Повышение надежности судовых энергетических установок применением ультразвуковых технологий

Современное морское судно представляет собой сложное инженерное сооружение, при постройке и эксплуатации которого используются достижения различных отраслей науки, — от астрономии, радиолокации и гидродинамики до теплотехники и ядерной энергетики. Крупнотоннажные морские суда могут перевозить несколько тысяч пассажиров и десятки тысяч тонн грузов. Мощность паросиловых установок современных морских судов исчисляется десятками и сотнями тысяч киловатт. На ледокольно-транспортных судах, буксирах, каботажных пассажирских судах, паромах, пожарных и спасательных судах, т. е. на судах, работающих с переменными режимами, от которых требуются высокие маневренные качества, применяется электропередача. В этом случае главными являются многооборотные двигатели, работающие на электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для питания гребных или других электродвигателей. Для небольших каботажных судов, буксиров и рейдового флота целесообразно применение дизельных силовых установок. Расходы на работу и обслуживание собственно судовой энергетической установки (СЭУ) составляет более половины общих расходов. Экономичность силовой установки зависит во многом и от текущих расходов на ее обслуживание и ремонт [11].

В области проектирования, эффективной эксплуатации и ремонта СЭУ наиболее известными являются работы российских ученых Барановского A.M., Беляковского Н. Г., Гаврилова М. Н., Глушкова С. П., Зуева А. К., Истомина П. А., Калашникова С. А., Крылова А. Н., Лебедева О. Н., Марченко О. Я., Орлина А. С., Папковича П. Ф., Сомова В. А., Юра Г. С., Янчеленко В. А. и др.

Эффективным решением проблемы совершенствования промышленных технологий ремонта СЭУ является использование новых источников (или видов) энергии. Одним из них является ультразвук. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности обеспечивают многократное ускорение процессов, протекающих на границе контакта материалов и среды (очистка, пропитка, полимеризация, предотвращение образования накипи, и др.), повышая качество обрабатываемых изделий.

Эффективность ультразвуковых воздействий на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями. [130,145,139] В направлении практического использования ультразвука наиболее известны: предприятие ЭЛМА (Германия), предприятие «Ультрасоник» (Украина), научно — исследовательские лаборатории, возглавляемые Г. В. Алексеевым (Владивосток) и В. Н. Хмелевым (Бийск). Из отечественных научно-исследовательских институтов наиболее известен Акустический институт имени Н. Н. Андреева. Несмотря на достигнутые ими результаты, в области ультразвуковой обработки деталей сложной формы в гидравлической среде существует множество нерешенных проблем как в научной, так и в практической областях. Ультразвуковые технологии до настоящего времени почти не использовались в производстве вследствие того, что в ультразвуковых генераторах использовались электронные компоненты низкой степени интеграции. К тому же излучающие элементы на основе магнитострикционных материалов обладали низким КПД и во время работы создавали вокруг себя вредные паразитные излучения (акустические и электромагнитные), соизмеримые по интенсивности с полезным воздействием.

Перспективный путь использования ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в технологических процессах ремонта СЭУ может быть реализован в мощных, высокоэффективных ультразвуковых технологических установках, изготовленных на базе современной электронной техники и пьезокерамических излучающих элементов.

1. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности обеспечивают многократное ускорение процессов, протекающих между жидкими и жидкодис-персными средами (растворение, очистка, дегазация, пропитка, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизация, полимеризация, предотвращение образования накипи, и др.). При этом не только увеличивается выход полезных продуктов (например, экстрактов), но и в ряде случаев им придаются дополнительные свойства (например, биологическая активность и стерильность). Кроме того, удается получить вещества с новыми свойствами (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии).

2. Воздействие ультразвуковых колебаний на хрупкие твердые материалы позволяет осуществлять технологические процессы, практически не реализуемые традиционными методами — размерную обработку (сверление, снятие фасок, выполнение пазов) таких материалов, как керамика, полупроводниковые материалы, стекло, самоцветы, ферриты и т. п.

3. Ультразвуковые колебания позволяют интенсифицировать многие процессы, происходящие на границе контакта материалов (сварку металлов и полимерных материалов, склеивание), ускоряя технологические процессы и повышая качество получаемых изделий.

