На правах рукописи

ЛЕБЕДИНСКИЙ Константин Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИОННОЙ

ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

ОТ МАСЛЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КУРНОСОВ Николай Ефимович

Официальные оппоненты: СПИЦЫН Иван Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», проректор по учебной работе;

СИМАНИН Николай Алексеевич, кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия», профессор кафедры «Технология общего и роботизированного производства»

Ведущая организация: ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко»

Защита диссертации состоится _ декабря 2012 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, д. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан _ ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Муйземнек Александр Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Обеспечение конкурентоспособности машиностроительной продукции невозможно без улучшения ее потребительских свойств и рационального удешевления производства. Для повышения показателей качества на промышленных предприятиях наиболее перспективно применение прогрессивных методов обработки и придание поверхности изделий защитных, декоративных и специальных свойств с помощью различного рода покрытий. Снижение ресурсопотребления при этом может быть достигнуто только использованием энергосберегающих режимов на каждой технологической операции.

В технологическом процессе производства многих изделий значительный удельный вес занимает нанесение покрытий, перед которым обязательно проведение очистки и травления поверхностей деталей. Особенность операции очистки заключается в повышенных требованиях к ее качеству, так как подготовка поверхностей является определяющим фактором для достижения качества покрытия. Невыполнение требований по чистоте поверхности и несоблюдение технологических режимов очистки нередко приводит к появлению дефектов покрытия и выбраковке изделий.

Велика роль качественной очистки при проведении контрольных операций, сборки, а также при выполнении ремонтных работ. Операции очистки и подготовки поверхностей деталей в машиностроении достигает 10 % трудоемкости изготовления или ремонта изделий.

Для повышения производительности очистки наиболее перспективным направлением является использование гидродинамической кавитации, позволяющей достигнуть высокого качества поверхностей деталей за счет комплексного воздействия технологической среды при существенном сокращении продолжительности операции и снижении ресурсозатрат. Однако широкое применение данной технологии в очистке сдерживается разрозненностью данных по влиянию параметров технологической среды на процесс удаления с поверхностей деталей загрязнений жидкостного характера и рекомендаций по выбору рациональных параметров процесса и назначению технологических режимов. Недостаточно исследована энергоэффективность гидродинамической кавитационной очистки с учетом особенностей обеспечения зоны кавитации и области ее воздействия. Имеются противоречивые сведения по способам и методам повышения эффективности гидродинамической кавитационной очистки и интенсификации процесса для увеличения производительности, снижения ресурсопотребления и трудозатрат, а также возможностей их применения во вновь создаваемом и существующем технологическом оборудовании для очистки. Отсутствуют работы, посвященные исследованиям, направленным на повышение эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки аэрированием технологической среды.

Поэтому проведение исследований и дальнейшее совершенствование технологии гидродинамической кавитационной очистки для повышения ее эффективности является актуальной задачей.

Цель работы заключается в повышении эффективности гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений путем локального аэрирования технологической среды в зоне кавитации.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

– установить физические взаимосвязи в процессе гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей от загрязнений жидкостного характера;

– обосновать повышение эффективности гидродинамической кавитационной очистки при локальном аэрировании технологической среды в зоне кавитации;

– разработать кавитационное устройство для локального аэрирования жидкости для технологического обеспечения процесса и использования в оборудовании для очистки;

– провести экспериментальные исследования очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений при использовании гидродинамической кавитации с локальным аэрированием технологической среды;

– разработать методику и алгоритм назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием для выбора рациональных параметров процесса при сокращении затрат на выполнение операции;

– выполнить технико-экономическое обоснование совершенствования технологии гидродинамической кавитационной очистки деталей при модернизации существующего оборудования;

– внедрить результаты исследования на производственных предприятиях.

Объект исследования – технологическая операция очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений с использованием гидродинамической кавитации.

Предмет исследования – взаимосвязи технологических режимов и параметров технологической среды при выполнении операции гидродинамической кавитационной очистки деталей от масляных загрязнений для достижения стабильного качества очистки и снижения производственных затрат.

Методы исследования. Задачи диссертационной работы решены на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием научных положений технологии машиностроения, материаловедения, коллоидной химии, гидродинамики, теплотехники, теоретической физики, теории математического моделирования и планирования эксперимента, компьютерного моделирования методом конечных элементов в SolidWorks и Ansys, использования стандартного и оригинального лабораторного оборудования с аттестованной контрольно-измерительной аппаратурой и современных средств тепловизионного анализа, обработки результатов методами математической статистики с использованием пакетов программ Microsoft Office, Mathcad, Photoshop.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается описанием физических закономерностей с математическими доказательствами, компьютерным моделированием, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, практической реализацией на промышленных предприятиях.

