Разработка струеформирующей системы мобильных гидроабразивных установок для подводной обработки конструкционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Илюхина Анна Андреевна

• Илюхина Анна Андреевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Илюхина Анна Андреевна

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,

16

ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ РАБОТЫ

1.1. Особенности выполнения технологических операций под водой.

16

Анализ применяемого технологического оборудования

1.2. Применение гидроабразивной обработки под водой

1.3. Методы исследования процессов гидроабразивной обработки

1.4. Задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 35 МОБИЛЬНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Основные этапы математического моделирования

2.2. Физико-математические модели процессов формирования гидроабразивной струи и прошивки отверстий в конструкционных 43 материалах в условиях работы под водой

2.3 Верификация разработанных моделей

2.3. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ УСТАНОВКИ НА

МАКРОУРОВНЕ

3.1. Установление закономерностей формирования гидроабразивной струи

Стр

72

80

83

89

3.2. Исследование особенностей прошивки отверстий гидроабразивной струей в различных конструкционных материалах

3.3. Исследование влияния гидроудара на эффективность гидроабразивной обработки под водой

3.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ 80 УСТАНОВКИ НА МИКРОУРОВНЕ

4.1. Анализ возможности моделирования гидроабразивных частиц в двумерной осесимметричной постановке

4.2. Исследование особенностей движения абразивных частиц по каналу струеформирующей трубки

4.3. Исследование особенностей взаимодействия гидроабразивной струи с обрабатываемым материалом

4.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ К РЕЖИМАМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ ГИДРОАБРАЗИВНЫХ 93 УСТАНОВОК

5.1. Описание экспериментальной установки. Исследование влияния покачивания сопла на эффективность прошивки отверстий

5.2. Экспериментальное исследование фокусирующих трубок разной конфигурации

5.3. Анализ результатов теоретических исследований и разработка практических рекомендаций по реализации технологии 107 гидроабразивной обработки мобильными установках под водой

5.4. Выводы по Главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕТЕРАТУРЫ

93

98

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ГАО — гидроабразивная обработка; ГАР — гидроабразивная резка;

МЧС РФ — Министерство чрезвычайных ситуаций Российской Федерации; КТП - конструктивно-технологические параметры; СЭЛ - совместный эйлерово-лагранжев метод; ФТ — фокусирующая трубка;

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) -численный метод сглаженных частиц для решения гидродинамических задач.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Dmesh — средний диаметр абразивных частиц, соответствующий размеру сетки

(mesh);

Dy — компоненты тензора девиатора напряжений; ds — выходной диаметр струеформирующего тракта; dc — диаметр гидро- или гидроабразивной струи; e — удельная внутренняя энергия среды; Е — модуль Юнга;

gij — метрические коэффициенты основного базиса выбранной системы координат;

G = Е/2(1 + v) — модуль сдвига; Их — длина фокусирующей трубки; К = Е/3(1 — 2v) — модуль объемного сжатия; KVa — объемная концентрация абразива в суспензии;

к — коэффициент полезного действия мобильной гидроабразивной установки; L — длина струеформирующей части фокусирующей трубки (цилиндрической части диаметром ds);

N — мощность мобильной гидроабразивной установки;

Nmesh — количество частиц, взаимодействующих с обрабатываемым объектом в единицу времени;

р — давление в струеформирующей системе;

рс — давление окружающей среды, в которую истекает формируемая струя; t — текущее время;

Q — расход воды или суспензии в течении рабочего цикла гидроабразивной установки;

Vc — продольная составляющая скорости истечения гидроабразивной суспензии из струеформирующего канала на оси симметрии;

VR — продольная составляющая скорости гидроабразивной суспензии на периферии струеформирующего канала;

Vmesh — средний объем абразивной частицы, соответствующий размеру сетки (mesh);

Vx — осевая составляющая скорости истечения гидроабразивной суспензии; Vy — радиальная составляющая скорости истечения гидроабразивной суспензии;

V = 1/р — удельный объем (р - плотность материала); vi — компоненты вектора скорости среды;

Y — динамический предел текучести материала;

а — угол раствора конической части соплового блока;

Р — угол резания;

v — коэффициент Пуассона;

р0, р — начальная и текущая плотность материала;

ра — плотность абразивных частиц;

рс — плотность гидроабразивной суспензии;

рП — плотность материала преграды;

в г] — компоненты тензора деформаций;

¿ij — компоненты тензора скоростей деформаций;

Bi — интенсивность деформаций;

¿р— предельная пластическая деформация;

О — интенсивность напряжений; о у — компоненты тензора напряжений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка струеформирующей системы мобильных гидроабразивных установок для подводной обработки конструкционных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Гидроабразивная обработка (ГАО) - уникальная технология, позволяющая применять одно и то же технологическое обеспечение для реализации широкого спектра проводимых процессов, таких как прошивка отверстий, резка разнообразных материалов, фрезерование пазов, очистка поверхностей [1-3]. Такая универсальность особенно важна в полевых условиях для ремонта нефте- и газодобывающих объектов, устранения последствий техногенных катастроф, проведения спасательных работ и выполнения других операций, когда нет возможности использовать стационарные установки и большое количество оборудования. Данная проблема актуальна также для осуществления работ под водой, в том числе в рамках решение специальных задач по линии Министерства чрезвычайных ситуаций Российской Федерации (МЧС РФ), фрагментирования затонувшей техники (летательных аппаратов и судов) с целью последующего подъема их частей, обслуживания техногенно-опасных объектов (газо- и нефтепроводов), обезвреживание боеприпасов.

