ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9341| Title: | «Розробка технології ультразвукового полірування робочих поверхонь пароперегрівачів ТЕС для підвищення їх продуктивності» |
| Authors: | Канашевич, Георгій Вікторович Павелко, Олександр Іванович |
| Keywords: | Ультразвукове полірування |
| Issue Date: | 2023 |
| Abstract: | Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Розробка технології ультразвукового полірування робочих поверхонь пароперегрівачів ТЕС для підвищення їх продуктивності» Виконавець: здобувач групи мЗТМ-72 Павелко Олександр Іванович. Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович. Кваліфікаційна робота містить 71 сторінку формату А4, 18 рисунків, 4 таблиці, 31 літературне джерело. В кваліфікаційній роботі магістра у відповідності з завданням було розроблено: вступна частина; загальна частина; конструкторська частина; технологічно-експериментальна частина; охорона праці; економічна частина. Для вирішення вищеперерахованих питань було вивчено існуючі методи підвищення продуктивності труб пароперегрівачів теплових станцій. На основі цього було вибрано метод ультразвукового полірування внутрішніх поверхонь, а також обладнання для здійснення цієї обробки, що і було описано в загальній частині пояснювальної записки. В конструкторській частині розраховуються основні технічні параметри магнітострикційного ультразвукового перетворювача. Обирається конструкція цього перетворювача і технологія його виробництва. Отримання більш якісної поверхні та високої продуктивності пароперегрівачів неможливе без правильного підбору режиму ультразвукового полірування, який проводився в технологічноекспериментальній частині дипломної роботи. В цій же частині були проведені дослідження полірованих поверхонь на зносостійкість, загальну пористість та мінералізаційну здатність, чим показана доцільність використання даної технології полірування В розділі охорони праці розглядалися найбільш небезпечні фактори, що виникають на ділянці ультразвукового полірування. Проводиться розрахунок захисного занулення ділянки ультразвукового полірування. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9341 |
| Appears in Collections: | 131 Прикладна механіка (Технології машинобудування) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Павелко.pdf Restricted Access | 993.67 kB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Розробка технології ультразвукового полірування робочих поверхонь
пароперегрівачів ТЕС для підвищення їх продуктивності»
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мЗТМ-72
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Технології машинобудування»
Павелко Олександр Іванович
Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій
Вікторович
Рецензент: інженер-технолог ТОВ «Юджин ЛТД»
м.Черкаси
Майстренко Вікторія Олександрівна
Черкаси 2023 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Технології машинобудування»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2023р.
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра
_Павелко Олександру Івановичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Розробка технології ультразвукового полірування робочих
поверхонь пароперегрівачів ТЕС для підвищення їх продуктивності».
Керівник роботи д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«10» жовтня 2023р. №271/04
2. Термін подання здобувачем роботи 05. 12. 2023 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія ультразвукового зміцнення, обладнання
для полірування пароперегрівачів, Завдання з охорони праці
4. Зміст пояснювальної записки: Існуючі методи підвищення продуктивності
пароперегрівачів теплових станцій; Обладнання для здійснення процесу
ультразвукового полірування; Технологічність процесу ультразвукового
полірування; Підготовка технологічного оснащення до процесу полірування;
Дослідження експлуатаційних властивостей внутрішніх поверхонь труб
пароперегрівачів після ультразвукового полірування; Охорона праці на ділянці
ультразвукового полірування високотемпературних пароперегрівачів.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо) Схема взаємозв'язку фізичних
факторів, що впливають на процес ультразвукового полірування; Оснащення
для ультразвукового полірування; Схема устаткування ультразвукового
полірування; Ультразвукова головка; Технологічний процес виготовлення
магнітострикційного перетворювача; Структурно-функціональна схема;
Результати досліджень; Мікроструктура внутрішньої поверхні труби;
Випробування внутрішніх поверхонь труб; ОП та ЦЗ; Висновки.
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1 Канашевич Георгій Вікторович
Розділ 2 Канашевич Георгій Вікторович
Розділ 3 Канашевич Георгій Вікторович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович
7. Дата видачі завдання 04.09.2023 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 04.09-01.10.2023
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2023
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2023
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2023
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2023
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2023
7 Оформлення графічної документації 30.11 – 04.12.2023
8 Захист роботи ___.12.2023р.
Здобувач ___________ Олександр ПАВЕЛКО
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
Керівник ___________ _Георгій КАНАШЕВИЧ_
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Розробка технології
ультразвукового полірування робочих поверхонь пароперегрівачів ТЕС для
підвищення їх продуктивності»
Виконавець: здобувач групи мЗТМ-72 Павелко Олександр Іванович.
Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович.
Кваліфікаційна робота містить 71 сторінку формату А4, 18 рисунків, 4
таблиці, 31 літературне джерело.
В кваліфікаційній роботі магістра у відповідності з завданням було
розроблено: вступна частина; загальна частина; конструкторська частина;
технологічно-експериментальна частина; охорона праці; економічна частина.
Для вирішення вищеперерахованих питань було вивчено існуючі методи
підвищення продуктивності труб пароперегрівачів теплових станцій. На
основі цього було вибрано метод ультразвукового полірування внутрішніх
поверхонь, а також обладнання для здійснення цієї обробки, що і було
описано в загальній частині пояснювальної записки.
В конструкторській частині розраховуються основні технічні параметри
магнітострикційного ультразвукового перетворювача. Обирається
конструкція цього перетворювача і технологія його виробництва.
Отримання більш якісної поверхні та високої продуктивності
пароперегрівачів неможливе без правильного підбору режиму
ультразвукового полірування, який проводився в технологічно-
експериментальній частині дипломної роботи. В цій же частині були
проведені дослідження полірованих поверхонь на зносостійкість, загальну
пористість та мінералізаційну здатність, чим показана доцільність
використання даної технології полірування
В розділі охорони праці розглядалися найбільш небезпечні фактори, що
виникають на ділянці ультразвукового полірування. Проводиться розрахунок
захисного занулення ділянки ультразвукового полірування.
5
ABSTRACT
The topic of the master's qualification work: " Development of technology for
ultrasonic polishing of working surfaces of thermal power plant superheaters to
increase their productivity."
Performer: winner of the mZTM-72 group Oleksandr Pavelko.
Supervisor: Doctor of Technical Sciences, Professor Georgіy Kanashevich.
The qualification paper contains 71 pages of A4 format, 18 figures, 4 tables,
and 31 literary sources.
In the master's qualification work, in accordance with the task, the following
was developed: introductory part; general part; design part; technological and
experimental part; Occupational Health; economic part.
In order to solve the above-mentioned issues, the existing methods of
increasing the productivity of steam superheater pipes of thermal stations were
studied. Based on this, the method of ultrasonic polishing of internal surfaces was
chosen, as well as the equipment for this treatment, which was described in the
general part of the explanatory note.
In the design part, the main technical parameters of the magnetostrictive
ultrasonic transducer are calculated. The design of this converter and the
technology of its production are selected.
Obtaining a better surface and high productivity of steam superheaters is
impossible without the correct selection of the mode of ultrasonic polishing, which
was carried out in the technological and experimental part of the thesis. In the same
part, studies of polished surfaces were carried out for wear resistance, general
porosity and mineralization capacity, which shows the feasibility of using this
polishing technology
In the occupational safety section, the most dangerous factors arising in the
area of ultrasonic polishing were considered. The protective nulling of the
ultrasonic polishing area is calculated.
6
ЗМІСТ
ВСТУП………………………………………………………………….…….8
Розділ 1. Аналітичний огляд і обґрунтування обраного напрямку
роботи……………………………………………………………………………...9
1.1 Існуючі методи підвищення продуктивності пароперегрівачів
теплових станцій (патентний і літературний пошук) …………………………...9
1.2 Сутність процесу ультразвукового полірування металевих
поверхонь…………………………………………………………………………12
1.2.1 Механізм дії ультразвукового коливання на речовину…………...12
1.2.2 Сутність процесу ультразвукового полірування……………………….13
1.2.3 Роль фізико-хімічних властивостей робочої рідини ........................16
1.2.4 Роль характеристик звукового поля………………………….………...18
1.3 Обладнання для здійснення процесу ультразвукового
полірування………………………………………………………………………19
1.3.1 Технологічні установки для ультразвукового полірування
матеріалів…………………………………………….……………………………19
1.3.2 Магнітострикційні перетворювачі………………………..………...21
1.3.3 Концентратори ультразвукових коливань………………………….23
1.3.4 Генератори ультразвукових коливань…………………..…………25
2. Конструкторський розділ………………………………………………..27
2.1 Розрахунок циліндрового магнітострикційного перетворювача …..27
2.2 Конструювання магнітострикційного перетворювача………………31
2.3 Виготовлення магнітострикційного перетворювача ультразвукової
частоти……………………………………………………………………………34
Розділ 3. Технологічно-експериментальний розділ………………...………………36
3.1 Обґрунтування вибору робочого середовища та інструменту
ультразвукового полірування………………………………………...................36
3.2 Технологічність процесу ультразвукового полірування…………….37
3.3 Вибір джерела ультразвукового випромінювання…………………..38
7
3.4 Попередня підготовка виробів до ультразвукового
полірування..……………………………………………………………………..38
3.5 Підготовка технологічного оснащення до процесу
полірування.………………………………………………………………………39
3.6 Основний технологічний цикл……………………………………….40
3.7 Закінчення роботи ультразвукового обладнання……………………41
3.8 Дослідження мікроструктури внутрішньої поверхні труб
пароперегрівачів до і після ультразвукового полірування .................................42
3.9 Дослідження експлуатаційних властивостей внутрішніх поверхонь
труб пароперегрівачів після ультразвукового полірування…………………..46
3.9.1 Випробування внутрішніх поверхонь на зносостійкість…………46
3.9.2 Дослідження внутрішньої поверхні зразка на загальну
пористість………………………………………………………………………...48
3.9.3 Дослідження внутрішньої поверхні зразка на мінералізаційну
здатність……………………………………………………….............................50
Розділ 4. Охорона праці та цивільний захист……………………………...........53
4.1 Охорона праці на ділянці ультразвукового полірування
високотемпературних пароперегрівачів……………………….…………...…..53
4.2 Мікроклімат……………………….………………………….……….54
4.3 Вентиляція приміщення………………………………….….……......56
4.4 Шумо- та віброзахист ділянки……………………………….……....56
4.5 Засоби пожежезахисту на ділянці…………………………..…….….58
4.6 Освітлення ділянки……………………………………………………59
4.7 Безпека роботи на ділянці підвищеного тиску………………………59
4.8 Радіаційна безпека……..…………………………………………...…60
4.9 Електрична безпека. Розрахунок захисного занулення ділянки
ультразвукового полірування…………………………...…………....61
4.10 Цивільна оборона на ділянці………………………………..………..66
ВИСНОВКИ…………………………………………………...…………....68
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ……………………………...69
8
ВСТУП
На сучасному етапі науково-технічного прогресу широкого
розповсюдження знаходять методи високоефективної обробки різноманітних
матеріалів за допомогою концентрованих потоків енергії: ультразвукових,
лазерних, електронно-променевих, плазмових тощо. Так, на сьогодні,
ультразвукові методи обробки застосовуються для очистки, розрізання,
свердлування, полірування, зміцнювання різноманітних металевих та
неметалевих матеріалів.
До появи ультразвукових методів обробки матеріалів, вимогам
машинобудівного виробництва задовольняли традиційні методи обробки.
Але поява і подальший розвиток ультразвукових технологій і обладнання для
їх використання, показали переваги методу ультразвукової обробки, а саме:
на порядок вищу якість, точність, триботехнічні показники, які неможливо
забезпечити традиційними методами [1-2]. Тому ультразвукові технології
стали однією із галузей, де знайшли застосування методи обробки матеріалів
концентрованими потоками енергії.
В останній час методи УЗ-полірування матеріалів стали найбільш
перспективними завдяки притаманним їй перевагам, як то: висока точність і
низька шорсткість отриманих поверхонь; екологічна чистота; можливість
отримання рівномірно-розповсюджених показників якості, що особливо
важливо для відповідальних елементів мікроелектроніки, енергетики,
харчової промисловості, машино- та верстатобудівного виробництва [2].
В кваліфікаційній роботі розглядається технологія і обладнання УЗ-
полірування внутрішніх поверхонь пароперегрівачів, що працюють в умовах
високих температур і тисків. Метою технології є підвищення продуктивності
пароперегрівачів теплових станцій, шляхом зменшення центрів утворення
накипу (поліруванням їх внутрішніх поверхонь).
9
Розділ 1. Аналітичний огляд і обґрунтування обраного напрямку роботи
1.1. Існуючі методи підвищення продуктивності пароперегрівачів
теплових станцій
Збільшення гарантованого ресурсу робіт та підвищення продуктивності
деталей та вузлів теплообмінних агрегатів ТЕЦ, ДРЕС, АЕС - актуальна
технічна проблема міжгалузевого значення. Інтенсивні експлуатаційні
навантаження на робочі поверхні окремих елементів агрегатів, мінералізація
(утворення накипу) при використані проточної рідини-теплоносія всередині
пароперегрівачів обумовлюють їх швидке зношення і послідуюче
руйнування, що сприяє зменшенню продуктивності, аварійним ситуаціям,
усунення яких пов'язане з великим обсягом незапланованих праце- і
матеріаловитрат.