Научная новизна:

– установлены взаимосвязи в процессе очистки поверхностей деталей от загрязнений жидкостного характера и предложена аналитическая зависимость для определения основного времени операции гидродинамической кавитационной очистки, учитывающая физико-химические параметры технологической среды;

– обосновано повышение эффективности гидродинамической кавитационной очистки за счет локального аэрирования технологической среды в зоне кавитации;

– получены эмпирические полиномиальные модели, отражающие влияние параметров технологической среды (температуры, концентрации щелочного раствора NaOH, степени аэрирования) на продолжительность операции гидродинамической кавитационной очистки с локальным аэрированием.

Практическая значимость работы:

– определены параметры локального аэрирования технологической среды для гидродинамической кавитационной очистки;

– создано вихревое гидродинамическое кавитационное устройство для локального аэрирования технологической среды в процессе очистки поверхностей деталей от загрязнений;

– разработаны методика и алгоритм назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием, позволяющие осуществлять выбор рациональных параметров процесса и сократить затраты на выполнение операции.

На защиту выносятся:

– результаты теоретического исследования взаимосвязей в процессе гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей от загрязнений жидкостного характера и аналитическая зависимость для определения основного времени операции, учитывающая физико-химические параметры технологической среды;

– обоснование повышения эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки путем локального аэрирования технологической среды в зоне кавитации;

– результаты экспериментальных исследований очистки деталей, представленные в виде полиномиальных моделей, характеризующие влияние параметров технологической среды (температуры, концентрации щелочного раствора NaOH, степени аэрирования) на продолжительность операции гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием;

– методика и алгоритм назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки, обеспечивающие выбор рациональных параметров процесса при сокращении затрат на выполнение операции.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ОАО «Пензадизельмаш» (г. Пенза), ООО «Кузнецкий завод конденсаторов» (г. Кузнецк Пензенской области), переданы материалы исследований на ООО «Завод Коммаш» с целью использования при разработке устройств для очистки изделий по заказу «ГОСНИТИ».

Материалы диссертации использовались при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по темам «Вихревые процессы и технологии», «Совершенствование процессов разработки, изготовления и эксплуатации транспортно-технологических машин и оборудования»

и фундаментальных НИР по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследование процессов тепло- и массопереноса в гетерогенных жидкостно-газовых вихревых потоках», регистрационный номер НИР (по темплану) 1.8.09, номер государственной регистрации НИР 01200952054, и государственного задания, регистрационный номер 7.569.2011.

Апробация работы. Основные положения исследования докладывались на международных, всероссийских и региональных научнопрактических конференциях: «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2007), «IX Королевские чтения»

(Самара, 2007), «Теоретические знания в практические дела» (Омск, 2008), «XVI Туполевские чтения» (Казань, 2008), «Инновационный путь развития экономики России: власть, регионы, наука, бизнес» (Кемерово, 2009), «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств» (Пенза, 2010–2012), «Экологические проблемы современности»

(Пенза, 2011), «Интерстроймех–2011» (Могилев, Беларусь, 2011), «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны и экономики» (Пенза, 2011), «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (Пенза, 2011); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2007–2012).

Технические результаты работы в виде исследуемой технологии и устройств экспонировались на выставках: I Областной выставке научнотехнического творчества молодежи «Прогресс» (Пенза, 2007), VI–VIII всероссийских выставках научно-технического творчества молодежи «НТТМ» (Москва, 2006–2008), VIII Межрегиональной специализированная выставке «Автомир» (Пенза, 2008), выставке инновационных технологий в машиностроительном комплексе «ИТМК» (Пенза, 2011), XV Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед–2012» (Москва, 2012). Представленные экспонаты отмечены одной золотой медалью, четырьмя почетными дипломами, четырьмя свидетельствами, получено благодарственное письмо губернатора Пензенской области за научную и практическую значимость представленных работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 статей без соавторства, получен патент РФ на полезную модель («Кавитирующее устройство»).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 122 наименования, приложения. Работа изложена на 141 странице основного текста, включает 51 рисунок и 21 таблицу. Общий объем диссертации составляет 175 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы, приведены общая характеристика работы, цель, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен анализ состояния вопроса на основе аналитического обзора научно-технических источников информации и патентно-информационного поиска. Показана важность операции очистки поверхностей деталей в технологических процессах изготовления изделий машиностроения.