В настоящее время при выполнении различных подводно-технических работ и для освоения ресурсов Мирового океана успешно применяются обитаемые и необитаемые подводные аппараты [3-7]. Во многих случаях выполнение поставленных задач невозможно без оснащения подводного технического средства специализированным инструментом, способным осуществлять под водой резку различных материалов. На сегодняшний день в подводной технике с этой целью применяются резаки различных типов, циркулярные и цепные пилы, перфораторы, сверлильные и фрезерные головки. Однако многолетняя практика использования традиционного подводного инструмента показала, что довольно часто существующие традиционные технологии резки материалов под водой не позволяют выполнить требуемые работы из-за заклинивания инструментов. Кроме того, при необходимости выполнить ту или иную операцию под водой, заранее неизвестно с каким материалом предстоит работать, какой толщины этот материал и какие

сложности могут возникнуть в процессе. В связи с этим приходится оснащать аппарат широким спектром режущего инструмента, который необходимо менять в процессе работы, что значительно усложняет и замедляет процесс обработки. Поэтому задача разработки новых методов резки, реализуемых в подводных условиях и обладающих универсальностью к обрабатываемому материалу и геометрии реза, является чрезвычайно актуальной.

Одной из технологий, способных решать поставленные задачи, является технология гидроабразивной резки (ГАР), реализующая фрагментацию любых элементов конструкций из различных материалов, включая их размерную обработку, например, под сварку, прошивку отверстий и т.п. Так как окружающая морская вода является неограниченным расходным материалом для ГАР, то реализация такой технологии в подводных условиях представляется вполне логичной и перспективной.

Ограниченность энергетики и мощности подводных аппаратов приводит к тому, что на работу гидроабразивной установки может быть выделено лишь 2...5 кВт мощности. Существенно меньшее значение мощности мобильных гидроабразивных установок по сравнению со стационарными не позволяет достичь высоких давлений в гидросистеме, что в совокупности с работой в более плотной среде (воде), значительно снижает эффективность работы таких установок по сравнению со стационарными. Указанная технология имела успешное применение иностранными компаниями [3, 8-10], однако в доступных источниках нет рекомендаций по проектированию малогабаритных подводных мобильных установок, а также выбору их конструктивно-технологических параметров (КТП). Поэтому детальная отработка КТП представляет собой значительную научно-прикладную проблему, расширяет функциональные возможности ГАР материалов и изделий под водой и особенно актуальна в России, в том числе с точки зрения импортозамещения.

Цель настоящей работы — обоснование рациональных конструктивно -технологических параметров струеформирующей системы мобильных

гидроабразивных установок, обеспечивающих эффективную подводную обработку конструкционных материалов.

Объектом исследования работы является струеформирующая система мобильной установки, обеспечивающая получение высокоскоростной гидроабразивной струи, представляющей собой универсальный инструмент, реализующий технологию гидроабразивной обработки.

Предметом исследования являются закономерности процессов, сопровождающих формирование, движение и взаимодействие с обрабатываемыми объектами высокоскоростных гидро- и/или гидроабразивных струй, функциональные возможности и особенности реализации технологии с их использованием под водой.

Методы исследования. В работе использовано физико-математическое моделирование гидроабразивной обработки (ГАО) с применением численных методов механики сплошной среды, реализованных в программном комплексе ANSYS / AUTODYN (основной метод исследования), и экспериментальные исследования функционирования мобильной гидроабразивной установки (ГАУ) в лабораторных условиях, имитирующих работу под водой.

Для достижения поставленной цели с учетом выбранного метода исследования научные задачи работы сформулированы следующим образом.

1. Показать технологические возможностей универсальной мобильной ГАУ, обеспечивающей, в рамках имеющихся ограничений по мощности, габаритам и длительности автономной работы, эффективную реализацию нескольких видов обработки различных конструкционных материалов (резку и прошивку) под водой.

2. На базе программного комплекса ANSYS / AUTODYN выполнить разработку комплекса математических моделей и методик расчета процессов формирования струи гидроабразивной суспензии (рабочее тело) и прошивки отверстий в различных конструкционных материалах с учетом параметров окружающего пространства.

3. Исследовать особенности реализации технологии гидроабразивной обработки (формирование и движение струи, гидроудар, прошивка и резка разнообразных конструкций) под водой.

4. Разработать практические рекомендации к КТП ГАУ (струеформирующей системе, условиям реализации технологии), обеспечивающим рациональные условия фрагментации обрабатываемых объектов в конкретных условиях вне зависимости от глубины погружения.

Признаками научной новизны работы обладают следующие полученные результаты:

1. Разработаны научно-методические рекомендации поэтапного моделирования на макро- и микроуровнях процессов формирования высокоскоростных гидро- и /или гидроабразивных струй и их (струй) последующего воздействия на заготовки из различных конструкционных материалов, основанные на численном решении взаимосвязанных задач механики сплошной среды в программном комплексе ANSYS / AUTODYN, в комплексе реализующих технологию гидроабразивной обработки под водой.

2. Установлено влияние КТП струеформирующего тракта (геометрических характеристик, давления в гидросистеме, концентрации абразивных частиц, положения относительно заготовки) на особенности движения гидроабразивной суспензии по струеформирующему каналу, на интенсивность гидроудара в нем и на результативность гидроабразивной прошивки отверстий и резки металлических конструкций с учетом давления в окружающей водной среде.

