Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов
Работа посвящена проблеме очистки деталей машин от эксплуатационных асфальто-смолистых загрязнений. Используются прямоточные гидродинамические излучатели коротких экспоненциальных импульсов, в спектре которых имеется ряд гармоник. Исследовано ближнее поле этих источников звука. Получены пространстве...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2007
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1032 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов / Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков // Акуст. вісн. — 2007. — Т. 10, N 1. — С. 30-38. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860250687462440960 |
|---|---|
| author | Дудзинский, Ю.М. Сухарьков, О.В. |
| author_facet | Дудзинский, Ю.М. Сухарьков, О.В. |
| citation_txt | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов / Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков // Акуст. вісн. — 2007. — Т. 10, N 1. — С. 30-38. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Работа посвящена проблеме очистки деталей машин от эксплуатационных асфальто-смолистых загрязнений. Используются прямоточные гидродинамические излучатели коротких экспоненциальных импульсов, в спектре которых имеется ряд гармоник. Исследовано ближнее поле этих источников звука. Получены пространственные зависимости нелинейного затухания уровня и интенсивности акустических импульсов. Представлены результаты экспериментальных исследований по очистке сквозных и глухих цилиндрических отверстий от модельных загрязнителей с помощью гидродинамических излучателей. Установлена корреляция между удельной поглощенной мощностью и эффективностью очистки. Проведено сравнение технологий очистки при использовании осесимметричных гидродинамических и магнитострикционных преобразователей.
Роботу присвячено проблемі очищення деталей машин від експлуатаційних асфальто-смолистих забруднень. Використовуються прямотечійні гідродинамічні випромінювачі коротких експоненційних імпульсів, спектр яких містить ряд гармонік. Досліджено ближнє поле цих джерел звуку. Отримані просторові залежності нелінійного загасання рівня й інтенсивності акустичних імпульсів. Представлені результати експериментальних досліджень з очищення наскрізних і глухих циліндричних отворів від модельних забруднювачів за допомогою гідродинамічних випромінювачів. Установлено кореляцію між питомою поглиненою потужністю й ефективністю очищення. Проведено порівняння технологій очищення при використанні осесиметричних гідродинамічних і магнітострикційних перетворювачів.
The study is devoted to the problem of clearing the machine parts from the consumption asphalt-resin pollutants. The direct-flow hydrodynamic radiators of short exponential pulses, with spectra containing a series of harmonics, were used. The near fields of such sound sources have been investigated. The dependences for the nonlinear damping of the level and intensity of the acoustic pulses were obtained. The results of experimental researches on clearing the through and blind cylindrical apertures from the model pollutants using hydrodynamic radiators have been carried out. The correlation between the specific absorbed power and clearing efficiency has been shown. Clearing technologies with the use of axisymmetric hydrodynamic and magnetostrictive transducers were compared.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:43:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
УДК 621.7.022.6:621.81
ОЧИСТКА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОТВЕРСТИЙ
В ПОЛЕ КОРОТКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ
Ю. М. Д У Д ЗИ Н С К ИЙ∗, О. В. СУ ХА Р ЬК О В∗∗
∗Одесский национальный политехнический университет
∗∗Одесская национальная академия связи
Получено 13.02.2007
Работа посвящена проблеме очистки деталей машин от эксплуатационных асфальто-смолистых загрязнений.
Используются прямоточные гидродинамические излучатели коротких экспоненциальных импульсов, в спектре ко-
торых имеется ряд гармоник. Исследовано ближнее поле этих источников звука. Получены пространственные зави-
симости нелинейного затухания уровня и интенсивности акустических импульсов. Представлены результаты экспе-
риментальных исследований по очистке сквозных и глухих цилиндрических отверстий от модельных загрязнителей
с помощью гидродинамических излучателей. Установлена корреляция между удельной поглощенной мощностью и
эффективностью очистки. Проведено сравнение технологий очистки при использовании осесимметричных гидроди-
намических и магнитострикционных преобразователей.
Роботу присвячено проблемi очищення деталей машин вiд експлуатацiйних асфальто-смолистих забруднень. Вико-
ристовуються прямотечiйнi гiдродинамiчнi випромiнювачi коротких експоненцiйних iмпульсiв, спектр яких мiстить
ряд гармонiк. Дослiджено ближнє поле цих джерел звуку. Отриманi просторовi залежностi нелiнiйного загасання
рiвня й iнтенсивностi акустичних iмпульсiв. Представленi результати експериментальних дослiджень з очищення
наскрiзних i глухих цилiндричних отворiв вiд модельних забруднювачiв за допомогою гiдродинамiчних випромiню-
вачiв. Установлено кореляцiю мiж питомою поглиненою потужнiстю й ефективнiстю очищення. Проведено порiвня-
ння технологiй очищення при використаннi осесиметричних гiдродинамiчних i магнiтострикцiйних перетворювачiв.
The study is devoted to the problem of clearing the machine parts from the consumption asphalt-resin pollutants. The
direct-flow hydrodynamic radiators of short exponential pulses, with spectra containing a series of harmonics, were used.