Несомненные и уникальные достоинства ультразвуковых технологий должны были обеспечить их широчайшее использование при решении сложных проблем современных производств, ориентированных на выпуск конкурентоспособной продукции. Однако отмеченные выше достоинства ультразвуковых технологий до настоящего времени почти не используются в практической производственной деятельности. Причин этому несколько. а) До недавнего времени ультразвуковые аппараты изготовлялись из электронных компонентов низкой степени интеграции, а излучающие элементы и волноводы представляли собой сложные конструкции на основе магнитострикционных материалов.

Использовавшиеся в производственной практике мощные генераторы ультразвуковых колебаний обладали очень низким КПД и во время работы создавали вокруг себя вредные излучения (акустические и электромагнитные), несоизмеримые с полезными воздействиями. б) Малое распространение ультразвуковых технологий было обусловлено тем, что отсутствовал рынок потребителей мощных ультразвуковых аппаратов, и только рыночное развитие экономики стимулировало появление множества предприятий, успешная деятельность которых в значительной степени зависит от эффективности используемых технологий. в) Широкое внедрение ультразвуковых технологий сдерживалось отсутствием методического обеспечения, регламентирующего применение ультразвуковых технологий и аппаратуры в промышленности. г) Реализация ультразвуковых технологий и применение ультразвуковых аппаратов ограничивались отсутствием комплексного подхода к измерениям параметров аппаратуры, технологических процессов и готовой продукции, способного обеспечить оптимальную настройку аппаратов и максимальную эффективность ультразвуковых воздействий на обрабатываемые среды.

Из вышеизложенного очевидно, что перспективный путь интенсификации различных технологических процессов с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности должен получить дальнейшее развитие, и должен быть реализован в малоэнергоемких, высокоэффективных ультразвуковых установках. Использование ультразвуковых технологий может иметь важное значение при ремонте и обслуживании судовых энергетических установок (СЭУ).

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка научных основ очистки деталей СЭУ в гидравлической среде с использованием ультразвука и основанных на этом экологически чистых технологий очистки узлов и деталей техники, а также технологий пропитки обмоток электрических машин.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

— проанализировать существующие технологии очистки деталей и пропитки изоляции электрических машин СЭУ и выработать рекомендации по их совершенствованию;

— провести теоретическую оценку особенностей ультразвуковой обработки объектов в гидравлической среде;

— рассчитать и разработать типовые модульные ультразвуковые системы с целью унификации конструкции;

— разработать принципы оптимизации конструкций ультразвуковых технологических систем очистки и пропитки по критерию максимальной эффективности;

— разработать технологии очистки деталей и пропитки изоляции с привязкой к условиям ремонта дизель-генераторов и гребных двигателей СЭУ;

— провести исследование различных типов моющих растворов с привязкой к конкретным деталям дизелей СЭУ.

Методы исследования. В ходе выполнения исследований использованы методы математической физики, математической статистики и планирования экспериментов, методов линейной оптимизации. Использованы методы компьютерного моделирования и проектирования с использованием программных пакетов AutoCAD, MathCAD, KOMTIAC-3D.

Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач, представляющих научную новизну и позволяющих обеспечивать решение поставленной задачи.

1. Предложены новые подходы к технологиям очистки и пропитки, основанные на прогрессивных физических методах.

2. Разработаны математические методы и модели воздействия ультразвука в гидравлической среде на детали сложной формы.

3. Предложены и разработаны математические модели оптимизации конструкций рабочих емкостей и мест размещения ультразвуковых излучателей плоской и объемной конфигураций;

4. Разработан и запатентован новый способ возбуждения ультразвуковых излучателей, обеспечивающий возникновение регулярных потоков в активной среде под воздействием вращающегося ультразвукового поля.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами внедрения ультразвуковых технологических установок на ремонтных предприятиях, практическими испытаниями и экспериментами, проведенными на реальных объектах.

Практическая ценность работы. Результаты исследований позволили создать новые ультразвуковые технологические установки для пропитки изоляции электрических машин и очистки деталей, внедренные в ряде ремонтных предприятий. Разработаны новые технологии очистки для большой номенклатуры деталей судовых энергетических установок, включая элементы дизелей, механическое и электрическое оборудование. Предложена и внедрена методика проектирования модульных ультразвуковых технологических систем, включающая основные электронные блоки, унификацию конструкций, типоразмеров, оптимизацию размещения излучателей и способов управления ими. Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на ряде предприятий транспорта, в том числе на четырех ремонтных заводах, в 27 ремонтных предприятиях транспорта и военно-промышленного комплекса России, а также на предприятиях Украины, Латвии и Казахстана. Подтвержденный только двумя ремонтными заводами годовой экономический эффект составил более 1,5 млн. рублей. Срок окупаемости технологических установок и соответствующих технологий составляет от 1,5 до 10 месяцев.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях: «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», Новочеркасск, 2000; «Динамика систем, механизмов и машин» Омск, 2002; «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП — 2002, АПЭП 2004, Новосибирск- «Science, Education and Society. Electric Traction Equipment» Zilina, 2003; «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии». Омск. 2003; «Совершенствование управления научно-техническим прогрессом в современных условиях». Пенза, 2004; «Наука в транспортном измерении», Киев, 2005. «Проблемы развития рельсового транспорта», Луганск, 2005; «Ресурсосберегающие техноло.