Обзор типовых технологических процессов производства машиностроительной продукции с ряда промышленных предприятий позволил выявить, что технологический процесс изготовления изделий включает проведение обязательной операции очистки поверхностей деталей от производственных загрязнений (масляных эмульсий смазочно-охлаждающих технологических средств) перед нанесением покрытий, сборкой, проведением контрольных операций и т.д.

Отмечено, что данная операция имеет специфику, например перед нанесением покрытий, заключающуюся в строгом соблюдении технологических режимов обработки, и повышенные требования к качеству очистки поверхности. При отклонении от технологических режимов из-за неточности назначения режимов и проведения операции очистки происходит недоочистка или перетравливание поверхности детали, что приводит к появлению дефектов покрытия, влияющих на эксплуатационные свойства изделия.

Показано, что основополагающим технологическим параметром операции очистки, особенно при обработке в концентрированных растворах кислот и щелочей, является основное время. Существующие методики расчета продолжительности очистки зачастую очень сложны и не в полной мере отражают действительную картину процесса при влиянии сопутствующих факторов физико-химического действия технологической среды.

Выполнен обзор работ, посвященных проблемам очистки изделий с применением химических веществ таких исследователей, как Ю. С. Козлов, Э. П. Лисовская, С. Спринг, Н. С. Смирнов, Е. Б. Крутоус, Б. Г. Бедрик, С. Н. Завьялов, Г. Штюпель, Н. Шенфельд, Дж. Берч, П. А. Ребиндер и других ученых, который показал, что остаются нерешенными вопросы, связанные с назначением рациональных технологических режимов для достижения стабильного качества поверхности при осуществлении процесса очистки.

Определено, что для обеспечения процесса очистки преимущественно применяется совместное действие кавитации и перемешивания раствора использованием гидродинамической кавитации с аэрированием сжатым воздухом. Однако в практике это делается только для интенсивного перемешивания и активации технологической среды, при этом факторы интенсификации аэрированием зачастую не учитываются, а процесс осуществляется несогласованно с гидродинамической кавитацией.

Отмечен существенный вклад в развитие теории и практики использования кавитационых явлений ученых М. А. Промтова, И. М. Федоткина, Р. Кнеппа, И. Пирсола, В. В. Рождественского, F. R. Young, J. P. Franc, В. В. Пилипенко, Р. Коула, C. E. Brennen, A. W. Adamson, Г. Биркгофа, Л. Д. Розенберга, И. Меттера и других. Однако большинство исследований направлено на изучение процесса кавитации. В ряде работ отмечается ее применение в различных технологических процессах, в том числе для очистки изделий, но данные по большей части разрозненны и недостаточно полно отражают физические взаимосвязи в процессе гидродинамической кавитационной очистки. Установлено, что существующие способы повышения эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки с помощью воздушного аэрирования позволяют увеличить производительность процесса, но при этом являются достаточно затратными, так как требуется использование нагнетательного оборудования.

Показана актуальность проведения дальнейших исследований в области гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей за счет аэрирования технологической среды. Сформулированы задачи и принята программа исследования.

Вторая глава посвящена исследованию взаимосвязей технологического процесса гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей от загрязнений жидкостного характера с параметрами технологической среды.

Выявлено, что основным технологическим параметром, определяющим рациональную и качественную очистку поверхностей деталей, загрязненных жидкостями и имеющих стабильную величину загрязненности, является продолжительность выполнения операции, т.е. ее основное время.

Для расчета продолжительности гидродинамической кавитационной очистки устанавливалась сила сцепления загрязнения с поверхностью очищаемой детали и необходимая мощность кавитационного воздействия для ее удаления. Как известно, сцепление загрязнения с поверхностью твердого тела определяется адгезией. В свою очередь адгезия загрязнения жидкостного характера зависит от ее поверхностного натяжения и смачиваемости поверхности детали, которая для большинства материалов известна или поддается экспериментальному определению.