3. Обоснованы рекомендации по выбору объемной концентрации гранатового песка (5.13 %) или электрокорунда (6,5.16%) при резке и прошивке отверстий в металлических конструкциях, а также по чередованию режимов использования жидкой и гидроабразивной суспензий в течение реализации технологического процесса и при включении и выключении ГАУ, способствующих увеличению длительности их автономной эксплуатации под водой.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке физико-математических моделей формирования высокоскоростных

гидро- и /или гидроабразивных струй и их последующего воздействия на заготовки из различных конструкционных материалов, а также в полученных результатах выполненного исследования с использованием численных методов механики сплошной среды на макро- и микроуровнях. При этом выявлены физические особенности движения микрочастиц абразива по струеформирующему каналу и их последующего взаимодействия с материалом обрабатываемой заготовки при прошивке отверстий. Кроме того, с использованием расчетных и экспериментальных данных определены аналитические соотношения, описывающие кинематические характеристики формируемой гидроабразивной струи, расход гидроабразивной суспензии и параметры, определяющие результативность ГАО (скорость прошивки, величину подачи при резке металлических конструкций) от давления в гидросистеме установки и в окружающей водной среде, объемной концентрации абразива в суспензии, физико-механических и геометрических характеристик абразива и свойств материалов обрабатываемых конструкций. Сформулированные рекомендации к технологическим параметрам системы могут найти непосредственное применение для реализации технологии подводного гидроабразивного резания объектов, находящихся в затопленном состоянии.

На защиту выносятся следующие положения:

- совокупность физико-математических моделей, адекватно описывающих гидроабразивную суспензию и процессы формирования и движения гидроабразивной струи, прошивки отверстий в разнообразных конструкционных материалах, находящихся в затопленном состоянии;

- результаты расчетов и выполненных экспериментов, позволяющие формировать пакет рациональных конструкторско-технологических решений и ранжировать степень их влияния на результативность ГАО под водой;

- выявленные в процессе исследования общие закономерности и характерные особенности исследуемых процессов, определяющих влияние КТП струеформирующего тракта и давления в окружающей водной среде на

результативность гидроабразивной прошивки отверстий и резки металлических конструкций;

- практические рекомендации по структуре и условиям функционирования мобильных гидроабразивных установок, по назначению конструктивных параметров струеформирующего тракта мобильных ГАУ, по выбору технологических параметров реализации процесса подводной гидроабразивной резки.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением современных программных средств и методик проведения расчетных и экспериментальных исследований, определяется обоснованностью используемых теоретических моделей и непротиворечивостью фундаментальным физическим законам, подтверждается соответствием известным теоретическим и экспериментальным данным.

Основные результаты работы докладывались на XLIII и XLIV Академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых - пионеров освоения космического пространства («Королевские чтения», Москва, 2019-2020 г.); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2019» в МГУ им. Н.В. Ломоносова (Москва, 2019 г.); XII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2019 г.); II, III и IV Международных молодежных конференциях «Новые материалы, подходы и технологии проектирования, производства и эксплуатации ракетно-космической техники» в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2018-2020 г.) [17, 75, 76] и XVII Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований (МС0И-2021)» в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (Москва, 2021 г.) [77].

Результаты работы внедрены в ОКР «Свеклокомбайн» (М4-270) и в учебный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основное содержание работы отражено в 14 научных работах [12-22, 75-77], в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ [13, 16, 22] и 3 статьи в

журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS [15, 18, 21]. Подана заявка на изобретение №2021118225 [79]. Общий объем публикаций 104 с. (6,55 п.л.).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 83 наименований. Работа содержит 126 страницы машинописного текста, включая 19 таблиц и 71 рисунок. Во всех необходимых случаях заимствования результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; определены объект и предмет исследования; сформулированы цель, задачи и выбран метод исследования; изложены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы; представлена структура работы.

В первой главе приведен перечень работ, которые могут быть выполнены в полевых условиях, в том числе под водой, при помощи гидроабразивной технологии. Приведены примеры успешного применения этих технологий и их преимущества над традиционными методами обработки. Описаны исследования процессов ГАО, проведенные на сегодняшний день. Отмечено, что особенностью мобильных гидроабразивных установок, применяемых под водой, является ограниченность их мощности, что влияет на максимально достижимое давление в гидросистеме.

Вторая глава посвящена разработке методических основ расчета процессов гидроабразивной обработки мобильной гидроабразивной установкой. При этом показано, что процесс подводной ГАО можно рассчитывать как на макроуровне, принимая гидроабразивную струю однофазной жидкостью, плотность которой зависит от концентрации в суспензии абразива, так и на микроуровне, моделируя суспензию двухфазной средой, включающей воду и отдельные абразивные частицы.

В третьей главе представлены результаты исследования технологии ГАО на макроуровне. В целях установления закономерностей формирования струи гидроабразивной суспензией, находящейся под давлением 60...90 МПа, разработана математическая модель ее формирования.

В результате выполненных численных расчетов показано, что внутренний профиль и выходной диаметр фокусирующей трубки не оказывают

существенного влияния на осевую составляющую скорости истекающей струи. При этом достоверность полученных результатов подтверждена соответствием расчетных значений скорости значениям, определенным по формуле Бернулли. Кроме того, показано, что с точки зрения величины расхода гидроабразивной суспензии, стабильности формируемого гидроабразивного потока и глубины его проникновения в окружающую водную субстанцию, находящуюся под давлением 10.30 МПа, оптимальным является диаметр струеформирующего канала, приблизительно равный 0,4 мм.

