автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение производительности установки гидроструйной обработки за счет создания нестационарных струй

На правах рукописи

ИЩЕНКО ИВАН НИКОЛАЕВИЧ-

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВКИ ГИДРОСТРУЙНОЙ ОБРАБОТКИ ЗА СЧЕТ СОЗДАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ СТРУЙ

Специальность 05.02.02 — «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 НОЯ 2012

Москва 2012

005055461

005055461

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» на кафедре «Системы приводов»

Научный руководитель:

Иванов Витольд Ильич

Кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Бубнов Владимир Алексеевич

Доктор технических наук, профессор ГБОУ ВПО МГЛУ

Ермаков Сергей Александрович

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «МАИ» (НИУ)

Ведущая организация

Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана»

Защита диссертации состоится «-12» 'йекл^х!2012 г. в «(» часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.04 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский переулок д. За

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим направлять по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан «о!» иооЕ^А 2012г.

Председатель диссертационного совета д.т.н. профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. 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 высоконапорньтми струями воды, являются: повышение давления насосной установки, изменение качества жидкости (абразивного материала), увеличение диаметра сопла, использование нестационарных струй (в том числе 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 стаповится 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. Вместе с тем существует возможность применения методов, позволяющих исключить контакт струеформирующего устройства и пульсирующего давления, путем создания устройств обеспечивающих отклонение высоконапорной струи воздействием управляющей струи, что может увеличить производительность гидроабразивной резки.

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, а также методоы 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) 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 нее 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, 2011г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ, I 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана необходимость проводимых в работе исследований для развития и совершенствования методов обработки материалов высоконопорными струями воды (в том числе содержащими абразив).

В первой главе содержится анализ литературных источников и научных публикаций, посвященных различным методам повышения производительности обработки материалов высоконапорными струями воды, в том числе содержащими абразив.

Одним из рассмотренных методов совершенствования конструкций насосных установок было повышение давления, под которым насосная установка создает поток жидкости, используемый для создания высоконапорной струи. Общая тенденция развития таких насосных установок состоит, прежде всего, в поиске материалов, позволяющих выдерживать высокочастотное нагружение при работе насосного агрегата. При этом схема компоновки деталей насосной установки обычно применяется классическая, подробно описанная в работе Белоусова B.C. Встречаются также работы, направленные на создание альтернативных схем построения насосных установок, в частности, Ковалевым Ю.В. проводилась разработка насосной установки с применением гидравлической разгрузки гильз, Поляков A.B. занимался разработкой многокаскадных систем сжатия, а также методов бесконтактного уплотнения запирающей жидкостью. Такие схемы позволяют частично снизить нагрузку на детали насосной установки и либо повысить рабочее давление, либо продлить срок её службы. Использование таких схем изучено не до конца и существует возможность их совершенствования. Большой интерес вызывают комбинации подобных методов.

К другим методам повышения производительности обработки материалов высоконапорными струями воды можно отнести оптимизацию параметров струеформиругощего оборудования, которой занимался A.A. Шубняков, а также систем смешивания и подачи абразива, довольно обширно отраженной в работе М. Honl. Михеев A.B. занимался изучением возможности повышения производительности гидроструйной обработки применительно к многослойным, пакетным материалам за счет оптимизации геометрических параметров обрабатываемого пакета. Большой интерес вызывают также методы, основанные на применении нестационарных высоконапорных струй воды. В частности, использование импульсных струй носит перспективный характер, что не раз показывалось в работах Лаврентьева М.А., Войцеховского Б.В., Жабина А.Б., Полякова A.B., Chahine G.L. В сущности гидроимпульсная обработка схожа по принципу действия с электроэрозионной, описанной Трифоновым О Н. Так, сменяющиеся ударные волны создают на поверхности обрабатываемого материала чередующиеся напряжения сжатия и растяжения, что приводит к удалению обрабатываемого материала. Основанные на таком принципе существующие методы создания гидроимпульсных струй имеют значительные недостатки. Обычно для создания импульсных струй используются контактные методы внутреннего или внешнего прерывания. При внешнем прерывании на пути движения струи жидкости находится диск с определенным количеством прорезей различной ширины. Диск вращается с определенной частотой, создавая прерывание потока с необходимой интенсивностью. Недостатком такого метода является контакт диска-

прерывателя с режущим инструментом - струей воды, что ограничивает применение такого метода на высоких давлениях воды. В случае внутреннего прерывания система представляет собой клапан-пульсатор, запорный элемент которого совершает возвратно-поступательные движения с требуемой частотой следования импульсов. Серьезным недостатком таких систем является постоянное взаимодействие пульсирующего давления с элементами струеформирования.

