РЕЗАК ДЛЯ ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ
TORCH FOR GAS-OXYGEN CUTTING OF METALS

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для резки металлов кислородом с применением горючей смеси, образованной из горючего газа и кислорода.
Известен резак для резки металлов (см. пат. US 4248384, 1981 г, кл. НКИ 239-419). Резак содержит головку со сменными мундштуками и ствол, который выполнен с каналом подачи кислорода, разделяющемся в стволе на каналы режущего и подогревающего кислорода, и канал подачи горючего газа. В головке этого резака размещен смеситель и канал подачи режущего кислорода. Канал смесителя имеет малые габариты и сообщен входами с пересекающимися каналами подачи подогревающего кислорода и горючего газа. Каналы головки сообщены с каналами ствола соответствующими трубками, одна из которых, трубка подачи подогревающего кислорода, выполнена с участком в виде спирали из меди. Этот резак имеет умеренные габариты.
Однако резак сложен по конструкции и требует специального дорогостоящего оборудования для изготовления участка из меди в виде спирали, а также смесителя с пересекающимися каналами. Резак выполнен из дорогих материалов: медного сплава и нержавеющей стали, что повышает его цену, но не оправдано, т.к. связано с малыми размерами и близостью расположения канала смесителя к выходному участку канала режущего кислорода мундштука, что может служить причиной проникновения пламени в смеситель, его быстрого прогорания при обратных ударах пламени и выхода резака из строя, а также привести к травмам рабочих. К тому же увеличение размеров канала горючего газа в стволе ограничено неудачной компоновкой элементов, что ведет к опасности скачков давления горючего газа и к получению нестабильного состава горючей смеси и отражается на качестве резки.
Известны резаки для разделительно-кислородной резки металлов (см. а.с. SU 112658, 1952 г, а.с. SU 1019174, кл. F23D 13/46 1983 г.) Устройства не технологичны, массивны, имеют повышенный вес. Для изготовления устройства по а.с. SU 112658 используют дорогие сплавы: латунь, медь, бронзу, а при монтаже многочисленные элементы резака скрепляют дорогой пайкой с серебряным припоем. Это ведет к повышенной стоимости и ограничивает применение. Резак по а.с. SU 1019174 содержит головку, сопряженную со сменным мундштуком, массивный ствол с каналами кислорода и горючего газа, и смеситель, который установлен в корпусе вентиля подачи режущего кислорода, а ось инжектора смесителя расположена перпендикулярно оси смесителя. Это существенно увеличивает габариты и массу ствола, а сложность расположения каналов усложняет изготовление. Кроме того, нерациональная компоновка элементов ствола ведет к необходимости введения промежуточного устройства для крепления входных штуцеров подачи газов, что существенно увеличивает вес резака. При этом регулировочные вентили приходится устанавливать на подводящих шлангах, что может привести к разрыву шланга и к аварии.
В качестве ближайшего аналога выбран резак для газокислородной резки металлов, содержащий головку, сопряженный с ней мундштук, ствол с рукояткой, с входными штуцерами подачи кислорода и горючего газа, с каналом подачи горючего газа и каналом подачи кислорода, разделяющемся на каналы подачи подогревающего и режущего кислорода, регулировочные вентили подогревающего и режущего кислорода и горючего газа, встроенную в полость ствола смесительную камеру с инжектором, входы которой соответственно сообщены с каналами подачи подогревающего кислорода и горючего газа, а выход смесительной камеры сообщен трубкой подачи горючей смеси с одним из входов головки, причем другой вход головки сообщен со стволом трубкой подачи режущего кислорода (см пат. RU 2041423, 1992 г.).
Однако этот резак имеет монолитный, массивный ствол из алюминиевого сплава, повышенную металлоемкость, значительный вес и повышенную стоимость, что ограничивает его применение. При этом рукояткой служит громоздкий теплопроводный участок ствола, что ведет к неудобству в эксплуатации, т.к. из-за сильного нагрева рукоятки приходится делать перерывы в работе. Это устройство ненадежно в работе, поскольку связующие элементы его конструкции скреплены со стволом резака резьбоклеевым соединением и отсутствуют средства, предотвращающие их вывинчивание из отверстий ствола при эксплуатации, что ведет к разгерметизации соединений и к аварийным ситуациям. При этом в устройстве не предложены унифицированные средства, позволяющие расширить номенклатуру резаков и их элементов, упростить и снизить затраты на ремонт и эксплуатацию, а также не предложены оптимальные параметры ствола, и материалы для его изготовления, снижающие стоимость и позволяющие повысить удобство компоновки элементов, повысить надежность и безопасность работы резака, увеличить ресурс его работы.