Нормативний ресурс експлуатації окремих елементів теплообмінного
обладнання визначає міжремонтний термін їхньої експлуатації ТЕЦ, ДРЕС,
АЕС у цілому [4, 5] і, відповідно, собівартість теплової (електричної) енергії.
Особливо це стосується пароперегрівачів теплових станцій.
В якості пароперегрівачів, як правило, використовуються труби з латуні
марки Л68 довжиною 6-9 м і внутрішнім діаметром 2-5 см. Рідиною-
теплоносієм виступає проточна вода загальною кислотністю 4,5-5,5рН.
В різних літературних джерелах процесам очищення та демінералізації
внутрішньої поверхні пароперегрівачів теплових станцій від накипу
присвячено багато статей і технологічних рішень.
У Німеччині розроблені методики і отримані позитивні результати
випробувань захисного облицювання внутрішніх (робочих) поверхонь
теплообмінників та пароперегрівачів тефлоном, що дозволяє зменшити
мінералізацію цих поверхонь. При цьому зменшується коефіцієнт
теплопровідності пароперегрівачів і теплообмінників, що зменшує ККД
теплової станції в цілому [6].
У Японії запатентовано спосіб покращення показників корозійної
10
стійкості та зменшення шорсткості внутрішніх поверхонь пароперегрівачів,
який полягає у поверхневій обробці за допомогою лазерного опромінення.
При такій обробці тонкий поверхневий шар металу розплавляється, потім
швидко охолоджується і твердіє з утворенням дрібнозернистої структури [7-
10]. Нажаль, даний спосіб непридатний для обробки внутрішніх поверхонь
труб для пароперегрівачів довжиною понад п'яти метрів і внутрішнім
діаметром не більше 2,0 см.
Фірмою «Енерджетик Системс Інк» (США) запропоновано спосіб
очистки пароперегрівачів з латуні. По трубі під тиском 5...8 атм пропускають
воду з гумовими кульками діаметром 2...5 мм, які збивають з поверхні накип.
При цьому робоча поверхня наклепується, а структура матеріалу стає
дрібнозернистою [11]. Цей спосіб характерний високою собівартістю,
низькою технологічністю та ненадійністю.
Запропонована технологія полягає у зменшені мікронерівностей та
поруватості внутрішньої поверхні пароперегрівачів методом ультразвукового
(УЗ) полірування.
Сутність запропонованого методу полягає у наступному: робоча
(внутрішня) поверхня труби, в якій протікає робоча рідина, підлягає дії
механічних коливань високої частоти (УЗ-коливань). В якості робочого
середовища використовується проточна вода насичена повітрям від
компресора.
Кінетична енергія коливань, наявність рідинної фази і бульбашок
повітря, які утворюють центри кавітації призводить до кавітаційної ерозії
внутрішньої поверхні матеріалу труби. При цьому, одночасні механічні та
теплові дії на поверхневий шар призводять до утворення дрібнозернистої
структури.
Саме ця специфіка структури може дозволити дістати найбільш
ефективне рішення технічної проблеми уповільненого утворення накипу.
Відомо, що УЗ-полірування є ефективним способом захисту як від
11
мінералізації, у т.ч. високотемпературної, так і від абразивного зносу, що
визначається можливістю метода формувати поліровані поверхні з досить
широкими діапазонами показників шорсткості, хімічного складу та
структури [12].
Як альтернатива методу УЗ-полірування може виступати метод
плазмового напилювання. При плазмовому напилені утворюється тонке
покриття з порівняно малим переносом теплової енергії на межах розділу
"основа-покриття", при цьому покриття характерне обмеженням у
показниках адгезії і питомої густини.
Суттєвими недоліками цього методу є його висока собівартість, що
визначається високими цінами вихідних застосованих технологічних
матеріалів: аргону, водню, азоту - як плазмоутворюючих газів;
композиційних металоїдних порошків (у т.ч. самофлюсуючих) на базі
нікелю, хрому, кобальту, молібдену, вольфраму - як матеріалів, що
утворюють покриття. Плазмове напилювання захисного покриття, при цьому,
стає дорожчим заміни самої труб, навіть, якщо врахувати витрати на
незапланований ремонт [13, 14]. Іншим суттєвим недоліком є ускладнення
плазмового обладнання і технології плазмового напилювання при розв'язанні
даної проблеми.
Аналіз та критична оцінка результатів вищенаведених розробок вказує
на те, що жодна з них не відповідає комплексу експлуатаційних вимог до
робочих поверхонь високотемпературних пароперегрівачів. Так, дотримання
умов по забезпеченню максимальних показників стійкості до
газоабразивного зносу, відсутності наскрізної пористості і
високотемпературної корозійної стійкості матеріалів покриття, передбачає
максимальне збільшення густини поверхневого шару, що одночасно сприяє
збільшенню значень залишкових напружень, і в свою чергу, зумовлює
погіршення показників термостійкості і механічної міцності.
Дотримання вимог термостійкості і механічної міцності виключає
12
можливість існування надмірних залишкових напружень, що, зокрема,
реалізується збільшенням об'ємної пористості. Але, це суперечить вимогам
щодо гарантованої відсутності наскрізної пористості.
Тобто, визначення рішення сформульованої проблеми треба розглядати
як нестандартну технічну задачу, пошуку оптимальних співвідношень
взаємопротилежних критеріїв (до переліку яких входять десятки фізичних,
хімічних, теплофізичних, технологічних, конструкційних показників і
характеристик стосовно вихідного матеріалу, конструкції ультразвукової
установки, її окремих вузлів та деталей, параметрів процесу УЗ-полірування
тощо).
1.2. Сутність процесу ультразвукового полірування металевих
поверхонь
1.2.1. Механізм дії ультразвукового коливання на речовину
Активна дія УЗ на речовину, що призводить до незворотних змін в ній,
або дія УЗ на фізичні процеси, впливаючи на їхній хід, обумовлена в
більшості випадків нелінійними ефектами в звуковому полі. Така дія широко
використовується в промисловій технології; при цьому вирішувані за
допомогою ультразвукової технології задачі, а також і сам механізм
ультразвукової дії різні для різних середовищ.
Підбираючи параметри звукового поля, фізико-хімічні властивості
робочої рідини, її газовміст, зовнішні фактори (тиск, температуру), можна в
широких межах управляти процесом поліровки, оптимізуючи його стосовно
матеріалу полірованих виробів. Ультразвукова поліровка є різновидом
травлення в ультразвуковому полі, де дія УЗ поєднується з дією хімічних
реагентів (води, повітря і т.д.). Ступінь поліровки при цьому така висока, що
утворюються якісні поверхні з високим ступенем чистоти і шорсткістю
меншої 50 мкм [15]. При цьому суттєве значення має звукокапілярний ефект,
що забезпечує проникнення робочого розчину в найдрібніші тріщини і пори,
а сам обумовлений кавітацією. Цей ефект застосовується для просочення
13
пористих матеріалів, впливає на всі процеси ультразвукової обробки твердих
тіл в рідинах, ультразвукове диспергування твердих тіл відбувається під дією
мікроударних хвиль, що виникають при закритті кавітаційних пухирців, і
помітно інтенсифікується за наявності статичного тиску. Розмір отримуваних
при ультразвуковому диспергуванні частинок може складати десяті частини
мікрометрів.
1.2.2. Сутність процесу ультразвукового полірування
Процес ультразвукового полірування обумовлений поряд явищ, що
виникають в ультразвуковому полі значної інтенсивності: кавітацією,
акустичними течіями, тиском звукового випромінювання, звукокапілярним
ефектом. Ефективність полірування залежить від параметрів звукового поля,
визначуваного джерелами акустичної енергії, - частоти коливань,
інтенсивності звуку і від фізико-хімічних властивостей робочої рідини - її
в'язкості, пружності насиченої пари, поверхневого натягнення, газовмісту.
Вибір параметрів звукового поля і рідин з певними властивостями дозволяє
управляти явищами, що зумовлюють ультразвукове полірування. На
ефективність процесу впливають також зовнішні фактори, такі, як
температура і гідростатичний тиск в рідині. При цьому відбувається
руйнування поверхневих шарів, їх відшаровування і видалення, а також їх
часткове емульгування і розчинення. Вплив різних факторів на механізм
ультразвукового полірування і їх взаємозв'язок показані на схемі (рис. 1.1).
14
Ультразвукове полірування
Відшарування Кавітаційна ерозія Емульгування Розчинення
Кавітація
Акустичні потоки
Радіаційний тиск
Звукокапілярний ефект
Статич. Акустичні ефекти
тиск
Параметри звук. поля
Звуковий тиск Хімічна активність
Частота Пружність пари
Газовміст
Поверхневе натягнення
В’язкість
Температура Фізичні властивості рідини
Рис. 1.1. Схема взаємозв'язку фізичних факторів, що впливають на
процес ультразвукового полірування
Дослідження механізму ультразвукового полірування методом
15
швидкісної кінозйомки показали, що в залежності від того, наскільки міцна
структура полірованого матеріалу, переважаючу роль грають ті або інші
процеси [1, 16]. Так, руйнування слабо зв'язаних з'єднань відбувається в
основному під дією пульсуючих (не закритих) кавітаційних пухирців. На
краях мікронерівностей пульсуючі пухирці, здійснюючи інтенсивні
коливання, долають сили зчеплення частинок поверхні і окалини,
потрапляють під них (рис. 1.2), розривають і відшаровують її.
Рис. 1.2. Схема видалення частинок поверхні пульсуючими
кавітаційними пухирцями: а — початковий момент; б — момент руйнування.
Радіаційний тиск і звукокапілярний ефект сприяють проникненню
робочого розчину в мікропори, нерівності і глухі канали. Акустичні течії
здійснюють прискорене видалення частинок поверхні. Якщо ж частинки
матеріалу поверхні міцно пов'язані з поверхнею, то для їх руйнування і
видалення з поверхні необхідна наявність закритих кавітаційних пухирців,
що створюють мікроударну дію на поверхню. Тому з погляду
ультразвукового полірування поверхню можна класифікувати по таким
ознаках: 1) кавітаційній стійкості, її здатністю протистояти мікроударним
навантаженням; 2) міцності матеріалу поверхні; 3) ступені хімічної взаємодії
частинок поверхні з робочою рідиною, здатності останньої розчиняти або
емульгувати поверхневі частинки. Видами поверхневих полірованих шарів,
що часто зустрічаються, є: органічні залишки, які слабо пов'язані з
поверхнею, що очищається, і хімічно взаємодіють з водними розчинами, але
стійкі по відношенню до кавітації; накипи, які також кавітаційно стійки, але
відрізняються міцним зв'язком з поверхнею; окалина і окисні плівки, що
володіють кавітаційною стійкістю і міцним зв'язком з поверхнею, вони
16
взаємодіють лише з агресивними рідинами; продукти корозії, також міцно
пов'язані з поверхнею і взаємодіючі з агресивними середовищами, але
кавітаційно нестійкі; слабо пов'язані з поверхнею, що очищається, металевий
пил і шлам після того, як стравлюються кавітаційно нестійкі і відносно легко
видаляються.
1.2.3. Роль фізико-хімічних властивостей робочої рідини
При ультразвуковому поліруванні необхідно враховувати властивості
матеріалу полірованих виробів. Робоча рідина по своєму складу повинна
фізично взаємодіяти з поверхневими шарами, але не вступати в хімічні
реакції з матеріалом виробів щоб уникнути їх пошкодження. Не слід також
застосовувати ультразвукове полірування в тих випадках, коли кавітаційна
стійкість забруднень, наприклад пригарів формувального ґрунту на поверхні
литих виробів, вище кавітаційної стійкості матеріалу деталі, що очищається,
що передусім призводить до руйнування самого виробу.
Суттєвий вплив на протікання і розвиток в робочих розчинах
специфічних явищ, порушуваних УЗ, надають фізико-хімічні властивості
рідини. Підвищення пружності пари усередині пухирця різко знижує
інтенсивність кавітації, тому, наприклад, застосування для ультразвукового
полірування водних розчинів більш ефективно, ніж застосування органічних
розчинів, пружність пари в яких значно вище. Проте при поліруванні
поверхні прецизійних деталей напівпровідникової і електронної техніки, де
необхідно понизити мікроударні навантаження, щоб виключити
пошкодження ажурної конструкції, використовують органічні розчинники з
достатньо високою пружністю пари.
Складним чином на процес поліровки впливає газовміст рідини:
збільшення вмісту газу в пухирці знижує ерозійну активність рідини; з
другого боку, посилена дегазація рідини під дією акустичних потоків і
радіаційного тиску призводить до скорочення числа центрів кавітації, що
17
також знижує ефективність полірування. Регулюючи, з одного боку, процес
дегазації, а з іншою - спеціально вводячи газ в рідину, можна досягти
оптимального газовмісту. В ультразвукових полях малої інтенсивності
в'язкість рідини знижує ерозійну активність, оскільки із зростанням в'язкості
збільшуються втрати акустичної енергії. Проте при великій інтенсивності УЗ
і сильно в'язких рідинах (при коефіцієнті в'язкості - 50-100 Нс/м )
створюються сприятливі умови для кавітаційних процесів: сили в'язкого тертя
аналогічно надмірному тиску перешкоджають розширенню кавітаційного
пухирця після того, як настала стадія стискування в звуковій хвилі. Завдяки
цьому початкова стадія стискування кавітаційного пухирця наступає раніше,
збігаючись з початком стискування хвилі, підвищується швидкість і
скорочується час його закриття, зростає мікроударна дія.