Взяв за основу теорию адгезионного взаимодействия и привнеся в нее дополнения с использованием уравнения Б. А. Шишковского, увязывающего зависимость поверхностного натяжения от концентрации химических веществ и эмпирическую зависимость от температуры, получено уточненное выражение для определения работы адгезии Aa, Дж, загрязнения жидкостного характера на поверхности детали, учитывающее физикохимические свойства моющего раствора при очистке погружением где 0 – поверхностное натяжение жидкости без химических веществ при 1 °С, Н/м; d – коэффициент, характеризующий зависимость поверхностного натяжения жидкости от действия химического вещества (для NaOH d 0,2 ), Н/м; c – концентрация раствора, %; b – эмпирический коэффициент химического вещества (таблица 1); – изменение поверхностного натяжения жидкости при изменении температуры, Н/м·°С;

T – температура жидкости, °С; – краевой угол смачивания твердой поверхности, град.; S – площадь поверхности загрязнения, м2.

Эмпирический коэффициент химического вещества b для водного раствора NaOH в работе найден экспериментально с использованием капиллярного метода определения поверхностного натяжения жидкости.

Известно, что на практике очистку проводят за счет гидродинамической кавитации, а температура и химические составы являются средством для повышения производительности выполнения операции.

Таблица 1 – Значения коэффициента b (для концентрации NaOH) в температурном диапазоне 20–90 °С Концентрация 0,2 2,039 2,542 3,156 3,933 4,388 6,105 7,103 7, 0,4 3,451 3,823 4,387 5,077 5,778 6,728 8,480 9, 0,6 4,886 5,176 5,624 6,213 6,780 7,507 9,018 10, 0,8 6,301 6,475 6,829 7,202 7,743 8,527 9,288 11, 1,0 7,710 7,852 7,998 8,447 8,831 9,276 10,405 12, Гидродинамическая кавитационная очистка осуществляется в основном в водных растворах химических веществ. Так как моющий агент – это водный раствор, имеются ограничения по его температуре. В данном случае технологическая среда, не изменяя своего агрегатного состояния и свойств, имеет довольно узкий диапазон и находится в пределах температур от 1 до 99 °С, однако на практике при очистке используется еще более узкая область (от 20 до 90 °С), поэтому для дальнейших исследований взят именно данный диапазон температур.

Используя теорию кавитационного разрушения загрязнений за счет местных ударов кумулятивных струй жидкости и введя в выражение эмпирическую зависимость изменения плотности жидкости от температуры, которую можно практически считать линейной, получено выражение для расчета давления Pкум, Па, развиваемого при схлопывании пузырька на загрязнении где g – ускорение свободного падения, м/с2; h – глубина погружения очищаемого изделия, м; T – плотность жидкости при температуре, кг/м3;

– модуль сжатия жидкости (относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления), Н/м2 (для воды 2,2 109 Н/м2).

Известно, что область воздействия единичного пузырька намного меньше площади загрязнения и для полного ее удаления необходимо приложение многократных схлопываний на всей поверхности. В работе предложено считать основной характеристикой гидродинамической кавитации для очистки поверхности ее мощность, определяющуюся площадью загрязнения, количеством и размером воздействующих пузырьков.

Для уточнения зависимости в выражении были дополнительно учтены параметры гидродинамической кавитационной установки, ее производительность и свойства жидкости, в результате получено следующее выражение для N, Вт где Pкум – давление, развиваемое при схлопывании пузырька на загрязнении, Па; M – количество воздействующих кавитационных пузырьков (количество пузырьков, находящихся вблизи поверхности загрязнения); Qуст – производительность гидродинамической кавитационной установки, м3/с;

z – эмпирический коэффициент, учитывающий свойства жидкости (таблица 2); Rср – средний радиус кавитационного пузырька, м; L – расстояние от источника кавитационных пузырьков до очищаемой поверхности, м;

S – площадь поверхности загрязнения, м2.

Коэффициент z рассчитывался, исходя из найденных экспериментально данных по содержанию основных газов в воде.

Таблица 2 – Значение коэффициента z в температурном диапазоне 20–90 °С Количество воздействующих кавитационных пузырьков M (количество пузырьков, находящихся вблизи поверхности загрязнения) определялось с учетом объема моющего раствора с кавитационными пузырьками, размеров детали и пузырька Rср – объем пузырька, м3; Vдет – объем, занимаемый детагде Vпуз лью, м ; Vмрп – объем моющего раствора с кавитационными пузырьками, м3.

Из работ И. М. Федоткина известно, что средний радиус кавитационного пузырька при гидродинамическом способе получения кавитации составляет Rср 20 10 6, м.