Задачей предложенного технического решения является повышение надежности работы и механической прочности ствола за счет исключения самопроизвольного вывинчивания элементов, скрепляющих модули, из резьбовых крепежных отверстий ствола, устранения разгерметизации соединений в процессе эксплуатации, снижении затрат на ремонт и эксплуатацию и исключении аварийных ситуаций, при одновременном снижении металлоемкости конструкции и веса резака, уменьшении его стоимости и создании простой и легкой конструкции, удобной для широкого круга потребителей, имеющей низкую теплопроводность рукоятки, исключающей ее нагрев, в увеличении ресурса работы резака за счет использования унифицированных модулей ствола, изготовленных из недорогих совместимых материалов, с одновременным получением требуемого качества резки.
Для решения поставленной задачи в предложенном резаке для газокислородной резки металлов, содержащем головку, сопряженный с ней мундштук, ствол с рукояткой, с входными штуцерами подачи кислорода и горючего газа, с каналом подачи горючего газа и каналом подачи кислорода, разделяющемся на каналы подачи подогревающего и режущего кислорода, регулировочные вентили подогревающего и режущего кислорода и горючего газа, встроенную в полость ствола смесительную камеру с инжектором, входы которой соответственно сообщены с каналами подачи подогревающего кислорода и горючего газа, а выход смесительной камеры сообщен трубкой подачи горючей смеси с одним из входов головки, причем другой вход головки сообщен со стволом трубкой подачи режущего кислорода, согласно изобретению резак снабжен рукояткой из пластика и двумя латунными трубками для подачи кислорода и горючего газа, при этом ствол резака выполнен из двух скрепленных унифицированных модулей, первым из которых, составляющим 2/3 длины ствола, служит указанная рукоятка из пластика и размещенные в ней латунные трубки, а второй модуль расположен на оставшемся участке ствола и выполнен в виде монолитного корпуса из сплава алюминия и прорезан каналами кислорода и горючей смеси, при этом рукоятка первого модуля состоит из двух скругленных пластиковых элементов, имеющих со стороны сопряжения два идентично расположенных полукруглых продольных паза и выполненных с полукруглым посадочным участком, при этом скругленные пластиковые элементы равномерно скреплены двумя поперечными винтовыми соединениями с совмещением полукруглых пазов и с образованием скругленной рукоятки с двумя продольными сквозными отверстиями, через которые пропущены латунные трубки, и с трубчатым посадочным участком на одном конце рукоятки, причем в торец противоположного конца рукоятки встроена металлическая перемычка, а второй монолитный модуль выполнен с посадочным выступом относительно плоскости разъема модулей, и с двумя расположенными со стороны посадочного выступа параллельными резьбовыми крепежными отверстиями, которые соответственно сообщены через указанные каналы подачи кислорода и горючего газа ствола с соответствующими входами смесительной камеры, при этом концы латунных трубок герметично скреплены с соответствующим входным штуцером подачи кислорода и горючего газа, а трубки, расположенные в продольных отверстиях рукоятки, скреплены с металлической перемычкой, причем противоположные концы латунных трубок первого модуля ввинчены в указанные резьбовые крепежные отверстия второго модуля, а посадочный выступ второго модуля охвачен трубчатым посадочным участком рукоятки, длина и форма внутренней поверхности которого соответственно равна длине и аналогична форме посадочного выступа второго модуля. Кроме того, согласно изобретению в предложенном резаке регулировочный вентиль режущего кислорода соосно размещен в отдельном корпусе и сообщен со стволом и головкой трубками. Кроме того, согласно изобретению диаметр головки этого вентиля больше, чем диаметр головок вентилей соответственно подогревающего кислорода и горючего газа в 1,4÷1,7 раз, головки этого вентиля и вентилей подогревающего кислорода и горючего газа взаимодействуют с их запирающими элементами через соответствующий шпиндель, соосно скрепленный с головкой соответствующего вентиля.