На процес ультразвукового полірування впливає також поверхневе
натягнення рідини. В кінцевій стадії стискування під дією зростаючої сили
поверхневого натягнення збільшується швидкість закриття пухирців і
підвищується мікроударна дія кавітації. Проте із зростанням поверхневого
натягнення підвищується поріг кавітації і скорочується число кавітаційних
пухирців. Крім того, поверхневе натягнення погіршує процес змочуванні
поверхні полірованих деталей, перешкоджаючи проникненню робочого
розчину у вузькі щілини, отвори і зазори. Оцінюючи загалом вплив
поверхневого натягнення, в більшості випадків рекомендується зменшувати
його величину в рідинах, що використовуються при ультразвуковому
поліруванні. Для цієї мети користуються добавками поверхнево-активних
речовин, які покращують змочуваність поверхні і, створюючи якнайтонші
адсорбційні шари на поверхні частинок поверхні, сприяють більш легкому їх
відриву. Вибір розчинів для полірування визначається сукупністю
висловлених факторів.
Для поліровки в'язких деталей застосовуються водні (лужні) розчини, які
володіють рядом переваг в порівнянні з органічними: дешевизною, не
18
токсичністю, пожежобезпечністю. Як органічні розчинники
використовуються бензин, чотирьоххлористий вуглець, ацетон,
трихлоретілен, фреон тощо [17]. Найбільший інтерес для процесу
полірування представляють фреонові композиції, відмінні високою
розчинювальною здатністю, малою токсичністю, вибухобезпечністю і
можливістю регенерації. Для зняття окалини і нагару користуються
травильними розчинами сірної, соляної, азотної і інших кислот різної
концентрації залежно від полірованого металу.
Температура рідини в межах 40-50 °С є для водних розчинів
оптимальної. При більш низькій температурі знижується хімічна активність
розчину, а при більш високій - підвищується пружність пари. Якщо характер
процесу вимагає використовування органічних розчинників, то, щоб
понизити пружність пари, доцільно охолоджувати розчинники до 15-20 °С.
Для збільшення мікроударної дії при видаленні сильно пов'язаних з
поверхнею частинок застосовується підвищений до 2-4 атм гідростатичний
тиск.
1.2.4. Роль характеристик звукового поля
Для здійснення необхідного режиму ультразвукового полірування
необхідний також вибір оптимальних значень інтенсивності УЗ і частоти
коливань. З підвищенням частоти кавітаційний пухирець не досягає кінцевої
стадії закриття, що знижує мікроударну дію кавітації. Крім того,
збільшується поглинання акустичної енергії. Надмірно знижувати частоту
небажано через різке зростання шуму, а також збільшення резонансних
розмірів випромінювача. Тому більшість установок ультразвукового
полірування працює в діапазоні частот від 18 до 44 кГц. Підвищення
інтенсивності УЗ понад певну межу призводить до збільшення амплітудного
значення тиску, і кавітаційний пухирець вироджується в пульсуючий. При
занадто малих інтенсивностях слабо виражена кавітації і всі вторинні ефекти,
19
що виникають в рідині при введенні ультразвукових коливань і визначаючі
ефективність полірування. Тому інтервал інтенсивностей складає при
ультразвуковому поліруванні 0,5-10 Вт/см2.
1.3. Обладнання для здійснення процесу ультразвукового
полірування
1.3.1. Технологічні установки для ультразвукового
полірування матеріалів
Конструктивні особливості установок для ультразвукового полірування
дуже різноманітні і визначаються формою і розмірами полірованих деталей,
матеріалом, вимогами до якості поверхні і продуктивності. Основним
елементом конструкції ультразвукової установки є ємність (ванна). Залежно
від призначення, об'єм ванн може складати від 0,2 л до сотень л, потужність
УЗ - від 50 Вт до десятків кВт [18].
Живлення перетворювачів здійснюється залежно від необхідної
потужності транзисторними, ламповими, тиристорними генераторами. Для
забезпечення рівномірності ультразвукового поля у ванні використовуються
діафрагми, збуджувані системою розподілених перетворювачів, що згибно-
коливаються. В деяких конструкціях для рівномірності поліровки мілких
деталей застосовуються їх переміщення і струшування за допомогою
сітчастих контейнерів-барабанів, що поміщаються у ванну. Для поліровки
глибоких отворів або локальної поліровки окремих деталей застосовуються
перетворювачі з хвилеводами-концентраторами, оформлені у вигляді ручних
інструментів (рис. 1.3).
20
Рис. 1.3. Пристрій для поліровки глибоких отворів:
1 - хвилевід; 2 - діафрагма; 3 - магнітострикційний перетворювач; 4-
корпус; 5 - штуцер для подачі робочої рідини; 6 - курок-вимикач; 7-рукоятка.
Спеціальні резонансні хвилеводи застосовуються також для введення УЗ
в хімічно активні робочі середовища. Сучасні промислові установки є
складними пристроями, що включають системи автоматичного завантаження
і вивантаження деталей, підігріву, фільтрації і регенерації робочого розчину,
додаткові ванни для видалення зполірованих частинок без застосування УЗ,
пристрої для сушки деталей.
Для поліровки внутрішніх поверхонь труб (рис. 1.4) використовується
контактний метод ультразвукового полірування. Джерелом коливань служить
магнітострикційний перетворювач великої потужності (4 кВт). Полірована
труба пневматично затискається між циліндровим хвилеводом і
напівхвильовою опорою і поступово переміщається. Протікає по внутрішній
порожнині труби робочий розчин за допомогою насосу. Довгі труби
поміщаються співвісно в кільцеві випромінювачі, в яких вони переміщаються.
Якщо необхідно одночасно полірувати і зовнішню поверхню, то труба
поміщається і ванну з розчином.
21
Рис. 1.4. Схема установки для ультразвукового полірування внутрішніх
поверхонь труб:
1 - ультразвуковий концентратор; 2 - інструмент; 3 - труба; 4-
напівхвильова опора; 5 – перетворювач.
1.3.2. Магнітострикційні перетворювачі
В технологічних ультразвукових установках використовують
магнітострикційні перетворювачі (МП) в поєднанні з пасивними металевими
елементами - діафрагмами (рис. 1.5.а) і стержневими концентраторами -
хвилеводами (рис. 1.5.б) [19-21].
Випромінювачі на основі МП з діафрагмами широко використовуються
у ваннах ультразвукового полірування, в пристроях для дії УЗ на
різноманітні процеси, що протікають в рідкій фазі. МП з концентраторами
складають основу ультразвукових інструментів для механічної обробки,
зварювання, виконання хірургічних операцій тощо. МП з металевих
матеріалів володіють електроакустичним ККД ~ 50%. У феритових МП
завдяки відсутності витрат на струми Фуко і високій механічній добротності
ККД досягає 80-95% [19].
22
Рис. 1.5. Магнітострикційні перетворювачі:
а) для ультразвукових ванн, б) для ультразвукових інструментів
Інтенсивність, тобто питома потужність, двостороннього
випромінювання стержневих МП на резонансній частоті f0 визначається
виразом:
a2B2 S 2 2f
I = I I 2
мa cos 0 I ,
r 2 c
H S
де а — магнітострикційна константа;
rн — механічний питомий опір акустичного навантаження;
с — швидкість звуку в матеріалі сердечника;
ηма — механоакустичний КПД
Максимальна інтенсивність випромінювання Імах МП обмежується при
роботі значним акустичним навантаженням (наприклад, при випромінюванні
в рідину в докавітаційному режимі) нелінійністю властивостей матеріалу,
обумовленою явищем магнітного насичення. Для випромінювачів з нікелю
Імах досягає [20] 10-20 Вт/см2, для випромінювачів з залізокобальтових сплавів
(пермендюр) І 2
мах складає декілька десятків Вт/см , для феритових
випромінювачів -10 Вт/см2. При роботі з малим навантаженням (в
ультразвукових інструментах) обмежуючим чинником є механічна міцність
23
матеріалу. Так, у феритових випромінювачів при відсутності навантаження
амплітуда коливань обмежується величиною 2 мкм на частотах 20-40 кГц.
Для металевих випромінювачів амплітуда може досягати 10 мкм і більш.
Висока механічна міцність, відсутність спеціальних вимог до гідроізоляції і
електроізоляції сердечника є перевагами МП, що визначають в деяких
випадках їх перевагу перед п'єзоелектричними перетворювачами при
користуванні в діапазоні частот 1-100 кГ для задач гідроакустики і
ультразвукової технології. При користування феритових МП у фільтрах і
резонаторах [21] добротність їх досягне десятків тисяч при відносній
простоті виготовлення і зручності схемних рішень. МП на основі фериту-
граната ітрію (ІФГ) забезпечують пристроям акустоелектроніки в
акустичному СВЧ діапазоні добротність до 107.
1.3.3. Концентратори ультразвукових коливань
В установках технологічного застосування УЗ, як правило,
застосовуються концентратори у вигляді стержнів постійного (рис. 1.6 а, б) і
змінного перетину (рис. 1.6 в), у ваннах ультразвукового полірування -
випромінюючі діафрагми (рис. 1.6 г) [20].
У водному середовищі застосовуються концентратори у вигляді
п'єзокерамічних кілець з використанням поперечного і подовжнього
п'єзоефекту, причому в останньому випадку проводять секціонування кільця.
Такі концентратори працюють у відносно широкій смузі частот і володіють
ненаправленим випромінюванням в площині, перпендикулярної осі кільця.
24
Рис. 1.6. Види конструкцій УЗ-концентраторів:
а, б - стержневі з пасивними накладками, в - конічні, г - з діафрагмою; 1
— п'єзоелементи, 2 — пасивні елементи.
Концентратори у вигляді порожнистих п'єзокерамічних сфер,
поляризованих по товщини, застосовуються як широкосмугові ненаправлені
концентратори при роботі на поперечному п'єзоефекті в діапазоні частот
нижче за резонанс радіальних коливань сферичної оболонки.
Розрахунок концентратора як одного з видів електромеханічного
елемента має на меті встановити зв'язок між величинами електричними
(напруга на електродах U, струм через перетворювач І) і механічними
(прикладена до механічної системи сила F, зсув є або коливальна швидкість
v). Далі, після визначення цих параметрів розрахунок концентратора
проводять звичайним для електротехніки чином.
Для збільшення динамічної міцності концентратори зміцнюють шляхом
створення в них механічних напруг стискування, що, наприклад, на
стержневого концентраторах з п'єзокераміки досягається за допомогою
стягального болта. Значення напруги стискування при такому стягуванні
визначаються як п'єзоматеріалом, властивості якого не повинні істотно
змінюватися, так і конструкцією концентратора.
25
Величини обмежуючих факторів істотно залежать від вибору матеріалу і
від рівня технології виготовлення концентратора. Наприклад [21], в
концентраторах з кераміки ТБК-3 вони досягають: Е 6 10
доп = 2 10 В/м, σдоп=7
Н/м2; для не склеєних п'єзоелементів: σдоп
= 35 107 Н/м; при зміцненні
підтисканням σ= σдоп. Інтенсивність випромінювання і мода п'єзокерамічних
концентраторів в діапазоні частот ~ 10 кГц може досягати 5-10 Вт/см2,
чутливість широкосмугових концентраторів з п'єзокераміки в кілогерцовому
діапазоні складає 100-200 мкВ/Па.
1.3.4. Генератори ультразвукових коливань
Практично всі сучасні УЗ-генератори виконуються тиристорними або
напівпровідниковими [2, 18, 22]. Генератори можна поділити на дві групи:
1) з модуляцією несучого коливання, здійснюваного незалежним
стабільним джерелом; 2) з модуляцією автоколивань.
До основних технічних параметрів генераторного пристрою (ГП)
відносяться: робоча частота, вихідна потужність, ККД генератора,
стабільність і точність установки частоти, режим роботи тощо. Генератор
може мати одну або декілька фіксованих частот і підстроювання. Під
вихідною потужністю генератора розуміють активну електричну потужність,
що підводиться до навантаження. Звичайно передбачають регулювання
вихідної потужності в межах 50-100% її номінального значення. ККД ГП
характеризується відношенням його корисної потужності Р, що передається
навантаженням, до всієї споживаної генератором потужності Рел, тобто η =
Р/Рел.
Найбільш високо значення г| у тиристорних і напівпровідникових ГП.
Тиристорні схеми (рис. 1.7) дозволяють одержувати великі потужності
при низьких значеннях напруги живлення (200-600 В), їх ККД <0,98.
Використання в крайовому каскаді двох керованих вентилів-тиристорів при
26
роботі їх в інверторній схемі забезпечує високий ККД завдяки явно
вираженому ключовому режиму роботи при формі струму в імпульсі,
близької до прямокутної.