The near fields of such sound sources have been investigated. The dependences for the nonlinear damping of the level
and intensity of the acoustic pulses were obtained. The results of experimental researches on clearing the through and
blind cylindrical apertures from the model pollutants using hydrodynamic radiators have been carried out. The correlati-
on between the specific absorbed power and clearing efficiency has been shown. Clearing technologies with the use of
axisymmetric hydrodynamic and magnetostrictive transducers were compared.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее перспективных направлений
использования ультразвуковых технологий в ма-
шиностроении является очистка поверхностей де-
талей и узлов от различных технологических и
эксплуатационных загрязнений. Качество очистки
во многом предопределяет срок службы и наде-
жность работы различных машин. Особенно тща-
тельно она должна проводиться для некоторых
прецизионных деталей, например, поршневых пар
двигателей внутреннего сгорания, топливной ап-
паратуры, аксиально-поршневых насосов и т. д.
Долгое время на машиностроительных заводах
для этих целей применяли паровой барботаж дета-
лей в моющих растворах и затопленные струи, ко-
торые не всегда обеспечивают необходимую чисто-
ту поверхностей и мало эффективны для удаления
абразивных микрочастиц и тяжелых асфальто-
смолистых отложений. Используются также дру-
гие методы очистки – химическое и электрохими-
ческое обезжиривание, промывка органическими
растворителями под давлением. Однако в совре-
менном машиностроении все большее применение
находят детали и узлы из алюминиевых и магние-
вых сплавов, подвергающихся сильному коррози-
онному разрушению и химическому растрескива-
нию в агрессивных средах. Поэтому химические
методы очистки не соответствуют современным
требованиям технологических процессов. Исполь-
зование на производстве органических раствори-
телей крайне нежелательно и из соображений эко-
логической, пожарной и взрывобезопасности.
Введение акустических волн звуковых и уль-
тразвуковых частот в моющий раствор позволя-
ет ускорить процесс очистки, получить высокую
степень чистоты поверхности [1]. При этих усло-
виях во многих прикладных задачах можно за-
менить опасные органические растворители или
кислоты щелочными растворами либо использо-
вать в качестве моющего раствора дистиллирован-
ную воду или химически нейтральную жидкость
с достаточно высоким порогом кавитации (толу-
ол, трансформаторное масло и др.) [2]. В после-
днем случае жидкости, кроме всего прочего, яв-
ляются диэлектриками, а основную роль в разру-
шении пленок загрязнителей играет механическое
воздействие кавитации на поверхность твердого
30 c© Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков, 2007
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
тела. Поэтому необходимо увеличивать интенсив-
ность упругих волн и находить оптимальные зна-
чения характеристик акустических полей – часто-
ты и интенсивности [3, 4]. Известно, что при чрез-
мерном повышении частоты кавитационный пу-
зырек не достигает конечной стадии захлопыва-
ния, что снижает микроударное действие кавита-
ции [4, 5] и одновременно увеличивается поглоще-
ние энергии акустических волн. Однако сильное
понижение рабочей частоты также нежелательно
из-за существенного увеличения габаритов резо-
нансных излучателей магнитострикционного или
пьезоэлектрического типов.
С одной стороны, превышение интенсивности
упругих волн над некоторым значением приводит
к сильной диффузии во внутреннюю полость ка-
верны газа, растворенного в жидкости. Тогда пу-
зырек вырождается в пульсирующий (без схло-
пывания) [5, 6]. С другой стороны, всегда суще-
ствует предельно возможное значение мощнос-
ти возбуждающего сигнала, подводимого к эле-
ктроакустическому преобразователю. Это связа-
но с магнитным насыщением магнитострикцион-
ного и электрическим насыщением пьезоэлектри-
ческого материала сердечника. Кроме того, чре-
змерное увеличение подводимой к излучателю
мощности может привести к электрическому про-
бою пьезокерамических пластин или размагничи-
ванию из-за нагрева магнитострикционного серде-
чника. Далее, слишком большая амплитуда резо-
нансных колебаний грозит механическим разру-
шением устройства. Поэтому на практике зача-
стую, ограничивая мощность возбуждения актив-
ных элементов излучателей, создают акустиче-
ские поля высокой интенсивности с помощью кон-
центраторов или фокусирующих устройств [5, 7].
Однако применение стержневых концентраторов
уменьшает объем рабочей зоны и, соответствен-
но, увеличивает длительность технологического
процесса. Сферические фокусирующие устройства
сложны в изготовлении и дороги, что приводит к
высокой себестоимости готового продукта.
Известно, что ускорить процесс очистки мож-
но повышением температуры рабочей жидкости
или за счет некоторого избыточного статического
давления в герметичной рабочей емкости [1, 2, 5].
