СМЕННЫЙ ВКЛАДЫШ ДЛЯ ГАЗОВОГО РЕЗАКА С ВНУТРИСОПЛОВЫМ СМЕШЕНИЕМ

Устройство относится к газовой резке металлов и может быть использовано в газовых резаках, как при раскрое металла, так и при разделке спама и лома.
Известен пат.RU 2066604, опубл. 1996 г., (1), пат. RU 2095209, опубл. 1998 г. (2). В этих устройствах сменный вкладыш резаков с внутрисопловым смещением выполнен в виде соосно установленных наружного и внутреннего мундштуков и сопряжен со смесителем. В патенте (1) смеситель резака скреплен с головкой с плоским прилеганием. В патенте (2) возможно сопряжение смесителя с головкой резака по конической или плоской поверхностям. Соосные мундштуки в (1), (2) образуют кольцевой зазор подачи горючей смеси, со шлицевыми каналами на выходе. Шлицы шлицевых каналов выполнены во внутреннем мундштуке и имеют прямоугольный профиль. Поток подогревающей горючей смеси поступает к поверхности разрезаемой заготовки через кольцевой зазор, а режущий кислород - через центральный канал внутреннего мундштука.
В устройстве (1) задание необходимых составов пламени для резки металлов разной толщины выполняют комбинациями наружного и внутреннего мундштуков с обеспечением следующих экспериментально подобранных параметров: длины шлицевых каналов по отношению к их условному диаметру; предложено соотношение ширины и глубины прямоугольных шлицов. В устройстве (2) для этих целей экспериментально подобраны соотношение длины конического участка канала подачи режущего кислорода к условному диаметру шлицевых каналов, приведено в соответствие соотношение площадей входного и выходного участков канала подачи горючей смеси к суммарной площади входных камер смесителя; а также дано соотношение площадей входных камер смесителя.
Эти устройства имеют пониженную надежность в работе, и малые сроки службы, что связано с конструированием мундштуков, не учитывающим работы мундштуков при критических температурах. При этом повышенные тепловые нагрузки в устройствах (1), (2) могут привести к механической и термической концентрации напряжений, к разрушению и прогару внутреннего мундштука, к появлению негерметичности в соединениях.
В пат. RU 2196667 опубл. 2003 г. (3) сменный вкладыш встроен в газокислородный резак, смеситель которого выполнен с плоским прилеганием к головке. Шлицевые каналы в этом вкладыше выполнены, как на наружной поверхности внутреннего мундштука, так и на внутренней поверхности наружного мундштука, а также выполнены в их сочетании. Предложено выполнить шлицевые каналы подачи горючей смеси с сужением поперечного сечения в направлении от периферии, в частности, в виде углублений с эвольвентным профилем. Предложено шлицевые каналы располагать на сопряженных конических поверхностях мундштуков с наклоном конуса к оси мундштука в пределах 1-15°. Автор исключает выполнение шлицов прямоугольного профиля.
Это устройство не технологично, сложно в изготовлении и ненадежно в работе. Выполнение шлицов, тем более, эвольвентного профиля, на внутренней поверхности наружного мундштука, требует специальной аппаратуры для их изготовления, увеличивает стоимость резака, и делает недоступным их серийное производство.
В этом устройстве, как и в описанных выше аналогах, подбор размеров мундштуков выполнен без учета возможных критических температур. В этом случае при выполнении шлицов на внутреннем мундштуке выбор профиля шлицов не является панацеей от деформации внутреннего мундштука, его механического разрушения и прогаров. Выполнение шлицов на внутренней поверхности наружного мундштука приводит к переносу на него тепловой нагрузки и при эвольвентном профиле стенок шлицев не в полной мере устраняют завихрения потоков горючей смеси, что не дает принципиального улучшения тепловой стойкости мундштука, а лишь немного снижает интенсивность тепловой нагрузки. На практике при этом наблюдается ускоренный износ уплотняющих поверхностей наружного мундштука, его деформация и перетечки смеси в зоны пониженного давления. Это ведет к искажению кольцевого зазора подачи горючей смеси, к уводу от правильной конфигурации подогревающего пламени, к отклонению кольцевого потока горючей смеси от центра струи режущего кислорода. При этом нарушается ламинарное движение потока горючей смеси, что сказывается на параметрах резки: уменьшается скорость резки, качество горючей смеси, увеличивается вероятность обратных ударов.
Наиболее близким аналогом предложен сменный вкладыш для газового резака с внутрисопловым смешением, содержащий наружный мундштук, выполненный с цилиндрическим и, с сообщенным с ним, коническим отверстиями, внутренний мундштук, выполненный с центральным соплом для подачи режущего кислорода с цилиндрическим, коническим и с шестигранным участком, при этом внутренний мундштук соосно размещен в отверстиях наружного мундштука с образованием кольцевого зазора подачи горючей смеси, выходной участок которого выполнен в виде равномерно расположенных шлицевых каналов и образован сопряженными коническими поверхностями конического участка и конического отверстия соответственно внутреннего и наружного мундштуков, причем шестигранный участок внутреннего мундштука выполнен с резьбовым стержнем для скрепления со смесителем, а смеситель сопряжен с головкой по конической поверхности (см. пат RU 2324579, опубл. 2007 г).