Действие статических нагрузок (непрерывной струи) вообще сопровождается образованием демпферной подушки в зоне резания, которая возникает в результате продолжительного воздействия струи жидкости на разрушаемый объект. Демпферная подушка препятствует разрушению и способствует возникновению размыва. Для гидроабразивного метода резания демпферная подушка препятствует движению частиц абразива в зону резания, в результате чего частицы абразива теряют значительную часть своей энергии и соответственно теряют режущие свойства. При повторно — переменных динамических нагрузках (пульсирующие струи, движение струи) демпферная подушка в зоне резания не успевает образоваться и происходит интенсификация процессов щелеобразования, раскалывания и износа, следствием которых является рост производительности.

Предлагаемым методом создания нестационарности высоконапорной струи является применение эффекта соударения струй (рис.1). Струеформирующей головкой 1 создается статическая струя жидкости 5. К ней под углом подается управляющая струя 6 воздуха или жидкости. За счет эффекта соударения струй результирующая струя 4 отклоняется от первоначального положения (струя 5). При помощи диска 2, расположенного на пути движения струи 6, производится прерывание струи 6 с определенной частотой п, определяемой количеством прорезей в диске и частотой вращения самого диска. В итоге на режущую струю будет производиться динамическое воздействие, приводящее к смещению точки контакта струи и материала с частотой п.

В данном приводе отсутствуют детали, испытывающие высокочастотное изменение давления, отсутствует контакт деталей имульсирующего привода с режущим инструментом - струей жидкости, отсутствуют быстроизнашиваемые части. Все это позволяет использовать такой метод для импульсирования струй жидкости при любом давлении жидкости до струеформирующего сопла, кроме того метод можно применять для динамического воздействия на струи жидкости, содержащие абразивный порошок.

Рис. 1 Метод создания нестационарной струи

Во второй главе проведено теоретическое обоснование применения эффекта соударения струй для реализации бесконтактного воздействия на сверхзвуковую струю. Прежде всего, необходимо было определить траекторию движения режущей струи после её соударения с управляющей. В частности, был установлен угол 8, определяющий направление движения результирующей струи как функция от шести основных параметров с^, 6с2, Ь), Ь2 Рь Рг. Для решения данной задачи была использована методика, применяемая в струйной технике автоматического управления. Прежде всего, необходимо было учесть принимаемые допущения, свойственные для струйной техники и невозможные для решения конкретной задачи. Было учтено соотношение плотностей участвующих в соударении сред, также было учтено различие коэффициента расхода через струеформирующие устройства для управляющей и режущей струи. В результате была получена зависимость, определяющая угол 8 отклонения режущей струи после её соударения с управляющей, в следующем виде:

0.3 + 0.14—-

(1)

В главе был проведен также анализ наиболее эффективных вариантов бесконтактного воздействия для повышения производительности резания материалов высоконапорной струей воды, в том числе содержащей абразив. В частности, рассмотрены варианты гидроимпульсного резания при динамическом изменении угла атаки режущей струи с целью улучшения поверхности реза, а также устранения демпферной подушки в зоне резания.

Также было получено математическое описание влияния пульсации гидравлического потока на обрабатываемый материал. При решении этой задачи использовалась теория прочности при циклически изменяющихся напряжениях, с учетом допущения, что поток, по крайней мере, вблизи обрабатываемой поверхности представляет собой достаточно однородную в энергетическом отношении жидкостную или абразивно-жидкостную гомогенную суспензию, имеющую некоторую скорость относительного движения. Так нагружение обрабатываемого материала статической и импульсной струей было представлено в виде рабочих точек РТ1 и РТ2 на диаграмме усталостной прочности (рис.2).

