CC BY
29
ГРНТИ 55.20.23; 55.13.99
М. И. Абашин2, А. А. Барзов2, А. И. Денчик3, Ж. К. Мусина4
'к.т.н., доцент, кафедра «Технологии ракетно-космического машиностроения», Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, г. Москва, 1050058, Российская Федерация;
2д.т.н., профессор, в.н.с., Московский государственный имени М. В. Ломоносова, г. Москва, 119991, Российская Федерация;
3к.т.н., профессор, кафедра «Машиностроение и стандартизация», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан; 4к.т.н., ассоц. профессор (доцент), кафедра «Машиностроение и стандартизация», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО УЛЬТРАСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКЕ ЖИДКОФАЗНЫХ СТРУКТУР
Рассмотрены и изложены конструкторско-технологические решения (КТР), раскрывающие высокий инновационно-физический потенциал ультраструйной обработки (УСО).
Ключевые слова: ультраструйная обработка, роторно-струйная обработка жидкостей, гидродавление, ультраструйная гидротехнология, ультраструйное микродиспергирование, поток жидкости, способ обработки жидкости.
ВВЕДЕНИЕ
Экспертно-аналитический анализ показал, что традиционные КТР по УСО материалов (резание, очистка поверхностей) с технико-экономической точки зрения практически не адаптируемы для ультраструйной обработки различных жидкофазных структур: воды, молока, высокомолекулярных соединений типа нефти и других гидрофизических сред. Поэтому стоит задача по разработке инновационных КТР для реализации физико-технологических операций по УСО различных жидкостей и гидрофазных продуктов типа суспензий, гельструктур и др. В работах [1, 2] предложен и достаточно подробно рассмотрен запатентованный способ роторно-струйной обработки жидкостей (Патент №2270771 RU). Этот способ является по существу первой конструкторско-технологической альтернативой традиционного подхода к УСО жидкостей путем использования существующих установок по созданию высоких гидродавлений для ультраструйного резания материалов и очистки поверхностей от загрязнений. В связи с этим возникло физически обоснованное предположение о возможности создания требуемой степени ударно-динамического воздействия на обрабатываемую жидкость за счет встречного движения УС и твердотельной мишени.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Рассмотрим подробнее возможные основные модификации КТР УСО жидкостей путем использования встречно-кругового движения твердотельных мишеней. За базовый вариант примем схему УСО, представленную на рисунке 1.
Рисунок 1 - Базовый вариант УСО жидкостей со встречно-круговым движением твердотельной диско-зубчатой мишени
Согласно этому КТР высокоскоростная струя обрабатываемой жидкости 1 (рисунок 1), имеющая скорость V ударяется о рабочую поверхность 3 мишени 2, движущуюся во встречном направлении со скоростью V . Причем: Ус + Ум = Ур. где: V - рабочая скорость струи обрабатываемой жидкости, ударяющейся о неподвижную мишень, при которой обеспечивается заданное изменение потребительских свойств обрабатываемая жидкости, например полное обеззараживание.
Исходя из закона сохранения энергии теоретическое значение рабочего гидродавления жидкости Р , обеспечивающего ей при истечении из сопла скорость
V в первом приближении определяется соотношением: УР = Л/2Рр/р, где р - плотность жидкости. Тогда, выполняя очевидные преобразования, величину возможного снижения гидродавления при сохранении неизменного значения V, как скорости ударнодинамического взаимодействия струи с движущейся мишенью, определим из соотношения:
Р ~ 1 Р
дм (\ + кТ Р (!)
где - давление обрабатываемой жидкости в гидросистеме в случае удара струи в движущуюся во встречном направлении мишень, имеющую скорость УМ=ЪУС,
где > о - коэффициент, характеризующий отношение скорости мишени Ум к скорости струи Ус при выполнении требования эффективной струйной обработки
Ур — Ус + Ум. Заметим, что при к = 0 мишень неподвижна относительно струи, как было предложено в традиционных КТР по УСО различных жидкостей.