10 гии на железнодорожном транспорте", Красноярск, 2005, и научно-технических конференциях в Новосибирской академии водного транспорта, 2002;2005 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 печатных работах, из них 5 в центральной печати и 4 за рубежом. По теме работы выполнены 4 отчета по НИОКР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Объем основной части диссертации составляет 131 страниц, 6 таблиц, 49 рисунков, список из 149 использованных источников.

Выводы по главе.

1. Проведен анализ критериев качества очистки поверхностей. Установлено, что существующие стандарты не удовлетворяют требованиям к функциональной надежности судовой техники. Сформулированы требования к качеству очистки.

2. Выполнено исследование способов и технологий очистки деталей во время ремонта. Установлено, что при использовании ультразвуковых технологий производится переход на пожаробезопасные и экологически чистые технологии с минимальным загрязнением окружающей среды.

3. Рассмотрены существующие ультразвуковые системы пропитки изоляции электрических машин СЭУ. Выявлены их недостатки и предложены рекомендации по совершенствованию. щ ф.

ГЛАВА 2 АНАЛИЗ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В АКТИВНОЙ ЖИДКОСТНОЙ СРЕДЕ.

2.1 Характеристика ультразвуковой волны.

Упругие волны принято делить на инфразвуковые с частотой до 20 Гц, звуковые, частота которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц, ультразвуковые с частотой от 20 кГц до 100 МГц и гиперзвуковые, частота которых превышает 100 МГц. Это деление по частоте в значительной мере условно, поэтому, говоря об упругой волне частотой, например 18 кГц, можно называть ее как звуковой, так и ультразвуковой.

Распространяющуюся в среде гармоническую ультразвуковую волну можно описать уравнением [78] х a = A-smco (t—) (2.1) с j где, а — смещение частиц среды относительно положения равновесия, А — амплитуда смещения, со = 2ж/Т = 2 ж / - круговая частота (Т — период, / - частота волны), t — время, с — скорость волны, х — текущая координата. Величина co'(t — х/с) называется фазой волны.

Ультразвуковая волна, как и любая другая, периодична в пространстве и во времени. Временной период Т и пространственный период Л, который называется длиной волны, связаны между собой соотношением:

Л = сТ = ~ (2.2).

Частицы среды, в которой распространяется ультразвук, совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Можно считать, что в области, где существует ультразвуковая волна, одновременно распространяются волны смещений, скоростей и ускорений. Если волна смещений описывается формулой (2.1), то две последние выражаются формулами: d x и = —a = coA cos co (t—), (2.3) dt с d x b = —и = -co2Asma)(t—), (2.4) dt с где U = 6) Avib = co2A— соответственно амплитуды скорости и ускорения.

Участок среды объемом V и массой /я, в которой распространяется волна, обладает потенциальной энергией: kV о)2А2 2, х.

—-=—COS 0)(t —.

2 с2 с.

Wn=———cos'<�"(/—), (2.5) где к — модуль упругости (Юнга), и кинетической энергией:

Wk=^—co2A2 cos2 G)(t — -), (2.6).

2 С т где р = — — плотность среды.

Из этих формул видно, что потенциальная и кинетическая энергии бегущей волны изменяются в одной фазе. Полная энергия участка волны — величина переменная, зависящая от t и х, определяется выражением:

W = wn + wk=^(+ р) со2А2 cos2 a>(t—) (2.7) С с.

При распространении волны энергия переходит из одних участков среды в другие. Из закона сохранения энергии в упругой волне максимальные значения потенциальной и кинетической энергии должны быть равны между собой.

Приравняем формулы (2.5) и (2.6) и найдем 2 + р. После преобразований скорость упругой волны определится выражением: Г с = Л—. (2.8).

VP.

Подставляя полученное значение скорости в формулу (2.7), будем иметь:

W = Vpco2A2 cos2 0)(t — -). (2.9) с.