Объем моющего раствора с кавитационными пузырьками Vмрп, м3, занимает часть объема моющего раствора и зависит от параметров гидродинамической установки где Lmax – максимальное расстояние, на которое может переместиться кавитационный пузырек за время существования, м; Rмв – радиус моечной ванны (для цилиндрической емкости) или радиус вписанной окружности (для других конфигураций ванн), м; rв – радиус выходного патрубка гидродинамического кавитационного устройства, м.

Максимальное расстояние, на которое может переместиться кавитационный пузырек в потоке Lmax, м, при учете введенных изменений плотности жидкости от температуры, определяется следующим образом где кп – скорость кавитационного пузырька, м/с; жп – время существования единичного пузырька, с; Pпот – давление потока жидкости на выходе из гидродинамического кавитационного устройства, Па; кп 500 – эмпирический коэффициент времени существования кавитационного пузырька.

Окончательное выражение для M можно представить в виде По результатам проведенного теоретического исследования выведена аналитическая зависимость для определения основного времени гидродинамической кавитационной очистки поверхности детали tо, с, от загрязнения жидкостного характера в водных растворах с учетом физикохимических параметров технологической среды В качестве примера в работе приведен расчет продолжительности (основного времени) гидродинамической кавитационной очистки в водном растворе NaOH поверхности сложнопрофильной детали из алюминия марки АМг6 (краевой угол смачивания 60 град.) с площадью загрязнения 0,001256 м3, загрязненной эмульсией минерального масла с поверхностным натяжением 30·10–3 Н/м (при 20 °С), очищаемой в водном растворе NaOH. Глубина погружения 0,3 м, производительность гидродинамической кавитационной установки 0,001 м3/с, моечная ванна цилиндрическая (радиусом 0,19 м), выходной патрубок кавитационного устройства радиусом 0,005 м, напор на выходе из кавитационного устройства 2·10 5 Н/м2.

В таблице 3 приведены полученные расчетные значения.

Таблица 3 – Расчетные значения продолжительности гидродинамической кавитационной очистки Концентрация при температуре раствора, °С NaOH, % Проверка адекватности выведенной математической зависимости осуществлена путем сравнения данных с результатами предварительных экспериментальных исследований на разработанной гидродинамической кавитационной установке.

Таким образом, появляется возможность определять основные параметры процесса гидродинамической кавитационной очистки деталей от масляных загрязнений и назначать технологические режимы выполнения операции для обеспечения качественной подготовки поверхности.

Третья глава посвящена обоснованию и доказательству повышения эффективности очистки поверхностей деталей при комплексном воздействии гидродинамической кавитации и локальном аэрировании технологической среды в зоне кавитации.

С использованием компьютерного моделирования проведено исследование условий возникновения гидродинамической кавитации.

Выполнено экспериментальное исследование процесса гидродинамической кавитации.

На основе результатов проведенных исследований предложено использовать перепад давлений в потоке жидкости не только для кавитации, но и для эжектирования атмосферного воздуха (локального аэрирования технологической среды), т.е. найдена возможность повышения эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки, заключающаяся в его интенсификации за счет одновременного воздействия кавитации, перемешивания и аэрирования без дополнительных энергетических затрат.

Определено, что не все гидродинамические кавитационные устройства позволяют проводить локальное аэрирование жидкости из-за своих конструктивных особенностей.

На основе анализа научно-технической и патентной информации и данных проведенных исследований спроектировано гидродинамическое кавитационное устройство для локального аэрирования жидкости (рисунок 1). Отработано ее конструктивное исполнение с использованием компьютерного моделирования и экспериментального исследования для технологического обеспечения процесса и использования в оборудовании для очистки.

Рисунок 1 – Вихревое гидродинамическое кавитационное устройство для локального аэрирования жидкости (ВК-10):

гидродинамического кавитационного устройства Проведены экспериментальные исследования устройства, получены зависимости эжекционной способности от ее конструктивных параметров и эксплуатационных характеристик.

Экспериментально доказано, что степень аэрирования, т.е. отношение объема добавляемого воздуха к объему жидкости должно составлять 1:3,5, так как в этом случае обеспечивается стабильный поток жидкости с максимальным количеством четко выраженных воздушных пузырьков (рисунок 2). Установлено, что средний размер пузырька (рисунок 3) и газосодержание при гидродинамической кавитации с локальным аэрированием увеличиваются.

Рисунок 2 – Пузырьки в воде Рисунок 3 – Фотография пузырьков при гидродинамической кавитации при гидродинамической кавитации Проведенный расчет по выражению (7) и сопоставление полученных результатов с данными таблицы 3 показали, что при локальном аэрировании технологической среды основное время операции гидродинамической кавитационной очистки сокращается до 1,5 раз (рисунок 4).

