Установление эффективных режимов гидроструйной обработки поверхности хрупких материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева, Ю.Н. Наумов,

А.Е. Пушкарев, 2004

УДК 621.7

К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева,

Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев

УСТАНОВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ ГИДРОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

Семинар № 17

А нализ тенденций развития отечествен-

./л. ной и мировой технической науки в области разработки и применения машин для разрушения хрупких материалов в горнодобывающей промышленности показал, что одним из перспективных направлений поиска является создание технологии с использованием в качестве материалоразрушающего инструмента высоконапорных водяных струй.

За последнее время достигнуты значительные успехи в технологии высоконапорной водяной струи. Водяные струи используются сейчас во многих областях, начиная от простой очистки поверхностей и кончая точной хирургией.

Гидроструйные технологии основаны на использовании энергии высокоскоростных струй, которые, вырываясь из струеформирующих устройств под большим давлением (до 300 МПа, а иногда и выше), взаимодействуют с материалом и, создавая при этом в последнем нагрузки, соизмеримые и даже превышающие пределы прочности, осуществляют работу по разрушению самостоятельно или в комбинации с другими воздействиями (например, с механическими). Высокоскоростные струи являются универсальным инструментом и могут применяться для разрушения практически любого материала, при этом, сами струи классифицируются следующим образом:

• водяные струи;

• водно-полимерные струи - водяные струи с добавлением полимеров для придания специальных свойств при течении и воздействии на обрабатываемый материал;

• пульсирующие струи - подразделяются на струи с низкой (до 1000 №) и высокой (> 1000 №) частотой пульсации;

• гидроабразивные струи.

Кроме того, для решения специальных задач используются криогенные струи и струи сжиженных газов, а также водяные струи с частицами льда. Опыт применения высоконапорных водяных струй в качестве режущего инструмента выявил целый ряд достоинств, присущих этой технологии:

• отсутствие пыли или ее минимальное количество;

• высокая скорость резания;

• многонаправленность;

• отсутствие притупления режущего инструмента;

• отсутствие возникновения термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале;

• отсутствие опасности пожара;

• экологичность.

Все это определило перспективность водоструйной технологии, в частности, для очистки поверхностей от различных видов покрытий и загрязнений.

За последние пять лет за рубежом проведено большое число исследований, направленных на понимание физической сущности процесса, изучение параметров гидравлических струй и режимов резания ими горных пород и различных материалов. Однако, в литературных источниках отсутствуют конкретные рекомендации по наиболее эффективным режимам резания. Данные исследования в большинстве своем сводились к констатации влияния того или иного параметра (ряда параметров) на процесс разрушения.

Следует отметить, что процесс гидроструйной очистки носит характер эрозионного разрушения, т. е. разрушение очищаемого материала на незначительную глубину (с целью со-

хранения поверхности подложки от повреждения) в результате воздействия потока воды высокого давления.

Механизм такой очистки поверхностей близок к достаточно глубоко изученному и описанному в литературе процессу струйного разрушения пород, а основными факторами определяющими эффективность процесса являются временное сопротивление пород одноосному сжатию асж, давление воды Р0, диаметр струеформирующей насадки (!0 и скорость перемещения струи относительно разрушаемой породы V. Следует отметить, что при очистки существует такое критическое значение скорости перемещения струеформирующей насадки относительно очищаемой поверхности Vкp выше которой процесс очистки идет не полностью, т. е. на очищаемой поверхности остаются фрагменты не удаленного покрытия.

Следует отметить, что для резки материалов целесообразно выдерживать то расстояние (между струеформирующей насадкой и разрушаемым материалом) на котором формируется «жало» струи, а для эрозионного разрушения (очистки) поверхностей необходимо выдерживать расстояние сразу за «жалом» на котором работу совершают отдельные капли с высокой скоростью и энергией. Это необходимо для увеличения площади очищаемой поверхности. По этому для процесса эрозионного разрушения (очистки) поверхностей необходимо знать структуру струи высоконапорной воды.

Известно, что в структуре струи имеется активный участок «жало» в пределах которого ядро сплошного не распавшегося потока движется с постоянной скоростью, равной скорости истечения потока из струеформирующей насадки.

С целью установления основных законоОсновные характеристики стенда

мерностей процесса эрозионного разрушения струями воды высокого давления, а также, учитывая, что сам процесс является многофакторным, требующим, помимо теоретических исследований с использованием математических моделей, экспериментальных данных, коллективом специалистов фирмы «НИТЕП» и Тульского государственного университета был разработан и изготовлен стенд для изучения технологии гидроструйной очистки поверхностей. Основные параметры стенда приведены в таблице.

Следует отметить, что конструкция стенда позволяет использовать для исследований различные типы устройств для перемещения струеформирующей насадки относительно обрабатываемой поверхности по заданному закону, производя очистку поверхностей различной конфигурации.

