При использовании новейших высокопроизводительных установок для электроискровой обработки обнаружилось, что вследствие интенсивного протекания эрозии и быстрого засорения диэлектрической жидкости продуктами обработки необходимо принять специальные меры, чтобы обеспечить длительное ведение процесса обработки с наилучшими, для данного режима, показателями по производительности, чистоте поверхности и классу точности.

К числу специальных мер следует отнести непрерывную очистку жидкой среды от продуктов эрозии. Это весьма важно при мягких режимах обработки, когда размеры частиц, засоряющих жидкость, могут быть чрезвычайно малыми (доли микрона), а по своим электрическим свойствам они в большинстве своем проводники.

В настоящее время широко распространена грубая очистка жидкой среды методом естественного отстоя в ваннах самых установок или в больших резервуарах — отстойниках.

Существенным недостатком этого простейшего и доступного метода является чрезмерная длительность процесса.

Например, согласно закону Стокса, для частиц сферической формы размером от 0,1 до 10 мк, отличающихся по своему весу от жидкой среды, скорость отстоя может быть определена уравнением

v = 2/9 (r²(d-d₁)g/η

где v — конечная скорость, см/сек;
r — радиус частиц, см;
g = 981 см/сек² — ускорение силы тяжести;
d и d₁ — плотность зерен и жидкости, г/см³;
η — коэффициент вязкости жидкости в Пуазах

Приближенный расчет показывает, что для частиц диаметром 0,1 мк и плотностью 2 г/см³ для осаждения на дно ванны, заполненной керосином, глубиной 300 мм потребуется более 20 час.

В самой же ванне установки вследствие гидродинамических возмущающих завихрений от прокачки жидкости и движения газового пузыря невозможно быстро осаждать частицы и больших размеров.

Между тем наблюдения показывают, что при мягких режимах электроискровой обработки размеры взвешенных в жидкости частиц бывают настолько малы, что их естественное осаждение в отстойниках невозможно.

Поскольку взвешенные частицы (сажа, частицы из металла электродов) являются диэлектриками, то постепенное скопление их приведет к снижению производительности процесса обработки.

Таким образом, очистка жидкой среды методом естественного отстаивания не может удовлетворять современным требованиям автоматизации (в особенности, программного управления) электроискровых установок.

Попытки применения известных конструкций сетчатых, центробежных и других механических фильтров вряд ли могут привести к положительным результатам вследствие сравнительно быстрого засорения их сажей и мельчайшими частицами, смесь которых в керосине образует очень липкую массу. Кроме того, такие фильтры не могут обеспечить плавную регулировку степени очистки.

В опубликованных работах по вопросам электроискровой обработки металлов нам не удалось найти исследования, посвященные применению электрических методов очистки диэлектрической жидкости. У ряда зарубежных авторов имеются весьма туманные упоминания о том, что ими разработаны специальные фильтры, но отсутствуют сведения о сущности методов очистки и конструкции фильтров.

Ознакомление с довольно обширной литературой по вопросам электрических фильтров для очистки промышленных газов, по электрическим методам обогащения горных пород и т. п., позволило заключить, что при удачном проведении соответствующих исследований и разработок, эти известные электрические методы очистки, дадут возможность удачно решить поставленную задачу непрерывной автоматической очистки диэлектрической жидкости на электроискровых установках.

В СССР в 1958 г. были начаты такие исследования, результаты первого этапа которых позволили доказать эффективность электростатического метода очистки диэлектрической жидкости и создать опытный лабораторный образец фильтра. Отметим, что своего рода толчком к началу этих исследований послужило устное сообщение инж. А. А. Чобанян о своем опыте очистки керосина от продуктов эрозии, в электростатическом поле.

Вопросы теории электростатической очистки диэлектрической жидкости

При разработке методики проведения экспериментов, а также для весьма приближенного объяснения физической сущности процесса очистки диэлектрической жидкости в разработанном электростатическом фильтре мы руководствовались нижеследующими положениями теории электростатического поля.

При тесном соприкосновении всяких двух тел в пограничном слое их возникает электрическое поле; линии этого поля чрезвычайно коротки и имеют порядок величины межмолекулярных расстояний, т. е. порядка 10^-8 см.

Из этого правила вытекает, что уже в самой ванне электроискровой установки имеет место явление электризации взвешенных частиц и молекулярных слоев жидкого диэлектрика вокруг этих частиц. При этом величина зарядов определяется контактной разностью потенциалов между поверхностями, а знаки возникших электрических зарядов зависят от величин относительных диэлектрических постоянных частицы и жидкой среды. Установлено, что вещество с большей диэлектрической постоянной заряжается положительно.

Допустим, что такая жидкая смесь подвергается воздействию однородного электрического поля между двумя плоскопараллельными электродами, присоединенными к источнику постоянного тока.

