CC BY
159
Тарнопольский А.В. ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СОЖ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Большинство смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ) изготавливают на предприятии потребителе смешиванием компонентов (эмульсолы, присадки, реактивы) с базовыми растворителями (вода, масло). Наиболее сложна технологи приготовления СОЖ на водной основе, которая включает водоподготовку и диспергирование компонентов. Водоподготовка предусматривает деионизацию, дегазацию, и обеззараживание технической воды [1]. Для приготовления СОЖ в базовый растворитель вводят дозированное количество исходных компонентов, и затем их диспергируют. Для диспергирования применяют механические мешалки различного типа, акустический способ с наложением на жидкость упругих механических колебаний с помощью гидродинамических, магнитострикционных и пьезокерамических излучателей, гомогенизацию путем продавливания предварительно приготовленной грубодисперсной эмульсии через кольцевой зазор, барботирование воздухом или острым паром с одновременным нагревом жидкости и другие методы. Для активации компонентов СОЖ применяют коллоидное измельчение [1]. Ценным преимуществом данного способа является возможность тонкого измельчения (диспергирования) компонентов любой консистенции и вязкости. В процессе измельчения компоненты СОЖ активизируются и приобретают новые полезные свойства. Недостатком способа является невысокая производительность и сложность устройств.
В процессе хранения и периодического использования эмульсии происходит расслоение ее компонентов. В неподвижной эмульсии, покрытой пленкой масла, содержание кислорода снижается, что создает благоприятные условия для развития анаэробных бактерий. Для поддержания эмульсии в рабочем состоянии проводят ее аэрацию. Сущность аэрации состоит в продувке через СОЖ воздуха под давлением
0,2...0,3 МПа в течение 2...3 ч один раз в сутки согласно ГОСТ 12.3.025—80. При этом повышается окислительно-восстановительный потенциал СОЖ; удаляется сероводород и углекислый газ; интенсифицируются биохимические процессы, приводящие к гибели микроорганизмов; повышается pH среды; уменьшается неприятный запах. Особенно необходима аэрация в централизованных системах приготовления и подачи СОЖ во время длительных простоев, во время которых увеличивается содержание микроорганизмов, значение pH , и снижаются антикоррозионные свойства СОЖ на водной основе.
Для решения задач приготовления высококачественных СОЖ и поддержания их в рабочем состоянии предложено применять вихревой термогенератор [2], созданный на базе известной конструкции вихревой трубы. В отличие от вихревой трубы в теплогенераторе организована многоцикловая подача жидкости под давлением в вихревую камеру. При многократной циркуляции жидкости через вихревую камеру с высокой скоростью ее температура повышается.
Подачу рабочей жидкости в вихревую камеру обеспечивает центробежный электронасос. Напорный трубопровод соединяет насос с тангенциальным вводом вихревой камеры. Из вихревой камеры часть жидкости выходит через «холодную диафрагму», а другая часть - через «горячую диафрагму». Оба выхода вихревой камеры соединены между собой перепускным патрубком. После «горячей диафрагмы» жидкость направляется в бак, а оттуда по трубопроводу на всасывающий патрубок насоса, тем самым, образуя контур циркуляции. При движении вихревого потока жидкости в оптически прозрачной вихревой камере термогенератора наблюдается образование огромного количества мельчайших пузырьков в области, прилежащей к холодной диафрагме. Пузырьки движутся вместе с вихревым потоком жидкости, распространяются на большую часть вихревой камеры, и разрушаются в области развихрителя. Данное явление называется кавитацией, которая возникает в результате разрывов сплошности жидкости при местном понижении давления.
Гидродинамическая кавитация возникает в тех участках потока, где давление понижается до критического Рф . Минимумы давления в случае сильного завихрения потока появляются во внутренних областях
жидкости. Возникшие кавитационные пузырьки интенсивно пульсируют, расширяясь в фазе разрежения и схлопываясь в фазе повышения давления. Мощные гидродинамические возмущения в кавитационной области в виде импульсов сжатия и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками, сопровождаются разогревом жидкости. При этом интенсифицируются процессы тепло и массопереноса, жидкость испытывает сильное энергетическое воздействие, меняются ее физико-химические свойства. Вихри с минимальным суммарным моментом импульса, располагаются вблизи оси вихревой трубы, создавая наибольшее нарушение сплошности. Давление в этих местах существенно снижается, из-за чего происходит испарение жидкости в полости кавитационных пузырьков и образование гомогенной двухфазной паро - жидкостной среды. В этом случае увеличение скорости жидкости вызывает падение местного статического давления до критического значения Р , равного или близкого давлению насыщенных паров. В периферийных вихревых потоках, где скорость потока жидкости резко уменьшается, а давление, соответственно, увеличивается, и в области развихрителя происходит схлопывание кавитационных пузырьков и выделение тепла. Совместное воздействие кумулятивных струек, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков, гидродинамических ударов и ультразвукового поля приводят к:
стерилизации обрабатываемой жидкости;
эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов (мазут- вода);
разрыву длинных полимерных цепей в нефтепродуктах, переводу их в новое структурное состояние;
измельчению (диспергированию) до микронного уровня твердых частиц в жидкости;
гомогенизации обрабатываемого продукта;
интенсификации химических реакций.