К образцам, используемым во время проведения экспериментальных работ, предъявлялись следующие требования: улавливание следа от отдельных капель, удобство считывания следа - сканирование, высокая механическая прочность, удобство замены, низкая стоимость. Этим требованиям отвечает конструкция образцов, представляющих собой жесткую металлическую подложку обладающую твердостью НВ 241...248 с полированной поверхностью и трехслойным покрытием. Первый слой покрытия, прилегавший непосредственно к подложке, представлял собой лист плотной глянцевой бумаги. Промежуточный слой - это слой красящей односторонней пленки, при механическом воздействии на которую часть красящего состава переносилась на бумагу. Наружный слой - это гидроизолирующее покрытие.

В результате, при прохождении струи по поверхности образца на первом - бумажном

Наименование основных параметров и размеров Норма

Рабочее давление, МПа до 150

Расход высоконапорной воды, л/мин до 10

Потребляемая мощность, кВт

- привод основного насоса 45

- привод подпиточного насоса 2,2

Напряжение питания, В 380

Габаритные размеры, не более, мм 4000х1500хх1400

Масса, кг 1000

Тип рабочей жидкости источника воды высокого давления Масло ТП-22С

Объем рабочей жидкости (масла) источника воды высокого давления, л 200

Исходная вода (для питания источника воды высокого давления) Вода питьевая

слое оставались следы от воздействия разрозненных капель жидкости и активного участка струи, в зависимости от параметров процесса.

Вывод теоретических формул для определения ширины следа Ь и длины активного участка струи 1ау. в зависимости от влияющих факторов, ввиду многофакторности процесса гидроструйной очистки, не представляется возможным. Поэтому выходом явилось получение эмпирических формул для определения Ь

и 1а.у.

Регрессионный анализ на основе проведенных экспериментов позволил выявить эмпирические зависимости (1, 2) для определения Ь и 1а.у. при работе с использованием струеформирующих насадок производства фирмы «НИ-ТЕП». [1], [2]

Ь = 0,32879Р0’101 х а0’94 х 10-734 (1)

1ау = 5/762Р0'753 х а0'376 (2)

а.у. ?

где Р - давление воды на входе в насадку, МПа; а - диаметр струеформирующей насадки, мм; 1 - расстояние от среза струеформирующей насадки до обрабатываемой поверхности, мм.

Анализ экспериментальных данных показал, что рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадкой и разрушаемым материалом 10 рац возрастает с увеличением давления высоконапорной воды Р0 и диаметра струеформирующей насадки С0. Также исследования показали, что

1. Головин КА., Григорьев Г.В., Демин К.В., Пушкарев А.Е., Наумов Ю.Н. Установление гидравлических параметров водоструйного инструмента на ширину следа и длину активного участка струи//Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства/2-я Международная Конференция по проблемам рационального природопользования. Материалы конференции: ТулГУ, Тула, 2002. - с.

2. Бреннер В.А., Пушкарев А.Е., Головин КА., Григорьев Г.В., Наумов Ю.Н. Исследование режимных параметров процесса гидроструйной очистки поверхно-стей//АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ВЫСОКИЕ

на рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадки и разрушаемым материалом влияет предел прочности разрушаемого материала на одноосное сжатие асж и при его увеличении длинна Iq рац снижается. В результате обработки данных экспериментальных исследований методом множественной регрессии была получена итоговая зависимость, определяющая влияние давления высоконапорной воды Pq, диаметра струеформирующей насадки do и предела прочности разрушаемого материала на одноосное сжатие асж на рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадки и разрушаемым материалом !орац [3]. l

loрщ = 3,8Р0 + 634,3d0 + 55,3+196,5^- 3,8о;ж - 357,9 (3)

В свою очередь, в результате обработки данных экспериментальных исследований методом множественной регрессии была получена следующая зависимость, определяющие рациональное давление воды, соответствующего минимальной удельной энергоемкости процесса гидроструйного разрушения.

l (4)

Роррач - 0,77асж + 5,4-р - 8,24do - 9,61

Таким образом в результате проведенных экспериментов были получены эмпирические зависимости, совместное решение которых позволяет выбрать необходимый режим работы для получения сложного реза.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ТЕХНОЛОГИИ 2002/ Всероссийская научнотехническая конференция 10-12 апреля 2002 г., Пермь, Россия, Программа и тезисы докладов, под ред. Ю. В. Соколкина и А. А. Чекалкина. - с.

3. Головин К.А., Григорьев Г.В., Демин

КВ., Пушкарев А.Е., Louis H. О влиянии на эффективность процесса гидроструйной очистки конструктивных параметров струеформирующего инструмен-

та//Проблемы и перспективы развития горнодобывающей промышленности Подмосковного бассейна/Международная научно-практическая конференция 26-27 ноября 2002 Тульский государственный университет. - Тула, 2002. - с. 163-166.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------

Головин КА., Григорьев Г.В., ГригорьеваЕ.Н., Наумов Ю.Н., ПушкаревА.Е. - Тульский ГУ.

© Н.И. Сысоев, С. Г. Мирный,