Список литературы
1. Лядов А.С., Максимов А.Л., Ярмуш Ю.М., Бузник В.М. Смазочное материаловедение в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации // Химическая промышленность сегодня. 2019. № 4. С. 12-16.
2. Ильин С.О., Горбачева С.Н., Лядов А.С., Антонов С.В. Низкотемпературная консистентная смазка // Патент РФ № 2697057. 2019. Бюл. № 22.
3. Maksimova Yu.M., Shakhmatova A.S., Ilyin S.O., Pakhmanova O.A., Lyadov A.S., Antonov S.V., Parenago, O.P. Rheological and Tribological Properties of Lubricating Greases Based on Esters and Polyurea Thickeners // Petroleum Chemistry. 2018 Vol. 58, No 12. P. 1064-1069.
4. Lyadov A.S., Maksimova Yu.M., Ilyin S.O., Gorbacheva S.N., Parenago O.P., Antonov S.V. Specific Features of Plastic Lubricants Based on Poly-a-olefi n Oils with Ureate Thickeners of Various Structures // Russian Journal of Applied Chemistry. 2018. Vol. 91, No 11. P. 1735-1741.
5. Lyadov A.S., Yarmush Yu.M., Parenago O.P. Colloidal Stability of Greases Based on Oils with Organic Thickening Agents // Russian Journal of Applied Chemistry 2019. Vol. 92, No 12. P. 1805-1809.
6. Лядов А.С., Кочубеев А.А., Паренаго О.П. Пластичная смазка на синтетической основе (варианты) и способ ее получения (варианты) // Патент РФ № 2807916. 2023. Бюл. № 33.
7. Lyadov A.S., Kochubeev A.A., Parenago O.P. Synthesis and Properties of Polyurea Greases Based on Silicone Fluids and Poly-a-olefin Oils // Petroleum Chemistry. 2023. Vol. 63. P. 618-623.
УДК 534-8
DOI 10.24412/cl-37255 -2024-1 -214-218
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СИСТЕМЫ СО СПЛОШНОЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ В НЕПРЕРЫВНОМ И ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМАХ
Маняхин И.А., Голых Р.Н., Хмелёв В.Н., Генне Д.В., Нестеров В.А., Барсуков А.Р.
Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Алтайский государственный университет им И.И. Ползунова», г. Бийск E-mail: manyaxin.i van@bk .ru
Аннотация. Спроектирована и собрана экспериментальная установка для исследования модулированных режимов воздействия на жидкодисперсные среды. Для контроллера созданной лабораторной системы была разработана программа, позволяющая управлять ультразвуковым аппаратом для технологической обработки гетерогенных систем со сплошной жидкой фазой. Для оперативного изменения параметров работы экспериментальной установки с помощью персонального компьютера был разработан модуль графического интерфейса пользователя. Проведена проверка возможностей созданного лабораторного стенда. Измерена потребляемая мощность ультразвукового аппарата входящего в состав аппаратно-программного комплекса при импульсных и непрерывных режимах акустического воздействия на воду. Были построены осциллограммы электрического напряжения науль-тразвуковой колебательной.
Ключевые слова: ультразвук, импульсное ультразвуковое воздействие, программно-аппаратный комплекс.
Существует множество процессов в системах со сплошной жидкой фазой, которые можно ускорить при помощи ультразвука [1]. Различают два типа таких систем, гомогенные, образованные только сплошной фазой и гетерогенные которые могут быть образованы как сплошными, так и дисперсными фазами. Подобного рода жидкодисперсные среды можно разделить на три основных типа: суспензии, эмульсии и пены.
При непрерывном ультразвуковом воздействии в жидкостях и жидкодисперсных средах можно наблюдать кавитацию, при которой происходят появление парогазовых пузырьков, их
перемешивание в сплошной жидкой фазе, расширение и затем схлопывание. Интенсивность кавитации зависит от разных свойств облучаемой среды. Например, температуры и начальной вязкости материала. Для появления кавитации, необходима достаточная интенсивность ультразвука, например, в воде стабильная кавитация наблюдается при интенсивности 1 Вт/см2, в маслах в среднем 10 Вт/см2. Однако первичные признаки кавитации, прерывистый шум и микропузырьки в воде появляются уже при пороговой интенсивности ультразвука 0,3 Вт/см2, а для моторных масел пороговая интенсивность может составлять от 3 до 8 Вт/см2.