Рис. 1.7. Основні тиристорні схеми УЗ-генераторів:
а - послідовна; б - чотирьохтактна послідовна; в – одно тиристорна
Схеми управління тиристорами можна виконувати на малопотужних
транзисторах: малі напруги підвищують надійність і збільшують термін
служби ГП. Крім того, тиристорні генератори прості і мають низьку вартість
експлуатації.
При ультразвуковому поліруванні можливо також використання
задаючих генераторів з високою стабільністю (наприклад, кварцових) і
ланцюжків підсилювачів (стабільність частоти не гірша за 10-3 ) [22].
Слід зазначити, що переважно використовувати групи генераторів,
оскільки надійність тракту випромінювання зростає із збільшенням числа
паралельно працюючих генераторів. В цьому випадку при виході з ладу
одного або декількох генераторів, пристрій зберігає працездатність, хоча і з
гіршими параметрами.
27
Розділ 2. Конструкторський розділ
2.1. Розрахунок циліндрового магнітострикційного перетворювача
Розрахунок магнітострикційного короткого кільця набраного з
електрично ізольованих тонких пластин і здійснюючого радіальні пульсуючі
на нульовій моді коливання (рис.2.1, а) [22-24] проводять в такій
послідовності.
Рис.2.1. Магнітострикційне коротке кільце:
а - суцільне пульсуюче; б - суцільне, що осцилює; в - секціоноване
пульсуюче
1. Знайдемо частоту механічного резонансу:
- ненавантаженого кільця:
E A
~ ~
f = = 66,54eAo f = 2 f = 93,82eAo0 01 0 (2.1)
2r
- навантаженого кільця:
f
f = 0 ~
34eAop (2.2)
cr
1+
c E d
де r - середній радіус кільця, r = 7,5 мм; ЕE
ю = 0,72 ГПа, ρ = 7330 кг/м3
- модуль пружності і густина матеріалу кільця; індекс 01 відноситься до
28
першої моди коливань; β = 0,44 - безрозмірний коефіцієнт реактивного
опору випромінювання, визначуваний заздалегідь на частоті f0 (рис.2.2).
Рис.2.2. Безрозмірні коефіцієнти активного α і реактивного β опорів
випромінювання пульсуючого кільця в жорсткому нескінченному екрані при
різних відносинах середнього радіусу до висоти кільця
2. Розрахуємо коефіцієнт електромеханічної трансформації:
Neкв = 2π a/ (w n). (2.3)
Для кільця d = 0,25 г значення Neкв = 0,98 знаходимо на рис.2.3.
3. Знайдемо еквівалентні зосереджені параметри:
29
m = m = m = 2rdh; C A A r
yea 0 1 yea =Ci0 = 2C A
i1 = A (2.4)
2Ep hd
Для кільця при d = 0,25 r параметри m3KB = 1,05 і Секв = 1,02 знаходимо
по графіках (рис.2.3).
Рис.2.3. Залежність еквівалентних параметрів кільця від відношення
його товщини до середнього радіусу
4. Механічна добротність знаходиться по формулі:
1
QM = = 1,136. (2.5)
2
5. Знаходимо електричну напругу збудження, необхідну для
отримання заданої питомої потужності при резонансі:
S
U = pcPp.ї . = 249,7 В, (2.6)
N p
де Ррп - робоча потужність, Ррп = 1800 Вт; S = 2πrh = 235,5 мм2 ; αw = 0,3 і
αр = 0,75 - безрозмірні коефіцієнти активного опору випромінювання на даній
частоті і на частоті резонансу.
6. Знаходимо електричний опір:
iw
а) ємнісний: ХС = =1024,4Ом;
C0
б) індуктивний: X L = iwL0 = 3998,4Ом;
r
в) активного внеску: w p
RM = = 23,4Ом;
N 2
aea
w2L
г) електромагнітних втрат: R =
0 =17,5Ом;
I
2s n
30
−1
1 1
д) при резонансі: Z = +
p = 23,2Ом;
RM iwp L0
−1
1 1 1
е) поблизу резонансу: Z = + + = 19,9Ом; в якій Хм
R
n iwp L0 RM + iX M
rQ f f
визначається виразом: p
X
M = − =15,3Ом
2
N f
aea p f
де σп - коефіцієнт витрат на вихрові струми і гістерезис для схеми
зображеній на рис.2.4 [23, 25].
Рис.2.4. Коливальна система магнітострикційного перетворювача
7. Споживана електрична потужність знаходиться по формулі:
U 2 (R + R )
Р = I M
е = 6242Вт. (2.7)
R
I
RI
8. Остаточно знаходимо чутливість магнітострикційного
перетворювача на частоті електромеханічного резонансу:
Nwp L0 p
М р = = 0,45. (2.8)
pc
Враховуючи те, що механічна міцність металевих магнітострикційних
31
матеріалів вельми висока: межа міцності при розтягуванні складає сотні МПа
(у п'єзокерамічних матеріалів він рівний приблизно 20 МПа), допустима
питома акустична потужність магнітострикційних перетворювачів досягає 20
Вт/см2.
2.2. Конструювання магнітострикційного перетворювача
При конструюванні перетворювача необхідну форму коливань
вибраного активного елемента будемо реалізувати за рахунок відповідного
кріплення активного елемента до корпусу перетворювача (концентратора) і за
рахунок необхідного електричного включення відповідних частин активного
елемента.
У зв'язку з тим, що перетворювачі, що розробляються, призначені для
тривалої роботи в агресивному водному середовищі, для забезпечення
заданої надійності і довговічності необхідно здійснити електроізоляцію і
герметизацію тих частин їх активних елементів, які знаходяться під
електричною напругою.
Необхідну механічну міцність активних елементів перетворювачів-
випромінювачів забезпечимо армуванням за допомогою спеціальних
зміцнюючих деталей (бандажів, стягувань тощо) з металевих або полімерних
матеріалів. Для захисту від електрохімічної корозії використовуємо
корозійностійкий матеріал (титан марки ВТ-4). Елементи електроізоляції,
герметизація і армування повинні утворювати єдину коливальну систему з
активним елементом, тому необхідне відповідне їх механічне сполучення.
Для виключення непотрібного випромінювання звуку тильними і
протифазними ділянками поверхонь перетворювачів екрануємо їх
звуком'якими акустичними екранами, що відбивають.
Таким чином, задача конструювання нашого перетворювача зводиться
до вибору таких основних конструктивних елементів і їх сполучення, які
32
забезпечать необхідні ефективність, надійність і довговічність
перетворювача при його мінімальних розмірах, масі і вартості [24, 26].
Слід зазначити, що найширше застосування в сучасній технології
ультразвукової обробки знайшли магнітострикційні перетворювачі, що
забезпечують найбільшу ефективність і надійність при роботі в режимі
випромінювання.
Конструкція нашого магнітострикційного перетворювача на рис.2.5.
Рис.2.5. Циліндровий магнітострикційний перетворювач силової
конструкції:
1 - корпус; 2 - струмоввід; 3 - кріплення; 4 - бандаж; 5 –е лектроізоляція;
6-активний елемент; 7 - акустичний екран.
Активний елемент 6 цього перетворювача складається з найпростіших
електромагнітів (призм), склеєних один з одним. Електроізоляцію активного
елемента забезпечують шари твердих, рідких і газоподібних
електроізоляційних матеріалів 5, розташовані між активним елементом 6 і
корпусом перетворювача 1 або робочим середовищем. Герметизуємо
активний елемент, поєднуючи вулканізовані і склеєні шари герметизуючих
матеріалів (деталі 1, 3, 4). Відповідний вибір матеріалів і розмірів деталей
забезпечує механічну міцність всіх елементів. Механічну міцність активного
елемента у разі потреби можна підвищити накладенням елементів армування
33
4, створюючих спеціальні стискуючі напруги. Активний елемент кріпиться
до корпусу 1 за допомогою еластичного кріплення 3 з полімерних або
металевих матеріалів. Як акустичний екран 7 використовуються шари
матеріалів з високими коефіцієнтами віддзеркалення звуку у воді (шари
повітронаповнених полімерів і металоконструкцій).
В конструкціях електромагнітних перетворювачів застосовуватимемо
повітряну компенсацію гідростатичного тиску за допомогою об'ємів повітря
в гумових оболонках, рис.2.6.
Рис.2.6. Компенсовані конструкції магнітострикційних і
електромагнітних перетворювачів:
а, б, в - магнітострикційні, циліндрові (в) і стержневі з металевим (б) і
феритовим (в) пакетами; г - електромагнітні з компенсатором
гідростатичного тиску: 1 - магнітострикційний пакет; 2 - обмотка; 3 - постійні
магніти; 4-електромагніти; 5 - ярмо; 6 - корпус; 7 - компенсатор
гідростатичного тиску
Під впливом гідростатичного тиску істотно змінюються тільки
параметри екранів, параметри компенсованих конструкцій міняються мало.
Слід зазначити, що в даний час розробці компенсованих конструкцій
надають велику увагу [24, 27].
Найдорожчі елементи конструкцій перетворювачів - їх активні елементи
34
(магнітострикційні і електромагнітні пакети), акустичні екрани і елементи
металоконструкцій.
У зв'язку з малими розмірами застосовуватимемо електромагнітні
випромінювачі з повітряною компенсацією, які використовуються на
частотах до 100 кГц при тиску до 5 атм. Висока механічна міцність зумовила
також застосування магнітострикційних випромінювачів компенсованих
конструкцій [27].
2.3. Виготовлення магнітострикційного перетворювача
ультразвукової частоти
Процес виготовлення магнітострикційного перетворювача складається з
таких фізико-хімічних і механічних операцій, як металообробка, склеювання,
шліфовка, просочення, заливка, зварювання, штампування, пресування і
вулканізація матеріалів [22].
Різноманіття конструкцій перетворювачів визначає і різноманіття
технологічних операцій по їх виготовленню. Виготовлення
магнітострикційних і електромагнітних перетворювачів, складається з
наступних основних технологічних операцій: виготовлення необхідних
деталей - пластин з магнітострикційних і електромагнітних матеріалів,
каркасів, стягувань, котушок, постійних магнітів тощо; забезпечення
електроізоляції пластин з магнітострикційних і електромагнітних матеріалів
(оксидування, фосфатування та інше); складування пластин з
магнітострикційних і електромагнітних матеріалів в пакети з вбудовуванням
в них у разі потреби постійних магнітів; намотування котушок збудження і
підмагнічування із забезпеченням їх герметизації, електроізоляції і захисту
від механічних пошкоджень; з'єднання перетворювачів з мембранами,
корпусами, несучими конструкціями і акустичними екранами.
Щоб забезпечити в процесі виготовлення перетворювача дотримання
35
експлуатаційних характеристик з відповідними допусками, необхідна сувора
регламентація вимог до параметрів матеріалів, розмірів деталей (включаючи і
розміри дефектів, що допускаються) і значень технологічних зусиль.
Достатньо складна система виробничого контролю після завершення всіх
основних технологічних операцій забезпечує контроль за правильністю
формування акустичних характеристик перетворювача в процесі його
виготовлення.
36
Розділ 3. Технологічно-експериментальна частина
3.1. Обґрунтування вибору робочого середовища та інструменту
ультразвукового полірування
Робочим середовищем технологічного процесу ультразвукового
полірування є проточна (технічна) вода насичена повітрям від компресора
„ВУПР-5М" (насиченість води повітрям - 0,5 м.о.ч / 1 дм3). В якості робочої
ванни виступає внутрішня порожнина труби парогрівача, куди подається
робоча рідина під тиском 2-4 атм. В якості інструменту ультразвукового
полірування використовується концентратор виготовлений із технічного
титану марки ВТ-4 (99,4% Ті) ГОСТ 19807-74.
Використання технічної води, як робочого середовища, обумовлено
технологічністю, дешевизною, відсутністю її спеціальної попередньої
підготовки та екологічністю процесу ультразвукового полірування. Вибір в
якості матеріалу робочого інструменту - концентратора технічного титану
зумовлено гарними хіміко-механічними (міцність, корозійна стійкість,
хімічна стійкість тощо) властивостями [28]:
Температура плавлення - 1680 °С.
Мікротвердість HV - 80.
Модуль пружності Е, ГПа - 440.
Корозійна стійкість - 5 балів.
Хімічна стійкість - 4,0...4,4 од/моль.
Фізико-механічні властивості поліруємого матеріалу - латуні Л68 [28]:
Температура плавлення - 950 °С.
Мікротвердість HV - 25.
Межа міцності при розтягуванні, МПа - 240 (Т = 1150 К).
Модуль пружності Е, ГПа - 72.
37
3.2. Технологічність процесу ультразвукового полірування
Технологічні показники (точність, якість, продуктивність обробки)
визначаються в значній мірі специфікою методу обробки, особливостями
даного технологічного процесу та серійністю оброблених виробів. Такий вид
оцінки технологічності, як експлуатаційна технологічність, що проявляється
в скороченні витрат часу й засобів на технічне обслуговування та ремонт
виробів і приводить до підвищення продуктивності процесу ультразвукового
полірування включає наступні види робіт:
- пошук раціональних сортаментів та марок матеріалів, раціональних
способів, методів та режимів обробки (очистки) труб пароперегрівачів;
- розробку та використання прогресивних конструкторських рішень, які
дозволяють підвищити ресурс виробу.