Теория и опыт утверждают, что под действием сил электрического поля взвешенные в диэлектрической, жидкости заряженные частицы приходят в упорядоченное движение и в зависимости от знака заряда направляются и оседают на поверхности электродов, а молекулы диэлектрической жидкости поляризуются, т. е. оси электрических диполей ориентируются в направлении сил поля. В неравномерном электростатическом поле имеет место движение диэлектрической жидкости.

Если однородная диэлектрическая жидкость сплошь заполняет рассматриваемое электрическое поле, то сила, с которой электрическое поле действует на заряженную частицу малого размера, определяется равенством.

F = qE

где E — напряженность электрического поля в рассматриваемой точке электрического поля; q — заряд рассматриваемой частицы.

Для однородного поля между плоскопараллельными пластинами, расположенными на расстояния d, друг от друга, напряженность электрического поля по величине одинакова во всех точках и определяется соотношением

E = U/d

где U — приложенное к электродам напряжение (разность потенциалов) постоянного тока.

Вектор напряженности Е перпендикулярен к плоскостям электродов и направлен в сторону убывания потенциала.

Ряд исследователей установили, что для определения скорости движения весьма малого коллоидального размера частицы, взвешенной в жидкости и подвергшейся действию электрического поля, можно воспользоваться следующей формулой:

v = Uεφ_g/6πη

где: U— скорость движущейся частицы;
ε — диэлектрическая постоянная жидкости;
φ_g — электрокинетический потенциал двойного слоя, обволакивающий частицу;
U — разность потенциалов между электродами; η — вязкость жидкости. В рассматриваемом случае, когда в однородное электростатическое поле вносится огромное количество заряженных частиц, картина поля осложняется. Для определения напряженности поля в рассматриваемой точке необходимо решить дифференциальное уравнение.

∂E_x/∂x + ∂E_y/∂y + ∂E_z/∂z = 4πρ

где ∂E_x, ∂E_y, ∂E_z — составляющие вектора напряженности вдоль осей прямоугольной системы координат;
ρ — объемная плотность электрических зарядов.

Для простейшего случая, когда пространство между заряженными пластинами заполнено электрическими зарядами с постоянной объемной плотностью, это уравнение упрощается.

Принимая направление оси x — совпадающим с направлением напряженности однородного поля между пластинами, получим, что E_y = E_z=0, и уравнение (5) упрощается

∂E_x/∂x = 4πρ

Интегрирование дает

E_x = 4πρx + c

Постоянная интегрирования с определяется из дополнительного условия, определяющего значение вектора Е в точках какой-нибудь плоскости, параллельной пластинам. Полагая, что при X =
X₀; E = E₀,

E — E₀ = 4πρ(x — x₀)

Таким образом, напряженность поля между двумя заряженными параллельными пластинами в случае равномерно распределенных зарядов не остается постоянной, а изменяется по линейному закону, возрастая пропорционально расстоянию рассматриваемой точки от заданной плоскости X = X₀.

Практически трудно создать электростатический фильтр с равномерным полем, ибо из-за небольших размеров фильтра напряженность поля между его плоскопараллельными электродами будет неоднородной вблизи краев пластин. Наряду с этим, вследствие неоднородности взвешенных в диэлектрической жидкости частиц по размерам и свойствам их равномерное распределение невозможно. Под действием силы земного притяжения крупные частицы будут быстрее опускаться к точкам поля, находящимся ближе к земле, и тем самым усиливается неравномерность поля.

Поэтому силы электрического поля между плоскопараллельными электродами электрофильтра будут различными не только в зависимости от зарядов взвешенных частиц, но в зависимости от координат (местоположения) каждой частицы.

Установлено, что в неоднородном электростатическом поле, кроме кулоновских сил, действующих на заряженные частицы,действуют и пондеромоторные силы, не зависящие от заряда частиц.

Если частица, внесенная в неоднородное электрическое поле, имеет шарообразную форму, пондеромоторная сила определяется по формуле

F₂ = (ε₁ — ε)/(ε₁ + 2ε) εr³E grad E

где: F₂— пондеромоторная сила, действующая на частицу; ε — диэлектрическая проницаемость среды;
ε₁ — диэлектрическая проницаемость частицы;
r — радиус частицы;
E — напряженность электрического поля;
grad E — производная напряженности поля в направлении ее
максимального изменения.

Пондеромоторные силы параллельны grad E при этом, когда диэлектрическая проницаемость частицы больше, чем у среды (ε₁ > ε), то сила направлена в сторону возрастания grad Е, если же ε₁ < ε, то она направлена в сторону уменьшения градиента напряженности поля. Если диэлектрической жидкостью служит керосин (для которого ε=2), а продуктами эрозии являются только проводниковые частицы, диспергированные в этом керосине, для которых диэлектрическая проницаемость имеет величину, близкую к бесконечности, пондеромоторная сила составляет

F₂ = 2r³E grad E

Величина E grad E зависит от характера поля и может быть приближенно вычислена, если известны геометрические формы и размеры электродов и приложенное напряжение.

Комментарии запрещены.