Таким образом, параметр 1/(1 + к)2 характеризует величину возможного, технически очень важного снижения гидродавления обрабатываемой жидкости по предлагаемой ультраструйной гидротехнологии.
Недостатком КТР в виде схемы гидроструйной обработки, представленной на рисунке 1, является наличие зон, расположенных между рабочими поверхностями
мишени, в которых на струю обрабатываемой жидкости оказывается недостаточное ударно-динамическое воздействие.
Существенным повышением ударно-динамического воздействия на гидрострую при использовании движущихся во встречном направлении рабочих поверхностей мишеней является КТР, в котором последовательно используются две мишени типа фрез или зубчатых колес, рабочие поверхности 3 которых движутся по круговым траекториям в противоположные стороны относительно своих осей вращения (рисунок 2).
В данном случае струя обрабатываемой жидкости 1 подается в зону «зубчатого зацепления» двух вращающихся многозубых мишеней 2 (рисунок - 2), при этом зона «безударной» обработки жидкости рабочими поверхностями 3 вращающихся мишеней 2 практически отсутствует
Для увеличения суммарной площади контактных поверхностей мишеней можно предложить КТР по их «цепному» расположению, изображенную на рисунке 3. Согласно схеме этого КТР, гидроструя 1 направляется в зону «зацепления» мишеней 2, рабочие поверхности которых закреплены на гибком основании, и движутся по эллиптическим траекториям, длина которых позволяет расположить значительное количество единичных (элементарных) мишеней, что повышает их суммарную гидроэрозионую стойкость и увеличивает производительность обработки.
Рисунок 2 - КТР с двумя совмещенными вращающимися многогранными мишенями
Рисунок 3 - КТР с твердотельными мишенями на гибком замкнутом основании для УСО жидкостей
Энергетическая неоднородность ультраструи в радиальном направлении обусловленная наличием центрального практически равномерного высокоскоростного ядра и периферийной зоны с существенно меньшими скоростями имеющей дисперсно-капельную структуру, предопределяет необходимость использования функционально избыточного рабочего гидродавления при УСО жидкостей. Именно такое, избыточное давление должно обеспечить гарантированные технологические условия воздействия на весь объем обрабатываемой гидросреды. Технико-экономические недостатки данного положения очевидны и весьма негативно сказываются на результативности всей группы УСТ, связанных с УСО гидрофизических сред.
Поэтому возникает проблема использования в качестве обрабатываемого гидроэлемента технологической системы УСО жидкостей только центрально-осевого высокоскоростного ядра УС. При этом периферийная часть струи, имеющая более низкие энерго-скоростные параметры и неоднородную дискретно-капельную структуру подвергается сепарации (отсечению) от ядра УС и поступает на вторичную обработку. Конструкторско-технологическим решением задачи по сепарации (отделению) ядра УС от её периферийной зоны является наличие на пути движения гидроструи соосного с ней отверстия диаметром, равным диаметру центральной высокоскоростной части УС. Это отверстие специально формируется в мембране - промежуточной преграде, расположенной между срезом сопла и твердотельной мишенью. При реализации данного КТР по мембранно-«механической» сепарации ядра УС должны выполняться следующие основные условия:
1 Максимально-достижимая соосность гидроструи и отверстия в мембране, в случае их круговой формы. Это обеспечивает требуемую энергоскоростную сепарацию исходной УС, снижает гидроэрозионной износ стенок сепарационного отверстия.
2 Максимально-возможная эквидистантность контуров высокоскоростного ядра УС и контура энергоскоростного сепарирующего отверстия в мембранообразной промежуточной преграде между соплом и основной твердотельной мишенью, т.е. практическое совпадение их диаметров.
3 При недопустимом увеличении размера сепарирующего отверстия в промежуточной мишени (мембране) из-за гидроэрозионного разрушения его контура в процессе УСО жидкостей должна быть осуществлена операция по восстановлению физико-технологических условий гидрообработки в соответствии с требованиями по п. 1 и п.2.
Схема типового варианта конструктивно-технического исполнения условия сепарации (разделения) потока жидкости в гидроструе по энерго-скоростному признаку показана на рисунке 4.