Виробнича технологічність виробу проявляється в скороченні витрат
засобів та часу:
- конструкторську підготовку виробництва (КІШ);
- технологічну підготовку виробництва (ТПП);
Конструкторська підготовка включає в себе комплекс конструкторських
рішень спрямованих на зниження трудомісткості та собівартості оброблених
виробів, а в даному випадку - і до зниження собівартості продукту
виробництва теплової станції - теплової енергії.
До рішень технологічної підготовки виробництва слід віднести засоби,
що застосовуються для підвищення якості та продуктивності обробки. Вибір
раціональної послідовності операцій обробки повинен базуватися на
проблемі зниження браку. Побудова технологічного процесу повинна
забезпечувати потрібну точність розмірів та форми виробів. Розрахунок
режимів обробки повинен бути спрямований на підвищення основних
показників технологічного процесу, до яких належать робоча частота, робоча
потужність УЗ-генератора, тиск робочого середовища, час обробки.
38
Використання таких технологічних прийомів, як: додавання повітря в
робочу рідину, підвищення її температури, збільшення частоти та потужності
ультразвукового випромінювання дозволяє отримувати поверхню високої
якості (низької шорсткості) і значно підвищує швидкість обробки.
3.3 Вибір джерела ультразвукового випромінювання
В склад обладнання ультразвукового полірування входить генератор
високих частот марки УЗГ-04, що є джерелом ультразвукового
випромінювання.
Основні технічні характеристики УЗ-генератора:
1. Напруга живлячої мережі трьохфазного змінного струму, 220/380В
2. Діапазон робочих частот, 10-100 кГц
3. Діапазон робочих потужностей, 500-3000 Вт
4. Діапазон робочих напруг, 100-600 В
5. Коефіцієнт корисної дії, не менше 60%
6. Рівень шуму на опорному радіусі 3 м, не більше 95 дБА
7. Маса, 30 кг
8. Габаритні розміри (довжина х ширина х висота), 185x480x830 мм
3.4 Попередня підготовка виробів до ультразвукового полірування
В дипломній роботі розробляється технологічний процес
ультразвукового полірування труб пароперегрівачів з латуні марки Л68.
В основу попередньої підготовки поверхонь латунних виробів до
полірування покладено існуючий технологічний цикл очищення поверхні
металевих виробів енергетики, який поділяється на етап механічного
очищення, сушки і візуального контролю.
Етап очистки здійснюється механічним способом. Очищення від
39
різноманітних забруднень (пилу, слідів мастила, накипу) відбувається так: за
допомогою батистових серветок, які просічені спиртом, із застосуванням
механічної дії ці забруднення видаляються з поверхні.
Механічну очистку необхідно здійснювати на протязі не менше 15-20
хвилин, після її завершення вироби на протязі 3-5 хвилин промиваються
водою, що необхідно для видалення твердих залишків.
Після попередньої очистки заготовок потрібно провести контроль якості
проведеної очистки. Контроль поверхні здійснюється візуальним способом.
Оглядаючи вироби необхідно впевнитись у відсутності очевидних
забруднень на поверхні заготовок. В протилежному випадку потрібно ще раз
провести цикл очищення.
3.5 Підготовка технологічного оснащення до процесу полірування
Підготовча стадія складається з таких основних частин:
- монтаж технологічного оснащення (кріплення концентратора до УЗ-
головки і підключення останньої до УЗ-генератора);
- закріплення та базування труб пароперегрівачів в затискному пристрої;
- налаштування механізму переміщення концентратора в поліруємому
виробі.
Одним із основних обмежуючих параметрів підготовчої стадії є час між
закінченням попередньої очистки виробів та основним технологічним
циклом. Цей час має бути якомога меншим, оскільки в робочій зоні можуть
виникнути забруднюючі фактори (виділення органічних забруднюючих
речовин з шкіри людей, що обслуговують ультразвукове обладнання; пил
який заноситься ззовні на одязі та інших речах, і таке інше), які викликають
повторне забруднення поверхні очищених виробів. Тому, чим довше
знаходяться вироби на повітрі, тим більша ймовірність їх повторного
забруднення.
40
Відповідно до технологічного циклу та пристрою кріплення поліруємих
виробів за один цикл обробки завантажується до 10 виробів, які являють
собою труби з латуні марки Л68 товщиною стінки 6-12 мм, довжиною 6-9 м і
внутрішнім діаметром 20-50 мм. Вироби розташовуються на форсунках
затискного пристрою, який закріплений на пересувній платформі пристрою
переміщення.
Послідовність дій по підготовці виробів до процесу ультразвукового
полірування наведена нижче:
- закріпити труби-вироби на форсунках затискного пристрою механізму
переміщення;
- відкрити клапан подачі води в робочий об'єм;
- увімкнути систему підігріву робочої рідини;
- увімкнути компресор і подати повітря з робочий об'єм;
- за допомогою манометрів виставити необхідний рівень тиску робочої
рідини
Після того, як ми пересвідчились, що досягнуто заданого тиску робочої
рідини і він залишається сталим на протязі деякого часу, можна розпочинати
основний технологічний цикл.
3.6 Основний технологічний цикл
В основному технологічному циклі ультразвукового полірування
застосовано ультразвуковий концентратор із титану ВТ-4 кулькової форми
діаметром 15 мм.
Концентратор кріпиться на ультразвуковій головці і приєднується до
джерела високочастотних коливань за допомогою мідних зажимів. Цей
матеріал обрано з метою покращення підводу напруги високої частоти.
Для отримання високої якості структури внутрішньої поверхні латунних
виробів не останню роль грають основні параметри технологічного циклу.
41
До таких параметрів в першу чергу відносяться:
Робоча напруга Upo6 = 200-400 В
Тривалість одного циклу t = 1,5-2,5 хв
Робоча частота f = 18-44 кГц
Потужність ультразвукового випромінювання Р = 1000-2500 Вт
Інтенсивність ультразвукового випромінювання І = 0,5-10 Вт/см2
Швидкість переміщення інструменту v = 2,5-6,0 м/хв
Температура робочого середовища Т = 40...50 °С
Робочий тиск р = 3-4 атм
Так, повний технологічний цикл ультразвукового очищення партії з 10
виробів складається з 5-8 циклів, кожен з яких триває 1,5-2,5 хвилини.
Після виконання процесу полірування за оптимальними технологічними
параметрами внутрішня поверхня виробу повинна мати шорсткість поверхні
Ra ≤ 50 мкм.
3.7 Закінчення роботи ультразвукового обладнання
Після закінчення основного технологічного циклу необхідно виконати
усі дії, описані в пункті 3.3, але в зворотному порядку.
Після того, як вироби будуть вийняті з затискного пристрою,
проводиться їх візуальний контроль за допомогою лупи з невеликим
збільшенням та офтальскопу. Якщо не буде знайдено очевидних дефектів
можна приступати до наступної стадії контролю.
Для більш докладного контролю вибирається один зразок із партії
вважаючи, що всі інші мають однакову з ним якість.
Необхідно проконтролювати фізичну мікроструктуру та якість
полірованої поверхні, а також зносостійкість, загальну пористість та
мінералізаційну здатність внутрішньої поверхні труб пароперегрівачів.
По завершенню операції контролю труби транспортуються до
42
завантаження в пароперегрівач.
3.8 Дослідження мікроструктури внутрішньої поверхні труб
пароперегрівачів до і після ультразвукового полірування
Мікроструктуру і морфологію внутрішньої поверхні до і після
ультразвукового полірування досліджували з використанням поздовжніх і
поперечних шліфів на металографічному мікроскопі "Nikon" (Японія) та
растрового електронного мікроскопу РЗМ-100У (720.041. ТО), рис.3.1.
Мікротвердість структури поверхні вимірюється приладом ПМТ-3
(ГОСТ 9450-76), з навантаженням 1,96 Н на індентор - чотиригранну алмазну
пірамідку з квадратною основою.
3
а. б.
Рис.3.1. Мікроструктура внутрішньої поверхні труби пароперегрівача
після 2208 годин експлуатації, до (а) і після (б) ультразвукового полірування.
РЗМ-100У. 3б. х 1000.
1 - шар накипу; 2 - матеріал труби; 3 - порувата поверхня
Підготовка шліфів до досліджень проводилася стандартними методами:
грубе шліфування - корундовими абразивами різної зернистості, шліфування -
алмазними абразивами (алмазними еластичними дисками АС010, АСМ40,
АСМЗ), полірування - алмазною пастою АП1П. Для протравлення шліфів
використовувалися послідовно два реактиви: водний розчин аміаку - 200 мл, з
43
пероксидом водню (30%) - 100 мл та солянокислий розчин хлорного заліза
(хлорне залізо -10 г, НС1 - 25 мл, вода - 100 мл. Густина НС1 - 1,19 г/см3).
Для кожного зразка проводилося по 20 вимірювань мікротвердості на
довжині відрізку 50-100 мм через 2,5-5 мм, рис.3.2.
а. б.
Рис.3.2. Сліди алмазного індентора на внутрішній поверхні труби
пароперегрівача після 2208 годин експлуатації, до (а) і після (б)
ультразвукового полірування. ПМТ-3. МБР-9. 36. Х 400.
Твердість зразків оцінювалася Віккерсом, навантаження 1 кН. Залишкові
напруження визначалися за формулами [70]:
2
+
A D 2 6D
C = ND
(3.1)
1− 2 D + D
C ND
2
2
−
A D 6DND 2
AI = (3.2),
1− 2 D DND −
I
2
де σ , σ _
з вн тангенційні напруження на зовнішній та внутрішній
поверхнях труби, МПа; Е - модуль пружності, кг ∙ м2; µ - коефіцієнт
Пуассона, відн. од.; D3, DCР - зовнішній та середній діаметри труби після
розсічення, м:
1
DND = (DC + DAI ), (3.3)
2
44
де DBH - внутрішній діаметр циліндра, м; ΔD - зміна зовнішнього
діаметра труби після розсічення, м; δ - радіальна товщина, м.
ΔD = D3P - DB, (3.4)
де D3P - зовнішній діаметр труби після розсічення, який визначається за
формулою:
DC (1− )DCD = , (3.5)
+ DC
де Δε - приріст відносної деформації після розсічення.
Осьові відносні напруження розраховувались за формулою:
= − (3.6)
Z
1− 2
Визначення величини Δε проводилось методом вимірювання пружних
деформацій після розсічення зразків труби та вирізання з них смужок металу
[29].
При цьому передбачалась осьова симетрія розподілу залишкових
напружень, а також їх постійність по довжині зразка та лінійний розподіл по
товщині. Наприклад, на внутрішню поверхню труби (внутрішній діаметр 20
мм, довжина 6 м) наклеювався клеєм БФ-2 комплект тензодатчиків
(кількістю - 12 шт.), який забезпечив точність відліку відносної деформації
5∙10-6 відн. од. (рис. 3.3).
45
Рис.3.3. Схема процесу вимірювання тензодатчиками відносної
деформації внутрішньої поверхні труби пароперегрівача: 1 - об'єкт
дослідження (труба пароперегрівача); 2 - тензодатчики; 3 - електронно-
обчислювальна машина; 4 - аналогово-цифровий перетворювач сигналів; 5 -
загальна шина знімання сигналів; 6 - електричний дріт; 7 - схема
тензодатчика марки СПК (товщина вимірювального елементу - 1,5 мм).
Зчитування сигналів з тензодатчиків здійснювалась за допомогою
аналого-цифрового перетворювача марки АЦП-ПОМ з наступною обробкою
результатів на ЕОМ. Покази з тензодатчиків знімалися в два етапи (до і після
розсічення труби). Величина Ає була розрахована за наступними формулами
[30]:
1
= ln( ( )+1), (3.7)
К
де ξ(ε) - функція перетворення деформації при н.у.;
46
R
( )− (3.8)
R
I
ΔR = RE-ΔRI, (3.9)
де Rп - початкове значення опору тензодатчика, Ом; RK - опір
тензодатчика після деформації, Ом; К - чутливість тензодатчика.
Величину похибки при вимірюванні величин RK і RП визначали як
функцію інерційності (повзучості) тензодатчика за формулою [1]
10−3 10−6
I =1,5 e1,7 −1 + e 2,8 −1 ,
OA (3.10)
де τ - час випробування матеріалу труби на залишкову деформацію, с.
Модуль пружності матеріалу поверхні (Е) визначали при проведенні
механічних зразків по тангенсу кута нахилу лінійної ділянки діаграми
розтягу у координатах напруження (σ) - відносне подовження (σвп). З метою
приведення порівняльних характеристик до їх кількісних значень проведено
градуювання бальної шкали оцінки залишкових напружень. Встановлено
співвідношення: один бал умовних одиниць дорівнює 2,4 МПа (у діапазоні
значень 0 ÷ 60 МПа) [29].
3.9. Дослідження експлуатаційних властивостей внутрішніх
поверхонь труб пароперегрівачів після ультразвукового полірування
3.9.1. Випробування внутрішніх поверхонь на зносостійкість
Дослідження показників зносостійкості зразків у їх порівняльних
характеристиках проводилося на установці сухого тертя, схема якої показана
на рисунку 3.4. Зразок 1 жорстко закріплювався на валу електродвигуна 2,
який надавав зразку обертального руху з швидкістю ɷ = 90 об ∙ хв-1.
