; 2 — магнитострикционный излучатель; 5—обмотка, которая питается . от генератора ультразвуковой частоты; 4— нагревательная обмотка; 5 -жало головки паяльника; 6— припой; 7 —кавитационные пузырьки; 8 — алюминиевая пластина; 9 — окисная пленка; 10 — головка паяльника.

Тема 2.6.

Магнитная обработка материалов

Использование магнитного поля для очистки семян. Принцип очистки се-

мян в магнитном поле основан на том, что в результате обработки зерновой смеси магнитным порошком шероховатая поверхность сорняков легко покрывается частицами магнитного порошка, благодаря которым семена сорняков притягиваются к

электромагнитам. У семян культурных растений поверхность гладкая и на ней магнитный порошок не удерживается.

Сначала семена пропускают через обыкновенные зерноочистительные машины, а затем отделяют их от тех сорняков, от которых применяемые зерноочистительные машины не в состоянии очистить зерно.

Принцип действия электромагнитной семеочистительной машины ЭМС-1 заключается в следующем. Обработанная магнитным порошком зерновая смесь подается на поверхность вращающегося электромагнитного барабана, изготовленную из немагнитного материала. Внутри барабана расположен мощный электромагнит, наружная поверхность полюсов которого занимает примерно половину внутренней цилиндрической поверхности барабана. Покрытые магнитным порошком семена сорняков удерживаются магнитным полем электромагнита на поверхности барабана

исбрасываются внизу под барабаном, в то время как семена культур отбрасываются с барабана в сторону, не достигнув низа барабана. Сила магнитного поля, действующая на семя сорняка с находящимся на нем магнитным порошком, должна быть равна алгебраической сумме центробежной силы и силы тяжести, семени внизу барабана, когда они совпадают по направлению и противоположны направлению действия силы магнитного поля.

Магнитная очистка кормов от железных частиц. В концентрированных кормах случайно могут оказаться различные железные частицы, гвозди, кусочки проволоки и др. Концентрированные корма очищают от железных частиц в кормоцехах, на комбикормовых заводах и мельницах. Магнитная очистка кормов заключается в том, что очищаемая смесь или отдельные виды концентрированных кормов перемещаются в виде тонкого слоя в непосредственной близости от полюсов магнита. Железные частицы притягиваются к полюсам магнитов и отделяются от кормов. Для очистки корма применяют аппараты с постоянными магнитами и электромагнитами. Первые используются в установках небольшой производительности, вторые — в установках с производительностью от 1,5 т/ч и выше. Аппараты устанавливают с наклоном к горизонту в 40°. Удельная производительность магнитных аппаратов представляет собой отношение количества зерна, очищенного в течение часа, к ширине магнитного аппарата, выраженной в миллиметрах. Для аппаратов с постоянными магнитами удельная производительность составляет 3,5—3,6, а для электромагнитных — 5,5—6,5 кг/(ч·мм). Аппараты необходимо систематически очищать от накопившихся железных частиц. Электромагнитные аппараты получают электроэнергию от сети через выпрямитель. Электромагнитный аппарат производительностью 1500 кг/ч имеет мощность 100—120 Вт и длину рабочей части 250 мм.

Магнитная обработка воды. При работе водогрейных и паровых котлов, кормозапарников, тракторов, автомобилей, комбайнов и других энергетических стационарных и передвижных установок на поверхностях нагрева и охлаждения происходит отложение накипи, резко ухудшающей теплопередачу, снижающей мощность

иувеличивающей расход топлива и электроэнергии. Накипь толщиной в 1,5 мм увеличивает расход топлива тепловыми установками на 8—11%. У двигателей внутреннего сгорания при толщине накипи в системе охлаждения 1,5 мм мощность снижается на 6%, расход топлива при этом увеличивается на 13%, а смазочных материалов до 30% и более. Кроме этого; под слоем накипи образуются зоны местного перегрева металла.