СУмах

Рис.2 Диаграмма усталостной прочности

В предположении, что рабочая точка статического нагружения соответствует пределу прочности при одноосном растяжении, т.е. точка Б на диаграмме усталостной прочности, под запасом усталостной прочности будет пониматься отношение отрезков ОБ к ОРТ1. То есть рабочая точка статического цикла будет предельной для данного материала, с единичным запасом прочности.

Для пульсационного цикла предельная рабочая точка с единичным запасом прочности будет располагаться на пересечении отрезка АБ и ОД. При этом реальная рабочая точка будет располагаться выше отрезка АБ, что будет свидетельствовать о

снижении запаса прочности ниже единичного. В частности, запас прочности будет определяться по выражению

В результате для пульсационного нагружения, в сравнении со статическим, можно добиться повышения производительности разрушения материала на 33%.

В третьей главе подробно описано оборудование, используемое для проведения экспериментальных исследований. В частности, приведены рабочие параметры робототехнического комплекса гидроабразивной резки РТК ГАР А\¥М11оЬоЦс8 2020, состоящего из насосной установки сверхвысокого давления, робота манипулятора, системы подачи абразива (бункер-накопитель и минибункер), режущей головки. Для размещения на робототехническом комплексе была разработана экспериментальная установка, к которой предъявлялся ряд требований таких, например, как возможность её работы совместно со стандартными струеформирующими устройствами, возможность создания нестационарной управляющей струи методом прерывания, возможность регулировки в широком диапазоне характеристик и контроля параметров расположения струеформирующих устройств и рабочего давления. По этой причине стенд был создан из набора элементов (рис. 3)

Рис. 3 Элементы экспериментального стенда

Корпус экспери\ентального стенда состоит из основания 1, двух боковых пластин 2,3 с ребрами яесткости и двух поперечных, скоб 4, 5. Сборка корпуса производится при помощи крепежных элекенгов 6. £Ь нижней части основания предус мэтрены отверстия для расположим тамсшсительной трубки струе формирующего устройства, атакяе для крепления управляющего сопла 7. Дня создания нестационарной управляющей струи предусмотрена возможность установки пневмомотора 8. Резьбовым соединением на валу 9 пневкю мотора закреплен диск-прерыватель 10.

Рис. 4 Ушыэксшриьенгального стенда

Установка пневшмотора 1 (рис. 4) осуществляется непосредственно в собранный корпус 2, затем производится установка диска-прерьвателя 3. Асполояение сопла 4 относительно сжсигельной трубки (на рисунке не показана) регулируется при по мац и резьбовых соединений 5.

Рис. 5 Гкев лйтическое сопло

Пневштическое управляющее сопло (рис.5) представляет собой конический сужаощийся насадок № внешней поверхности выполнены проточки для надежного закрепления в питающем рукаве.

Общий вид экспери читальной установки в с шифрованно м состоянии непосредственно на роботе-мшипуляторе представлен на рис.6 Установка представляет собой стандартное струе формирующее устройство 1 со смесительной камзрой 2 и трубкой подачи абразива 3, раз ьод енной непосредственно на разборном регулируемом корпусе 4. В нем такяе размещены пневшмотор 5 со шлангом подачи сжатого вшдуха 6, пневмэмэтор приводит в движение диск7 с прорезями Дшяение диска с разной частотой позволяет создавать разньв законы движения управляющей всвдапной струи создаваемой пневштическим воздушным соплом 8. К соплу по шлангу 9 подводится воздух сжигьй до рабочего давления

шш®

Рис. 6 С&д ий вид экспериментальной установки В четвертой главе описаны методика и результаты экспериментальных

исследований Г^еяде всещ определялась возможность и эффективность бесконтактного

воздействия на гидравлическую стр>ю сверхвысокого давления Мщение данной задачи основызалось на использовании эффекта соударения струй применительно к режущей струе сверхвысокого давления (в т. ч содержащей абразив). Так; используя дополнительную управляющую струю воздуха можно добиться значительного отклонения результирующей струи ц соответственна смещения оси реза. Что в свою очередь мэжет быть использовано для создания импульсного инструмента, управления движением

реющей струи или как ьетод разрушения демпферной подушки образ}ющейея в зоне резания

Схем! работы экспериментальной установки представлена на рис.7 Ц>и движении режущего инструмента 1 в направлении 2 реза (в нашем случае линия) на гидроабразивную струю 3 осуществлялось воздействие управляющей струей 4. В результате новый рез 5 на заготовке б располагался с отклонением Ь от реза 1 получае мзго без управляющего воздействия В качестве управляющей струи использовалась вовД>шная струя которая подавалась под углом 90° к режущей гидроабразивной струе.