Внутрішня поверхня зразка піддавалася тертю з боку кільця З, розташованого
47
у стакані 4 з абразивом 5. Стакан 4 міг вільно пересуватися по горизонтальній
площині 6 за рахунок руху роликів 7. Навантаження на зразок утворювалось
за допомогою ваги 8.
Рис.3.4. Схема компонування стенду дослідження зразків на
зносостійкість: 1 - кільце тертя; 2 - електродвигун; 3 - досліджуваний зразок
труби; 4 - стакан; 5 - абразив; 6 - горизонтальна площина; 7 - ролики; 8 -
навантаження.
Зразки для випробувань (2) виготовлялися з труби внутрішнім діаметром
20 мм і шириною 25 мм з матеріалу латунь Л68. Шорсткість внутрішньої
поверхні труби після полірування становила Ra=50 мкм. Кільце тертя (3)
виготовляли зі сталі ШХ-15, загартованої до HRC 50 + 60. Внутрішній
діаметр кільця становив 12 мм, висота - 10 мм. Після загартовування робоча
поверхня кільця шліфувалася до Ra 0,63. Навантаження притискання зразку
до кільця 0,5 МПа. В якості абразиву застосовано рутиловий концентрат (97%
Ті02+3% АІ203) зернистістю М-63. За критерій зносостійкості прийнята втрата
маси зразку за фіксований відрізок часу - 8 годин. Зважування зразків до і
після випробування проводилося на аналітичних вагах АДВ-200 з ціною
48
поділки 0,1 мг. Стабільність зернистості абразивного матеріалу
забезпечувалася його заміною через кожні дві години досліджень.
Дослідження внутрішньої поверхні зразків на зносостійкість наведені в
таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 - Результати досліджень зразків на зносостійкість
Номер зразка (зносостійкість, г/год)
1 2 3 4 5
Вихідний зразок
0,0146 0,0155 0,0197 0,0151 0,0167
Зразок після ультразвукового полірування
0,0092 0,0097 0,0118 0,0101 0,0111
Тобто, після ультразвукового полірування не лише зменшилась
шорсткість зразків до 50 мкм, але й збільшилась його зносостійкість на % за
рахунок подрібнення структури їх поверхонь.
3.9.2. Дослідження внутрішньої поверхні зразка на загальну
пористість
Пористість зразків визначали методами прямого та гідростатичного
зважування [3]. Руйнування відповідних поверхонь здійснювалося різанням
на фрезерному або токарному верстатах з подальшим подрібненням до
зернистості 5-15 мкм у кульовому млині. Обраний модифікований метод
гідростатичного зважування відрізняється від загальноприйнятої методики
(ГОСТ 18889-73) застосуванням мідного дроту діаметром 0,03 мм для
підвішування зразка і багаторазовим зважуванням зразка насиченого рідиною
через 15-20 сек. Як рідину насичення використовували гас, у якому
витримували зразки не менше 24 годин при нормальній температурі.
49
Зважування виконувались з використанням аналітичних ваг АДВ-200 з
похибкою 10-7 кг.
Значення загальної пористості внутрішньої поверхні труб розраховували
за формулами (ГОСТ 188893-73):
m D2 A
= NOO−II , (3.11)
II − 2
m + m D A
I NOO−II − NOO−II
II
де- mСУХ-МО - маса сухого матеріалу основи, кг; тм - маса зразка
насиченого рідиною при першому зважуванні, кг; ρРІД - густина рідини, кг ∙ м-3
; ρмо
_ густина матеріалу основи, кг ∙ м-3 ; ΡСУХ-МО - густина сухого матеріалу
основи, кг ∙ м-3.
I
CAA =1− , (3.12)
де ρ - істинна густина матеріалу поверхні, кг м-3
Результати досліджень внутрішньої поверхні зразків на загальну
пористість наведені в таблиці 3.2, де в якості зразків виступали вирізані
сегменти полірованої ділянки труби із латуні Л68 в кількості п'яти штук.
Таблиця 3.2 - Результати досліджень зразків на загальну пористість
Номер зразка (загальна пористість, %)
1 2 3 4 5
Вихідний зразок
11,7 13,4 12,1 15,3 12,4
Зразок після ультразвукового полірування
7,4 8,9 8,1 9,5 7,8
50
3.9.3. Дослідження внутрішньої поверхні зразка на мінералізацій ну
здатність
Дослідження мінералізаційної здатності, як показника якісного
полірування та малої поруватості проводилося методом хімічного травлення.
Зразками виступали вирізані сегменти з кілець полірованої ділянки труби із
латуні Л68, які піддавалися наступному циклу випробувань.
Умови та послідовність проведення випробовувань. Хімічному
травленню були піддані п'ять паралельних зразків з полірованими
поверхнями при режимі ультразвукового полірування: робоча напруга Up06 =
250 В; робоча частота f = 34 кГц; потужність ультразвукового
випромінювання Р = 1800 Вт; інтенсивність ультразвукового
випромінювання І = 7,5 Вт/см2; температура робочого середовища Т = 42 °С;
швидкість переміщення інструменту v = 3,5 м/хв.
Розмір зразків вимірюють штангенциркулем з точністю до ±0,1 мм.
Площу поверхні сегменту обчислюють за формулою:
S=2H(R-r)+H(l1+l2)+(l2R-l,r)
де Н-висота сегменту, мм; R-радіус великого кола, мм; г-радіус малого
кола, мм; 11-дуга малої окружності, мм; 12-дуга великої окружності.
Перед дослідженням зразки знежирюють в етиловому спирті, сушать в
ексикаторі на протязі 0,5 години та зважують на аналітичних вагах з
точністю до 0,0002 г. Підготовлені таким чином зразки кладуть в фарфорові
тиглі на глибину 7-10 мм в реакційну суміш наступного складу: СаОН - 20
мас.ч.; Н20 - 120 мас.ч.; НС1 (20%) - 0,5 мас.ч.
Тиглі загружають в робочий простір муфельної печі типу "СНОЛ".
Потім вмикають нагрів та встановлюють відповідний режим. Початком
випробовувань вважають момент досягнення заданої температури в печі.
Випробовування проводять при температурі 50°С на протязі 24 годин.
Сталість температури (з точністю до ±0,5 °С) досягають за допомогою
51
терморегулятора «РИФ-101». Контроль температури здійснюють за
допомогою термопари.
Після завершення терміну нагріву зразки виймають з реакційної суміші,
охолоджують в ексикаторі до кімнатної температури, промивають в
етиловому спирті, сушать в ексикаторі на протязі 1 години та зважують на
аналітичних вагах.
Далі, зразки знову кладуть в фарфорові тиглі на глибину 7-Ю мм в
реакційну суміш складу: Н20 - 100 мас.ч.; оцтова кислота (96%) - 20 мас.ч.
Після процесу травлення (2 години при температурі 85 °С) зразки
промивають в етиловому спирті, сушать в ексикаторі протягом 1 години та
знову зважують на аналітичних вагах.
Результати вимірювань маси зразків після мінералізації та подальшого
травлення представлені в таблиці 3.3.
Таблиця 3.3 - Зміна маси зразків в процесі їх мінералізації та травлення
Номер зразка (маса зразка, г.)
1 2 3 4 5
Вихідний зразок
75,4937 74,9814 75,1466 77,7754 76,8113
Зразок після мінералізації
75,4941 74,9817 75,1469 77,7758 76,8117
Зразок після травлення
75,4934 74,9811 75,1463 77,7748 76,8110
Обробка результатів досліджень. Для кількісної оцінки ступеня
мінералізації зразків обчислюють ваговий показник мінералізації Кваг (г/м
год), який дорівнює відношенню зміни маси зразка в результаті мінералізації
з його подальшим травленням до одиниці його поверхні, за формулою:
m
Eaaa =
S (t − to) (3.13)
0 I 2I
52
де Δm - зміна маси зразку, r; S0 - початкова поверхня зразку, м2 ; tмін - час
мінералізації зразка, год; tтр, - час травлення зразка, год. Результати обчислень
представлені в таблиці 3.4.
Таблиця 3.4 - Результати обчислення вагового показника мінералізації
Номер Початкова поверхня Зміна маси зразка Ваговий показник
зразка зразка S0∙10-4, м2 Δm∙10-4,г мінералізації Кваг,г/м2
год
1 23,41 8 0,0155
2 23,06 8 0,0157
3 23,11 6 0,0118
4 25,22 10 0,0180
5 24,30 7 0,0130
За результатами випробувань роблять висновки про кінетику
досліджуваного процесу та дають оцінку стійкості зразків поверхонь труб
після ультразвукового полірування до утворення накипу.
53
Розділ 4. Охорона праці та цивільний захист
4.1 Охорона праці на ділянці ультразвукового полірування
високотемпературних пароперегрівачів
Небезпечними факторами ділянки ультразвукового полірування
виступають: висока напруга, локальні області високого тиску повітря і води,
а також високий рівень ультразвукового випромінювання. Згідно
особливостей технологічного процесу, в певних випадках необхідна
наявність оголених струмопідводів високої напруги (200-600 В), рідино- та
повітропроводів високого тиску (до 4 атм).
Тому, ультразвукове обладнання повинне мати максимально можливу
технічну безпеку при його експлуатації. Засоби індивідуального захисту слід
застосовувати в тому випадку, коли колективні міри захисту не дозволяють
забезпечити виконання вимог по безпеці праці.
Рекомендації по охороні праці при роботі на ультразвуковому
обладнанні щодо виробничих приміщень такі:
• Вхід в приміщення з ультразвуковим обладнанням дозволяється
персоналу, який має допуск по роботі на цьому обладнанні, в іншому
випадку - по виклику чи при вказівці.
• Робоче приміщення повинне бути гарно освітлене, щоб запобігти
тіньовій адаптації очей.
• Робітники, що знаходяться на ділянці ультразвукового полірування
при роботі УЗ-генератора зобов'язані використовувати навушники.
Загальні рекомендації при роботі на ультразвуковому обладнанні:
• Персонал, пов'язаний з обслуговуванням та експлуатацією
ультразвукових генераторів та обладнання ультразвукового полірування,
повинен проходити попередні, а також періодичні, не рідше одного разу на
рік, медичні огляди. При погіршені стану здоров'я робітник повинен без
запрошення з'явитися до лікаря для медичного огляду.
54
• На кожній ультразвуковій установці повинен бути повний комплект
документів щодо її придатності до експлуатації і технічного стану.
• Персонал, який обслуговує ультразвукове обладнання, повинен мати
спеціальну освіту, а також допуск до роботи на даному обладнанні.
Ділянка ультразвукового полірування пароперегрівачів представляє
собою приміщення загальним розміром 9 м х 9 м х 6 м в якому
розміщаються: ультразвуковий генератор, компресорна станція,
ультразвукова головка, високовольтне джерело живлення, шафи для
інструментів, вихідних та полірованих виробів, УЗ ванна для полірування
заготовок; письмові столи для конспектування спостережень під час роботи
на установці.
При роботі на ультразвуковому обладнанні особливої уваги слід
приділяти пилезахисту та вологозахисту приміщення, в якому розташована
технологічна ділянка. Дане приміщення повинне бути герметичним,
звуконепроникним і відповідати першому класу чистоти.
Ділянка ультразвукового полірування розташовується в приміщеннях
нижче рівня ґрунту чи на рівні першого поверху будівлі (+0,150 м).
Стіни, стеля та підлога приміщення - залізобетоні перекриття, які
покриваються шаром силікагелю та фарбують у світло-сірий колір масляною
фарбою у 2-3 шари. Віконні рами - подвійні. Двері закриваються герметично.
Усі ці заходи передбачено для підтримання на ділянці необхідного рівня
чистоти та звукової герметичності.
4.2. Мікроклімат
Згідно ГОСТ 12.1.005-88 "Мікроклімат. Загальні вимоги" встановлено
норми мікроклімату для створення нормальних умов роботи на ділянці. Ці
норми встановлюють оптимальні та граничні значення температури,
відносної вологості та швидкості руху повітря на ділянці враховуючи
надлишок тепла, пір року та роботи, яка виконується.
Допустимі мікрокліматичні параметри можуть викликати швидко
55
нормалізуючі зміни функціонального та теплового стану організму та
навантаження реакції терморегуляції, що не перевищують фізіологічні
можливості, які не впливають на стан здоров'я, але викликають дискомфорт,
погіршення самопочуття та зниження працездатності.
По ГОСТ 12.1.005-88 фізична робота на ділянці з ультразвуковим
обладнанням відноситься до категорії "II А" - робота середньої важкості.
Норми температури, відносної вологості та швидкості руху повітря на
ділянці з ультразвуковим обладнанням для даної категорії роботи наведено в
таблиці 4.1 [13].
Таблиця 4.1.