Оптимальное значение температуры находится в
диапазоне от 40 до 50◦C для водных растворов и от
15 до 20◦C – для органических растворителей. Со-
гласно литературным источникам [1,5], создание в
герметичной рабочей емкости избыточного стати-
ческого давления порядка 0.2÷0.4 МПа приводит
к возрастанию в пять-шесть раз эрозии алюми-
ниевых и свинцовых образцов. Это дает возмож-
ность существенно ускорить процессы эмульгиро-
вания, диспергирования, очистки и др. В частнос-
ти, в работе [4] указывается, что эрозия образцов
будет расти до тех пор, пока отношение звуково-
го давления к статическому не составит ∼ 1/4.
При уменьшении этого отношения микроударное
воздействие кавитации снижается. Это связано с
действием двух факторов. С одной стороны, при
избыточном давлении повышается энергия, выде-
ляемая при захлопывании одиночного пузырька,
а с другой – уменьшается концентрация микропу-
зырьков при неизменной интенсивности акустиче-
ского поля. Подводимая к электроакустическому
преобразователю мощность всегда ограничена.
В последнее время для интенсификации те-
хнологических процессов, кроме перечисленных
способов, стали применять акустические волны,
содержащие две и более частот [11, 12]. При этом
действие нескольких акустических полей кратных
(или не кратных) частот в процессах эмульгирова-
ния, диспергирования, очистки оказывается более
эффективным, чем сумма воздействий каждой из
этих частот по отдельности [11]. В основе этого яв-
ления, возможно, лежат два механизма. С одной
стороны, образующиеся в поле упругой волны ми-
кропузырьки могут иметь радиусы, различающи-
еся на два порядка [5,13] и, соответственно, широ-
кий диапазон резонансов. Поэтому использование
волн различных частот способствует захлопыва-
нию большего количества каверн. С другой сторо-
ны, при резонансе на низких частотах больших де-
формируемых каверн происходит отщепление мел-
ких сферических пузырьков, которые, резонируя
на высоких частотах, создают микроударные вол-
ны [14].
Среди перспективных методов можно выде-
лить очистку деталей осесимметричными гидро-
динамическими излучателями акустических волн
(ГДИ) [8 –10], в которых часть кинетической энер-
гии затопленной струи жидкости преобразуется в
энергию акустических колебаний. Неоспоримыми
преимуществами данных излучателей являются
отсутствие магнитного или электрического на-
сыщения рабочего тела, простота эксплуатации,
возможность работы в агрессивных средах, отсут-
ствие источников высокого напряжения и вредных
высокочастотных электромагнитных полей. В дис-
кретном спектре тональных сигналов, генерируе-
мых осесимметричными ГДИ, имеется набор гар-
моник, частоты которых могут отличаться в де-
сятки раз [15,16]. Следовательно, нет необходимо-
сти в использовании нескольких источников звука,
что существенно упрощает аппаратурную часть и
снижает стоимость оборудования. Исходя из это-
Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков 31
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
а
б
Рис. 1. Фотографии работающего
прямоточного гидродинамического излучателя:
а – в сквозном канале;
б – в глухом канале вблизи дна
го, представляется интересным исследовать бли-
жнее поле прямоточного осесимметричного ГДИ,
особенности очистки сквозных и глухих отверстий
и сравнить их с другими методами очистки.
1. НЕЛИНЕЙНОЕ ЗАТУХАНИЕ ЭКСПО-
НЕНЦИАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
В данном исследовании использован ряд прямо-
точных ГДИ с кольцевым соплом и ступенчатым
препятствием [8, 17], имеющих различные геоме-
трические параметры. Проводилась очистка скво-
зных и глухих цилиндрических отверстий от мо-
дельных загрязнителей. На рис. 1, а представле-
на фотография на просвет излучателя, генериру-
ющего акустическое поле в сквозном цилиндриче-
ском канале ограниченного радиуса, а на рис. 1, б –
вблизи дна глухого канала.
Как уже упоминалось, осесимметричными ГДИ
генерируются негармонические короткие импуль-
сы, в спектре которых, кроме основной, имеются
высшие гармоники. Типичные огибающие таких
акустических сигналов релаксационного типа и их
спектры представлены на рис. 2. Зависимость ко-
эффициента поглощения от частоты приводит к
тому, что при распространении негармонических
волн спектральные составляющие импульса зату-
хают неодинаково [17]. При этом видоизменяется
форма импульса, а также меняется соотношение
между энергией импульса и поглощенной энерги-
ей в данной точке [18].
Ранее было показано, что представленные на
рис. 2 отдельные импульсы можно описать сум-
мой двух экспонент [19,20]. Так, для плоских волн
p = p0 exp
[
−β1
(
t − z
c
)]
−
−p0 exp
[
−β2
(
t − z
c
)]
,
(1)
а для сферических –
p =
p0
r
exp
[
−β1
(
t − r
c
)]
−
−p0
r
exp
[
−β2
(
t − r
c
)]
.
(2)
Здесь p0 – амплитуда импульса на границе актив-
ной зоны звукообразования; t – время; z, r – рас-
стояние от границы зоны звукообразования до
точки поля вдоль оси и вдоль радиуса цилиндриче-
ского отверстия соответственно; c – скорость зву-
ка; β1 , β2 – безразмерные коэффициенты, соответ-
ствующие крутизне фронтов импульса.