Рис.7 Скеш работы экспериментальной установки

Рис. 8 Оклонение реза в результате внешнего воздействия

№ обрабатьвае мзй поверхности

располагался рез (рис.8), половина которого находилась с отклонением Ь от первоначальной траектории.

И;ходя из полученных результатов бьша создана функциональная зависимэсть (3),

связьвающая величину отклонения Ь гидравлической режущей струц а также вьсоту от

среза струе формирующего инструмента до обрабатьвае мэго штериала к давление воды

перед струе фор мир>ю щ им инструментом Реод, давление воздуха перед управляющим соплом Рвшд.

0.98 о0.85

к =

1г° ,г Р'

а_

2,2

(3)

Как видно из графика, представленного на рис. 9, пришняя различньЕ сочетания пара,\етров вьсотык, давлений Рвод Рвозд мзжно добиться отклонения струи вплоть до Ь = 1,06 мм что при обычных параштрах струеформирующего оборудования, при^няемэго в ¡жа иностроениц превьшает диаштр сопла

/^нный результат подтверждает возможность и эффективность внешнего воздействия управляющей пневштической струей на гидравлическую струю сверхвьсокого давления в т. ч содержащую абразив. Цзи таком воздействии не набло дается визуального снижения глубины резания (рис. 8). Этот факт говорит о том что после соударения результирующая струя сохраняет режущие параметры и может использоваться в резании В случае необходимости получения более значительного отклонения результирующей струи шжно пригонять более вьсокое давление в пневмэсистеье питания управляющего сопла, профилировать управляющие сопла с целью повыления скорости управляющей струи или использовать в качестве управляющей среды жидкости что позволит получить более вьсокое давление перед управляющим соплом

1,2 1

0,8

И, мм 0,6 0,4 0,2 0

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 к, (ли

—*—Рвозд=0,6 МПа, Рвод=60 МПа

■■■».■■ ■ Рвзод=0,6 МПа, Рвод=180 МПа

—¡Сг— Рвозд=0,4 МПа, Рвод=180 МПа

■;••« Рвозд=0,4 МПа, Рвод=60 МПа

Рис.9 Мьенение отклонения результирующей струи при изьенении рабочих па растров

Использование бесконтактного воздействия ьетодом соударения струй на гидроабразивную струю при обработке (прокалывании) отверстий позволит значительно

повысить производительность и снизить временные затраты процесса резания. Повышение производительности связано с процессом разрушения демпферной подушки в зоне резания, которая затрудняет процесс резания.

Целью опытного исследования было получение данных о возможности повышения производительности гидроабразивной обработки отверстий, применяя внешнее бесконтактное воздействие на гидроабразивную струю. Также были опробованы различные режимы внешнего воздействия и определены функциональные зависимости повышения производительности процесса обработки. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис.1. В результате проведения экспериментов была получена функциональная зависимость (4),

, =_54_

связывающая параметры частоты прерывания управляющей струи, давления перед управляющим соплом и высоты от среза струеформирующего инструмента до обрабатываемой поверхности со временем обработки (прокалывания) отверстия в материале.

Рис.10 Изменение времени обработки отверстия в зависимости от параметров внешнего воздействия (при постоянной высоте)

Как видно из диаграммы на рис.10, время обработки отверстий при увеличении частоты прерывания управляющей струи снижается. Сначала этот процесс происходит

довольно резко, а затем интенсивность уменьшения времени постепенно снижается. По диаграмме видно, что увеличение давления перед управляющим соплом приводит к небольшому увеличению производительности обработки на всем диапазоне частот прерывания управляющей струи.

Как видно из диаграммы, представленной на рис. 11, производительность обработки отверстий сильно изменяется при изменении высоты к от среза струеформирующего инструмента. Так, производительность увеличивается с увеличением расстояния к.