В этой же главе представлено решение задачи прошивки отверстий в конструкционных материалах, которая также решалась в двумерной осесимметричной постановке в Эйлеровых координатах. В результате проведенного исследования выявлено три фазы процесса прошивки отверстий. А именно: формирование сквозной трещины (1 -я фаза), начало проникновения суспензии за тыльную сторону преграды (2-я фаза), формирование сквозного отверстия, диаметр которого соответствует диаметру режущей струи (3-я фаза). Оценка перечисленных характеристик на интенсивность процесса обработки показала, что диаметр режущей струи не оказывает существенного влияния на скорость прошивки отверстий, а при резке целесообразно применять сопла меньших диаметров. Кроме того, было показано, что снижение времени обработки обеспечивается увеличением скорости режущей струи и повышением концентрации абразивных частиц в суспензии.

В случае применения технологии ГАО под водой, имеет место эффект гидроудара. В целях оценки степени влияния этого эффекта на реализацию технологических процессов ГАО, разработан комплекс параметрических схем, позволяющих исследовать влияние скорости и плотности гидроабразивной суспензии, расстояния от среза сопла до преграды, угла резания и длины струеформирующего канала на интенсивность гидроудара, оцениваемого амплитудой ударных волн вдоль канала в процессе обработки.

В четвертой главе приведены результаты расчетного исследования технологии прошивки отверстий на микроуровне, позволяющие определить влияние

объемной концентрации абразивных частиц в суспензии, геометрических и физико-механических параметров частиц на особенности процесса струеформирования и скорость прошивки отверстий в металлических конструкциях.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований операции прошивки отверстий в стальной заготовке, и выполнено обобщение полученных результатов комплекса расчетных исследований, на основании которых предложены варианты конструктивного исполнения струеформирующих сопел, а также рассмотрены возможные технологии их изготовления. Выявлены наиболее рациональные геометрические параметры струеформирующего тракта, позволяющие снизить расход суспензии и повысить эффективность формируемой струи, увеличив тем самым производительность мобильных установок, в том числе для подводного гидроабразивного резания.

Предложена модификация функциональной схемы установки для подводного гидроабразивного сверления, в которой рабочий цикл функционирования установки складывается из чередующихся этапов подачи чистой воды и гидроабразивной суспензии.

На основании выполненных расчетных и экспериментальных исследований, получены аналитические зависимости, описывающие влияние параметров технологического процесса на скорость прошивки отверстий в стальной преграде и подачу, для резки металлических пластин.

Работа выполнена в период 2018-2021 годов на кафедре СМ-12 «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках ОКР «Свеклокомбайн» (М4-270), гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ НШ-3778.2018.8 и гранта РФФИ № 18-29-18081.

Автор выражает свою глубокую признательность и благодарность заведующему кафедрой «Технологии ракетно-космического машиностроения» Галиновскому Андрею Леонидовичу, заведующему кафедрой СМ-11 «Подводные аппараты и роботы» Вельтищеву Вадиму Викторовичу, своему научному руководителю профессору Колпакову Владимиру Ивановичу, товарищам и коллегам по работе. Без их внимания и поддержки выполнение данной работы было бы невозможно.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБОСНОВАНИЕ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧ РАБОТЫ

В настоящей главе рассмотрены особенности функционирования подводного инструмента, приведены преимущества гидроабразивного инструмента над традиционными (механическими, лазерными, плазменными).

1.1. Особенности выполнения технологических операций под водой. Анализ применяемого технологического оборудования

В настоящее время существует широкий спектр работ, выполнение которых необходимо проводить под водой в силу невозможности извлечения обрабатываемого объекта на поверхность. В большей степени эти работы являются аварийно-спасательными, к которым относятся [23]:

• вырезание отверстий в алюминиевых плитах;

• вырезание замков и петель из стальных дверей;

• обрезка и удаление запутанных тросов;

• снятие самописцев с неповрежденных ЛА.

Работа под водой сопряжена с преодолением таких трудностей как сопротивление воды, ограниченная видимость, неизвестность физико-геометрических и механических характеристик материала, подлежащего обработке. Заранее неизвестно, какой материал подлежит обработке и какова толщина обрабатываемой конструкции. Выполнение таких операций водолазами невозможно в силу таких особенностей, как глубина расположения объекта, ограниченность времени работы водолаза под водой и прочее. В настоящее время при выполнении различных подводно-технических работ и для освоения ресурсов Мирового океана успешно применяются обитаемые и необитаемые подводные аппараты. Во многих случаях выполнение поставленных задач невозможно без оснащения подводного технического средства специализированным

инструментом, способным осуществлять под водой резку различных материалов. В настоящее время в подводной технике с этой целью применяются резаки различных типов, циркулярные и цепные пилы, перфораторы, сверлильные и фрезерные головки. Эти инструменты имеют как свои достоинства, так и недостатки. Кроме того, при выполнении операций традиционными методами достаточно много времени уходит на замену инструмента, либо возникает необходимость оснащения подводного аппарата несколькими манипуляторами. Так, например, в одну систему может входить широкий перечень инструментов, предназначенных для выполнения различных действий (см. Таблицу 1, [23, 24]).

Таблица 1.