Анализ осциллограмм показал, что длитель-
ность τ одиночного импульса составляет примерно
T0/4, где период следования определяется часто-
той f0 основного тона – низшей гармоникой спе-
ктра. Исходя из этого, можно подобрать подхо-
дящие значения β1, β2. В работах [19, 20] полу-
чены выражения для нелинейного затухания эк-
споненциальных импульсов в плоской и сфериче-
ски расходящейся волнах. В статье [21] установле-
на корреляция между нелинейным поглощением
коротких экспоненциальных импульсов и эрозией
металлических образцов.
Можно предположить, что в поперечном сече-
нии наблюдается цилиндрическая расходящаяся
32 Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
а
б
Рис. 2. Осциллограммы и соответствующие им спектрограммы акустических сигналов:
а – для противоточного ГДИ в трансформаторном масле;
б – для прямоточного ГДИ с кольцевым соплом
и ступенчатым препятствием в воде
волна, для которой необходимо получить зависи-
мости интенсивности Icyl(r) и уровня pcyl(r) звука
от радиальной координаты r. По аналогии с ра-
ботой [19], представим короткий импульс в цилин-
дрически расходящейся волне суммой двух экспо-
нент:
p =
p0√
r
[
exp
(
−β1
(
t − r
c
)
)
−
− exp
(
−β2
(
t − r
c
))
]
.
(3)
Тогда функция колебательной скорости может
быть найдена из уравнения движения жидко-
сти [22]:
v = − 1
ρc
∂p
∂r
=
=
p0
ρc
√
r
[(
1
r
− β1
c
)
exp
(
−β1
(
t − r
c
))
−
−
(
1
r
− β2
c
)
exp
(
−β2
(
t − r
c
))
]
.
Используем теорему Рэлея о спектральной плот-
ности энергии [23], учтя, что запаздывание по вре-
мени на ∆t=R/c не изменяет спектральной плот-
ности. При квадратичной зависимости коэффици-
ента поглощения в среде от частоты получим сле-
дующее выражение для интенсивности акустиче-
Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков 33
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
ского поля:
I(r) =
∞
∫
0
pvdt =
p2
0(β2 − β1)
2
πρcr2
×
×
∞
∫
0
exp(−α0ω
2r)dω
ω4 + ω2(β1 − β2)2 + β2
1β2
2
,
где ρ – плотность жидкости; α0 =2α/ω2; α – ко-
эффициент затухания звука в жидкости; ω – кру-
говая частота. Разложив подынтегральное выра-
жение на простые дроби, приходим к табличному
интегралу [24] и окончательно имеем
Icyl(r) =
p2
0(β1 − β2)
2ρcr(β2 + β1)β
2
1
×
×[β1Π0(ξ1) − β2Π0(ξ2)],
Π0(ξ) = [1− Φ(ξ)] exp(ξ2),
Φ(ξ) =
2√
π
∞
∫
0
exp(−ξ2)dξ,
ξ1 = β1
√
α0r , ξ2 = β2
√
α0r .
(4)
Здесь функция Π0(ξ) выражается через интеграл
вероятности Φ(ξ). Соответственно, эффективное
значение звукового давления будет
pcyl(r) = p0×
×
√
(β1 − β2)
2r(β2 + β1)β2
1
[β1Π0(ξ1) − β2Π0(ξ2)] .
(5)
Большинство измерительных приборов реги-
стрирует эффективное значение уровня сигнала.
Поэтому необходимо установить соотношение ме-
жду эффективным p и амплитудным p0 значения-
ми давления. Воспользуемся известным соотноше-
нием [25]
p2 =
p2
0
T0
T0
∫
0
[exp(−β1t) − exp(−β2t)]
2dt,
где период следования импульсов определяется че-
рез частоту основного тона сигнала T0 =1/f0. То-
гда
p0 = p
√
√
√
√
√
T0
T0
∫
0
[exp(−β1t) − exp(−β2t)]
2 dt
. (6)
Интеграл в выражении (6) вычисляется элемен-
тарно и конечное выражение здесь не приводится.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВА-
НИЙ
На рис. 3 представлена схема эксперименталь-
ной установки для исследования процесса очистки
сквозных и глухих отверстий. Рабочая емкость 1
заполнена водным раствором Лабомид-101 (кон-
центрация 20 г/л). Через фильтр 2 жидкость по-
ступает на вход регулируемого насоса 3, питающе-
го осесимметричный ГДИ. Температура моющего
раствора контролируется термометром 4, расход
Q – индукционным расходомером, по показани-
ям которого можно вычислить скорость v истече-
ния жидкости из сопла излучателя. С помощью
образцового манометра 6 контролируется избыто-
чное статическое давление, возникающее внутри
цилиндрической гильзы 7 в процессе очистки глу-
хих отверстий. Основными элементами прямото-
чного ГДИ являются кольцевое сопло 8, кольцевая
насадка 9 и ступенчатое цилиндрическое препят-
ствие 11. В схеме установки предусмотрено съем-
ное дно 13, в случае установки которого цилиндри-
ческое отверстие становится глухим [26].