Рисунок 4 - Вариант типового КТР по выделению энерго-скоростного ядра
ультрагидроструи жидкости
На рисунке 4 принято: 1 - струеформирующее гидросопло, с диаметром д0 в критическом (минимальном) сечении; 2 - центральная часть гидроструи,
её ядро с равномерной скоростью движения V. = V и диаметром $сц ~ с!0 (без учета сжимаемости жидкости); 3 - турбулизированный микрокапельный
слой периферийной части гидроструи диаметром 3ст > (%сц ; 4 - узлы крепления сепарирующей промежуточной мишени (мембраны); 5 - сепарирующая промежуточная мишень (мембрана); 6 - приемный пьезопреобразователь (пьезодатчик) для приема волн акустической эмиссии (АЭ) из зоны взаимодействия гидроструи 2 с мембранно-сепарационной мишенью 5; 7 - блок обработки сигнала АЭ и выработки управляющей команды на юстировку путем выверки положения и координирования мембраны 5 относительно гидроструи 2; 8 - устройство юстировки и координирования положения мембраны 5 относительно гидроструи 2; 9 - основная твердотельная мишень, обеспечивающая ударно-динамические воздействие на гидрострую обрабатываемой жидкости 2; 10 - узел крепления и перемещения мишени 9; 11 - заранее
выполненные сепарационные отверстия диаметром в мембране 5;
12 - изношенные сепарационные отверстия диаметром ^к'^сц из-за их гидроэрозионного разрушения; 13 - действующее сепарационное отверстие диаметром : с1а< <Мд<с!к^ 14 - волны АЭ, генерируемые в зоне ударно-динамического взаимодействия УС 2 с мембраной 5.
Начало проникновения гидроструи (2) в сепарационное отверстие сопровождается уменьшением, снижением уровня большой энергии сигнала АЭ (3) (рисунок 5). Осуществляется дальнейшее юстировочное координирование оси гидроструи 2 (рисунок 4) и оси сепарационного (сепарирующего) отверстия
(рисунок 5). В случае увеличения сигнала АЭ осуществляется траекторный возврат (4) к прежним координатам СМ.
Именно эти значения координат обеспечивают соосность отсечного отверстия
11 диаметром с/ (рисунок 4) и оси гидроструи 2, так как при этом реализуется
сц
минимальный гидроконтакт струи со стенками отверстия 11. При этом имеет место минимальный уровень, энергия сигнала АЭ (рисунок 5).
Для контроля и диагностики процесса формирования перфорационного отверстия (ПО) в сепарационной мембране (СМ) гидроструей повышенного «перфорационного» давления Рп и последующего штатного режима её течения до окончания цикла ударно-динамической обработки жидкости, т.е. при диаметре ПО величиной (1к, не обеспечивающем требуемую равномерность скорости
гидроструи величины ^ ц по сечению её ядра, центральной части эффективно также использовать метод АЭ.
На рисунке 6 изображена схема изменения гидродавления Р (1), сигнала АЭ (2) и диаметра ПО (3) в течение времени ? одного цикла ультраструйно-ударной обработки жидкости: от момента формирования ПО до окончания процесса обработки, т.е. при достижении диаметра ПО критического, функционально-конечного значения ^к>с(сц
АЭ, уровень, энергия сигнала
1 - уровень сигнала АЭ при ударе УС в СМ; 2 - уровень сигнала АЭ в начале процесса попадания УС в отверстие в СМ; 3 - снижение сигнала АЭ при попадании ультраструи в СМ; 4 - возврат к исходным юстировочным координатам; 5 - искомые координаты юстировки при минимуме сигнала АЭ. Рисунок 5 - Схема юстировки гидроструи относительно перфорационного отверстия в сепарирующей мембране
1 - изменение гидродавления в процессе цикла УСО какой либо жидкости; 2 - изменение сигнала АЭ из зоны взаимодействия ГУС с СМ; 3 - изменение действительного (текущего) диаметра ПО в процессе УСО: с1сц < с1д < с1к. Рисунок 6 - Изменение функционально-информативных параметров УСО при формировании перфорационного отверстия в сепарационной мембране
Условно весь цикл обработки, продолжительностью Г(( можно представить в виде трех характерных периодов:
tn - времени, затрачиваемого на формирование ПО, т.е. технологически подготовительного времени;
t -основного времени УС-обработки жидкости в штатном технологическом режиме при Рраб
t3n - заключительно-подготовительного технологического времени, затрачиваемого на изменение местоположения мембраны относительно оси гидроультраструи (ГУС) обрабатываемой жидкости или замену использованной мембраны новой.
