Повышение производительности установки гидроструйной обработки за счет создания нестационарных струй тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Ищенко, Иван Николаевич

• Ищенко, Иван Николаевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ищенко, Иван Николаевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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, 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.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Ищенко, Иван Николаевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ищенко, Иван Николаевич, 2012 год

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.