При включении насоса 3 моющий раствор из ем-
кости 1 через фильтр 2 поступает по трубопроводу
к входному штуцеру ГДИ. Вытекающая из кольце-
вого сопла 8 с регулируемой скоростью v струя ра-
здваивается. Часть потока уходит в окружающую
среду, а другая заворачивается в проточку сту-
пенчатого препятствия 11 и формирует неустойчи-
вый пульсирующий тороидальный первичный ка-
витационный вихрь 10. Внутри него образуется зо-
на развитой кавитации. Частотные характеристи-
ки излучателя определяются затопленной струей,
которую можно рассматривать как своеобразную
упругую оболочку [8, 15, 16]. В результате возбуж-
дения струйной оболочки вихрем 10 она совершает
изгибные колебания. В фазе растяжения свободно-
го края струи каверны выносятся потоком наружу
и образуют вторичную тороидальную область 12
развитой кавитации. Здесь происходит синфазный
коллапс паровых и парогазовых пузырьков, в ре-
зультате чего генерируется тональный акустиче-
ский сигнал. Поэтому вторичный вихрь можно
считать зоной гидродинамического звукообразова-
ния.
Очистке подвергалась внутренняя поверхность
стальных гильз 7, диаметр 2r которых изменял-
ся от 18 до 50 мм, а высота внутренней поверх-
ности оставалась неизменной (50 мм). Специаль-
ное координатное устройство позволяло плавно пе-
ремещать ГДИ по оси гильзы с фиксированной
скоростью 2, 5 и 10 мм/с. Время очистки де-
34 Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
талей определялось числом проходов излучателя
по оси гильзы. Следует отметить, что возвратно-
поступательное движение ГДИ при таких малых
скоростях не влияет на его работу и процесс очис-
тки. Экспериментальные исследования и оценка
эффективности очистки внутренних поверхностей
деталей проводились согласно методике, представ-
ленной в работе [27].
Для оценивания эффективности очистки пре-
цизионных деталей с помощью ГДИ нами приме-
нялся метод весового определения остаточного за-
грязнителя [2, 28]. В качестве модельного исполь-
зовался прочный загрязнитель, разработанный в
ГОСНИТИ, моделирующий тяжелые асфальто-
смолистые отложения в двигателях внутреннего
сгорания [2]. Такой выбор обусловлен тем, что
асфальто-смолистые отложения относятся к сло-
жным эксплуатационным загрязнениям с высокой
степенью адгезии.
Состав загрязнителя, моделирующий асфальто-
смолистые отложения, был таким:
• 45.7 % битума нефтяного (ГОСТ 781-78),
• 24.5 % дизельного масла ДС-8 (ГОСТ 8581-
78),
• 11.4 % песка кварцевого ПК-3 (ГОСТ 9077-
82),
• 18.4 % литейного кокса КЛ-3.
Загрязнитель готовился по следующей техноло-
гии [2]. Расплавленный при температуре 150◦C
битум смешивали с дизельным маслом. Кокс и
кварц по отдельности перемешивали и нагре-
вали до 100◦C. Расплавленную смесь битума с
маслом соединяли с подогретой смесью кокс –
песок и тщательно перемешивали в термоста-
те при температуре 150◦C до образования од-
нородной массы. Загрязнитель наносился на по-
догретые до 175÷185◦C образцы. При этом на-
несенное шпателем загрязнение разжижалось и
покрывало поверхность равномерным слоем то-
лщиной 120÷150 мкм. Следовательно, на поверх-
ность детали площадью 1 см2 наносилось при-
мерно 4.5÷5.5 мг модельного загрязнителя. Затем
образцы выдерживались при комнатной темпера-
туре в течение двух часов. Масса пленки загрязни-
теля определялась весовым методом по формуле
m = m1 − m0 ,
где m1 – масса образца с загрязнителем; m0 – мас-
са очищенного образца.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки
Объектами очистки служили внутренние боко-
вые поверхности сквозных и глухих цилиндри-
ческих гильз. Модельные загрязнители наноси-
лись на предварительно отшлифованные нажда-
чной бумагой (N 250) и обезжиренные ацетоном
образцы. Для набора статистики в каждом вре-
менном интервале озвучивания использовались по
семь образцов. Образцы взвешивались до и по-
сле очистки на аналитических весах с точно-
стью δm=0.01 мг. Критерием качественной очис-
тки служил остаток загрязнений на поверхности
детали, не превышающий 0.01 мг/см
2
, что соот-
ветствует высшему, десятому баллу макроочис-
тки [2]. Эффективность очистки деталей оценива-
лась по очищающей способности гидродинамиче-
ского излучателя, которая выражается как вели-
чина, обратная времени очистки, и определяется
по формуле [1]
β =
103
t
. (7)
Здесь t – время очистки, 103 – коэффициент, по-
зволяющий представить результат в форме, удо-
бной для сравнения.
Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков 35
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
r (mm)
0 10 20 30 40 50
p c
yl
(k
P
a)
0
20
40
60
80
100
Рис. 4. Зависимость уровня звука
от радиальной координаты
r (mm)
0 5 10 15 20
I c
yl
(W
/m
2 )
0
0.5
1
1.5
2
2.5
а
r (mm)
0 5 10 15 20
b
(s
-1
)
0
5
10
15
20
б
Рис. 5. Зависимости интенсивности цилиндрической
волны (а) и эффективности очистки поверхности (б)
от радиальной координаты
3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВА-
НИЙ
Статистическая обработка экспериментальных
данных позволила установить, что при исполь-
зовании модельных загрязнителей доверительный
интервал составлял не более 10 % при наде-
жности 0.95, если остаточная масса попадала
в интервал 0.008÷0.012 мг/см
2
. Это достаточно
для объективной оценки эффективности очистки
прецизионных деталей по критерию [2]. В ходе
экспериментов использовался один прямоточный
ГДИ, основные геометрические параметры кото-
рого были следующими: радиус Rc =6.5 мм и ши-
рина h=0.5 мм кольцевого сопла [29]. Посколь-
ку известен радиус вторичного тороидального ви-
хря 12 и внутренний радиус стальных гильз 7 (см.
рис. 3), то можно определить расстояние r от гра-
ницы зоны звукообразования до текущей точки
акустического поля в выражениях (4) и (5).
На первом этапе проводилось исследование ха-
рактеристик акустических полей в цилиндрически
расходящейся волне. Результаты измерений зави-
симости эффективного акустического давления от
радиальной координаты представлены точками на
рис. 4. Там же для сравнения показана теорети-
ческая зависимость pcyl(r) согласно формуле (5).
При этом амплитудные значения давления p0(r)
были рассчитаны по формуле (6), а затем с помо-
щью регрессии получена величина p0 на границе
зоны звукообразования (r=0).
Зависимость интенсивности цилиндрической
волны от расстояния была найдена пересчетом
данных pcyl(r). На рис. 5, а она представлена то-
чками. Там же сплошной линией показана тео-
ретическая зависимость Icyl(r), рассчитанная по
формуле (3). Малая дисперсия эксперименталь-
ных данных относительно расчетной кривой ука-
зывает на то, что выражение вида (3) достаточно
точно моделирует временную функцию акустиче-
ского сигнала, генерируемого осесимметричными
ГДИ внутри цилиндра ограниченного диаметра.
На втором этапе оценивалась эффективность
очистки пристеночной области глухих отверстий в
гильзах. На рис. 5, б представлены результаты эк-
спериментальных исследований величины β(r) от
радиальной координаты. При этом использовался
один ГДИ, у которого наружный радиус торои-
дальной зоны звукообразования составлял при-
мерно 10 мм. Здесь радиальная координата точки
поля – это расстояние от внешней границы это-
го тора до внутренней поверхности гильзы. Излу-
чатель перемещался с фиксированной скоростью
вдоль оси отверстия. Турбулентные течения, на-
36 Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
правления которых показаны на рис. 3 стрелка-
ми, способствуют выносу отделенных частиц за-
грязнителя из зоны очистки. Скорость потока мо-
ющего раствора вблизи стенок отверстия состав-
ляет примерно 10÷20 м/с, в зависимости от диа-
метра гильзы [26].
Таким образом, на внутреннюю стенку гильзы
воздействовало акустическое поле с интенсивно-
стью Icyl(r). Сравнение результатов, представлен-
ных на рис. 5, показывает хорошую корреляцию
зависимостей интенсивности цилиндрической зву-
ковой волны и эффективности очистки от ради-
альной координаты. В частности, крутизна обеих
функций существенно увеличивается на расстоя-
нии r≤5 мм, что соответствует половине радиу-
са тороидальной зоны гидродинамического звуко-
образования.
Интересно провести сравнение эффективности
очистки с помощью осесимметричного ГДИ и ма-
гнитострикционного излучателя, данные по кото-
рому были полученными ранее [10]. Зависимости
массы остаточного загрязнителя (в относительных
единицах) от времени озвучивания плоских сталь-
ных образцов представлены на рис. 6. Эксперимен-
тальные точки – результаты усреднений по семи
образцам. При использовании прямоточного ГДИ
время полной очистки составляет приблизительно
30 с, а магнитострикционного излучателя – 40 с.
Этот результат согласуется с выводами, представ-
ленными в работе [11]. Отметим, что в первом
случае спектр сигнала – полигармонический (см.
рис. 2), а во втором – моногармонический.
ВЫВОДЫ
1. Решена задача о затухании коротких импуль-
сов экспоненциальной формы, генерируемых
в жидкости осесимметричными гидродинами-
ческими излучателями.
2. Проведено экспериментальное исследование
по очистке цилиндрических отверстий с
помощью осесимметричных излучателей от
модельных загрязнителей, имитирующих
асфальто-смолистые отложения. Оцене-
на зона наибольшей эффективности этих
источников звука.
3. Показана корреляция между нелинейным за-
туханием негармонических импульсов и эф-
фективностью очистки.