Порівняльні дані мікроклімату
Характеристики Оптимальні Допустимі Дійсні
норми норми дані
Теплий період року
Температура повітря, °С 22...24 21...25 21...22
Швидкість руху повітря, м/с 0,1 <0,2 0,1
Відносна вологість повітря, % 40...60 <70 50
Холодний період року
Температура повітря, °С 23...25 22...26 18
Швидкість руху повітря, м/с 0,1...0,2 <0,2 0,1
Відносна вологість повітря, % 40...60 <70 40
56
4.3 Вентиляція приміщення
До ділянок з ультразвуковим обладнанням ставиться ряд вимог, основна
з яких - це високий клас чистоти та мала концентрація пилу і водяної пари в
виробничій зоні. По цим причинам на ділянці не можна застосовувати
природне провітрювання. Повітря, яке подається на ділянку, повинно бути
профільтрованим, осушеним та очищеним від технічного пилу [14, 15].
Достатня вентиляція необхідна для видалення із робочого приміщення
водяної пари, яка утворюється в процесі ультразвукового полірування.
Згідно СНиП 2.04.05-86 для тонкого та надтонкого очищення повітря на
ділянці від атмосферного пилу будемо використовувати аерозольний фільтр
ФяЛ2. Ефективність очищення фільтром ФяЛ2 складає 97...99% при
коефіцієнті проскакування частинок 0,01...0,1% з середнім радіусом
0,14...0,17 мкм та навантаженні до 36 м3/год.
4.4 Шумо- та віброзахист ділянки
При роботі ультразвукового обладнання спостерігається
розповсюдження в оточуюче середовище різноманітних періодичних шумів
(робота компресору, ультразвукового генератора, ультразвукового
концентратора, високовольтного трансформатора тощо). Такі шуми шкідливо
впливають на нервову систему людини. Працівники швидко втомлюються,
подразнюються, падають їх професійні навички, що може привести до втрати
уваги і навіть до нещасного випадку.
Враховуючи достатньо велику питому потужність шуму - понад 90 дБА
(згідно ГОСТ 12.1.003-83 норма складає 80 дБА), локалізацію його основних
джерел і специфічність (частота - 18-44 кГц, інтенсивність - 0,5-10 Вт/см ),
необхідно вибрати як засіб боротьби з ним - захист його джерел кожухами із
шумопоглинаючих матеріалів (дерево, пінопласт, поруваті композиційні
57
матеріали тощо), для електричної апаратури - створення захисних
шумопоглинаючих бар'єрів (буферів, захисних корпусів), а для робітників -
обмеження часу знаходження на ділянці до двох годин та застосування
індивідуальних засобів захисту (навушників, гермошлемів тощо) [16, 17]. На
рисунку 4.1 представлені звукопоглинаючі характеристики деяких
матеріалів, що використовують для звукоізоляції.
Рис.4.1. Поглинання звуку деякими матеріалами в залежності від їх
товщини
Такі фактори, як: рух транспорту на вулиці; робота високоінерційного
обладнання в будівлі, де знаходиться ультразвукове обладнання, викликають
вібраційні збудження, які негативно впливають на точність його роботи та
працездатність працівників і обладнання.
Для віброзахисту використовують підкладки із різних амортизаційних
матеріалів. Матеріалами таких підкладок найчастіше виступають гума,
каучук, полістирол, деякі марки дерева. Наприклад, гумові підкладки
товщиною 8... 15 мм повністю гасять вібрацію 15Нх5Гц.
58
4.5 Засоби пожежезахисту на ділянці
При проектуванні ділянки з ультразвуковим обладнанням, особливої
уваги слід приділяти пожежній безпеці на цій ділянці. З цією метою
визначають категорію пожежонебезпеки на ділянці згідно ОНТП 24-86.
Робоче приміщення відноситься до категорії «Д» - виробництво, де в оберті
знаходяться негорючі речовини та матеріали в холодному стані. Ступінь
вогнестійкості приміщення - 1: усі конструктивні елементи будівлі - негорючі
[18-24].
З метою попередження пожеж на ділянці виконується ряд заходів: не
допускається складування на території ділянки технологічних відходів,
готових виробів та додаткових матеріалів; усі горючі протиральні матеріали
(бензин, спирт, уайт-спіріт) зберігаються окремо - в щільно закритій
металевій шафі; ділянка повинна бути оснащена первісними засобами
пожежегасіння, а усі системи пожежезахисту повинні знаходитися в
робочому стані; на доступних місцях повинні знаходитися схеми евакуації
робітників з даної ділянки на випадок пожежної небезпеки.
Враховуючи те, що ультразвукове обладнання знаходиться під напругою
до 1 кВ, а в шафі знаходяться легкозаймисті речовини, на ділянці повинен
знаходитись один вуглекислотний вогнегасник ОУ-5а та пожежна
сигналізацію на основі 4 автоматичних теплових пожежних сигналізаторів
ИП-105-2/1.
Усі елементи аварійного відключення систем живлення ділянки
виносяться в окрему силову шафу, яка розташовується окремо від іншого
електричного обладнання і містить силові ключі (по два на кожний вимикач)
та запобіжники.
59
4.6 Освітлення ділянки
Оскільки природне світло може потрапляти на дільницю лише за
допомогою вікон, площа яких становить 5... 15% від загальної площі
дільниці, то його доля в освітлені приміщення не перевищує 20...35%
загального світлового потоку. Збільшити площу вікон неможливо виходячи з
конструктивних особливостей приміщення даної дільниці [14].
Саме з цих причин основну долю освітлення дільниці становлять штучні
джерела освітлення - світильники з люмінесцентними лампами білого світла.
Для ділянки ультразвукового полірування застосовуються світильники
TCS 025/258D О [4] (потужність лампи ЛВО - 65 Вт; габаритні розміри
світильника - 81x186x1564 мм), які розташовуються на висоті 5.5 м у чотири
ряди по 3 світильника у кожному ряді. Рекомендована яскравість в полі зору
операторів повинна знаходитися в межах 1:5- 1:10; нормована освітленість
ділянки - Ен = 300 лк.
4.7 Безпека роботи на ділянці підвищеного тиску
Оскільки розроблена технологія ультразвукового полірування
передбачає наявність джерел підвищеного тиску (компресорів, пневмо- та
гідпроелементів, рідинно- та повітропроводів), необхідно дотримуватися
вимог та мір безпеки, що висуваються до ділянок підвищеного тиску.
До таких мір безпеки на ділянці УЗ-полірування відносяться наступні:
- огородження частин обладнання, які безпосередньо пов'язані з високим
тиском (пневмоакумуляторів, дроселів, клапанів, компресорів тощо) та
застосування знаків попереджуючих про високий тиск;
- обов'язкове дотримання усіма працівниками, які працюють на ділянці
техніки безпеки при роботі з обладнанням під тиском;
- ремонт, монтаж та огляд обладнання дозволяється лише при
60
виключених компресорах та стравленому повітрі в повітропроводі;
- наявність засобів індивідуального захисту робітників (рукавиць,
захисних окулярів та фартухів при роботі в безпосередній близькості від
елементів обладнання, які знаходяться під високим тиском);
- не допускається експлуатація зіпсованого обладнання.
4.8 Радіаційна безпека
Під час ультразвукового полірування пароперегрівачів другого контуру
АЕС з'являється ймовірність враження біологічної тканини - це залежить від
таких факторів, як діючі питомі енергії або потужності, первинне і вторинне
спрямоване іонізоване випромінювання, стан експонованої тканини
(наприклад, її пігментація, покриття волоссям і кровообіг) і різні фактори
зовнішнього середовища.
Біологічна дія випромінювання на організм людини в основному
обумовлений трьома видами механізмів впливу. Це термічний (почервоніння
шкіри та «зварення» враженої тканини), радіаційний (зумовлений дією
вторинних іонів) та фотохімічний (повністю не досліджений) ефекти.
Найбільш вразливою частиною організму людини при дії вторинного
випромінювання є око. Це перш за все відноситься до випромінювання в
видимому і ближньому ІЧ-областях спектра, хоча інші діапазони оптичного
випромінювання також можуть представляти серйозну небезпеку для зору.
Тому рекомендується застосування захисних окулярів з оптичними
фільтрами. Такі поглинаючі фільтри призначені для фільтрації відповідної
довжини хвилі іонного випромінювання, але іншу область видимого
випромінювання вони повинні пропускати без послаблення. Товщина фільтра
визначається енергетичними параметрами іонного променя. Особливою
проблемою при застосуванні захисних окулярів є термостійкість фільтра,
який використовується, оскільки частина світлового потоку перетворюється в
61
тепло.
Крім того монітори та дисплеї технологічного обладнання теж мають
свій фон (до 0,025 рад).
Для запобігання опромінення робітників можна використовувати ряд
засобів [12]:
- захисні екрани (свинцеві тонкі сітки чи свинцеве скло) на моніторах та
дисплеях знижують фон випромінювання до 7...12% від початкового
значення;
- екранування зон обробки спеціальними пристроями – екранами
(виготовлені із алюмінієвої чи свинцевої фольги), це зменшує фон майже у 70
разів;
- використання дистанційних засобів керування, а також звукової та
світової сигналізації повністю позбавляє від шкідливої дії
випромінювання.
4.9 Електрична безпека. Розрахунок захисного занулення ділянки
ультразвукового полірування
Ультразвукове обладнання містить багато електричних приладів та схем.
Це, насамперед, УЗ-генератор, який підключається до високовольтного
джерела живлення, системи контролю і керування (термінали, системи
переміщення, тощо). Усе це обладнання знаходиться під струмом
небезпечним для життя людини.
Згідно ПУЗ-87 ділянка відноситься до приміщення з підвищеною
електронебезпекою. В приміщенні використовується мережа 380/220 з глухо
заземленою нейтраллю. До розеток підходить п'яти-провідна мережа (фази А,
В, С, нуль робочий і нуль захисний).
Оскільки ультразвукове обладнання знаходиться під високою напругою,
то в такому випадку застосовуються попереджувальні надписи: "Обережно
62
висока напруга". При аварії ультразвукового генератора спрацьовує
автоматичне відключення останнього від мережі, при цьому загораються
відповідні сигнальні лампи.
Міри електричної безпеки на ділянці полягають в наступному [23]:
- ізоляція відкритих електричних частин обладнання;
- огородження енергонесучих частин обладнання та застосування знаків
попереджуючих про небезпечну напругу;
- обов'язкове проходження усіма працівниками, які працюють на
ділянці техніки безпеки по роботі з електрообладнанням до 1 кВ;
- ремонт, монтаж та огляд обладнання дозволяється лише при
виключеній напрузі;
- застосування одного із методів захисту електричного обладнання від
пробою (заземлення, занулення чи автоматичного відключення);
- винесення та огородження силових ключів в окремій шафі;
- наявність загального вимикача напруги на ділянці;
- наявність гумових килимок, рукавиць та фартухів при роботі в
безпосередній близькості від елементів обладнання, які знаходяться під
напругою;
- не допускається вологе прибирання приміщення при включеному
електрообладнанні;
- не допускається експлуатація зіпсованого обладнання, а також при
короткому замкненні в мережі.
Проведемо розрахунок захисного занулення ділянки ультразвукового
полірування [13].
Занулення - це навмисне електричне з'єднання з нульовим захисним
проводом металевих неструмовідних частин, які можуть опинитись під
напругою внаслідок замикання на корпус або за інших причин.
Занулення призначено для усування небезпеки ураження електричним
струмом у разі дотику до корпусу та інших неструмовідних металевих частин
63
електроустановки, яка опиниться під напругою внаслідок замикання на
землю. Вирішується ця задача іншим шляхом, ніж у випадку захисного
заземлення: швидким вимиканням від мережі пошкодженої
електроустановки. З моменту виникнення замикання на корпус і до
відключення електроустановки від мережі занулення виконує функцію
захисного заземлення, тобто знижує напругу дотику до безпечних значень.
Принцип дії занулення - перетворення замикання на корпус в однофазне
коротке замикання (тобто замикання між фазним та нульовим проводами) з
метою викликати струм, значно більший, ніж робочий, спроможний
забезпечити спрацювання захисту і тим самим автоматично вимкнути
ушкоджену електроустановку від мережі.
Розрахуємо систему занулення ультразвукового генератора, який
живиться від мережі напругою 380/220В з глухозаземленою нейтралю.
При замиканні фази на занулений корпус електроустановка автоматично
відключається, якщо струм однофазного короткого замикання Ікз задовольняє
умові:
Ікз≥kIном
де k - коефіцієнт кратності номінального струму Іном, А запобіжника. Так
як захист установки здійснюється плавкими запобіжниками, то згідно ПУЭ-
87 приймаємо k = 3.
Ікз≥kIном=3 Іном, А
Ікз=Uф/(Zт/3+Zп), А
де Uф - фазна напруга, 220 В;
ZT - опір трансформатора, ZT = 0,42 Ом (з'єднання обмоток
трансформатора "зірка - зірка").
Zп - опір петлі „фаза-нуль", яке визначається із залежності
2 ~ ~ ~
Z = (Ro + Ri) + (Oo +Oi +Oe)2
I (4.1)
Rф Rн - активний опір фазного і нульового провідника, Ом;
64
Хф, Хн - внутрішній індуктивний опір фазного і нульового провідника, Ом;
Хи - зовнішній індуктивний опір петлі "фаза - нуль", Ом.