Выполнение вкладыша сменным позволяет проводить выбор режимов резки при использовании разных комбинаций наружного и внутреннего мундштуков. Для этого предложены экспериментально подобранные соотношения параметров смесителя к условному диаметру шлицевых каналов, учтена ширина и высота шлицов шлицевых каналов.
Однако, в этом устройстве, как и в аналогах (1), (2), прямоугольные шлицы выполнены на поверхности внутреннего мундштука. При этом, как и в аналогах (1), (2), несовместимость размеров внутреннего мундштука с возложенной на него тепловой нагрузкой неизменно приводит к критическим значениям тепловых и физико-механических свойств внутреннего мундштука, к его разрушениям и прогарам.
Задача предложенного технического решения состоит в исключении прогаров внутреннего мундштука и обратных ударов и в повышении безопасности и эксплуатационной надежности, в увеличении ресурса работы, в снижении стоимости вкладыша и расходов на эксплуатацию, при одновременном обеспечении равномерности подачи горючей смеси, улучшении ее качества, а также в повышении производительности разделки и улучшении качества реза, в расширении эксплуатационных возможностей.
Для решения поставленной задачи в предложенном сменном вкладыше для газового резака с внутрисопловым смешением, содержащем наружный мундштук, выполненный с цилиндрическим и, с сообщенным с ним, коническим отверстиями, внутренний мундштук, выполненный с центральным соплом для подачи режущего кислорода с цилиндрическим, коническим и с шестигранным участком, при этом внутренний мундштук соосно размещен в отверстиях наружного мундштука с образованием кольцевого зазора подачи горючей смеси, выходной участок которого выполнен в виде равномерно расположенных шлицевых каналов и образован сопряженными коническими поверхностями конического участка и конического - отверстия соответственно внутреннего и наружного мундштуков, причем шестигранный участок внутреннего мундштука выполнен с резьбовым стержнем для скрепления со смесителем, а смеситель сопряжен с головкой по конической поверхности, согласно полезной модели, шлицы шлицевых каналов выполнены вдоль внутренней поверхности наружного мундштука и имеют в поперечном сечении профиль симметричной параболы, причем наружные диаметры наружного и внутреннего мундштуков у выходного торца мундштуков и осевая высота конического участка внутреннего мундштука соответственно в 5÷6, в 2,5÷3, и в 4,5÷5,5 раз превышают выходной диаметр сопла подачи режущего кислорода, при диаметре цилиндрического участка внутреннего мундштука D2=2Ltgα+D,
где D2 - диаметр цилиндрического участка внутреннего мундштука;
D - наружный диаметр выходного торца внутреннего мундштука;
L - осевая высота конического участка внутреннего мундштука;
α - угол наклона конических поверхностей мундштуков относительно оси.
Кроме того, согласно полезной модели, угол наклона конических поверхностей мундштуков, относительно оси, может быть равен диапазону 0,1÷20°, а внутренний мундштук может быть выполнен из латуни, при этом внутренний мундштук может быть выполнен из меди.
Технический результат состоит в переносе тепловой нагрузки с внутреннего мундштука на наружный, с одновременным подбором размеров мундштуков, учитывающих работу в условиях критических температур, в исключении прогаров мундштуков и обратных ударов, в возможности более широкого использования. Использование шлицевых каналов предложенного профиля снижает интенсивность нагрева сменного вкладыша, улучшает состав горючей смеси и состав пламени при одновременной равномерности подачи горючей смеси и повышении ее качества, в повышении качества реза. Это, в свою очередь, позволяет выполнить внутренний мундштук из меди или из более дешевой латуни, снизить его стоимость и расходы на обслуживание.
На фиг 1 приведена конструктивная схема вкладыша.
На фиг 2 показано сечение вкладыша по А-А.
На фиг.3 приведен выносной элемент Б с изображением формы шлицов.