Очень часто используют происходящие при кавитации разрушения для ускорения различных технологических процессов. Традиционно используемые методы перемешивания эмульсолов (перемешивание рамными, лопастными и якорными мешалками, барботаж, перекачивание насосами, перекатывание бочек и др.) неэффективны. На большинстве предприятий машиностроения эмульсол перед приготовлением не перемешивают, твердые присадки (кальцинированная сода, нитрид натрия) предварительно не растворяют, а подают в резервуар воду, присадки и эмульсол нагревают и перемешивают сжатым воздухом или паром. Эмульсия получается при этом крупнодисперсная, с размерами частиц эмульсола от 3 до 8 мкм и более. Крупные капельки эмульсола замасливают инструмент и обрабатываемые детали.
Применяемые в процессе механической обработки эмульсионные смазочно-охлаждающие жидкости являются питательной средой для размножения бактерий. Их число на 1мг эмульсии достигает сотен миллионов, что значительно превышает норму. В результате жизнедеятельности бактерий, эмульсия разлагается, выделяется сероводород и она истощается, т.е. становится непригодной для дальнейшего использования. Только в однородных, нерасслаивающихся эмульсиях в каждой капле жидкости имеются все необходимые компоненты СОЖ. Кавитационные пузырьки, образующиеся в воде, существенно влияют на жизнестойкость микроорганизмов, значительно понижая последнюю. В целом, бактерицидное действие ударных волн зависит от многих факторов, в том числе и от типа микроорганизмов. В работе [3] говорится, что методами электронной микроскопии обнаружено, что в эмульсии, приготовленной с применением эжекционно-волновой технологии, концентрация и активность микроорганизмов гораздо меньше по сравнению с СОЖ,
получаемой традиционным способом. При волновой обработке устойчивость СОЖ к биопоражению достигала 3 месяцев, тогда как обычная СОЖ при отсутствии биоцидных добавок в летнее время склонна к развитию микроорганизмов уже через 5-7 суток эксплуатации.
Чем выше дисперсность частиц эмульсола в эмульсии, тем более однородна и стабильна эмульсия, кроме того, такая эмульсия обеспечивает непрерывную, в процессе обработки, подачу СОЖ в зону взаимодействия инструмента и детали.
В ПензГУ разработана кавитационная технология с использованием вихревого термогенератора для приготовления мелкодисперсной высококачественной эмульсии без использования традиционного подогрева и перемешивания. Эмульсия, приготовленная по кавитационной технологии, имеет до 90% частиц размером менее 1мкм. Использование мелкодисперсных эмульсий, приготовленных с использованием кавитационных технологий, позволяет повысить производительность станков, сократить расход режущего инструмента, улучшить качество обрабатываемых поверхностей. При этом возможно повысить срок службы эмульсии, за счет снижения бактериальной поражаемости, сократить расход эмульсола, улучшить санитарногигиенические условия на участке приготовления эмульсии, способствовать охране окружающей среды, путем уменьшения сброса отработанной эмульсии.
Кроме того, вихревые термогенераторы могут использоваться для: смешивания трудносмешиваемых жид-
костей, диспергирования суспензий в системах жидкость-жидкость и жидкость-твердый компонент, насыщения газом жидкости (аэрации сточных вод и их окисления). Большой интерес представляет применение вихревых термогенераторов для очистки воды. При прохождении воды через вихревую камеру и создании условий для возникновения кавитации происходит обеззараживание воды. При этом скорость водного потока должна приближаться к 20.25 м/с. На эффективность кавитации не влияет ни мутность, ни солевой состав воды, ни цветность. При кавитационном воздействии разрушаются ассоциаты молекул воды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Тем самым болезнетворные организмы лишаются защиты перед другими химическими и физическими воздействиями. При сравнении экономических затрат различных методов на очистку условной единицы объема питьевой воды кавитация оказывается самым дешевым способом. Затраты на кавитационную очистку равны -162, ультрафиолетовую обработку - 261, хлорирование - 482, озонирование - 1600 условных единиц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бердичевский Е.Г. смазочно-охлаждающие средства для обработки материалов: Справочник. - Машиностроение, 1984. -224 с.
2. Пат. 2177591 РФ, ШК 6 Е 25 В 29/00. Термогенератор / Н.Е. Курносов // Бюл. № 36, 2001. С. 121.
3. Костров С.А. Применение волновой технологии для улучшения СОЖ. / Вестник машиностроения", 1988. № 6. С. 56-58.