Рис. 11 Изменение времени обработки отверстия в зависимости от параметров внешнего воздействия (при изменении высоты)

При этом видно, что увеличение частоты 1" прерывания управляющей струи приводит к увеличению производительности на всем диапазоне исследованных значений к. Увеличение производительности при увеличении расстояния к связано, прежде всего, с увеличением отклонения Ь режущей струи после соударения с управляющей струей.

Пятая глава посвящена разработке схемы насосной установки, позволяющей снизить нагрузку на детали в процессе её работы. Как один из вариантов рассмотрено многоступенчатое сжатие, в котором используется несколько насосных агрегатов, соединенных последовательно. Применительно к плунжерным гидравлическим мультипликаторным насосным установкам такая схема соединения позволяет решить ряд задач повышения долговечности деталей работающих при циклически изменяющихся сверхвысоких давлениях, в частности это касается сложных в изготовлении и дорогостоящих рабочих гильз мультипликатора. При определенных параметрах гильз насосной установки и распределений рабочих давлений в главе получено увеличение

16

запаса циклической прочности до 22%. Кроме того, вместе с многоступенчатым сжатием была применена дополнительная гидравлическая поддержка гильз. Благодаря этому во-первых, решается вопрос источника гидравлической энергии, используемого для поддержки гильз, им становится низшая ступень сжатия. А во-вторых, применение низшей ступени сжатия для поддержки гильз позволяет полностью разгрузить гильзы на такте всасывания. В-третьих, при определенных параметрах гильз и рабочих давлений насосных установок можно получить снижение эквивалентных напряжений на наиболее опасной внутренней поверхности почти на 50%.

Для реализации положительных качеств двухступенчатого сжатия жидкости в сочетании с гидравлической поддержкой гильзы была разработана схема мультипликаторной насосной установки. Компоновка рабочих элементов данной насосной установки позволяет значительно продлить срок службы или повысить производительность. Мультипликаторная насосная установка (рис.12) содержит плунжерный гидравлический мультипликатор 1 (низшей ступени сжатия), соединенные с его рабочими полостями 2 и 3 два всасывающих клапана 4 и 5, а также два напорных клапана 6 и 7. Напорные клапаны 6 и 7 по каналу 8 соединены с ресивером 9. Плунжерный гидравлический мультипликатор 10 (высшей ступени сжатия) своими рабочими полостями 11 и 12 соединен с всасывающими клапанами 13 и 14, которые в свою очередь соединены с ресивером 9 по каналу 15. При этом рабочие полости 11 и 12 первого плунжерного гидравлического мультипликатора 10 соединены с напорными клапанами 16 и 17, а те в свою очередь соединены по каналу 18 с ресивером 19. Ресивер 9 соединен с полостями бандажирования 20 и 21 плунжерного гидравлического мультипликатора 10, минуя обратные клапаны по каналу 22. Ресивер 9 и ресивер 19 соединены друг с другом через обратный клапан 23. Работу плунжерных гидравлических мультипликаторов обеспечивают две гидравлические системы 24 и 25 (на рисунке изображены частично). Подача рабочей жидкости к плунжерному гидравлическому мультипликатору 1 осуществляется через всасывающие клапаны 4 и 5 от системы фильтрации 26 рабочей жидкости.

Рис. 12 Мультипликаторная насосная установка Полученное техническое решение по компоновке элементов насосной установки может быть использовано как для повышения номинального давления насосной установки, так и для продления срока службы. Предложенная схема насосной установки была защищена патентом на изобретение.

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.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В научно-технических журналах из перечня ВАК

1. Ищенко H.H. Повышение производительности резания путем бесконтактного воздействия на сверхзвуковую гидроабразивную струю // Естественные и технические науки. 2012. №2. с.236-238

2. Ищенко И.Н. Метод повышения производительности гидроабразивного резания // Научно-технический вестник Поволжья. Л':2.2012. с. 212-215.

