СПОСОБ ГИДРОСТРУЙНОЙ РЕЗКИ
FLUID JET CUTTING PROCESS

Изобретение относится к области гидрорезания и может быть использовано для резки и обработки различных материалов.
Известен способ обработки материалов энергетической струей (RU 2331503 C2, МПК: B24C 5/02), согласно которому для получения режущей струи производят сжатие рабочей жидкости до давления 2,0 кбар, ее последующее переохлаждение до температуры минус 20°C и подачу в струеформирующее сопло. При разгоне в канале сопла давление падает до атмосферного и в результате адиабатного расширения рабочая жидкость превращается в двухфазную взвесь ″жидкость-лед″ (процесс h-h′-g на фазовой диаграмме воды, фиг.1).
Недостатком данного способа является неполный переход рабочей жидкости в твердую фазу (не более 26.5%, фиг.2) и, как следствие, подверженность струи турбулентности.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является способ гидроструйной резки, реализованный в устройстве гидроструйной обработки (JP 5038678 A, МПК: B24C 1/00, B24C 5/02, B26F 3/00), согласно которому охлаждение рабочей жидкости ведут в камерах сверхвысокого давления гидромультипликатора, в конструкции которого предусмотрено устройство охлаждения, способное охладить рабочую жидкость на стадии нагнетания ниже точки кристаллизации, соответствующей атмосферному давлению. При этом на стадии всасывания на стенках цилиндра намораживается слой льда, который на последующей стадии сжатия превращается в двухфазную взвесь ″жидкость-лед″. Однако в результате процессов тепло- и массообмена, сопровождающих движение жидкости по рабочей камере гидромультипликатора и далее по пути к соплу, в струеформирующий канал сопла рабочая среда поступает в виде переохлажденной жидкости. В результате адиабатного истечения из сопла (процесс f-f′-g, фиг.1) полного перехода рабочей среды в твердую фазу не происходит. Подверженность струи турбулентности сохраняется.
В рассматриваемом аналоге рабочую жидкость сжимают до 3000 бар. Этому давлению соответствует температура кристаллизации минус 18.3°C (точка f, фиг.1) и относительное содержание льда в струе - не более 23% (фиг.3).
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности резания путем уменьшения турбулентности струи за счет более полного превращения в лед ядра струйного потока, а именно, области струи, лежащей между внутренними границами пограничного слоя [nextstepinkvm.com/bookt2r22part1.html].
раб
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Охлаждение рабочей жидкости ведут в телообменнике до полного замораживания (процесс а-b на фиг.1). Полученный лед подвергают адиабатному сжатию до рабочего давления Р, в результате чего он превращается в двухфазную взвесь ″жидкость-лед″ (процесс b-с на фиг.1), и подают в сопло. В результате адиабатного процесса истечения обеспечивается формирование режущей струи, сопровождающееся падением давления, достаточным для обратного превращения ядра формирующейся струи в лед (процесс c-d на фиг.1).
В качестве рабочей жидкости используют воду, водные взвеси абразивов.
Замораживание ядра струи устраняет турбулентность, являющуюся причиной ее распада, и, как следствие, увеличивает длину ее рабочей части.
На фиг.1 представлена фазовая диаграмма воды в параметрах ″температура-давление″. Кривые плавления льдов Ih, III, V построены по данным Международной ассоциации по свойствам воды и пара (International Association for the Properties of Water and Steam - IAPWS) (http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/PhBC.xmcd).
На диаграмме изображен совершаемый рабочей жидкостью термодинамический цикл:
точка а - рабочая жидкость при нормальных условиях (атмосферное давление, температура окружающей среды);
процесс a-b - замораживание рабочей жидкости в теплообменнике;
точка b - лед в конце процесса замораживания;
раб
процесс b-c - адиабатное сжатие рабочей жидкости до рабочего давления Р;
раб
точка с - двухфазная взвесь ″жидкость-лед″ под рабочим давлением Р;
процесс c-d - адиабатное истечение из сопла;
точка d - струя с ледяным ядром потока;
точка е - двухфазная взвесь ″жидкость-лед″ под давлением насоса 11 (фиг.6).
Соответствующие точки рабочего цикла расставлены на принципиальных схемах фиг.5 и фиг.6.