Технический результат предложенного устройства состоит в повышении надежности работы за счет скрепления латунных трубок подачи кислорода и горючего газа перемычкой, чем исключают разгерметизацию соединений, снижают затраты на ремонт и эксплуатацию и исключают аварийные ситуации, в использовании сменных унифицированных модулей, имеющих облегченный вес и изготовленных, в основном, из недорогих материалов, в исключении нагрева рукоятки, в упрощении конструкции и повышении удобств эксплуатации для широкого круга потребителей, в снижении стоимости эксплуатации резака, в облегчении сборки и демонтажа с использованием легко разъемных средств крепления модулей, в снижении затрат на эксплуатацию резака, с одновременным выбором оптимальных параметров ствола, обеспечивающих надежную и безаварийную работу резака с поддержанием требуемых режимов резки и поверхностной обработки металлов.
На фиг.1 представлена конструктивная схема предложенного резака.
На фиг.2 приведено сечение ствола по А-А.
Предложенное устройство содержит ствол 1, головку 2 резака, сопряженный с ней мундштук 3. Устройство снабжено рукояткой 4 из пластика и двумя латунными трубками 5, 6 соответственно для подачи кислорода и горючего газа (длина которых больше длины Б рукоятки 4). Ствол 1 резака 7 выполнен из двух скрепленных унифицированных модулей 8, 9, первым из которых - модулем 8 - служит указанная рукоятка 4 с расположенными в ней латунными трубками 5, 6. Вторым модулем 9 служит монолитный корпус из алюминиевого сплава, длина которого «А+Б1» Рукоятка 4 первого модуля 8 состоит из двух унифицированных скругленных пластиковых элементов 10, 11, в каждом из которых со стороны сопряжения выполнены два полукруглых продольных паза 12, 13 и имеется полукруглый посадочный участок. Пластиковые элементы 10, 11, расположенные с совмещением полукруглых продольных пазов 12, 13, скреплены двумя поперечным винтовыми соединениями 14 (винт-гайка) с образованием в рукоятке (овальной формы) двух продольных сквозных отверстий 15, 16 для расположения латунных трубок 5, 6. Один торец рукоятки 4 выполнен со встроенной металлической перемычкой 17. С другой ее стороны имеется посадочный участок 18, образованный полукруглыми посадочными участками пластиковых элементов 10, 11. Трубки 5, 6, расположенные в отверстиях 15, 16, скреплены с металлической перемычкой 17 пайкой.
Монолитный корпус модуля 9 пересечен каналами 19, 20 соответственно подачи горючего газа и кислорода. Канал подачи кислорода 20 разделен в этом модуле 9 на каналы 21, 22 соответственно подачи режущего и подогревающего кислорода. Второй модуль 9 выполнен с посадочным выступом 23 относительно плоскости разъема 24 модулей. Со стороны выступа 23 во втором модуле выполнены два резьбовых крепежных отверстия 25, 26, которые расположены параллельно оси и предназначены для крепления трубок 5, 6. Эти резьбовые отверстия 25, 26 второго модуля сообщены соответственно с каналами 19, 20 подачи горючего газа и кислорода, расположенными в этом модуле. Устройство имеет входные штуцера 27, 28 подачи кислорода и горючего газа.
В каналах 19, 22 ствола 1 соответственно подачи горючего газа и подогревающего кислорода установлены соответствующие регулировочные вентили 29, 30. Регулировочный вентиль 31 режущего кислорода установлен в отдельном корпусе 32, что позволяет снизить вес ствола. Трубки 33, 34 через вентиль 31, установленный в корпусе 32, сообщают канал подачи режущего кислорода 21 монолитного модуля 9 с соответствующим входом 35 головки 2 резака. Головка 36 вентиля 31 (как и головки вентилей 29, 30) взаимодействует с запирающим элементом 37 вентиля через соосно скрепленный с головкой 36 шпиндель 38. Вентиль 30 подогревающего кислорода и вентиль 29 горючего газа расположены в отверстиях втулок 39, выступающих относительно корпуса монолитного модуля 9 и выполненных заодно целое с этим модулем, что позволяет снизить вес ствола и повысить надежность работы. Монолитный модуль 9 выполнен со встроенной смесительной камерой 40, выполненной из латуни и имеющей инжектор 41. Выход смесительной камеры 40 связан с головкой 2 резака трубкой 42, а через эту головку 2 - с полостью 43 мундштука 3, концентрично окружающей центральный канал 44 режущего кислорода.