Рисунок 4 – Сравнительный график расчетных значений продолжительности очистки (при температуре от 20 до 90 °С) Таким образом, доказано, что за счет локального аэрирования технологической среды без дополнительных энергетических затрат можно существенно повысить производительность операции гидродинамической кавитационной очистки.

В четвертой главе приведены методика и результаты экспериментального исследования очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений при использовании гидродинамической кавитации с локальным аэрированием технологической среды.

Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде (рисунок 5) с насосным агрегатом ЦНС 4/100 К5 производительностью 3,6 м3/ч, моечной ванной объемом 40 л и вихревым гидродинамическим кавитационным устройством для локального аэрирования жидкости.

На основе планирования эксперимента с использованием методики рототабельного центрального композиционного униформ-планирования проведено исследование процесса очистки поверхностей образцов из: стали (Сталь45), алюминия (АМг6), бронзы (БрО5Ц6С5), фторопласта (Ф4), эбонита (марка Б), – путем определения его продолжительности.

Рисунок 5 – Стенд для исследования гидродинамической кавитационной очистки: 1 – насосный агрегат; 2 – моечная ванна;

3 – вихревое гидродинамическое кавитационное устройство Для контроля качества поверхности после очистки использовался люминисцентный метод. Критерий качества очистки – полное удаление загрязнения с образца без дефектов, вызванных перетравливанием поверхности концентрированным щелочным раствором.

На основе проведенного качественного анализа и результатов предварительных экспериментальных исследований при построении математической модели в качестве основных факторов, влияющих на продолжительность гидродинамической кавитационной очистки to, приняты: X1 – температура раствора, °С (T ); X2 – концентрация NaOH, % ( c ); X3 – степень аэрирования ( q ).

Степень аэрирования определялась как отношение объема эжектируемого воздуха Vв к объему жидкости, проходящей через гидродинамическое кавитационное устройство, Vж.

После обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ и перехода от кодовых обозначений к натуральным получена математическая модель, характеризующая влияние температуры, концентрации раствора NaOH и аэрирования на продолжительность гидродинамической кавитационной очистки to, с, образца, находящегося в зоне стабильной кавитации tо м (1644,94 19,66T 1513,36c 5878,48q 0,13T При этом коэффициент м учитывает материал образца и составляет для стали м 1, алюминия м 1,05, бронзы м 0,98, фторопласта м 1,25 и эбонита м 0,88.

Экспериментально установлено, что повышение температуры технологической среды обеспечивает сокращение продолжительности очистки, а динамика процесса для образцов из рассмотренных материалов имеет стабильную закономерность и зависит от материала образца.

Определено, что увеличение концентрации NaOH приводит к снижению основного времени очистки, а повышение концентрации раствора свыше 1 % (10 г/л) нецелесообразно из-за того, что продолжительность очистки существенно не сокращается, а задача обеспечения качества очистки без перетравливания поверхности становится затруднительной.

Получено, что при гидродинамической кавитационной очистке с локальным аэрированием достигается сокращение затрат основного времени на выполнение операции при увеличении количества подаваемого воздуха.

Однако качество очистки не достигается при увеличении степени аэрирования более 0,286.

Проведена проверка модели (8) по критерию Фишера, расчетное значение критерия оказалось меньше табличного при 95 % уровне значимости. Следовательно, полученная математическая модель адекватно отражает реальные закономерности процесса.

Экспериментально установлено, что для качественной подготовки поверхности при выполнении операции гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием деталей из рассмотренных марок стали, алюминия, бронзы, фторопласта и эбонита в щелочном растворе NaOH от масляных загрязнений рекомендуется выбирать следующие диапазоны технологических режимов: продолжительность очистки tо 2,5...1 мин, концентрация NaOH 0,2–0,4 %, температура раствора 40–60 °С при степени аэрирования 0,286.

Пример продолжительности очистки для образца из стали (Сталь45) в данных диапазонах (при нахождении в пределах зоны стабильной кавитации) представлен в таблице 4.

Таблица 4 – Продолжительность гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием образца из стали (Сталь45) Температура раствора, при концентрации NaOH, % В пятой главе описаны методика и алгоритм назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием для выбора рациональных параметров процесса при сокращении затрат на выполнение операции. Представлен анализ технико-экономической эффективности совершенствования технологии гидродинамической кавитационной очистки деталей при модернизации существующего оборудования на примере промышленного предприятия.