Кроме того, на диаграмме изображены точки и процессы, характеризующие аналоги:
точка h - переохлажденная жидкость под рабочим давлением (RU 2331503 C2);
точка f - переохлажденная жидкость под рабочим давлением (JP 5038678 A);
точка g - струя с ядром потока в виде двухфазной взвеси ″жидкость-лед″ (JP 5038678, RU 2331503 C2);
процесс h-h′-g - адиабатное истечение из сопла (RU 2331503 C2);
процесс f-f′-g - адиабатное истечение из сопла (JP 5038678 A).
i
На фиг.2, 3, 4 представлены графические зависимости относительного содержания льда X от давления: фиг.2 - в процессе истечения воды, охлажденной до температуры минус 20°C под давлением 2000 бар (процесс h-h′-g на фиг.1, RU 2331503 C2); фиг.3 - в процессе истечения воды, охлажденной до температуры кристаллизации под давлением 3000 бар (процесс f-f′-g на фиг.1, JP 5038678 A); фиг.4 - в процессе сжатия/истечения воды, замороженной до температуры минус 2°C при атмосферном давлении (процесс b-c/c-d на фиг.1, предлагаемый способ).
Расчеты произведены исходя из условия постоянства энтропии S=const в адиабатном процессе:
i
o
m
i
ж
m
ж
S(P, -2°C)=Si(P, T)·X+S(Р, T)·Х - для процесса b-c/c-d;
ж
m
i
m
i
ж
m
ж
S(3000 бар, T)=S(p, T)·X+S(Р, T)·Х - для процесса f-f′-g;
ж
i
m
i
ж
m
ж
S(2000 бар, -20°C)=S(P, T)·X+S(Р, T)·Х - для процесса h-h′-g,
где
о
Р - нормальное давление;
m
T - температура плавления/кристаллизации при давлении Р;
i
X - относительное содержание льда;
ж
Х - относительное содержание жидкости;
i
S - удельная энтропия льда (i=Ih, III, V - индекс, обозначающий тип полиморфной модификации льда);
ж
S - удельная энтропия жидкости.
i
ж
С учетом условия материального баланса X+Х=1:
i
i
ж
m
m
ж
m
X=[S(Po, -2°C)-S(Р, T)]/[Si(P, T)-S(Р, T)] - для процесса b-c/c-d;
i
ж
m
ж
m
i
m
ж
m
X=[S(3000 бар, T)-S(Р, T)]/[S(P, T)-S(Р, T)] - для процесса f-f′-g;
i
ж
ж
m
i
m
ж
m
X=[S(2000 бар, -20°C)-S(Р, T)]/[S(P, T)-S(Р, T)] - для процесса h-h′-g.
ж
Удельная энтропия жидкой воды S рассчитана по уравнению состояния (Towards a supercooled water guideline. V. Holten, M.A. Anisimov, and J.V. Sengers. [http://www.iapws.org/minutes/2012/Holten_2012-report.pdf.]).
Удельная энтропия льда Ih рассчитаны с помощью формуляции IAPWS(lnternational Asossiation - Международная ассоциация по свойствам воды и пара)(http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/WSP/Ice-Ih.xmcd).
III
V
Удельная энтропия модификаций льда S, S рассчитана по энтропии жидкости:
i
ж
i-ж
S=S-ΔS,
где
i-ж
ΔS - изменение удельной энтропии при плавлении i-й модификации льда.
i-ж
i-ж
i-ж
ΔS=ΔV·(dP/dT), МПа/К (выражение Клапейрона),
где
i-ж
ΔV - изменение объема при плавлении i-й модификации льда;
i-ж
(dP/dT) - производная на кривой плавления i-й модификации льда.
Кривая плавления льда III описывается формулой, рекомендованной IAPWS:
Ih-III-ж
Ih-III-ж
60
Р/P=1-0.299948·[1-(Т/T)],
где
Ih-III-ж
Ih-III-ж
T=251.165 K, P=208.566 МПа - температура и давление в тройной точке ″лед Ih - лед III - жидкость″.
Соответственно,
III-ж
Ih-III-ж
Ih-III-ж
Ih-III-ж
59
(dP/dT)=0.299948·60·(Р/Т)·(T/Т), МПа/К - для кривой плавления ″ледIII-жидкость″.
Кривая плавления льда V описывается выражением:
III-V-ж
III-V-ж
8
Р/Р=1-1.18721[1-(Т/Т)],
где
III-V-ж
III-V-ж
T=256.164 К, Р=350.1 МПа - температура и давление в тройной точке ″ледIII-ледV-жидкость″.