Набор инструментов, входящего в систему одного подводного манипулятора

Тип инструмента Силовая головка Инструмент Функция

Вращающийся гидравлический Высокоскоростная Проволочная щетка, шлифовальный круг, абразивный отрезной круг Очистка, шлифование

Низкоскоростная Сверло, метчик, плашка Сверление, нарезание резьбы

Ножницы - Разрезание веревок

Отбойный молоток Зубило Рубка

Ударный гайковерт Торцевой ключ Затяжка (отдача болтов)

Лебедка - Перемещение предметов

Линейный гидравлический Захват - Захват предметов

Расширитель - Увеличение отверстий

Резак тросов - Разрезание тросов

Скоростной Резак кабелей - Разрезание кабелей

Пиромолот Рым-болт Установка рым-болта

Идентичная ситуация наблюдается с разнообразием ручного инструмента, применяемым водолазами (см. Таблицу 2, [23]). Анализ таблиц 1 и 2 показывает, что в набор входят инструменты, применяемые для схожих целей, но

адаптированные под различные толщины и физико-механические характеристики обрабатываемых материалов, например, отбойный молоток и скребок, болторез, ножовка, ножницы и нож, ручная пила и напильник, резаки тросов и кабелей, ножницы. Таким образом, встает вопрос об унификации подводного инструмента.

Таблица 2.

Инструменты, применяемые водолазами

Инструмент Применение

Болторез Разрезание прутков, шпилек, проволоки

Дрель Сверление отверстий в дереве

Напильник Расширение отверстий

Ножовка Разрезание стальных тросов, канатов и труб небольшого диаметра

Молоток отбойный Очистка поверхностей от обрастания, обработка сварных швов, взятие проб каменистого грунта

Ручная пила Разрезание досок, деревянных планок, стоек

Нож Разрезание тонких концов веревок

Труборез Разрезание труб

Скребок Очистка поверхностей

Ножницы Разрезание шнуров тонкой проволоки

Наиболее сложной технологической операцией, особенно при работе под водой, является сверление отверстий, дальнейшая операция резки не представляет серьезных затруднений. Так, например, для осуществления лазерной или плазменной резки металлов, необходимо сначала просверлить отверстие в обрабатываемом материале, а затем уже становится возможным осуществить резку изделия [25].

Таким образом, многолетняя практика использования традиционного подводного инструмента показала, что достаточно часто существующие традиционные технологии резки материалов под водой не позволяют выполнить требуемые работы. Поэтому задача разработки новых методов резки, реализуемых в подводных условиях и обладающих универсальностью к виду обрабатываемого материала и геометрии реза, является чрезвычайно актуальной.

Одной из технологий, способных решать поставленные задачи, является технология гидроабразивной резки (ГАР), реализующая фрагментацию различных элементов конструкций из различных материалов, включая прошивку отверстий, размерную обработку, например, под сварку, и т.п. Так как окружающая морская вода является неограниченным расходным материалом для ГАР, то реализация такой технологии в подводных условиях представляется вполне логичной и перспективной.

Ограниченность энергетики и мощности подводных аппаратов [26] приводит к тому, что на работу гидроабразивной установки может быть выделено лишь 2...5 кВт мощности. Существенно меньшее значение мощности мобильных гидроабразивных установок по сравнению со стационарными не позволяет достичь высоких давлений в струеформирующей системе, что, в совокупности с функционированием в более плотной среде (воде), значительно снижает эффективность работы таких установок по сравнению со стационарными.

1.2. Применение гидроабразивной обработки под водой

С момента появления в 30-е годы ХХ века [27] технологии гидро- и гидроабразивной обработки (ГАО) охватывают все больше машиностроительных и других областей, продолжая непрерывное развитие. В силу ряда своих достоинств ГАО часто имеет преимущества перед традиционными методами обработки резанием и физико-механическими методами обработки. К достоинствам ГАО относятся следующие:

• возможность реализации различных технологий, таких как прошивка отверстий, резка изделий, очистка поверхностей одним и тем же инструментом - высокоскоростной гидроабразивной струей;

• возможность использование перечисленных технологий в труднодоступных местах, в том числе под водой;

• возможность реализации сложных разделительных операций (резки) и прошивки отверстий любой формы в различных материалах;

• отсутствие термического влияния и ударного воздействия на обрабатываемый материал;

• относительная конструктивная простота используемого оборудования;

• безопасность и экологичность метода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Илюхина Анна Андреевна, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕТЕРАТУРЫ

1. Лядник А.М., Сазанов И.И. Применение гидроабразивной резки в машиностроении // Строительные и дорожные машины. 2012. №4. С.81-84.

2. Грищенко Т.А., Мелюхов Н.И., Любушкин В.О. Применение гидроабразивной резки при обработке деталей из полимерных композиционных материалов // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2017. №2 (31). С.49-55.

3. Цыгановский А.Б. Технологические возможности гидроабразивной обработки затопленными струями // Вiбpащi в техшщ та технолопях. 2010. № 2. С.205-218.

4. Performance optimization of water-jet assisted underwater laser cutting of AISI 304 stainless steel sheet / S. Mullick [et al] // Optics and Lasers in Engineering. 2016. Vol. 83. P.32-47.

5. Miller P.L. Underwater abrasive entrainment wateijet cutting method : пат. 9446500 США. / Sep.20, 2016. 24 p.URL: https://patents.google.com/patent/US9446500B2/en.