Существует ряд технологических процессов, где наличие кавитации имеют негативные последствия. К таким относится процесс коагуляции, при которой происходит слипание частиц, распределенных в сплошной жидкой фазе [1]. Для бескавитационных процессов нужно вводить больше ультразвуковой энергии, не допуская при этом кавитации. Для достижения такого результата существует импульсный ультразвуковой режим [2, 3], который на данный момент недостаточно хорошо изучен, для того чтобы можно было промышленно делать технологические ультразвуковые аппараты мощностью от 100 Вт до 1 кВт.
Для исследования влияния ультразвукового воздействия в непрерывном и импульсном режимах разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий изучить кинетику протекания процессов в различных режимах.
Основные требования к программно-аппаратному комплексу заключаются в следующем:
1. Поскольку возможное возникновение кавитационных пузырьков инициирует неравномерный нагрев среды, необходим сбор данных о температуре в нескольких характерных точках озвучиваемого объёма.
2. Необходимо обеспечить стабильную работу программно-аппаратного комплекса в непрерывном и импульсном режимах ультразвукового воздействия.
3. Необходимо обеспечить возможность подключения и запуска по таймеру высокоскоростной камеры Photron FASTCAM SA-Z [4] для регистрации изменения межфазной поверхности в течение каждого отдельного периода ультразвуковых колебаний.
4. Для оперативного изменения параметров работы лабораторного стенда необходимо разработать графический интерфейс пользователя. Нужно иметь возможность изменять длительность ультразвукового воздействия, период следования пакетов волновых импульсов, длительность пакета импульсов, время включения камеры, длительность задержек перед включением и выключением ультразвука.
5. Необходимо обеспечить возможность запуска и остановки по таймеру, а также перезапуска системы лабораторного стенда.
Структурная схема разработанного комплекса для исследования модулированного ультразвукового воздействия гетерогенные системы со сплошной жидкой фазой представлена на рис. 1.
Персональный
Гидрофон
Рисунок 1 - Структурная схема программно-аппаратного комплекса для исследования влияния ультразвукового воздействия на системы со сплошной жидкой фазой (УЗКС - ультразвуковая колебательная система)
Для управления установкой применяется контроллер Arduino Nano. К нему подключена камера для высокоскоростной съёмки, ультразвуковой генератор и 4 термопары. Параметры работы созданной установки можно задать с помощью персонального компьютера или другого внешнего устройства.
Для включения и выключения ультразвукового генератора применяется кнопка удалённого запуска, которая замыкается и размыкается при помощи реле. Ультразвуковой генератор работает, когда на входе реле удерживается высокий уровень сигнала.
Для управления высокоскоростной камерой применяется оптопара 6N136, которая коммутирует напряжение +12 В на входе камеры. Камера включается на 1.5 с при появлении высокого логического уровня на 6 выводе микросхемы 6N136. Photron FASTCAM SA-Z позволяет производить съёмку со скоростью до 210000 кадров в секунду при разрешении не менее 380x160 пикселей и масштабе до 5 мкм на 1 пиксель и менее.
Контроллер Arduino получает данные с термопар при помощи модуля преобразователя MAX6675. АЦП-модули для термопар были подключены к контроллеру Arduino с помощью интерфейса SPI по топологии типа «звезда».
Для создания большинства современных ультразвуковых генераторов, работающих в режиме непрерывного ультразвукового воздействия на жидкодисперсные среды, применяют ти-ристорный регулятор мощности, так как в данном случае не требуется высокое быстродействие при включении и выключении ультразвука. Для реализации импульсно-модулирован-ного ультразвукового воздействия была применена схема понижающего импульсного регулятора напряжения [5]. Разработанный электронный генератор позволяет создавать пакеты волновых импульсов шириной до 15 мс и менее (рис. 2).
а) б)
Рисунок 2 - Электронный генератор ультразвуковых колебаний на основании понижающего импульсного регулятора напряжения. а) схема электрическая принципиальная понижающего импульсного регулятора напряжения; б) фото электронного генератора ультразвуковых колебаний в сборе
Резонансная частота ультразвукового излучателя в воде составляет 21,4 кГц, система фазовой автоподстройки частоты может регулировать частоту колебаний в диапазоне от 20 до 23 кГц при изменении свойств среды. Питается ультразвуковой аппарат от однофазной сети переменного напряжения 220 В.
Исходя требований к программно-аппаратному комплексу был сформирован ряд дополнительных требований к разрабатываемому программному обеспечению:
• должна быть возможность обновления и выбора из списка доступных для подключения последовательных портов передачи данных, использующих интерфейс RS-232;
• должна быть возможность ввода значений параметров;
• должна быть возможность выбора режима ультразвукового воздействия, допустимы для выбора импульсный и непрерывный;
• должна быть возможность запуска, остановки и сброса параметров ультразвукового воздействия.