Предложенный резак используется следующим образом.
Выполнение ствола 1 резака облегченным связано с тем, что в его состав входит два модуля 8, 9. Первый модуль 8 выполнен облегченным из пластика и имеет осевую длину «Б», составляющую 2/3 длины (А+Б-Б1) ствола 1. На оставшемся участке (1/3 длины) ствола расположен второй модуль 9, который выполнен монолитным из сплава алюминия. Модуль 9 пересечен каналом 20 подачи кислорода, разделенным в этом модуле на каналы 21, 22 соответственно режущего и подогревающего кислорода, а также каналом 19 горючего газа. Такое выполнение ствола позволяет снизить металлоемкость и вес резака до 0, 56-0, 6 кг. Это повышает удобство работы с резаком для широкого круга потребителей. Выполнение модулей унифицированными повышает технологичность резака.
Монтаж ствола начинают с герметичного скрепления латунных трубок 5, 6 первого модуля 8 к соответствующим входным штуцерам 27, 28 подачи кислорода и горючего газа. После этого латунные трубки 5, 6 располагают соответственно в полукруглых продольных пазах 12, 13 одного из скругленных пластиковых элементов 10. После сопряжения и стыковки пластиковые элементы 10, 11 скрепляют двумя поперечными винтовыми соединениями 14 (винт-гайка). При этом в результате совмещения полукруглых продольных пазов пластиковых элементов 10, 11 образуется скругленная рукоятка 4 с выполненными в ней продольными отверстиями 15, 16 под латунные трубки 5, 6. Выполнение рукоятки из двух унифицированных модулей улучшает технологичность и повышает сроки службы ствола, ресурс работы резака. В торец рукоятки, противоположный торцу с посадочным участком 18, встраивают металлическую перемычку 17. Одну сторону рукоятки скрепляют со вторым модулем путем ввинчивания трубок 5, 6 в соответствующие резьбовые отверстия 25, 26 второго модуля 9, а посадочный участок 18 рукоятки 4 располагается на посадочном выступе 23 относительно плоскости разъема 24 модулей. Выполнение длины и формы внутренней поверхности посадочного участка 18 рукоятки 4, соответствующей длине и форме посадочного выступа 23, облегчает монтаж ствола. Через некоторое время после высыхания влаги пластикового посадочного участка 18, последний, сохранив «память», плотно охватывает поверхность посадочного выступа 23 модуля 9, создав прочное и герметичное соединение модулей 8, 9 ствола. Затем трубки 5, 6 скрепляют с металлической перемычкой 17, что выполняют пайкой. Это позволяет создать жесткую связь латунных трубок 5, 6, исключающую их самопроизвольное вывинчивание из резьбовых крепежных отверстий ствола, чем повышают механическую прочность ствола, и устраняют разгерметизацию соединений в процессе эксплуатации, повышают надежность крепления модулей 8, 9 и надежность работы, снижая затраты на ремонт и исключая аварийные ситуации.
