Дипломная (вкр): Усовершенствование технологических процессов диагностирования и восстановления форсунок впрыскивания бензина

Детали , которые очищаются, (это могут быть не только форсунки, а и карбюраторы, топливные насосы и т.д.) помещаются в ванну в специальную жидкость, где находятся при включенном ультразвуковом генераторе на протяжении 15-30 минут (в зависимости от степени загрязнения, характеристик ультразвуковых ванн, применяемой жидкости). Однако, у форсунок, в отличии от других деталей, есть некоторая особенность - желательно ,чтобы в процессе очистки они «работали» - то есть открывался и закрывался клапан. Для этого в стендах для очистки форсунок предусмотрены очистки блоки управления форсунками, что подают сигнал на форсунки с заданной частотой и продолжительностью (которые имитируют соответственно нужные обороты двигателя во время впрыскивания).

Эффективность очистки повышается, если промывочную жидкость нагреть. Для качественной очистки достаточно небольшой мощности ультразвукового излучателя - 50-100 Вт при объеме ванны до 2 л. Наиболее распространенные ванны, расчитаны на частоту частоту амплитудной модуляции ультразвуковых колебаний 20-44кГц.

Ультразвуковая очистка эффективна при любых степенях загрязнения (при большой степени загрязнения этот способ вообще является незаменимым). В большинстве случаев в результате ультразвуковой очистки можно достигнуть заводских параметров работы форсунок.

Применение ультразвука в процессах очистки

Одним из наиболее перспективных направлений ультразвука в машиностроении является очистка поверхностей деталей и узлов от жировых и механических загрязнений. Качество очистки поверхностей деталей и узлов механизмов во многом определяют сроки их службы и надежность работы. Особенно тщательная очистка требуется для деталей которые быстро вращаются, подшипников, электрических контактов, реле, топливной аппаратуры, а также деталей электронной вычислительной техники, часовых механизмов, оптических приборов и т.д. механическая ручная очистка даже с применением различных растворов не всегда отвечает требованиям современного промышленного производства. Если же детали имеют сложную форму с труднодоступными отверстиями и полостями, то их хорошо очистить практически невозможно. Высококачественная очистка деталей от жировых отложений занимает важное место в современной технологии массового производства. Долгое время на машиностроительных заводах для очистки деталей от жировых загрязнений применяли моющие машины, которые не всегда обеспечивали достаточную чистоту деталей. Кроме этого применяли и другие методы очистки: пескоструйный дробеметный, гидравлический, химический и электрохимический, промывка органическими растворителями, выпаливанием нагара и т.д. Однако все эти методы не отвечают современным требованиям технологических процессов.

Внедрение на многих промышленных предприятиях ультразвукового технологического оборудования позволяет сэкономить большие средства. Особенно это характерно для предприятий, где ультразвуковые установки для очистки могут быть включены в автоматическую или полуавтоматическую линию технологического процесса.

Одним из основных преимуществ ультразвуковой очистки перед другими способами удаления загрязнений его высокое качество. При полоскании например, на поверхности деталей остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке - порядка 55%, при ручной - около 20%, апри ультразвуковом - не более 0,5%. Кроме этого, детали которые имеют сложную форму, труднодоступные места, узкие щели, маленькие отверстия и полости или не разборные детали хорошо очищаются только с помощью ультразвука. Ёще одним преимуществом ультразвуковой очистки заключается в том, что при достаточно высоком качестве очистки нет необходимости больших физических затрат труда, возможность замены огнеопасных или дорогих органических растворителей более безопасными и дешевыми водяными щелочными растворами, жидким фреоном и т.д.

.4.1 Физическая сущность ультразвуковой очистки

Кавитация - это сложный комплекс явлений, связанных с возникновением, развитием и захлопыванием в жидкости мелких воздушных пузырьков разного происхождения. В технике можно найти немало примеров, где кавитация приводит к разрушению поверхностей деталей. Это явление может возникать при высоких скоростях движения жидкости, которая находится под высоким давлением, например в системах топливоподачи дизелей, что приводит к эрозионному разрушению внутренних поверхностей трубопроводов высокого давления. Кавитационному износу подвержены внешние поверхности цилиндров ДВС, омываемые охлаждающей жидкостью, в которых при повышении температуры возникают колебания стенок цилиндров, обусловленные сгоранием.