Акустическая энергия, заключенная в единице объема среды, через которую проходит ультразвук, называется плотностью энергии. Плотность энергии W (х ^ = р со2 А2 • cos2 со A t—, — величина переменная. Поэтому ультразвуко.

V с) вую волну часто характеризуют средней по времени плотностью энергии. Среднее значение квадрата косинуса любого аргумента равно ½, следовательно, средняя плотность энергии равна:

Е = —рй)2А2 = 2л:2 рА2 f2 = — pU2. (2.10).

Интенсивность, или сила ультразвука определяется как количество энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения ультразвука. Из приведенных определений следует, что интенсивность / тесно связана со средней плотностью энергии:

1 = сЕ = 2 n2A2f2pc = ±U2pc. (2Л 1} л.

Интенсивность ультразвука измеряется в Вт/см .

Произведение р с, входящее в формулу (2.11), получило название акустического сопротивления среды.

При распространении ультразвуковой волны в среде возникают области сжатия и разрежения. Появляющееся при этом переменное давление называется звуковым. Звуковое давление выражается формулой: х р = р0 + Аре со cos co (t —) 12) где р0 — давление в среде в отсутствии волны, Р = А-рссо — амплитуда переменного звукового давления. Из формул (2.11) и (2.12) видно, что амплитуда звукового давления связана с интенсивностью соотношением: которое показывает, что интенсивность ультразвука обратно пропорциональна акустическому сопротивлению среды.

Из формул (2.3) и (2.12) следует также, что отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости равно акустическому сопротивлению среды: Р.

JJ- = Р° (2−14).

2.2 Физические свойства ультразвука 2.2.1 Акустические свойства.

Ультразвук и звук — это волны одной природы, поэтому все явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот. Звуковые и ультразвуковые волны распространяются с определенной скоростью, зависящей от свойств окружающей среды [74]. При распространении ультразвуковые и звуковые волны переносят энергию, причем часть энергии «теряется» в среде, что приводит к затуханию волн. Для ультразвуковых волн, так же как и для звуковых существует явление Доплера — эффект изменения воспринимаемой приемником частоты волны при движении приемника или источника относительно среды. Это свойство используется в ультразвуковых расходомерах. Скорость звука в определенных условиях зависит от частоты. Это явление, называемое дисперсией, имеет место и в ультразвуковом диапазоне.

Переход звуковых и ультразвуковых волн из одной среды в другую сопровождается отражением и преломлением на границе раздела сред. При наложении нескольких когерентных звуковых волн происходит явление интерференции. То же явление наблюдается и для ультразвука. Если звуковая или ультразвуковая волна встречает на своем пути препятствие, она огибает его. Это явление называется дифракцией упругой волны. Ультразвуковые и звуковые волны могут быть как продольными (в газах, жидкостях и твердых телах), так и поперечными (в твердых телах).

2.2.2 Характерные особенности ультразвука.

Существует обширный класс явлений, которые характерны только для ультразвука. Их трудно обнаружить в области звуковых частот. К ним относятся, например, радиационное давление, акустический ветер, ультразвуковой фонтан, притяжение частиц в ультразвуковом поле и т. д. Эти явления не наблюдаются в звуковом диапазоне частот, потому что ультразвуковая волна, имея большую частоту, чем звуковая, обладает при той же амплитуде и большей интенсивностью. Высокочастотные колебания частиц среды значительной интенсивности, естественно, оказывают более сильное влияние на физические процессы, сопровождающие распространение ультразвука, чем слабые звуковые колебания. Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии [58]. Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами: отражением, фокусировкой, образованием теней.

2.3 Волновое уравнение и его особенности для ультразвуковых систем.

Рассмотрим следующую формальную задачу. В трехмерный сосуд с ультразвуковыми излучателями, расположенными в основании сосуда, и заполненный до некоторого уровня h активной жидкостью, помещается физическое тело (деталь, подлежащая очистке). Условное изображение рабочей емкости для очистки деталей с использованием ультразвука приведено на рисунке. 2.1.

Активной зоной является объем жидкости размером axbxh. Необходимо оптимизировать процедуру очистки по одному из критериев:

— минимальный расход энергии Wминимальное время очистки Т0.

Рисунок 2.1 — Активная часть ультразвуковой установки.