Если в течение времени УСО имеет место снижение уровня сигнала АЭ на 5 %, то осуществляется выработка управляющей команды на прекращение цикла обработки, так как при этом имеет место выполнение соотношения: dd(tc) = dK. В противном случае качество жидкости после УСО, например её стерильность, не будет гарантировано со 100 % - вероятностью.
Таким образом, использование для УСО различных жидкостей только высокоскоростного ядра УС путем применения соответствующих КТР в частности калиброванных отверстий в сепарирующей мембране позволит существенным образом повысить эффективность многих операционных УСТ.
Перспективным конструкторско-технологическим развитием роторно-струйной обработки (РСО) жидкостей, принципиальные схемы реализации которой подробно рассмотрена в работе [2] и в патенте на изобретение «Способ обработки жидкостей» №№ 2270717 RU является совмещение центробежного метода создания сверхвысокого гидродавления для формирования УС с процессом масс-инерционной сепарации исходной жидкофазной среды.
Особое значение может иметь сепарационная РСО при УСО нефтеводяных и других эмульсий, жидкофазных радиоактивных отходов и различных специфических многокомпонентных трудноразделяемых гидрофизических сред, в том числе имеющих изотопно-химическую неоднородность. Основой КТР по сепарационной РСО является постепенное разделение исходно поликомпонентной жидкофазной структуры на отдельные составляющие в поле масс-инерционных (центробежных) сил, создаваемых быстровращающимся ротором.
Ключевое отличие от известных способов центробежной сепарации состоит в том, что гидроэлементное разделение происходит в весьма протяженном вращающемся сложнопрофильном канале. Конструктивные параметры этого канала обеспечивают заданный, обычно во избежание перемешивания сепарируемых компонент жидкости, однородно-монотонной градиент масс-инерционных сил действующих на элементы сепарируемой гидрофизической среды: мелкодисперсной суспензии, эмульсии, молекулярного раствора и т.п. Далее, разделенные фракции или одна фракции поступает в струеформирующее сопло или сопла, обеспечивающие получение УС и последующую УСО данной гидроструктуры.
На рисунке 7 представлен вариант КТР плоскоспиральной сепарационной РСО. Как вариант КТР следует отметить возможность УСО жидкости не в периферийной (8), а в центральной (7) части канала 4, а также их одновременную УС-активацию.
1 - подача обрабатываемой гидрофизической среды; 2 - улиткообразная
/— /— и <-ч и и
спираль с обрабатываемой жидкостью; 3 - силовой равнопрочный диск для крепления 2; 4 - выход спиралевидного канала 2 со струеформирующим соплом; 5 - УС обрабатываемой жидкости; 6 - кольцевая неподвижная твердотельная мишень; 7 - не подлежащая УСО фракция исходной жидкости; 8 - жидкофазная отсепарированная компонента, подлежащая УСО; 9 - слабопроницаемая перегородка на выходе канала 4. Рисунок 7 - Плоскоспиральный вариант КТР сепарационной роторно-струйной обработки гидрофизических сред
(О
/
ВЫВОДЫ
В целом необходимо подчеркнуть весьма вариативный характер КТР сепарационной РСО жидкостей. В частности, в зависимости от функционально-эксплуатационных требований, например по более полному предотвращению смешивания компонент жидкостей перед УСО в схемном решении можно предусмотреть градиентное захолаживание спиралевидного канала 2 с помощью термомодулей на эффекте Пельтье, совершенствование конструкции разделительной перегородки 9, формы поперечного сечения оконечной части 4 канала 2 и др. Кроме этого возможно создание схемы PCO с многовитковой
71
спиралью, развернутой на угол — по отношению к оси её вращения го, а также другие КТР. Эти КТР требуют подробного экспертно-аналитического анализа, проектно-расчетного обоснования функциональной результативности и технико-экономической эффективности.