Кавитацию можно вызвать и искусственным способом, влияя на жидкость звуковыми или ультразвуковыми колебаниями, механическими, гидравлическими или электрическими генераторами. Ультразвуковые волны, которые образуются в жидкости, создают чередующиеся, области повышенного и, пониженного давления, которые образуют зоны высоких давлений и зоны разряжений. В разряженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил молекулярных связей. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость разрывается, образуя при это большое количество мелких пузырьков газа и пара, который находился до этого в жидкости в растворенном состоянии. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, пузырьки которые образовались раньше, захлопываются. Процесс захлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим мгновенным местным давлением, которое достирает нескольких сотен бар. Напряжение растягивания , необходимое для разрыва жидкости, зависит от количества растворенных в ней газов. В жидкости имеются определенные места неоднородности (зародыши), которые содержат под высоким давлением, где и образуется разрыв жидкости. Условия равновесия газового пузырька определяется отношением

 (4.1)

где Р - давление газа в пузырьке;

Р0 - гидростатическое давление;

а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;- радиус пузырька.

Ультразвуковая очистка - сложный процесс, который совмещает местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений и благоприятствует эмульгированию жировых примесей. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить её ультразвуком, то под действие ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи. Кроме этого, в жидкости возникает много пузырьков, не связанных с кавитациооными явлениями. Эти пузырьки проникают в поры, щели и зазоры между загрязнениями и поверхностью детали. Под действием ультразвуковых волн пузырьки интенсивно колеблются, также вызываю разрушение верхнего загрязненного слоя. Но колеблющиеся пузырьки являются второстепенным явлением при очистке, решающее значение имеет ультразвуковая кавитация.

Звуковые (ультразвуковые) волны являются носителями звуковой энергии. Общее количество энергии, как источник звука излучаемый в окружающую среду за единицу времени, характеризует звуковую мощность источника, выражаемую в Ваттах.

Следует заметить, что для электроакустического преобразователя акустическая мощность меньше подведённой электрической мощности. Коэффициент полезного действия громкоговорителя динамического типа невелик и составляет всего несколько процентов.

В большинстве случаев, для потребителя практический интерес представляет не общая акустическая мощность, излучаемая во все стороны, а только та, которая доходит до приёмщика звука. Часть общей мощности, которая приходится на единицу площади, называется интенсивностью звука. В каждой точке пространства, отдаленной от источника звука, который излучает энергию от источника звука на радиус r, интенсивность звука одинакова. Таким образом можно записать:

, (4.2)

где I - интенсивность звука;

Р - общая мощность излучающего источника,

, (4.3)

S - площадь шарообразной поверхности с радиусом r.

В меру отдаления от источника, с увеличением радиуса r увеличивается площадь сферы S, а интенсивность звука уменьшается.

Непосредственно измерение интенсивности звука связано с большими техническими трудностями, и на данный момент не существует приборов, которые позволяют непосредственно измерить этот параметр.

С помощью акустических приборов можно сравнительно просто измерить эффективное звуковое давление и колебательную скорость частиц среды, величин которые на прямую зависят от интенсивности звука. Звуковое давление р представляет собой избыточное колебательное давление в среде относительно давления, которое существует там до появления звуковых волн (единица измерения Н/м2). Колебательной скоростью v называют мгновенную скорость колебательного движения частиц среды относительно положения равновесия (единица измерения м\с). Эта скорость зависит от частоты колебаний и величины звукового давления. Колебательная скорость частиц и распространение звука с имеют одинаковую размерность, но представляют разные понятия.

Примером приемников звукового типа может служить большинство типов современных микрофонов, которые преобразуют это давление в пропорциональные электрические сигналы. Конструкция некоторых микрофонов позволяет получать напряжения, пропорциональные колебательной скорости.

Интенсивность звука I связанна со звуковым давлением и колебательной скоростью простой зависимостью

 (4.4)

Если звуковая волна распространяется в свободном пространстве, где нет отражения звука, тогда

 (4.5)

c - скорость звука в среде,м/с.

Знаменатель ρc (Н/м2·с) характеризует среду, в которой происходит распространение звуковой энергии, и называется её акустическим сопротивлением. Для воздуха при нормальном давлении и температуре 20оС ρc=420 Н/м2·с.

Если из формулы (4.5) в формулу (4.4) подставить значения колебательной скорости, то после преобразования получим

. (4.6)

Существует некоторая аналогия между отдельными понятиями которые характеризуют электрические и акустические явления, и уравнения, которые описывают количественные зависимости между ними.

Интенсивность звука является аналогом электрической мощности, звуковое давление - аналогом напряжения, колебательная скорость - току, а акустическое сопротивление соответствует электрическому сопротивлению. По аналогии с законом Ома для электрической цепи можно говорить про акустический закон Ома.