3. Ищенко И.Н. Насоспая установка многоступенчатого сжатия с применением гидравлической поддержки гильз // Естественные и технические пауки. 2012. №3. с.162-164

4. Ищенко И.Н. Иванов В.И. Сазанов И.И. Применение многоступенчатой системы сжатия как метод повышения долговечности насосной установки сверхвысокого давления // Проблемы исследования и проектирования машин: сборник статей VII Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2011. с.34-36

5. Ищенко И.Н. Иванов В.И. Сазанов И.И. патент RU 2458260 МПК F15B 3/00. -Мультипликаторная насосная установка сверхвысокого давления. 18.03.2012 бюл.№22

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИЩЕНКО Иван Николаевич

Повышение производительности установки гидроструйной обработки за счет создания естационарных струй

Подписано в печать 29.10.2012 Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 105 экз. Заказ 200.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

Введение.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯМ

1.1 Анализ методов повышения производительности гидравлического и гидроабразивного резания.

1.1.1 Повышение номинального давления насосной установки сверхвысокого давления.

1.1.2 Оптимизация параметров струеформирующего оборудования, систем смешивания и подачи абразива.

1.1.3 Динамическое воздействие на струю.

1.2 Анализ параметров и характеристик устройств для получения импульсных струй воды.

1.3 Анализ результатов исследования разрушения материалов импульсными струями воды.

1.4 Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

2.1 Теоретическое обоснование эффективности применения эффекта соударения струй для реализации бесконтактного воздействия на сверхзвуковую струю.

2.2 Определение возможных вариантов внешнего бесконтактного воздействия.

2.3 Установление математических зависимостей влияния импульсации гидравлического потока на обрабатываемый материал

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3 ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Техника экспериментальных исследований.

3.2 Экспериментальный стенд.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

4.1 Определение возможности и эффективности бесконтактного воздействия на гидравлическую струю сверхвысокого давления.

4.2 Определение эффективности использования бесконтактного воздействия на гидроабразивную струю при обработке отверстий.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА КОМПОНОВКИ ЭЛЕМЕНТОВ МУЛЬТИПЛИКАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ.

5.1 Анализ многоступенчатого сжатия жидкости.

5.2 Анализ эффективности многоступенчатой системы сжатия с точки зрения прочности при циклическом нагружении.

5.3 Анализ эффективности многоступенчатой системы сжатия с точки зрения скорости роста усталостных трещин.

5.4 Анализ эффективности использования гидравлической энергии низшей ступени мультипликаторной насосной установки для повышения надежности деталей высшей ступени мультипликаторной насосной установки.

5.5 Реализация двухступенчатой насосной установки с гидравлической поддержкой.

Выводы к главе 5.

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, 2011г.

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.

1. Патент СССР № 638279, Кл F04B9/02 от 15.12.1978

2. Патент СССР № 1489584, Кл F04B21/02 от 23.06.1989

3. Патент СССР № 1554777, Кл F04B21/00 от 23.03.1988

4. Патент ФРГ № 4001335, Кл F04B21/02 от 31.01.1991

5. Патент ФРГ № 4001335, Кл F04B53/00 от 15.07.1993

6. Патент РФ № 2004101994, Кл F04B53/00 от 25.11.2004

7. Патент ФРГ № 471279, Кл F17В12 от 17.01.1929

8. Патент РФ № 2364752, Кл F04B53/00 от 14.05.2008

9. Патент РФ № 2150026, Кл F04B53/00 от 05.04.1999

10. Патент США № 5337561, Кл F16D31 /02 от 17.11.199211 .Патент США № 3811795, Кл F16D31 /02 от 12.01.1973

11. Патент ФРГ № 10044336, Кл F16L23/08 от 21.03.2002

12. Поляков A.B. Разработка метода расчета эффективности процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления и обоснование параметров устройства для их получения применительно к проходческим комбайнам: дис. канд. тех. наук Тула 2006, -184с

13. Белоусов B.C. Насосные агрегаты сверхвысокого давления для гидроструйной резки. Теория и расчет. 4.1: учеб. Пособие/ В.С.Белоусов, Д.Н. Смирнов. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 67с.

14. Шубняков A.A. Обоснование рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов: дис. канд. тех. наук Москва 2006, - 178с.

15. Honl М. Orthopädische Trennverfahren unter besonderer Berücksichtigung des Strahlschneidens: Habilitationsschrift, Hamburg-Harburg, 1999, - 233b.

16. Pi V.N Performance Enhancement of Abrasive Waterjet Cutting: ISBN: 978-909023096-2

17. Савченко Н.В, Яхно О.М Гидродинамические способы создания пульсирующих струй для гидроразрушения твердых материалов. НТУУ «КПИ», 13 с.

