CC BY
47
------------------------------------------- © К.А. Головин, Г.В. Григорьев,
E.H. Григорьева, А.Е. Пушкарёв,
2004
УДК 622.236.732
К.А. Головин, Г.В. Григорьев, Е.Н. Григорьева,
А.Е. Пушкарёв
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОНАПОРНОЙ СТРУИ ДЛЯ ЭРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Семинар № 16
А нализ тенденций развития отечест-
.¿л. венной и мировой технической науки в области разработки и применения машин для разрушения различных 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 [3]:
• 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 [3]:
• отсутствие пыли или её минимальное количество;
• высокая скорость резания;
• многонаправленность;
• отсутствие притупления режущего инструмента;
• отсутствие возникновения термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале;
• отсутствие опасности пожара;
• экологичность.
Всё это определило перспективность водоструйной технологии, в частности, для очистки поверхностей от различных видов покрытий и загрязнений.
За последние годы 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 [4,5]. 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 поверхностного слоя материала без нарушения его
№ Наименование основных параметров и размеров Норма
1 Рабочее давление, МПа до 150
2 Расход высоконапорной воды, л/мин до 10
3 Потребляемая мощность, кВт - привод основного насоса - привод подпиточного насоса 45 2,2
4 Напряжение питания, В 380
5 Габаритные размеры, не более, мм 4000x1500x1400
6 Масса, кг 1000
7 Тип рабочей жидкости источника воды высокого давления Масло ТП-22С
8 Объем рабочей жидкости (масла) источника воды высокого давления, л 200
9 Исходная вода (для питания источника воды высокого давления) Вода питьевая
внутренней структуры в результате воздействия потока воды высокого давления, что особенно важно при реализации технологии гидроструйной очистки поверхностей, т. к. основной задачей очистки является разрушение очищаемого материала без нарушения поверхности подложки.
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 вы-
ше которой процесс очистки идет не полностью, т. е. на очищаемой поверхности остаются фрагменты не удаленного покрытия.
В ходе проведения анализа литературных источников [1, 2] было установлено, что структурно высоконапорную струю жидкости можно разделить на три основные участка: начальный участок (“ядро” струи), активный участок струи, и участок воздушно-капельной смеси. Начальный участок струи характеризуется тем, что это участок цельный, без вкрапления пузырьков воздуха, кроме того, скорость жидкости на этом участке практически постоянна и равна скорости жидкости, на срезе струеформирующей насадки. Поэтому, начальный участок целесообразно применять для технологии резки различных материалов. Следующий участок струи - активный, на котором на разрушаемый материал воздействует поток капель жидкости и непрерывное ядро струи, обладающее несколько меньшей энергией по отношению к начально-
му участку, однако имеющей ещё достаточную скорость для разрушения материала. Вследствие того, что на активном участке струя имеет значительно больший диаметр, чем на начальном участке, применение именно этого участка целесообразно для очистки поверхностей от различных покрытий. За активным участком по длине струи следует участок воздушнокапельной смеси, применение которого для технологии резки или очистки нецелесообразно из-за того, что частицы жидкости уже не несут достаточно энергии для разрушения материала. Таким образом, с точки зрения реализации технологии очистки (эрозионного разрушения) необходимо знать длину активного участка струи.
С целью установления основных закономерностей 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. Для создания высоконапорной воды служит источник высокого давления (рис. 1), выполненный на базе мультипликатора высокого давления 1. Питание мультипликатора 1 маслом осуществляется через сеть трубопроводов и запорно-регулировочной аппаратуры 2 от насосного агрегата 3 из маслобака 4. Насосный агрегат 3 состоит из асинхронного двигателя соединенного с помощью муфты с регулируемым по расходу насосом. Одновременно к мультипликатору 1 подводится вода низкого давления, забираемая из емкости 5 при помощи подпиточной насосной станции 6, причем, по-
Рис. 1. Источник высокого давления: 1 - мультипликатор; 2 - гидромагистрали; 3 - насосный агрегат; 4 - маслобак; 5 - бак водяной; 6 - подпиточная насосная станция; 7 - блок фильтров; 8 - пневмогидроаккумулятор; 9 - манометры
ступая в мультипликатор 1, вода проходит очистку в блоке фильтров 7. В мультипликаторе 1 происходит преобразование низкого давления масла в высокое давление воды, которая затем поступает в высоконапорный аккумулятор 8, сглаживающий пульсацию давления воды, а от него - к струеформирующему устройству. Разводка гидросистемы высокого давления осуществлена жесткими трубопроводами, это сделано с целью повышения безопасности работы на стенде.
Напорные магистрали гидросистемы защищены при помощи предохранительного клапана. Давление в гидросистеме контролируется при помощи манометров прямого действия 9. В конструкции мультипликатора предусмотрена мембрана прорыва, которая служит предохранительным устройством, срабатывающим при повышении давления в системе выше критического. Все узлы стенда представ-
Рис. 2. Схема стенда для исследования процесса гидроструйной обработки поверхностей: 1 - струеформирующее устройство; 2 - поворотный стол; 3 - испытываемые образцы; 4 - струеформирующая насадка; 5 -заслонка; 6 - привод поворотного стола ляющие опасность при работе огорожены ко-
жухами (на рис. 1 кожухи условно не показаны).
Работа стенда осуществляется следующим образом. Высоконапорная вода от источника высокого давления (ИВД) по жесткому трубопроводу поступает к струеформирующему устройству 1 (рис. 2). Струеформирующее устройство 1 представляет собой узел, обеспечивающий измерение уровня давления воды, подаваемой к струеформирующей насадке 4 (насадка фирмы «НИТЕП») при помощи стрелочного манометра прямого действия, успокоение (ламини-ризацию) потока высоконапорной воды перед входом ее в струеформирующую насадку 4, непосредственно струеформирование, а также подачу и прерывание истекающей струи при помощи заслонки 5 имеющей ручной привод. Успокоитель потока выполнен в двух вариантах исполнения: гладкий прямолинейный трубопровод с размерами сечения 10 х 2,5 мм и длиной 900 мм и гладкий прямолинейный трубопровод с размерами сечения 8 х 2 мм и длиной 400 мм. Оба успокоителя выполнены из нержавеющей стали. В качестве струеформирующей насадки используются насадки фирмы фирмы «НИТЕП» (Россия) с различными диаметрами проходного отверстия. Испытываемые образцы 3 при помощи винтовых зажимов крепятся к поворотному столу 2, получающему вращение от привода 6. В качестве привода используется электрический двигатель с планетарным редуктором и цепной передачей. Частоту вращения приводного двигателя можно менять в широком диапазоне благодаря тери-сторному преобразователю, который используется в конструкции данного электродвигателя.
Отработанная вода улавливается кожухом и поступает в отстойник, где происходит отделение продуктов разрушения, после чего вода поступает в бак 5 (рис. 1) по замкнутому циклу. 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 (рис. 3, 4, 5).
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 под-
Рис. 3 Очистка плоской поверхности
Рис. 4. Очистка внутренней цилиндрической поверхности
Рис. 5. Очистка наружных поверхностей
ложку 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 слое оставались следы от воздействия разрозненных капель жидкости и активного участка струи, в зависимости от параметров процесса.
Для обработки экспериментальных результатов с образцов снимались два наружных слоя (гидроизолирующее покрытие и красящая пленка), а бумажный слой, с отпечатанными на нем следами воздействия струи подвергался визуальному и инструментальному анализу.
На первом этапе исследований решено было установить зависимости ширины следа и длины активного участка высоконапорной струи от дей-
ствующих факторов основываясь на экспериментальных данных.
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 «НИТЕП».
Ь = 0,32879Р0,101 -ДО,94 -10,734; (1)
1а.у. = 5,762Р0,753 -ДО,376, (2)
где Р - давление воды на входе в насадку, МПа; (1 - диаметр струеформирующей насадки, мм; 1 -расстояние от среза струеформирующей насадки до обрабатываемой поверхности, мм.
Таким образом в результате проведённых экспериментов были получены эмпирические зависимости (1, 2) для определения ширины следа и длины активного участка струи благодаря которым стало возможно определение рационального расстояния от среза струеформирующей насадки до обрабатываемой поверхности с целью увеличения площади эрозионного разрушения для повышения эффективности процесса гидроструйной очистки.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. С. С. Шаелоеский, Основы динамики струй при разрушении горного массива. - М.: Наука, 1979. -173 с.
2. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. - М.: Недра, 1986. - 143 с.
3. Пушкарёв А.Е. Обоснование и выбор параметров гидроабразивного инструмента исполни-
тельных органов горных машин с разработкой модулей высоконапорного оборудования. - Дис. ...д.т.н. - Тула, 1999.
4. Vijay MM. Combustion and Fluids Engineering, National Research Council of Canada Ottawa, Ontario, Canada, 1994 KLA OR6
5. Bitter, J.G. A., A Study of Erosion Phenomena -Part 1, Wear, vol. 6
— Коротко об авторах -----------------------
Головин K.A. — доцент, кандидат технических наук, Григорьев Г.В. — аспирант, Григорьева Е.Н. — аспирант, Пушкарёв А.Е. — доцент, доктор технических наук, Тульский государственный университет.