4. Проведено сравнение результатов использо-
вания в задаче очистки осесимметричных и
магнитострикционных излучателей. Показано
t (s)
0 10 20 30 40
D
m
/m
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1 2
Рис. 6. Зависимость остаточного
загрязнителя от времени озвучивания:
1 – осесимметричным ГДИ;
2 – магнитострикционным излучателем
преимущество коротких импульсов, в спектре
которых имеется ряд гармоник, по сравнению
с моногармоническим сигналом.
1. Ультразвуковая технология / Под ред.
Б. А. Аграната.– М.: Металлургия, 1974.– 503 с.
2. Тельнов А. Ф., Козлов Ю. С., Кузнецов О. К. Мо-
ющие средства, их использование в машинострое-
нии и регенерация.– М.: Машиностроение, 1993.–
208 с.
3. Агранат Б. А. Очистка ультразвуковая // Ультра-
звук: маленькая энциклопедия / Под ред. И. П.
Голяминой.– М.: Сов. энцикл, 1979.– С. 400.
4. Costes S., Tierce P. Characterization of efficiency
of ultrasonic equipment. Experimental results of di-
fferent kinds of transducers // Proc. Third Meet.
Appl. Power Ultrasound in Phys. Chem. Proces.–
Paris, 2001.– P. 137–142.
5. Сиротюк М. Г. Экспериментальные исследования
ультразвуковой кавитации // Мощные ультразву-
ковые поля / Под ред. Л. Д. Розенберга.– М.: На-
ука, 1968.– С. 167–220.
6. Matsumoto Y. Micro bubble and bubble cluster
dynamics in ultrasound field // 16-th Int. Sympos.
Nonlin. Acoust.– Moscow, Aug. 19–23, 2002.– P. 963–
970.
7. Каневский И. Н. Концентратор ультразвуковой //
Ультразвук: маленькая энциклопедия / Под ред.
И. П. Голяминой.– М.: Сов. энцикл, 1979.– С. 169–
172.
8. Дудзинский Ю. М. Динамика затопленной осе-
симметричной кольцевой струи // Доп. НАН
України.– 2006.– N 1.– С. 46–51.
9. Дудзiнський Ю. М. Змушенi осесиметричнi ко-
ливання цилiндричної оболонки в потоцi суцiль-
ного середовища // Машинознавство.– 2006.–
N 4(106).– С. 26–29.
10. Дудзинский Ю. М., Сухарьков А. О., Сухарь-
ков О. В. Очистка прецизионных деталей машин
в мощных акустических полях // Прогрессивные
Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков 37
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2007. Том 10, N 1. С. 30 – 38
технологии и системы машиностроения.– Донецк:
Дон. НТУ, 2003.– С. 123–127.
11. Dezhkunov N. V., Francescutto A., Ciuti P.
Enhancement of the conversion and concentration
of energy in a multibubble cavitation zone // 16-th
Int. Sympos. Nonlin. Acoust.– Moscow, Aug. 19–23,
2002.– P. 919–926.
12. Maksimov A. O., Leighton T. G., Sosedko E. V.
Nonlinear Transient Bubble Oscillations // 16-th
Int. Sympos. Nonlin. Acoust.– Moscow, Aug. 19–23,
2002.– P. 987–990.
13. Mettin R., Luther S., Ohl C.-D., Lauterborn W.
Acoustic Cavitation Structures and Simulations by
a Particle Model // Ultrason. Sonochem.– 1999.– 6.–
P. 25–29.
14. Voronin D. V., Sankin G. N., Teslenko V. S.,
Mettin R., Lauterborn W. Bimodal bubble cluster
as a result of bubble fragmentation in a bipolar
acoustic pulse // 16-th Int. Sympos. Nonlin. Acoust.–
Moscow, Aug. 19–23, 2002.– P. 931–934.
15. Дудзiнський Ю. М. Динамiка струминної оболон-
ки i спектр акустичного сигналу // Вiсн. Київ. ун-
ту. Сер.фiз.-мат. науки.– 2006.– N 4.– С. 89–97.
16. Дудзiнський Ю. М., Сухарьков О. В. Спектр зву-
ку, генерованого зануреною осесиметричною стру-
минною оболонкою // Мат. методи фiз.-мех. поля.–
2007.– N 1.– С. 198–202.
17. Зарембо Л. К., Красильников В. А. Введение в не-
линейную акустику.– М.: Наука, 1966.– 520 с.
18. Наугольных К. А. Поглощение волн конечной ам-
плитуды // Мощные ультразвуковые поля / Под
ред. Л. Д. Розенберга.– М.: Наука, 1968.– С. 7–50.
19. Дудзинский Ю. М. Ближнее поле осесимметри-
чного гидродинамического излучателя // Акуст.
вiсн.– 2004.– 7, N 4.– С. 48–51.
20. Дудзинский Ю. М. О нелинейном затухании экспо-
ненциальных упругих импульсов // Акуст. вiсн.–
2005.– 8, N 1-2.– С. 51–53.