6. Deepwater Subsea Waterjet Impact on HSE / В. Kivisto [et al] // Offshore Technology Conference-Asia. - Offshore Technology Conference, 2014. DOI: 10.2118/24783-MS. URL: https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-24783-MS.

7. Abrasive Waterjet Cutting Simulation Using Coupled SPH-FEA Method / M.I. Mohd Thiyahuddin [et al] // SPE Symposium: Decommissioning and Abandonment. - Society of Petroleum Engineers. 2018. URL: https://www.onepetro.org/conference-paper/SPE-193949-MS. DOI: 10.2118/193949-MS.

8. Kivisto B. Waterjet Technology and Applications-Deepwater Subsea // Proceedings of the International Conference and Exhibition on Oil Spill India. 2011. URL: https://chukarwaterjet.com/wp-content/uploads/2018/07/Whit.

9. Doornbos R. Underwater effectivity characterization of waterjet performance in cleaning applications // Proceedings of the WJTAIMCA Conference and Expo, New Orleans, Louisiana, USA, November. 2015. P.2-4.

10. Haghbin N., Spelt J.K., Papini M. Abrasive waterjet micro-machining of channels in metals: comparison between machining in air and submerged in water //International journal of machine tools and manufacture. 2015. Vol. 88. Pp.108-117.

11. Строгалев В.П, Толкачева И.О. Имитационное моделирование. 2-е изд., испр. и доп. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 295 с.

12. Илюхина А.А. Численное моделирование процесса гидроабразивной резки сотовых панелей летательных аппаратов // Молодежный научно-технический вестник. 2017. № 7. С.13.

13. Экспериментальное определение рациональных параметров элементов струеформрующего тракта установки для подводной гироабразивной резки материалов / А.А. Илюхина [и др.] // Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. № 7(68). С.4-12.

14. Особенности процесса гидроабразивной резки сотовых панелей космических аппаратов / А.А. Илюхина [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2018. № 4. С.101-107.

15. The features of hydroabrasive cutting of honeycomb panels of space vehicles / A.A. Ilyukhina [et al] // Moscow University Physics Bulletin. 2018. Vol.73. No 4. P.441-446.

16. Анализ взаимосвязанности функционально-физических возможностей аддитивных и ультраструйных технологий / А.А. Илюхина [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2018. №3 (329). С.73-81.

17. Анализ возможностей глубоководного применения ультраструйных гидрофизических технологий / А.А. Илюхина [и др.] // Сборник трудов II Международной молодежной конференции : Новые подходы и технологии проектирования, производства, испытаний и промышленного дизайна изделий ракетно-космической техники. М.: Диона, 2018. С.100-105.

18. Ilyukhina A.A., Kolpakov V.I. Specifics of mathematical modeling of erosion of structures made out of different materials by high-speed hydro-abrasive water jet // AIP Conference Proceedings. Published Online: 15 November 2019. P.170002-1—170002-6. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5133313.

19. Илюхина А.А, Колпаков В.И. Особенности математического моделирования разрушения конструкций из разных материалов под действием высокоскоростной гидроабразивной струи // Инженерный журнал: наука и инновации. 2019. № 9 (93) C.1-8. DOI: 10.18698/2308-6033-2019-9-1913.

20. Разработка физико-математической модели функционирования гидроабразивной установки подводного резания / А.А. Илюхина [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2020. № 2. С.53-59.

21. The Development of a Physico-Mathematical Model for the Functioning of an Underwater Waterjet Cutting Machine / A.A. Ilyukhina [et al] // Moscow University Physics Bulletin. 2020. Vol. 75. No 2. P.167-174.

22. Илюхина А.А, Колпаков В.И., Вельтищев В.В. Обоснование конструктивных параметров составного струеформирующего сопла для мобильных установок подводной гидроабразивной резки / Известия высших учебных заведений. Машиностроение (Раздел: машиностроение и машиноведение. Рубрика: технология и оборудование механической и физико-технической обработки. №4(733). 2021. C.30-39. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-430-39

23. Хэкмен Д. Подводный инструмент: Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1985.

128 с.

24. Wernli R.L. Designing for Remote Work in the Deep Ocean // Mechanical Engineering. 1980. Vol. 102. №2. P.27-33.

25. Underwater cutting of 50 and 60 mm thick stainless steel plates using a 6-kW fiber laser for dismantling nuclear facilities / J.S. Shin [et al] // Optics & Laser Technology. 2019. Vol. 115. P.1-8.

26. Зеленцов В.В. Подводная робототехника // Подводные исследования и робототехника №4(30). 2019. С. 232-347.

27. Рамазанов Д.И. Гидроабразивная резка // Инновации природо-обустройства и защиты окружающей среды. 2019. С.384-385.

28. Грицина И.Н., Черний Я.А. Разрушение строительных конструкций высокоскоростными струями жидкости // Об'еднання теорп та практики -запорука тдвищення готовност оперативно рятувальних тдроздшв до виконання дш за призначенням. Харюв: НУЦЗУ, 2019. С. 30-32.

29. Применение мобильного комплекса" Гюрза" для проведения операций повышенной сложности на объектах энергетики / М.В. Алешков [и др.] // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2012. №2. С.4-9.

30. Серпик В.Д. Способы обезвреживания взрывных устройств. Возможность практического применения специалистами взрывотехниками // Аллея науки. 2018. Т.2. №2. С.293-301.