Найменше допустиме значення: Ікз = 3*16 = 48 А
1. Розраховуємо опори з врахуванням матеріалу провідника: Rф,
RH, Хф і Хн:
Rф>=ρL/S, RH=ρL/S, (4.2)
де ρал - питомий опір провідника, для алюмінію дорівнює 0,028 Омм2/м;
S - переріз провідників, які йдуть:
S1- від трансформатора до ВРП у щитовій;
S2- від ВРП у щитовій до щита на дільниці;
S3- від щита на ділянці до УЗ-генератора;
L - довжина провідників, які йдуть:
L1 - довжина провідника від трансформатора до ВРП;
L2 - довжина провідника від ВРП до щита на ділянці;
L3 - довжина провідника від щита до УЗ-генератора.
Підставимо значення в формули (4.2) і отримаємо значення опорів
Rф1 = ρLl /S1 = 0,028*80/75 = 0,029 Ом;
Rф2 = ρL2 /S2 = 0,028*25/25 = 0,028 Ом;
RфЗ = pL3 /S3 - 0,028*20/10 = 0,056 Ом;
RфЗ = Rф1 * Rф2* RфЗ = 0,029 +0,028 +0,056 = 0,365 Ом;
RH = RH1 +RH2 + RH3.
де RHI - опір нульового провідника від трансформатора до ВРП;
RH2 - опір нульового провідника від ВРП до щита на дільниці;
RH3 - опір захисного нульового провідника від щита на дільниці до УЗ-
генератора.
RH1 = pLl/SHl = 0,028*80/50 - 0,044 Ом;
RH2 = pL2 /SH2 = 0,028*25/25 = 0,028 Ом
Нульовий захисний провідник буде виконаний зі сталі. Для визначення
його активності та внутрішнього індуктивного опору необхідно визначити
65
очікувану щільність струму і по визначеному перерізу провідника визначити
опір.
Густину струму визначаємо по формулі:
j = Ікз/S;
Для нульового провідника вибираємо провідник круглого перерізу з
діаметром 8 мм.
j = Ікз/S = 48/50,27 = 0,95 А/мм2.
Тоді: RH = rɷ*L3
rɷ = 7,50 Ом/км.
RH3 = rɷ* L3 = 7,50*0,02 = 0,15 Ом.
RH = RH1 + RH2 + RH3 = 0,044 + 0,028 + 0,15 = 0,222 Ом
Внутрішній індуктивний опір нульового захисного провідника.
Хн = XɷL
Хɷ = 4,50 Ом/км
Хн = Хɷ L3 = 4,50*0,02 = 0,09 Ом.
2. Переріз нульового провідника і його матеріал вибирають з умови, щоб
повна провідність нульового дроту була не менше 50% повної провідності
фазного дроту.
1 1
RH + X H 2(Rф + X ф )
1 1
(4.3)
0,222+ 0,09 2(0,365)
0,3121,36
Значення Хф і Хн для алюмінієвих провідників малі і ними можна
знехтувати. Підставивши значення опорів в формулу (4.3) видно що умова
виконується.
3. Знаходимо зовнішній індуктивний опір петлі "фаза-нуль" 0,6
Ом/км:
Хи = 0.6 (Lф+Lн)
де Lф, LH - довжина провідників (фазного і нульового)
66
Хи = 0,6 (0,125 + 0,125) = 0,15 Ом.
Опір петлі «фаза-нуль», який визначається за формулою (4.1):
2
ZП = (Rф + Rн) + (Хф + Хн + Хи)2 =
2 2
= (0,0626+ 0,222) + (0,09+ 0,15) = 0,68Ом
4. Знаходимо струм короткого замикання Ікз:
Ікз = Uф / (ZT/3 + Zп) = 220 / (0,42/3 + 0,68) = 87 А
5. Перевіримо умову надійного спрацювання захисту (Іпл.вст= 16 А):
Ікз≥3 Іпл.вс
87 А ≥ 48 А
Оскільки дана умова виконується, то розрахунки захисного занулення
виконані вірно.
4.10 Цивільний захист на ділянці
Заходи по забезпеченню евакуації людей із екстремальної зони, а також
по ліквідації наслідків стихійного лиха поділяються на інформативні,
колективні та індивідуальні.
Інформативні заходи включають в себе наявність схем евакуації із
різних приміщень будівлі, гучномовців в місцях масового скупчення людей та
на вулиці, знаків попередження та застереження в тих зонах, які найсильніше
підпадають під дію катаклізму.
Колективні та індивідуальні заходи забезпечують організовані дії
окремих працівників, їх груп та всього колективу в цілому під час ліквідації
наслідків лиха та евакуації із екстремальної зони.
Керує усіма заходами директор підприємства. За порядком евакуації та
ліквідації наслідків слідкує спеціально створений на підприємстві комітет по
цивільній обороні.
До стихійних лих, які найбільш негативно впливають на роботу на
ділянці ультразвукового полірування і на безпеку людей відносяться:
67
блискавки, землетруси, наводнення.
Блискавка, при попаданні в електричне обладнання може вивести його із
ладу і навіть викликати пожежу на ділянці. Для уникнення цього треба
користуватися громовідводами (по одному громовідводу на 10 м2
приміщення).
Оскільки ділянка ультразвукового обладнання розташовується на рівні
землі, а конструкція приміщення така, що воно будується з декількох
несучих плит та перекриттів, то невеликі землетруси (до 5 балів) не
зруйнують будівельну конструкцію. Більше того, приміщення можна
застосовувати як сховище від землетрусу для працівників усієї будівлі де
розташована ділянка.
Наводнення - небезпечне природне явище для ділянки ультразвукового
полірування. Під час весняних паводків чи сильних дощів вона може
підтоплюватися. Це в свою чергу може вивести із ладу все електричне
обладнання та сприяє електричному короткому замиканню. Тому, при
проектуванні ділянок слід особливої уваги уділяти рівню підземних вод,
клімату та рельєфу місцевості. Впровадження каналів для відводу води від
ділянки гарантує безпечну роботу на ділянці під час сильних дощів та
весняних паводків.
68
ВИСНОВКИ
В кваліфікаційній роботі магістра проводилися розрахунок і
конструювання технологічного обладнання та відтворення технології
ультразвукового полірування внутрішніх поверхонь високотемпературних
пароперегрівачів теплових станцій.
Проведено розрахунок основних техніко-експлуатаційних характеристик
ультразвукового магнітострикційного концентратора та генератора та
сконструйовано по результатам цих розрахунків інструмент для полірування
внутрішніх поверхонь латунних труб-пароперегрівачів -магнітострикційний
концентратор.
Складено технологічний процес ультразвукового полірування
внутрішніх поверхонь, який якісно відрізняється від відомих способів
демінералізації труб пароперегрівачів і набагато покращують якість поверхні
(мікронерівності зменшуються до 5 мкм, кількість центрів накипоутворення
зменшується в 25-30 разів).
Проведено дослідження пароперегрівачів на зносостійкість та
результати досліджень на загальну пористість та мінералізаційну здатність
показали найкращі результати серед відомих способів очистки, полірування
та демінералізації внутрішніх поверхонь металевих виробів.
Завдяки покращенню якості та зменшенню шорсткості внутрішніх
поверхонь пароперегрівачів внаслідок проведеної розробки технологічного
процесу та обладнання було показано підвищення продуктивності
пароперегрівачів на 35-40% та збільшення часу міжремонтної експлуатації
теплових станцій.
69
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Прокопенко Г. І., Бурмак А. П., Клочко О. М. та ін. Фізичні основи
ультразвукового ударного зміцнення металевих поверхонь : монографія. Київ :
Академперіодика, 2017.
2. Дрозденко О. І., Лейко О. Г., Шершун М. С. Ультразвукові технології та
апарати : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024.
3. Ткачук А. А. Технологічні основи зміцнювально-вигладжувального
оброблення поверхонь обертання : монографія. Луцьк : Волиньполіграф, 2014.
4. Мякота І. С. Виготовлення прес-форм з використанням плазмового
напилення сплаву Cu–Al–Fe на неметалеві матеріали : дис. ... канд. техн. наук.
Черкаси, 1999.
5. Биков В. І., Мякота І. С., Пономаренко А. М., Тунь О. І. Нанесення
термозносостійких покриттів. Вісник ЧІТІ. 1996. Ч. 2. С. 79–83.
6. Hruzevych A. V., Shvets V. V. Improving the reliability of power complex
equipment by electric arc spraying. The Paton Welding Journal. 2021. No. 10. DOI:
10.37434/tpwj2021.10.06.
7. Szymański K., Hernas A., Moskal G., Myalska H. Thermally sprayed coatings
resistant to erosion and corrosion for power plant boilers – A review. Surface and
Coatings Technology. 2015. Vol. 268. P. 153–164. DOI:
10.1016/j.surfcoat.2014.10.046.
8. Singh J., Kumar S., Mohapatra S. K., Saini N. Hot corrosion behavior of
thermal spray coatings on superalloy in coal-fired boiler environment. Journal of
Materials Research. 2015. Vol. 30, No. 10.
9. Sidhu T. S., Prakash S., Agrawal R. D. Elevated temperature erosion–corrosion
of thermal sprayed coatings on boiler tube steels. Wear. 2003. Vol. 254. P. 106–116.
10. Chen S., Wang W., Wang X. et al. High-temperature corrosion characteristics
of Ni–20Cr–xSi coatings for heating surfaces. Coatings. 2023. Vol. 13, No. 8. Art.
1320.
11. Maj I., Hernas A., Moskal G. et al. High-temperature corrosion in a multifuel
70
circulating fluidized bed boiler. Fuel. 2022. Vol. 332. Art. 126047.
12. Lindmark H., Kassman H., Pettersson J. Corrosivity of KOH(g) towards
superheater materials in a combustion environment. Fuel. 2025. Vol. 383. Art.
133206.
13. Song B., Pala Z., Voisey K. T. et al. Laser cladding of Ni50Cr: a parametric
and dilution study for boiler applications. Physics Procedia. 2016. Vol. 83. P. 501–
510.
14. Hagström S., Johansson L.-G., Pettersson J. Thermal spray coatings in
industrial boiler environments: a review. Journal of Thermal Spray Technology.
2024.
15. Singh J., Kumar S., Mohapatra S. K. Advances in corrosion-resistant thermal
spray coatings for superheater tubes. Journal of Thermal Spray Technology. 2020.
Vol. 29.
16. Ijiri M., Okada N., Kanetou S. et al. Thermal stress relaxation and high-
temperature corrosion of Cr–Mo steel processed using multifunction cavitation.
Materials. 2018. Vol. 11, No. 11. Art. 2291. DOI: 10.3390/ma11112291.
17. Voloshko S. M., Vasyliev M. O. Application of ultrasonic surface treatment
technologies in additive manufacturing and post-processing. Mechanics and
Advanced Technologies. 2024. No. 1.
18. Hocheng H., Tsai H.-Y. Fundamental study of ultrasonic polishing of mold
steel. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2002. Vol. 42. P. 7–
13.
19. Shiou F.-J., Pan J.-N., Ding Z.-L., Lin S.-P. Ultrasonic-assisted surface
finishing of STAVAX mold steel using lab-made polishing balls on a 5-axis CNC
machining center. Materials. 2023. Vol. 16, No. 17. Art. 5888. DOI:
10.3390/ma16175888.
20. Chen Y., Yi J., Wang Z. et al. Experimental study on ultrasonic-assisted
electrolyte plasma polishing of SUS304 stainless steel. The International Journal of
Advanced Manufacturing Technology. 2023. Vol. 124. P. 1035–1049. DOI:
71
10.1007/s00170-022-10646-w.
21. Chen X., Liu Z., Wang T. et al. Multi-objective optimization in ultrasonic
polishing of silicon carbide. Materials. 2023. Vol. 16, No. 16. Art. 5673.
22. Bi C., Liu Z., Wang T. et al. Improvement of roughness in ultrasonic assisted
polishing by parameter optimization. Scientific Reports. 2024. Vol. 14. Art. 60153.
23. Keymanesh M., Hafezi M., Irani M. Ultrasonic surface treatment techniques
based on cold working: a review. Advanced Engineering Materials. 2024.
24. Березюк О. В., Бойко А. О. Теплотехніка та енергетичне обладнання :
навч. посіб. Київ : НПУ імені М. П. Драгоманова, 2021.
25. Теплотехнічний довідник : у 2 т. / за ред. В. Н. Юренєва, П. Д. Лебедєва.
Київ : Техніка, 2004. Т. 1.
26. Бойченко С. В., Іванченко А. В. Матеріалознавство та технологія
конструкційних матеріалів : навч. посіб. Київ : НАУ, 2019.
27. Квасницький В. В., Єршов Г. І., Квасницька Ю. В. Наплавлення,
напилення та споріднені технології відновлення і зміцнення деталей : навч.
посіб. Київ : Освіта України, 2015.
28. Поверхнева інженерія та зміцнення деталей машин : навч. посіб. / за ред.
В. А. Троценка. Суми : СумДУ, 2018.
29. ДСТУ 8302:2015. Бібліографічне посилання. Загальні положення та
правила складання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
30. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і
техніки. Структура та правила оформлення. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
31. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
спеціальністю 131 - «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм
навчання [Електроне видання] / Уклад.: Г.В. Канашевич, О.О. Коваленко,
Є.В. Хижняк; М-во освіти і науки України, Черкас. технол. ун-т. – Черкаси :
ЧДТУ, 2023