Эти критерии взаимосвязаны. Можно считать, что ультразвуковая установка работает в стационарном режиме, т. е. с постоянной мощностью Р. Это наиболее благоприятный режим, обеспечивающий стабильный технологический процесс. Тогда количество израсходованной энергии W определяется из простейшего соотношения:

Т&bdquoтв.

W= p (t)dt = p jdt = PT0 (2.15) о о.

Следовательно, минимизация по времени эквивалентна минимизации по потребляемой энергии.

Параметры, по которым можно проводить оптимизацию, могут быть следующими:

— линейные размеры сосуда аиЪ.

— высота жидкости /г;

— варианты размещения излучателей (на рисунке обозначены УИ). Для решения задачи рассмотрим волновое уравнение вида [58]: где / - искомая функциях — координата, по которой распространяется плоская волнар— давление внутри жидкости вдоль этой координатыр0 -плотность жидкости в состоянии равновесия.

Как видно из (2.16), динамика волнового процесса определяется дифференциальными уравнениями второго порядка в частных производных. Уравнение применимо в неограниченной по размерам сфере. Из термодинамики известно, что р есть функция плотности и температуры жидкости. Температура, в свою очередь, изменяется при сжатии и растяжении. Теплопроводность жидкостей, в отличие от твердых веществ, очень мала, поэтому в первом приближении можно считать, что процесс распространения переменного давления происходит адиабатически, то есть без заметного теплообмена между соседними частями. Тогда давление превращается в однозначную функцию от плотности:

Р =f (Po).

Обозначим:

Р=Ро + Лрр = р0 + Ар (2.17) где Ар и Ар — соответственно изменения давления и плотности при нарушении равновесия. др о.

Принимая неизменность давления при равновесии -= 0, и подставляя дх.

2.17) в (2.16), получим: д2/ д.

0 dt2 dx df.

Обозначим б = — как деформацию. дх.

Тогда можно записать:

Ар). (2.18) ро + Ар =f (Po + Ар) =f (Po) + f'(po) Ар + f" (p0)(Ар) +. (2.19).

Выражение (2.19) есть разложение нелинейной функции f в ряд Маклоре-на [63].

Поскольку f (p0) — ро> выражение (2.5) преобразуется к виду:

Ар =f'(Po)Ap + f" (p0)(Ар)2 + .

2.20).

В простейшем случае (незначительные изменения давления, сводящиеся к малым приращениям) ряд (2.20) ограничивается первым членом.

В ходе динамических деформаций исходный объем VQ превращается в V (t):

V (t) = V0[l+e (t)]. (2.21).

С другой стороны, произведение плотности на объем, равное массе вещества, не меняется: p (t)V (t)=p0 VQ = m. (2.22).

Подставляя (2.21) в (2.22), получим: ро + Ар)(1 + ?) = ро, откуда: =.

Ар

Ар г 1 V.

Ар Ро У.

Ро + Ар Ро Пренебрегая степенями высшей малости, получаем: = -Ар/р0- Ар — —р0 ?.

Тогда:

Ар = ~РоГ (Ро)? = -РоГ (Ро)-Отсюда исходное волновое уравнение приобретает вид: д2/ ?д2/.

2.23) dt2 и дх2 где.

V7лро).

2.24).

2.25).

2.26).

2.27).

Выражение (2.26) содержит величину и, физический смысл которой соответствует скорости распространения упруго-вязкой волны в гидросреде. Исходя из (2.27), скорость распространения и пропорциональна квадратному корню из производной давления по плотности. Введем понятие модуля упругости:

М = РГ (Р)?> или ji — Ее, где Е = pf (p) = у р.

Тогда волновое уравнение приобретает вид: д2/ Е д2/ dt2 р дх2 откуда:

2.28) и = ~* (2−29>

Здесь Е — взвешенный модуль упругости. Из (2.29) запишем:

Е = уи2 (2.30) Удельное акустическое сопротивление определяется как: =J^y=pjf'{p) = pu (2.31) Тогда средняя плотность потока энергии в синусоидальной волне: 1 I—ЕГГ 1 (4Q2 q = ~^YPVm = - ,—(2.32).

1 1 4грр где Vm, Лрт — соответственно амплитуды скорости и давления. Выражение (2.32) имеет прямую аналогию с электрическими цепями. Если выразить в виде U действующее значение электрического напряжения, a Rактивное сопротивление цепи, то мощность Р определяется выражением: и2 и2.

Р = — = (2.33) л 2/г где Um = л/2 С/ - амплитудное значение напряжения.

Примерные численные значения описываемых величин приведены в таблице 2.1 [66].