31. Серпик В.Д. Гидроабразивная резка как способ обезвреживания взрывоопасных предметов // Научный дайджест Восточно-Сибирского института МВД России. 2019. №2. С.166-172.

32. Анализ роботизации процесса гидрорезания нефтепроводов / А.Н. Архипов [и др.] // Современные проблемы науки и образования. 2014. №6. С.73-80.

33. Лекарева А.В., Кобзев А.А., Махфуз А.А. Особенности построения мобильного РТК гидроабразивной резки труб нефтепроводов // Экстремальная робототехника. 2018. Т. 1. №1. С. 367-376.

34. Абашин М.И., Саркисов П.И. Применение гидроабразивного резания для освобождения пострадавших в ДТП // Машиностроение и компьютерные технологии. 2011. №13. С. 1-9.

35. Perspective Review on Subsea Jet Trenching Technology and Modeling / P.G. Atangana Njock [et al] // Journal of Marine Science and Engineering. 2020. Vol.8. No 6. P.460.

36. Mun D.Y., Cho Y.T. A Short Review on the Mechanical and Thermal Processes for Underwater Cutting of Metal Structures // Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers. 2020. Vol. 19. No 1. P.121-133.

37. Improvement of a separation method for the reduction of secondary waste from the water-jet abrasive suspension cutting technique / M. Brandauer [et al] // 2017. No NEA-RWMC-WPDD-2017-02. URL:

https: //inis. iaea. org/collection/NCLCollectionStore/_Public/48/047/48047396.pdf?r= 1.

38. Василевич Д.В., Лахвич В.В., Родак В.Я. Влияние давления воды и природы абразивных материалов на время гидроабразивной врезки ствола высокого давления в строительные конструкции // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2020. Т.4. №4. C.397-404.

39. Станкус А.Р., Ефименко В.Л. Современная система пожаротушения "КОБРА" // Пожарная и техносферная безопасность: проблемы и пути совершенствования. 2019. №3. С.173-182.

40. Technical countermeasures research on deep sea shipwreck water cutting engineering / S. Xue [et al] // 2019 WJTA Conference and Expo November 11-13, 2019. URL: https://www.wjta.org/images/wjta/Proceedings/Papers/2019/C3.pdf.

41. The development of thermal and mechanical cutting technology for the dismantlement of the internal core of Fukushima Daiichi NPS / M. Tezuka [et al] // Journal of Nuclear Science and Technology. 2014. Vol.51. No 7-8. P.1054-1058.

42. Key Technology Research on Abrasive Water Jet Cutting System in Deepsea / L. Sun [et al] // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol.310. P.309-313.

43. Мендалиева С.И., Косатбекова Д.Ш., Акулович Л.М. Технология и оборудование гидрорезки и гидроабразивной обработки в современном машиностроении // Гылым жаршысы. С.144.

44. Debruyne S., Van Massenhove K., Brackx K. Real-time underwater abrasive water jet cutting process control // Proceedings of EuroNoise 2015. 2015. Vol.10. P. 1375-1379.

45. Иванов В.В., Решетников М.К. Состояние вопроса моделирования технологического процесса гидроабразивной обработки // Глобальный научный потенциал. 2013. №9. С.30.

46. Математическая модель процесса формирования гидроабразивной струи, получаемой по способу увлечения абразива / А.Б. Жабин [и др.] // Известия

Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. №11-2. C.340-351.

47. Иванов В.В., Иванов В.В. Методические предпосылки поиска оптимального методологического подхода к исследованию процесса гидроабразивного резания // Прогрессивные технологии и процессы. 2015. C.376-380.

48. Иванов В.В., Решетников М.К. Компьютерное имитационное моделирование процесса гидроабразивного резания // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. № 2(79). С.46-49.

49. Gupta M.K., Sakharwade S. Computational optimization of Water Jet Machining: Effect of Nozzle Convergence Angle // Parameters. 2017. Vol.3. No 05.

50. Барсуков Г.В., Михеев А.В. Моделирование внедрения твердой частицы в преграду при различных кинематических углах сверхзвукового контактного взаимодействия // Мир науки. Педагогика и психология. 2014. №4. C.1-12

51. Повышение результативности ультраструйной обработки путем оптимизации кинематического фактора / А.А. Барзов [и др.] // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2010. № S. C.217-228.

52. Метод увеличения режущей способности гидроабразивной струи / В.В. Шпилёв [и др.] // Сборник научных трудов SWorld. 2011. Т.6. №4. С.18-22.

53. Тихонов А.А. Оптимизация технологических процессов гидроабразивной обработки // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий. 2017. С.174-180.

54. Investigation into the water jet erosion efficiency of hydrate-bearing sediments based on the arbitrary Lagrangian-Eulerian method / C. Chen [et al] // Applied Sciences. 2019. Vol.9. No 1. P.182.

55. Cha Y., Oh T.M., Cho G.C. Waterjet erosion model for rock-like material considering properties of abrasive and target materials // Applied Sciences. 2019. Vol.9.

No 20. P.4234.

56. Suspension technology for abrasive waterjet (AWJ) cutting of ceramics/ M. Putz [et al] // Procedia Cirp. 2018. Vol.77. P.367-370.

57. Chen Y., Hu Y., Zhang S. Structure optimization of submerged water jet cavitating nozzle with a hybrid algorithm // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2019. Vol.13. No 1. P.591-608.

58. Gupta M.K., Sakharwade S. Computational Optimization of Water Jet Machining: Effect of Nozzle Jet Diameter Ratio // Int. Res. J. Eng. Technol. 2017. Vol.4. P.3151-3156.