21. Дудзинский Ю. М. Кавитационная эрозия в бли-
жнем поле осесимметричного гидродинамического
излучателя // Акуст. вiсн.– 2005.– 8, N 4.– С. 46–
50.
22. Скучик Е. Основы акустики. Том 1.– М.: Мир,
1976.– С. 402–403.
23. Харкевич А. А. Спектры и анализ.– М.: Физмат-
гиз, 1962.– 23 с.
24. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегра-
лов, сумм, рядов и произведений.– М.: Физматгиз,
1963.– 326–352 с.
25. Клюкин И. И., Колесников А. Е. Акустические
измерения в судостроении.– Л.: Судостроение,
1982.– 255 с.
26. Максимов В. Г., Сухарьков О. В., Сухарь-
ков А. О. Технологические возможности гидроди-
намических излучателей в процессе очистки вну-
тренних поверхностей деталей автомобилей // Тр.
Одес. политехн. ун-та.– 2003.– 19.– С. 59–65.
27. Максимов В. Г., Сухарьков О. В., Сухарьков А. О.
Очистка деталей автомобилей с использованием
гидродинамических излучателей // Тр. Одес. по-
литехн. ун-та.– 2002.– 17.– С. 65–68.
28. Агранат Б. А., Гутнова Л. Б., Лямшев Л. М. О
методах оценки эффективности установок ультра-
звуковой очистки // Акуст. ж.– 1972.– 18, N 3.–
С. 337–342.
29. Сухарьков О. В. Акустические характеристи-
ки осесимметричных прямоточных гидродинами-
ческих излучателей // Наук. працi ОНАЗ iм.
О. С. Попова.– 2005.– N 2.– С. 60–65.
38 Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1032 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-7507 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:43:02Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут гідромеханіки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дудзинский, Ю.М. Сухарьков, О.В. 2008-07-15T08:59:56Z 2008-07-15T08:59:56Z 2007 Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов / Ю. М. Дудзинский, О. В. Сухарьков // Акуст. вісн. — 2007. — Т. 10, N 1. — С. 30-38. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1032 621.7.022.6:621.81 Работа посвящена проблеме очистки деталей машин от эксплуатационных асфальто-смолистых загрязнений. Используются прямоточные гидродинамические излучатели коротких экспоненциальных импульсов, в спектре которых имеется ряд гармоник. Исследовано ближнее поле этих источников звука. Получены пространственные зависимости нелинейного затухания уровня и интенсивности акустических импульсов. Представлены результаты экспериментальных исследований по очистке сквозных и глухих цилиндрических отверстий от модельных загрязнителей с помощью гидродинамических излучателей. Установлена корреляция между удельной поглощенной мощностью и эффективностью очистки. Проведено сравнение технологий очистки при использовании осесимметричных гидродинамических и магнитострикционных преобразователей. Роботу присвячено проблемі очищення деталей машин від експлуатаційних асфальто-смолистих забруднень. Використовуються прямотечійні гідродинамічні випромінювачі коротких експоненційних імпульсів, спектр яких містить ряд гармонік. Досліджено ближнє поле цих джерел звуку. Отримані просторові залежності нелінійного загасання рівня й інтенсивності акустичних імпульсів. Представлені результати експериментальних досліджень з очищення наскрізних і глухих циліндричних отворів від модельних забруднювачів за допомогою гідродинамічних випромінювачів. Установлено кореляцію між питомою поглиненою потужністю й ефективністю очищення. Проведено порівняння технологій очищення при використанні осесиметричних гідродинамічних і магнітострикційних перетворювачів. The study is devoted to the problem of clearing the machine parts from the consumption asphalt-resin pollutants. The direct-flow hydrodynamic radiators of short exponential pulses, with spectra containing a series of harmonics, were used. The near fields of such sound sources have been investigated. The dependences for the nonlinear damping of the level and intensity of the acoustic pulses were obtained. The results of experimental researches on clearing the through and blind cylindrical apertures from the model pollutants using hydrodynamic radiators have been carried out. The correlation between the specific absorbed power and clearing efficiency has been shown. Clearing technologies with the use of axisymmetric hydrodynamic and magnetostrictive transducers were compared. ru Інститут гідромеханіки НАН України Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов Clearing of cylindrical apertures in the field of short acoustic pulses Article published earlier |
| spellingShingle | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов Дудзинский, Ю.М. Сухарьков, О.В. |
| title | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов |
| title_alt | Clearing of cylindrical apertures in the field of short acoustic pulses |
| title_full | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов |
| title_fullStr | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов |
| title_full_unstemmed | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов |
| title_short | Очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов |
| title_sort | очистка цилиндрических отверстий в поле коротких акустических импульсов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1032 |
| work_keys_str_mv | AT dudzinskiiûm očistkacilindričeskihotverstiivpolekorotkihakustičeskihimpulʹsov AT suharʹkovov očistkacilindričeskihotverstiivpolekorotkihakustičeskihimpulʹsov AT dudzinskiiûm clearingofcylindricalaperturesinthefieldofshortacousticpulses AT suharʹkovov clearingofcylindricalaperturesinthefieldofshortacousticpulses |