Программное обеспечение включает в себя модуль графического интерфейса оператора, который выполняется на ПК, и низкоуровневый модуль микроконтроллера, который выполняется на стороне Arduino Nano.
На рис. 3 представлена форма графического оператора, а на рис. 4 осциллограммы напряжения на ультразвуковой колебательной системе.
Рисунок 3 - Форма графического интерфейса оператора
в) 1500 мс г) непрерывное воздействие
Рисунок 4 - Осциллограммы напряжения на входе ультразвуковой колебательной системы при непрерывном и импульсном воздействии при различных длительностях пакетов следования волновых импульсов (период пакета импульсов 2000 мс) после делителя напряжения с коэффициентом 1000 (одно деление соответствует напряжению 500 В)
Созданный аппаратно-программный комплекс для исследования модулированных режимов ультразвукового воздействия позволил зафиксировать, как меняются размеры межфазной поверхности «газ-жидкость» для аэрационных пузырьков при непрерывном режиме ультразвукового воздействия на воду и дополнительной аэрации. Высокоскоростная камера, входящая в состав установки, позволяет делать снимки межфазной в пределах одного периода несущих колебаний (9...10 кадров на период).
Выявлены зависимости акустической энергии, вводимой в среду, от параметров импуль-сно-модулированного воздействия.
Стенд может быть использован для исследования кинетики изменения структуры межфазной поверхности в системах со сплошной жидкой фазой с целью выявления оптимальных режимов и параметров модуляции ультразвуковых колебаний для обеспечения максимальной эффективности химико-технологических процессов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-12-00278,
https://rscf.ru/project/23 -12-00278/
Список литературы
1. Голых Р.Н. Повышение эффективности воздействия ультразвуковыми колебаниями на процессы в системах с жидкой фазой: дис. ... доктора технических наук: 05.17.08. Барнаул: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 2020. 437 с.
2. Atchley A.A. Thresholds for cavitation produced in water by pulsed ultrasound // Ultrasonics. 1988. Vol. 26, Issue 5. P. 280-285.
3. Хмелёв В.Н. Выявление оптимальных режимов и условий ультразвуковой коагуляции жидкодисперсных систем в импульсном режиме // Моделирование неравновесных систем - 2016. Материалы XVIV Всероссийского семинара. Красноярск, 2016. С. 119-122.
4. Голых Р.Н. Влияние ультразвукового кавитационного воздействия на межфазную поверхность «газ-жидкость» при принудительной аэрации // Прикладная механика и техническая физика. 2024. DOI: 10.15372/PMTF202315435
5. Хмелёв В.Н. Ультразвук. Принципы построения, алгоритмы и системы управления ультразвуковыми аппаратами: монография. Бийск: Изд-во Алтайского государственного технического университета, 2021. 200 с.
УДК 678:073:661:481
DOI 10.24412/cl-37255 -2024-1 -218 -222
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ПТФЭ-КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Маркова М.А., Петрова П.Н. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск E-mail: markovamusya@mail.ru
Аннотация. Данная работа является продолжением цикла работ, посвященных исследованиям влияния пластического деформирования полимерных заготовок на физико-механические свойства композитов на основе политетрафторэтилена и углеродных волокон марки УВИС-АК-П. Приводятся сравнительные данные физико-механических исследований композитов в зависимости от способа пластического деформирования полимерных заготовок, а также до и после термоциклирования в испытательной камере тепла-холода.
Ключевые слова: политетрафторэтилен, углеродные волокна, пластическая деформация, термоцик-лирование.
Анализ результатов многих работ показывает, что полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) имеют особое значение в решении задачи повышения надежности и долговечности несмазываемых узлов трения [1-3]. Это связано с исключительными свойствами ПТФЭ как: как высокая термостойкость, химическая инертность, низкий коэффициент трения и т. д. Однако, одним из основных недостатков ПТФЭ является не только низкая износостойкость, но и повышенная ползучесть (хладотекучесть), что ограничивает ресурс работы и возможность его широкого использования. Существует множество работ с использованием в качестве наполнителей различных волокон, в особенности углеродных (УВ), но даже использование армирующих наполнителей не всегда позволяет добиваться необходимого улучшения физико-механических свойств получаемых композитов при повышении их износостойкости. В связи с этим, перспективными направлениями при разработке композитов на основе ПТФЭ является разработка технологических приемов повышения их прочности, износостойкости и сопротивлению ползучести. Для этого в данной работе использованы технологии, основанные на использовании процессов пластической деформации.