Разработана методика назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием, позволяющая подбирать рациональные параметры процесса и заключающаяся в следующем:

– рассчитывается продолжительность гидродинамической кавитационной очистки по выражению (7) или для материалов из рассмотренных в настоящей работе по модели (8);

– определяются затраты на операцию Qsзатр, руб., по выражению где Qмср – затраты на химическое вещество, руб.; Qэл – затраты на электроэнергию, руб.; Sмср – стоимость моющего средства, руб./кг; y – концентрация моющего средства, кг/м3; Sэл – стоимость электроэнергии, руб./кВт·ч; Qот 11,64 – объемная теплоотдача, кВт/м3; T – температура моющего раствора, °С; T0 – температура окружающей среды, °С;

tо – продолжительность очистки, ч; Vмр – объем раствора, м3;

– подбирается степень аэрирования по соотношению Приведен алгоритм реализации предложенной методики и пример расчета.

Разработанную методику рекомендовано использовать при проектировании и совершенствовании технологии гидродинамической кавитационной очистки для подбора энергоэффективных и ресурсосберегающих технологических режимов осуществления операции.

Проведенное технико-экономическое обоснование показало принципиальную возможность эффективного использования повышения эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки за счет локального аэрирования технологической среды и внедрения устройств на предприятии при модернизации существующего оборудования с окупаемостью в два дня.

Реализация результатов исследования выполнена путем внедрения:

– на ОАО «Пензадизельмаш», где отмечено уменьшение продолжительности выполнения операции на 12 % (годовой экономический эффект составил 160803 руб.);

– на ООО «Кузнецкий завод конденсаторов», что позволило сократить потребления моющего средства в 6 раз (годовой экономический эффект составил 77760 руб.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена важная научно-практическая задача по совершенствованию технологии гидродинамической кавитационной очистки деталей от масляных загрязнений. Получены положительные результаты и сделаны следующие выводы:

1. Выполнен аналитический обзор научно-технических источников информации и опыта промышленности, показавший важность операции очистки поверхностей деталей в технологических процессах изготовления изделий машиностроения. Показано, что одним из наиболее важных технологических параметров, определяющих качество выполнения операции, является продолжительность очистки.

2. Установлены взаимосвязи в процессе очистки поверхностей деталей от загрязнений жидкостного характера и предложена аналитическая зависимость для определения основного времени операции гидродинамической кавитационной очистки, учитывающая физико-химические параметры технологической среды.

3. Доказано повышение эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки за счет локального аэрирования технологической среды в зоне кавитации, позволяющего уменьшить основное время выполнения операции до 1,5 раз. Установлено, что отношение объема добавляемого воздуха к объему жидкости (степень аэрирования) должно составлять 1:3,5.

4. Создано вихревое гидродинамическое кавитационное устройство с локальным аэрированием технологической среды для использования в процессах очистки поверхностей деталей от загрязнений.

5. На основе экспериментальных исследований очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений при использовании гидродинамической кавитации с локальным аэрированием получены эмпирические полиномиальные модели, отражающие влияние параметров технологической среды (температуры, концентрации щелочного раствора NaOH, степени аэрирования) на продолжительность операции гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием.

6. Установлено, что для качественной подготовки поверхности при выполнении операции гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием деталей из стали (Сталь45), алюминия (АМг6), бронзы (БрО5Ц6С5), фторопласта (Ф4), эбонита (марка Б) в щелочном растворе NaOH от масляных загрязнений необходимы следующие диапазоны технологических режимов: продолжительность очистки tо 2,5...1 мин, концентрация NaOH 0,2–0,4 %, температура раствора 40–60 °С при степени аэрирования 0,286.

7. Разработаны методика и алгоритм назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием, позволяющие осуществить выбор рациональных параметров процесса и сократить затраты на выполнение операции.

8. Полученные результаты по совершенствованию технологии гидродинамической кавитационной очистки деталей внедрены на производственных предприятиях города Пензы и Пензенской области с суммарным экономическим эффектом в 238 563 руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Лебединский, К. В. Компьютерное моделирование кавитационного процесса в закрученных потоках жидкости / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2011. – № 3 (31). – С. 46–50.

2. Лебединский, К. В. К вопросу гидрокавитационной интенсификации процесса очистки изделий машиностроения / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Известия Тульского государственного университета.

Технические науки. – 2012. – № 1. – С. 147–156.