18. Поляков А.В. Обоснование рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработка метода расчета эффективности процесса резания ими горных пород, дис. канд. тех. наук Тула 2006, -162с

19. Vijay М.М. How Does a Pulsed Waterjet Work?

20. Chahine G.L., Conn A.F., Johnson V.E. Cleaning and cutting with selfresonating pulsed waterjet. Pros. 2nd U.S. Water Jet Conference, St. Louis, USA. 1983. pp. 167-173.

21. Vijay M.M. Numerical analysis of pulsed jet formation by electric discharge in nozzle. Pros. 14th International Conference on Jetting technology, Brugge, Belgium.-1998. pp. 73-89.

22. Chahine G. L., Johnson Jr. V. E., Frederick G. S. The feasibility of passively interrupting water-jets for rock cutting applications HYDRONAUTICS, Incorporated Technical Report 8228-1, 75 p.

23. Conn A. F., Johnson Jr. V. E., Lindenmuth W. T. Some industrial applications of CAVIJETS cavitating fluid jets, Proc. First U. S. Water Jet Sympos., Golden, Colorado,p.V-2.1-V-2. 11.

24. Erdmann-Jesnitzer F., Louis H., Schikorr W. Cleaning, drilling and cutting by interrupted jets, Proc, Fifth Int'l. Sympos. on Jet Cutting Technology, Hannover, F.G.R.,p.45-55.

25. Xiong D., Benzhao Т., Huikun J. Study on the erosion performance of twonozzle interrupted waterjet. Pros. International Symposium on new application of waterjet technology, Ishinomaki, Japan. 1999. pp. 157-163.

26. Eugene В., Nebeker P. D, Standoff distance improvement using percussive jets. Pros. 2nd U.S. Water Jet Conference, St. Louis, USA. 1983. pp. 25 - 39.

27. Барзов А. А., Галиновский А. Л., Колпаков В. И., Сальников С. К. Анализ влияния кинетического фактора ультраструи на эффективность гидрообработки материалов М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.-24 с.

28. Mostafa Ahmed Kamel Mohamed, Waterjet cutting up to 900 MPa, Habilitationsschrift, Hannover, 2004, 122b.32.3алманзон Л.А. Струйная техника автоматического управления:. Москва, Наука, 1965г., 528с.

29. Hashish М., Visualization of the abrasive waterjet cutting process text./ M. Hashish//Exp. Meehan28:- 1988/-P. 159-169.

30. Hashish M., An improved model of erosion by solid particle impact text./ M. Hashish // In: field J.E, Dear J P (eds) 1987. Proc. 7th int. Conf. Erosion by liquid and solid impact, Cavendish lab., Cambridge, P 66.1-66.9

31. Guo N. S., Schneidprozess und Schnittqualitat beim wasserabrasivstrahlsneiden text./ N. S. Guo // VDI-fortschritt-Berichte, Reiche 2. 1994, nr 328.

32. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1972г., 544 стр.

33. Ито Ю., Мураками Ю., Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: Т. 1: Пер. с англ./Под ред. Ю. Мураками. — М.: Мир, 1990. — 448 с, ил.

34. Ито Ю., Мураками Ю., Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: Т. 2: Пер. с англ./Под ред. Ю. Мураками. — М.: Мир, 1990. — 1016 с, ил.

35. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях., Москва, издательство «ХИМИЯ», 1976, 432 с;

36. Бредли К. К. Применение техники высоких давлений при исследованиях твердого тела, Москва, изд. «МИР» 1972г. 232с.

37. Михеев А. В. Повышение производительности пакетной резки материалов гидроабразивной струей,: дис. канд. тех. наук Орел 2009, -173с.

38. Антонов Э.А. Некоторые вопросы теории и практики импульсных водяных струй, дис. канд. тех. наук. Новосибирск 1961г. -98с.

39. Бешевли Б. И. Исследование импульсных струй как инструмента разрушения, дис. канд. тех. наук. Донецк. 1987г. -103с.

40. Уланов Н.Г. Исследование взаимодействия импульсной струи жидкости с преградой, дис. канд. тех. наук. Тула 1982г. -117с.