На основании проведенных экспериментов, были выбраны параметры и совместимые материалы для изготовления модулей ствола. В экспериментах получены оптимальные параметры длины Б1 посадочного выступа 23, соотношение его длины Б1 с осевой длиной Б рукоятки первого модуля 8 Б1/ Б=0,0015÷0,002. Выбрано соотношение осевой длины крепежных резьбовых отверстий 24, 25, которая превышает длину Б1 посадочного выступа 23 в 4-6 раз. Испытания на изгиб и разрыв скрепленных модулей 8, 9 разных типоразмеров, позволили получить требуемые ГОСТом показатели физико-механических характеристик ствола, в том числе их механическую прочность и герметичность соединения модулей, что не зависело от влияния на работу резака агрессивных сред (горючих газов) и от условий работы при высокой температуре. В испытаниях получена высокая надежность работы резака. Предпочтение для изготовления рукоятки в указанной конструкции ствола было отдано пластику АБС или полистиролу или полиамиду, имеющих термопластичную основу и не подверженных горению. Отмечен их малый удельный вес, высокая механическая прочность, а также их низкая теплопроводность. Пластики наилучшим образом сохраняют хорошую гибкость материала и обеспечивают герметичность соединений в сочетании с выбранным для изготовления второго монолитного модуля сплавом алюминия. Проведенные эксперименты позволили выбрать конструкцию рукоятки 4 модуля 8, которую выполняют из двух скругленных пластиковых элементов, чем устранили повышенный нагрев рукоятки, исключив перерывы в работе и повысив удобство. Эксперименты позволили выбрать сплав алюминия для монолитного модуля 9 ствола, совместимый с пластиковым материалом для рукоятки 4. При изготовлении модуля 9 литьем использовали сплав алюминия АК5 М2, при изготовлении штамповкой - сплав алюминия АК6, а при резке - сплав алюминия D16T. Сплавы алюминия АК5 М2, АК6, D16T имеют не высокую цену, а их сочетание с указанными выше пластиками для изготовления ствола позволяет сохранить высокие механические показатели и дополнительно снизить стоимость резака в 2,5-2,7 раза.
Во время работы от входных штуцеров 27, 28 резака кислород и горючий газ поступают в герметично скрепленные со штуцерами латунные трубки 5, 6 и проходят по трубкам 5, 6, расположенным в отверстиях 15, 16 рукоятки 4 из пластика. Далее кислород по трубке 5 под давлением поступает в канал 20 подачи кислорода второго модуля 9, где разветвляется на каналы 21, 22 подачи режущего и подогревающего кислорода. Пройдя через установленный в канале 22 регулировочный вентиль 30, подогревающий кислород поступает с большой скоростью в узкий конусный инжектор 41 латунной смесительной камеры 40, создавая в ней разрежение и засасывая горючий газ, поступающий в смесительную камеру через латунную трубку 6, закрепленную в крепежном резьбовом отверстии 26 модуля 9. С выхода инжектора горючая смесь поступает по трубке 42 к головке 2 резака, а режущий кислород поступает на вход 35 головки 2 через установленный между трубками 33, 34 вентиль 31. Из головки 2 резака струя режущего кислорода по центральному каналу 44 мундштука 3 подается к поверхности резки металла, где горючая смесь подогревающим пламенем образует сварочную ванну для резки металла.
Точную настройку режимов резания (мощности) выполняют по волне горения факела пламени, поочередной регулировкой вентилей 29, 30 горючего газа и подогревающего кислорода. Регулировку расхода режущего кислорода выполняют поворотами головки 36 вентиля 31. Предложено увеличить диаметр Д головки вентиля 31 подачи режущего кислорода в 1,4÷1,7 раз, по сравнению с диаметром головок регулировочных вентилей 29, 30 соответственно горючей смеси и подогревающего кислорода. Это позволило увеличить удобство регулировки и повысить точность расхода режущего кислорода, а следовательно, повысить качество резки.
Регулировочный вентиль 31 режущего кислорода размещен в отдельном корпусе 36. Это позволяет исключить износ корпуса ствола, заменив только вентиль в случае его выхода из строя, чем повышают ресурс службы устройства. Головка 36 вентиля 31 (точно как и головки вентилей 22, 23) взаимодействует с запирающим элементом 37 через соосно скрепленный с головкой шпиндель 38, чем повышают технологичность устройства.
Технико-экономический эффект предложенного технического решения состоит в повышении надежности работы и механической прочности ствола за счет исключения самопроизвольного вывинчивания элементов, скрепляющих модули, из крепежных отверстий ствола, в устранении разгерметизации соединений в процессе эксплуатации и снижении затрат на ремонт и эксплуатацию, с исключением аварийных ситуаций, в одновременном снижении металлоемкости резака, уменьшении его стоимости и создании простой конструкции с малым весом, с рукояткой, имеющей низкую теплопроводность, исключающей ее эксплуатационный нагрев, что повышает удобство для широкого круга потребителей, в увеличении ресурса работы резака за счет использования унифицированных модулей ствола, изготовленных из недорогих совместимых материалов, и при одновременной возможности получения требуемого качества резки.