3. Лебединский, К. В. Повышение эффективности работы кавитационного оборудования технологического назначения / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Тепловые процессы в технике. – 2012. – № 7. – С. 332– 338.

4. Лебединский, К. В. Экспериментальные исследования гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2012. – № 2. – С. 117–125.

5. Лебединский, К. В. О возможности снижения экологической нагрузки при очистке деталей и узлов транспортной техники и повышения ее качества / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов, Д. П. Алексеев, А. С. Асосков // Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание : сб. материалов VII Всерос. науч.-практ. конф. – Пенза, 2007. – С. 50–52.

6. Лебединский, К. В. Активация многокомпонентных моющих средств энергетическим воздействием газо-жидкостного потока / К. В. Лебединский // Прогресс–2007 : сб. материалов Первой областной выставки научно-технического творчества молодежи. – Пенза, 2007. – С. 179–184.

7. Лебединский, К. В. Возможность применения активаторной моечной машины для очистки деталей транспортно-технологических машин при ремонте / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // ХVIII научнотехническая конференция профессорско-преподавательского состава и студентов : сб. материалов. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2007. – С. 34–35.

8. Лебединский, К. В. Вихревые технологии для очистки деталей и узлов ракетно-космической техники / К. В. Лебединский, Д. П. Алексеев, А. С. Асосков // IX Королевские чтения : сб. тр. Всерос. молодежной науч.

конф. с междунар. участием. – Самара, 2007. – С. 75.

9. Лебединский, К. В. Методы очистки узлов и деталей систем гидроприводов. Достоинства и недостатки / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов, С. С. Барабанщиков // ХX научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и студентов : сб. материалов. – Пенза :

Изд-во ПГУ, 2009. – С. 3–6.

10. Лебединский, К. В. Применение термогенерирующей установки для проведения моечно-очистных операций при ремонте дорожной и строительной техники / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов, А. В. Рубцов // ХX научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и студентов : сб. материалов. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. – С. 7–10.

11. Лебединский, К. В. Система отопления, горячего водоснабжения и мойки на основе вихревого термогенератора / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Инновационный путь развития экономики России:

власть, регионы, наука, бизнес : сб. материалов науч.-практ. конф. – Кемерово, 2009. – С. 57–59.

12. Лебединский, К. В. Вихревые технологии ресурсосбережения / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : сб. материалов I Междунар.

науч.-практ. конф. – Пенза, 2010. – С. 3–6.

13. Лебединский, К. В. Энерго- и ресурсосбережение при очистке деталей в машиностроении / К. В. Лебединский // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : сб. материалов I Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2010. – С. 17–19.

14. Лебединский, К. В. Ресурсосберегающий метод очистки машиностроительной продукции от углеводородсодержащих производственных загрязнений / К. В. Лебединский // Экологические проблемы современности : сб. ст. VII Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2011. – С. 61–65.

15. Лебединский, К. В. Особенности анализа вихревого гидродинамического течения жидких сред в среде SolidWorks Flow Simulation / К. В. Лебединский, С. В. Рубцов // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : сб. ст. II Междунар. науч.-практ.

конф. – Пенза, 2011. – С. 14–17.

16. Лебединский, К. В. Возможности использования вихревых технологий в транспортно-технологических комплексах / К. В. Лебединский, Н. Е. Курносов // Интерстроймех–2011 : сб. ст. Междунар. науч.-техн.

конф. – Могилев, Беларусь, 2011. – С. 350–353.

17. Лебединский, К. В. Ресурсосбережение при очистке деталей в машиностроительном производстве / К. В. Лебединский, А. Г. Елистратова, А. А. Николотов // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны и экономики : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2011. – Ч. 1. – С. 462–463.

18. Лебединский, К. В. О возможности интенсификации процесса очистки изделий / К. В. Лебединский // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. ст. I Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2011. – С. 62–63.

19. Лебединский, К. В. Алгоритм назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки / К. В. Лебединский // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : сб. ст. III Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2012. – С. 47–51.

20. Патент RU 114133 U1, МПК F24J3/00. Кавитирующее устройство / Курносов Н. Е. (RU), Иноземцев Д. С. (RU), Лебединский К. В. (RU), Рубцов С. В. (RU) // Заявка 2011116759/06, 27.04.2011, опубл. 10.03.2012.

ЛЕБЕДИНСКИЙ Константин Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ОТ МАСЛЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой Распоряжение № 28/2012 от 06.11.2012.

Подписано в печать 06.11.2012. Формат 60841/16.

Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 859. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]