59. Njock P.G.A., Shen S. Investigation of Ground Displacement Induced by Hydraulic Jetting Using Smoothed Particle Hydrodynamics // GeoShanghai International Conference. Springer, Singapore. 2018. P.68-75.

60. Numerical simulation of spudcan-soil interaction using an improved smoothed particle hydrodynamics (SPH) method / H. Wu [et al] // Marine Structures. 2019. Vol.66. P.213-226.

61. Soil-Water-Structure Interaction Algorithm in Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) with Application to Deep-Penetrating Problems / H. Wu [et al] // International Journal of Computational Methods. 2020. Vol.17. No 03. P.1850135.

62. Numerical simulation of pile installation in saturated sand using material point method / V. Galavi [et al] // Procedia Engineering. 2017. Vol.175. P.72-79.

63. Селиванов В.В. Механика разрушения деформируемого тела. М.: Изд-во МГТУ им. НЭ Баумана. 2006. 420c.

64. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках : Монография / Ю.А. Батьков [и др.]; под общ. ред. М.В. Жерноклетова. 2-е изд., доп. и испр. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2005. 428 с.

65. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: ЭНЕРГОИЗДАТ, 1991. 1232с.

66. Колобанова А.Е., Селиванов В.В. Основы динамики разрушения оболочек : учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 98 с.

67. Analysis of the effect of physico-mechanical characteristics of cumulative liner

material on parameters of a high-speed element / V.I. Kolpakov [et al]// Technical Physics. 2018. Vol.63. No 12. P.1784-1791.

68. Анализ влияния физико-механических характеристик материала кумулятивной облицовки на параметры высокоскоростного элемента / В.И. Колпаков [и др.] // Журнал технической физики. 2018. Т.88. №.12. С.1829-1836.

69. Колпаков В.И. Математическое моделирование функционирования взрывных устройств // Наука и образование: электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 2. C. 1-36. URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/334177.html (дата обращения 05.07.2018).

70. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов : Учебник для втузов / А.В. Бабкин [и др.]. 2-е изд., испр. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. Т.3. 520с.

71. Сюеянь Ли. Обеспечение рационального выбора инструментального материала ножей роторных измельчителей полимерных материалов на основе ультраструйной диагностики: дис... кан. тех. наук: 05.02.07. Москва. 2021. 145 с.

72. Высокоскоростной удар. Моделирование и эксперимент / Ю.Ф. Христенко [и др.]; под ред. А.В. Герасимова. Томск: Изд-во НТЛ, 2016. 568с.

73. Физика взрыва / С.Г. Андреев [и др.]; под ред. Л.П. Орленко. Изд. 3-е, испр. В 2т., Т. 2. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 656с.

74. Нох В.Ф. СЭЛ - совместный эйлерово-лагранжев метод для расчета нестационарных двумерных задач // Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967. С.128-184.

75. Колпаков В.И., Илюхина А.А. Обоснование параметров составного струеформирующего тракта мобильной установки гидроабразивной резки под водой // Сборник докладов III международной молодежной конференции : Новые подходы в технологии проектирования, производства, испытаний и промышленного дизайна изделий ракетно-космической техники. М.: Издательский дом «Спектр», 2019. C.86-94.

76. Илюхина А.А., Колпаков В.И., Лихачев А.С. О влиянии параметров технологического процесса на интенсивность гидроудара в струеформирующем тракте гидроабразивной установки // Сборник докладов IV Международной молодежной конференции : Новые материалы, подходы и технологии проектирования, производства и эксплуатации ракетно-космической техники. М.: Издательский дом «Спектр», 2020. C.177-178.

77. Вельтищев В.В., Колпаков В.И., Илюхина А.А. Подводная гидроабразивная резка // Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-2021): XVII Международная научно-техническая конференция. Том. II. М.: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, 2021.С.143-147.

78. Пат. 2500518 Российская Федерация, МПК В24С 5/02, В24С 5/04. Режущий инструмент и режущее сопло для гидроабразивного режущего устройства / Д. Лившич, А. Лившич, Д.А. Лившич; заявитель и патентообладатель АБРЕЙСИВ КАТТИНГ ТЕКНОЛОДЖИ ЛТД. - No 2010110321/02; заявл. 21.08.2008; опубл. 10.12.2013

79. Заявка 2021118225 Российская Федерация, МПК 7 В 05 В 1/02. Струефор-мирующая головка для подводной гидроабразивной резки / Илюхина А.А. [и др.], заявл. 23.06.21. - 12 с.

80. Кожус О.Г. Повышение эффективности гидроабразивного резания путем создания полимерной оболочки на поверхности абразивного зерна: дис... кан. тех. наук: 05.02.07. Орел. 2019. 169 с.

81. Барсуков Г.В. Повышение эффективности гидроабразивного резания на основе дискретного регулирования состояний технологической системы: дис... д. тех. наук: 05.03.01. Орел. 2006. 411 с.

82. Яблуновский Я.Ю. Повышение эффективности гидроабразивной обработки на основе учета энергии двухфазной режущей струи: дис... кан. тех. наук: 05.02.07. Рыбинск. 2012. 142 с.

83. Тихонов А.А. Повышение эффективности процесса гидроабразивной обработки: дис... кан. тех. наук: 05.02.08. Ростов-на-Дону. 2011. 157 с.