Таким образом, вышерассмотренная совокупность КТР по реализации спектра функциональных возможностей УСО жидкостей и различных гидрофизических сред показывает высокий инновационно-технический потенциал их эффективного, в том числе рационально-комбинированного использования в производственных условиях для решения важных гидротехнологических задач в различных отраслях промышленной экономики.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Барзов, А. А., Галиновский, А. Л., Пузаков, В. С. Ультраструйная технология обработки жидкостей - М. : МГТУ им. Н .Э. Баумана, 2009. - 258 с.
2 Ультраструйная технология получения микросуспензий / Балашов О. Е., Барзов А. А. и др. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 352 с.
3 Барзов, А. А. и др. Анализ инновационного потенциала ультраструйных гидротехнологий // Наука и техника Казахстана. - 2016. - № 3-4. - С. 7-16.
4 Бочкарев, С. В., Барзов, А. А. и др. Ультраструйная диагностика микроструктуры материала при термической обработке // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2017. - № 6 (744). - С. 58-63.
5 Барзов, А. А., Галиновский, А. Л., Пузаков, В. С. Инверсия технологических полнятий «инструмент» - «заготовка» при ультраструйной обработке матариалов и жидкостей // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия: Машиностроение. - 2009. - № 2. - С. 72-83.
6 Барзов, А. А., Галиновский, А. Л. и др. Анализ влияния кинетического фактора ультраструи на эффективность гидрообработки материалов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2010. - № 100-2. - С. 115-123
7 Ультраструйная технология получения микросуспензий / О. Е. Балашов, А. А. Барзов, А. Л. Галиновскийи др. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 352 с.
8 Барзов, А. А., Галиновский, А. Л., Хафизов, М. В. и др. Повышение производительности гидроабразивной резки материалов путем выбора
рациональных режимов обработки методом акустической эмиссии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2016. - № 1 (670). - С. 71-77.
9 Тищенко, Л. А., Афанасьев, Д. В., Нотин, И. А. К вопросу о повышении производительности оборудования гидроабразивной обработки // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2012. - № S. - С. 64-74.
10 Ганина, В. И., Мурашов, И. Д., Морозова, В. В. Влияние ультраструйной обработки и лазерного облучения на показатели качества молочного сырья // Молочная промышленность. - 2016. - № 9. - С. 22-23.
Материал поступил в редакцию 14.02.18.
М. И. Абашин1, А. А. Барзов2, А. И. Денчик3, Ж. К. Мусина4
Суйьщфазалы курылымдарды ультраагыспен ецдеу конструкторльщ-
технологияльщ шеш1мдер
1Н. Э. Бауман атындаFы Мэскеу мемлекетлк техникалык университет^
Мэскеу к., 1050058, Ресей Федерациясы. 2М. В. Ломоносов атындаFы Мэскеу мемлекетлк университет^
Мэскеу к., 119991, Ресей Федерациясы. 3,4С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы.
Материал баспаFа 14.02.18 тусть
M. I. Abashin1, A. A. Barzov2, A. I. Denchik3, Z. K. Mussina4
Design and technology decisions on ultrajet processing of liquid-phase structures
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 1050058, Russian. 2Lomonosov Moscow State University, Moscow, 119991, Russian. 3,4S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
Material received on 14.02.18.
Жогары инноващялъщ-физикалъщ элеует ашатын, ультраагыспен вцдеудщ (УА0) конструкторлъщ-технологиялъщ шешiмдерi (КТШ) царастырылган жэне баяндалган.
The design and technology decisions (DTD) realizing the high innovative and physical potential of ultrajet processing (USO) are considered and stated.