Сменный вкладыш содержит наружный мундштук 1, внутренний мундштук 2. Последний выполнен с центральным соплом 3 для подачи режущего кислорода, с цилиндрическим 4, коническим 5 и шестигранным 6 участками. Наружный мундштук выполнен с цилиндрическим 7 и коническим 8 отверстиями, в которых соосно размещен внутренний мундштук 2. Мундштуки 1, 2 образуют кольцевой зазор 9 для подачи горючей смеси, имеющий на выходе шлицевые каналы 10. Шлицевые каналы 10 образованы сопряженными коническими поверхностями 11: коническим отверстием 8 наружного мундштука и коническим участком 5 внутреннего мундштука 2. Шлицы 12 шлицевых каналов 10 выполнены на внутренней поверхности наружного мундштука 2 и имеют профиль симметричной параболы с вершиной 13, обращенной кнаружи наружного мундштука. Шестигранный участок 6 внутреннего мундштука 2 выполнен с резьбовым стержнем 14 для скрепления со смесителем 15. Смеситель 15 сопряжен с головкой 16 по конической поверхности. Наружный 1 и внутренний 2 мундштуки у выходного торца кольцевого зазора 9 имеют наружные диаметры соответственно D1, D. Диаметр цилиндрического участка 2 внутреннего мундштука - D2. Сопло подачи режущего кислорода имеет диаметр d. Конический участок внутреннего мундштука имеет осевую высоту - L. Осевая высота сменного вкладыша - L1. Угол α - угол наклона конических поверхностей 11 мундштуков относительно оси.
Наружный мундштук 1 скреплен со смесителем 13 накидной гайкой 17.
Устройство используется следующим образом. От смесителя 15 горючая смесь поступает в кольцевой зазор 9, образованный наружным 1 и внутренним 2 мундштуками и имеющий шлицевые каналы 7 на выходе, и в виде кольцевого потока подогревающей горючей смеси поступает к поверхности разрезаемой заготовки. Струя режущего кислорода поступает в зону резки по центральному соплу 3 внутреннего мундштука 2. Работа основана на нагреве подогревающим пламенем линии реза до температуры окисления металла с последующим сжиганием его в струе режущего кислорода.
В устройстве предложено перенести концентрацию тепловой нагрузки на наружный мундштук 1. Для этого шлицевые каналы 10 выполнены вдоль внутренней поверхности наружного мундштука 1. Экспериментально, с учетом критических температур (в зоне резки температура может достигать ≈2800°С) подобрана толщина стенок мундштуков, так, что наружные диаметры D1, D соответственно наружного и внутреннего мундштуков у выходного торца кольцевого зазора 9 и осевая высота длина L конического участка 5 внутреннего мундштука 2 соответственно в 5÷6, в 2,5÷3, и в 4,5÷5,5 раз превышают диаметр d сопла 3 подачи режущего кислорода, при диаметре D 2 цилиндрического участка внутреннего мундштука, равном D2=2Ltgα+D, где α - угол наклона конических поверхностей 11 мундштуков относительно оси. Этим достигается повышение надежности работы, исключаются прогары внутреннего мундштука, обратные удары пламени, увеличивается ресурс работы устройства.
Использование шлицевых каналов, шлицы которых имеют профиль симметричной параболы (см. фиг.3) позволяет исключить зоны завихрения горючей смеси (концентраторы), где скорость закрученного потока горючей смеси близка к нулю, и исключить интенсивный нагрев вкладыша. Многочисленными экспериментами установлено, что при этом, наиболее полно, по сравнению с известными аналогами, снимается тепловая нагрузка с одновременным обеспечением требуемого нагрева кромки реза, исключается турбулентность и повышается скорость и равномерность подачи потока горючей смеси, улучшаются параметры резки: увеличивается скорость резки, улучшается качество горючей смеси, снижается вероятность обратных ударов и повышается производительность разделки.
При сборке сначала устанавливают внутренний мундштук 2, резьбовой стержень 14 которого ввинчивают в смеситель 15. Затем на внутренний мундштук монтируют наружный мундштук, который скрепляют с головкой 16 накидной гайкой 17. Наружный и внутренний мундштуки центрируются по сопряженным коническим поверхностям 11. Выполнение угла наклона α-сопряженных конических поверхностей мундштуков относительно оси, равным диапазону 0,1÷20°, предупреждает резкие сбросы давления и повышает качество резки, повышает устойчивость работы, а также расширяет эксплуатационные возможности устройства.
Снятие тепловой нагрузки с внутреннего мундштука позволяет выполнить его из меди. При этом можно выполнить внутренний мундштук из более дешевой, чем медь, латуни, но превышающей медь по прочности, обрабатываемости и сопоставимой с медью по теплопроводности. Это снижает стоимость устройства и эксплуатационные расходы, при возможности работы сменного вкладыша даже с ацетилено-кислородной смесью.
Заявленное устройство при осевой длине сменного вкладыша, изменяющейся в пределах от 30 мм до 100 мм, можно использовать для выполнения разнообразных работ газовой резки, что расширяет эксплуатационные возможности устройства.
Технико-экономический эффект состоит в исключении прогаров внутреннего мундштука и обратных ударов и в повышении безопасности и эксплуатационной надежности, в увеличении ресурса работы, в расширении эксплуатационных возможностей, в снижении стоимости вкладыша и расходов на эксплуатацию, при одновременном обеспечении равномерности подачи горючей смеси, улучшении ее качества, а также при повышении производительности разделки и улучшении качества реза.