Наличие пузырьков в жидкости приводит к возникновению кавитации даже при незначительной интенсивности ультразвуковых колебаний. Максимальную интенсивность ультразвука, необходимую для возникновения кавитации можно определить из выражения

, (4.7)

где Ра - переменное звуковое давление,

ρ - плотность жидкости,

с - скорость распространения звука в жидкости.

Поэтому очень важно управлять кавитациноным процессом.

Влияние различных факторов на процесс очистки

Ультразвуковая кавитация в жидкости зависит от её плотности, вязкости, температуры, молекулярной массы, состава газов, наличия посторонних микроскопических соединений, частоты и интенсивности ультразвуковых колебаний, статического давления и других факторов. Целенаправленным изменением нескольких этих факторов можно влиять на активность кавитационного процесса в нужном направлении. Например, в воде кавитация сильнее, чем в растворителях. Наличие газа в жидкости повышает эффективность кавитационных явлений. С увеличением температуры жидкости интенсивность кавитации возрастает, до определенного максимума, пройдя который начинает падать. Эффективность кавитации находится в прямой зависимости от интенсивности ультразвуковых колебаний и в обратной зависимости от их частоты. При очень высоких ультразвуковых частотах кавитацию вообще невозможно получить. Большое значение в интенсивности процесса ультразвуковой кавитации имеет подбор определенных отношений между интенсивностью ультразвуковых колебаний и избыточным статическим давлением в жидкости. Анализирую в целом влияние на интенсивность кавитации всех параметров, которые находятся в уравнении кавитационной динамики, предлагается следующий ряд эрозионной активности (χ), где параметры расположены с лева на право в меру возрастания их роли в увеличении χ:

σ, R0, f, ρ, μ, Рп, Ар, Р0, (4.8)

где σ - поверхностное натяжение;

R0 - начальный радиус пузырька;

р - плотность жидкости;- частота колебаний;

μ - вязкость;

Рп- давление насыщенных паров;

Ар - амплитуда звуковых волн;

Р0 - статическое давление.

.4.2 Влияние избыточного давления в промывочной жидкоси

Уровень кавитационной эрозии в жидкости можно существенно повысить, подбирая определенные соотношения между звуковым и статическим давлениями.

Опыты показали, что интенсивность кавитации в основном зависит от частоты ультразвука, а также звукового и статического давления. Если повышать одновременно звуковое и статическое давление, интенсивность ультразвуковой кавитации, а из этого и интенсивность эрозии (очистки) возрастает. При повышении статического давления до 0,4 - 1,0 МПа интенсивность ультразвуковой кавитации резко возрастает.

Установлено, что при повышении давления до 0,5 МПа, а потом и до 1,0 МПа область кавитации сужается в объеме и сохраняется только над центром излучателя, где ультразвуковое давление максимальное. При этом полностью пропадают пульсирующие пузырьки, возрастает эрозионная активность жидкости и резко возрастает скорость акустических волн. Повышение статического давления обеспечивает более равномерное распределение областей кавитации в объеме жидкости.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что разработанный новый метод является универсальным. Он позволяет повысить интенсивность ультразвуковой кавитации и обеспечивает значительное ускорение кавитационного разрушения твердых твердых тел и поверхностей пленок в любых жидкостях. Необходимо отметить, что повышение эрозионной активности жидкости происходит без увеличения затрат энергии. Интенсивность процесса кавитационного разрушения при повышенном статическом давлении значительно расширила область применения ультразвука в технике. Создано ряд принципиально новых технологических процессов, которые получили промышленное применение: удаление заусениц с мелких точных деталей, выборочное дробление синтетических и природных алмазов, получение порошков сверх тонкой дисперсности, ультразвуковая очистка и т.д.

Опыты показали, что при движении маленьких пузырьков между ними возникают то силы притяжения, то силы отталкивания. Притягиваясь, пузырьки сливаются, создавая пузырьки большего размера. В свою очередь, они притягивают следующие, более мелкие пузырьки, в результате чего происходит их непрерывный рост. В определенный момент пузырек изменяет свою форму. Эти явления обусловлены действием переменного давления, что возникает в жидкости под действием ультразвуковых колебаний. Процесс роста и сокращения пузырьков в жидкости происходит с частотой, равной частоте изменения давления, то есть с частотой ультразвуковых колебаний. При сокращении пузырька из его центра распространяется сферическая ударная волна, а максимальное давление, которое возникает в жидкости на расстоянии 1,587 радиуса от центра пузырька: