Повышение производительности установки гидроструйной обработки за счет создания нестационарных струй

На сегодняшний день в современной обрабатывающей, горнорудной и других отраслях промышленности значительное применение нашли технологии, использующие энергию высоконапорных струй воды. Такое распространение требует постоянного повышения эффективности и возможности адаптации для различных технологических задач. Современными направлениями, которые позволяют улучшить обработку высоконапорными струями воды, являются: повышение давления насосной установки, изменение качества жидкости (абразивного материала), увеличение диаметра сопла, использование нестационарных струй (в т.ч. импульсного резания) и другие.

Стоит отметить, что перечисленные методы изучены не полностью и имеется возможность их совершенствования. Что касается максимального рабочего давления насосной установки, то здесь определяющим фактором становится выбор материала деталей насосной установки в связи с высокой нагрузкой, действующей на них во время работы. При этом не до конца изучена возможность создания других схем насосных установок, позволяющих частично разгрузить детали насосной установки во время работы.

Получение нестационарных высоконапорных струй ограничено, прежде всего, методами их создания. Обычно это контактные методы, реализующие либо принцип внешнего прерывания, либо внутреннее прерывание непосредственно в струеформирующем устройстве. В том и другом случае прерывающее устройство находится под воздействием пульсирующего с высокой частотой сверхвысокого давления, что ограничивает такие методы по возможности применения и максимальному рабочему давлению. При этом существует возможность применения методов, позволяющих исключить контакт струеформирующего устройства и пульсирующего давления.

Таким образом, повышение производительности гидроструйной (гидроабразивной) обработки, основанное на создании новых схем насосных установок и методов создания нестационарных струй, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы. Повышение производительности установки гидроструйной резки, основанное на осуществлении внешнего бесконтактного воздействия на высоконапорную струю жидкости, в том числе с применением абразива, во время самого процесса резания и на увеличении номинального рабочего давления насоса сверхвысокого давления. Указанной цели можно достичь благодаря решению следующих задач:

— Определить возможность и эффективность бесконтактного воздействия пневматической управляющей струей на гидравлическую струю сверхвысокого давления, в том числе содержащую абразив;

— Установить функциональные зависимости между параметрами управляющей пневматической струи и величиной отклонения гидравлической струи сверхвысокого давления, в том числе содержащей абразив:

— Выявить метод бесконтактного воздействия управляющей пневматической струей, позволяющий повысить производительность гидроструйной обработки;

— Разработать экспериментальную установку, позволяющую осуществлять боковое воздействие пневматической струей на высоконапорную гидравлическую струю сверхвысокого давления, в том числе содержащую абразив, с возможностью регулировки рабочих параметров пневматической струи в широком диапазоне характеристик;

— Установить функциональные зависимости между временем обработки отверстий и параметрами нестационарного бокового воздействия пневматической струей на гидравлическую струю сверхвысокого давления с абразивным материалом;

— Предложить вариант компоновки рабочих элементов мультипликатора, позволяющий частично снизить напряжения на внутренней поверхности рабочей гильзы и тем самым создавать им более высокие давления.

Методы исследования. Комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта создания насосов сверхвысокого давления, а также импульсных и статических высоконапорных струй воды (в том числе содержащих абразив) и результатов ранее выполненных исследований. Использование методов планирования эксперимента, математической статистики и теории прочности толстостенных цилиндров.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях государственного инжинирингового центра ГИЦ «СТАНКИН» на разработанном экспериментальном стенде с использованием робототехнического комплекса гидроабразивной резки РТК ГАР AWJetRobotics 2020. Применялись элементы струйной обработки ведущим мировых фирм (Uhde High Pressure Technologies, FANUK, ALLFI Wasserstrahl-Schneidtechnik, Festo).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверад ается:

— корректностью поставленных перед работой задач;

— достаточным и статистически обоснованным количеством и представительностью проведенных экспериментальных исследований, полученных в стендовых условиях с применением современных средств, методов исследований и методов измерения;

— корректным применением методов теории вероятности и математической статистики;

— удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента.

Научная новизна состоит в:

— установлении смещения высоконапорной струи жидкости, при давлениях до 200 МПа, в том числе с применением абразива, воздушной струей при давлениях до 0,6 МПа;

— установлении зависимости угла отклонения высоконапорной режущей струи при боковом воздействии на неё пневматической струей от параметров управляющей и самой высоконапорной струи;

— выявлении зависимости, связывающей время обработки отверстий с частотой прерывания управляющей струи, давлением перед управляющим соплом и расстоянием от среза струеформирующего инструмента до обрабатываемого материала.

Практическая ценность работы состоит в:

— конструкции стендовой установки, позволяющей обеспечить внешнее бесконтактное воздействие на высоконапорную струю воды (в том числе содержащую абразив) в широком диапазоне режимных и гидравлических параметров;

— методике определения угла отклонения режущей струи при боковом воздействии на неё управляющей струей;

— схеме компоновки насосной мультипликаторной установки, позволяющей значительно снизить нагрузку, действующую на её детали, во время работы, подтвержденной патентом;

— разработке учебно-лабораторного стенда для изучения эффекта соударения высоконапорной и управляющей струй.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» на кафедре «Систем приводов» при преподавании дисциплины «Технология и оборудование ультраструйной обработки».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VII международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» Пенза, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 — в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 публикация в трудах международной конференции, 1 свидетельство о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 44 наименований и приложения. Содержит 70 рисунков и 8 таблиц. Общий объем работы 130 страниц.

Основные выводы.

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, заключающаяся в повышении производительности установки гидроструйной резки, основанном на осуществлении внешнего бесконтактного воздействия на высоконапорную струю жидкости, в том числе с применением абразива, во время самого процесса резания и на увеличении номинального рабочего давления насоса сверхвысокого давления.

2. Экспериментально и математическими методами доказана возможность и эффективность бесконтактного воздействия пневматической управляющей струей на гидравлическую струю сверхвысокого давления, в том числе содержащую абразив, путем соударения струй и установлена возможность управлять траекторией движения режущей струи. Показано, например, что полученное отклонение точки контакта режущей струи с обрабатываемым материалом на величину, превышающую диаметр сопла, не снижает режущих свойств высоконапорной струи.

3. Установлены функциональные зависимости между параметрами управляющей пневматической струи и величиной отклонения гидравлической струи сверхвысокого давления, в том числе содержащей абразив. Так, была получена математическая зависимость, определяющая угол отклонения результирующей струи в зависимости от таких параметров исходных струй, как геометрические размеры сопел, их взаимное расположение, а также давления перед соплами.

4. Выявлено, что методом бесконтактного воздействия управляющей пневматической струи путем использования эффекта соударения струй для создания нестационарной гидравлической струи с целью разрушения демпферной подушки в зоне резания позволяет добиться значительного, до двух раз, снижения времени прорезания отверстий. Это свидетельствует о повышении производительности гидроструйной обработки.

5. Выявлено, что предложенная экспериментальная установка бокового воздействия пневматической струей на гидравлическую струю сверхвысокого давления, в том числе содержащую абразив, позволяет осуществлять регулировку частоты следования импульсов, скорости движения пневматической струи, взаимного положения сопел и расстояния до обрабатываемого материала в широком диапазоне характеристик.

6. Установлены функциональные зависимости, связывающие время обработки отверстий с параметрами внешнего бесконтактного воздействия, в частности с частотой прерывания управляющей струи, давлением перед управляющим соплом и расстоянием от среза струеформирующего инструмента до обрабатываемого материала.

7. Предложенный вариант компоновки мультипликаторной насосной установки, сочетающий применение многоступенчатого сжатия и гидравлической поддержки гильз мультипликатора, позволяет до двух раз снизить уровень эквивалентных напряжений на внутренней поверхности его рабочих гильз по сравнению с классической мультипликаторной схемой. Это свидетельствует о том, что данное решение можно использовать либо для повышения номинального давления насосной установки, что может повлиять на повышение производительности гидроструйной резки, либо для увеличения срока её службы. На данное техническое решение был получен патент на изобретение.