Соответственно,
V-ж
III-V-ж
III-V-ж
III-V-ж
7
(dP/dT)=1.18721·8·(Р/Т)·(Т/Т), МПа/К - для кривой плавления ″ледV-жидкость″.
i-ж
Значения ΔV определены по данным ГЕОХИ РАН (Уравнения для расчета P-T-V свойств высокобарных водяных льдов. Дунаева А.Н., Анцышкин Д.В., Кусков О.Л. (ГЕОХИ РАН) / Электронный научно-информационный журнал ″Вестник Отделения наук о Земле РАН″ №1 (27)′ 2009 ISSN 1819 - 6586 URL:http://www.scgis.ru/russian/cp1251/h dgggms/1-2009/informbul-1 2009/planet-12.pdf).
Предлагаемый способ реализуется в гидрорезных установках, схематически представленных на фиг.5 и фиг.6.
Для создания рабочего давления в установке на фиг.5 предусмотрен гидромультипликатор двойного действия 1, получающий рабочую жидкость из водоподающей магистрали W. Для предотвращения обратного хода жидкости в трубопроводной системе установки предусмотрены обратные клапаны 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. Охлаждение рабочей жидкости происходит в теплобменниках 2 и 3. При этом, теплообменники 2 и 3 соединены со стороны входа с цилиндрами сверхвысокого давления гидромультипликатора 1, со стороны выхода - с магистралью рабочей жидкости сверхвысокого давления WP через нагнетательные обратные клапаны 4.3 и 4.4, соответственно. Режущая струя формируется в канале сопла 5. Для привода гидромультипликатора предусмотрен масляный насос 6, а для управления возвратно-поступательным движением в магистрали насоса врезан двухпозиционный реверсирующий гидрораспределитель 7. Давление насоса устанавливается клапаном 8, а пульсации давления сглаживаются гидроаккумулятором 9. Пульсации давления рабочей жидкости на входе в сопло сглаживаются ресивером 10.
На фиг.6 представлена схема установки с двухступенчатым сжатием рабочей жидкости. Причем, рабочая жидкость применяется также и для привода гидромультипликатора 1 с применением водяного насоса 11 и трехпозиционного реверсирующего гидрораспределителя 12, соединяющего в своем нейтральном положении обе камеры низкого давления гидромультипликатора 1 с напорной магистралью насоса 11. Теплообменники 2 и 3 соединены со стороны входа с левой и правой (по схеме) камерами низкого давления, соответственно; со стороны выхода - с левым и правым (по схеме) цилиндрами сверхвысокого давления гидромультипликатора 1 через впускные обратные клапаны 4.1 и 4.2, соответственно.
Осуществление изобретения.
Пример 1. Рабочий цикл установки с одноступенчатым сжатием рабочей жидкости (Фиг.5) выглядит следующим образом. Гидрораспределитель 7 находится в положении А. Напорная магистраль насоса 6 соединена с левой камерой цилиндра низкого давления гидромультипликатора 1, и его пара поршень-плунжеры движется вправо. При этом левый цилиндр сверхвысокого давления соединен с водоподающей магистралью W через открывшийся впускной клапан 4.1, нагнетательный клапан 4.3 заперт рабочим давлением. Теплообменный аппарат 3 находится под давлением водоподающей магистрали, и в нем происходит намораживание льда (процесс а-b на Фиг.1). В правом цилиндре сверхвысокого давления гидромультипликатора 1 создается рабочее давление. Впускной клапан 4.3 заперт. Намороженный в теплообменном аппарате 2 лед превращается под рабочим давлением в двухфазную взвесь ″жидкость-лед″ (процесс b-с на Фиг.1) и, замещаясь водой, через нагнетательный клапан 4.4 поступает в магистраль рабочей жидкости сверхвысокого давления WP. В крайнем правом положении гидромультипликатор 1 реверсируется переводом гидрораспределителя 7 в положение Б. В силу симметрии принципиальной схемы процессы, происходящие в гидросистеме при движении пары поршень-плунжер гидромультипликатора 1 влево, аналогичны.
раб
Пример 2. Очередной цикл установки с двухступенчатым сжатием (Фиг.6) начинается с реверса гидромультипликатора 1 переводом гидрораспределителя 12 в противоположное положение, например из положения Б в положение А. Проходя нейтральное положение В, гидрораспределитель 12 соединяет обе камеры низкого давления гидромультипликатора 1 и оба теплообменника 2 и 3 с напорной магистралью насоса 11. Образовавшийся во время предыдущего цикла в теплообменнике 2 лед, испытывая давление со стороны рабочей жидкости, поступающей из напорной магистрали, превращается к моменту достижения гидрораспределителем 12 положения А в двухфазную взвесь ″жидкость-лед″ (первая ступень сжатия - процесс b-е на Фиг.1). В положении А правая камера низкого давления гидромультипликатора 1 и теплообменник 3 соединяются со сливной магистралью, находящейся под давлением водоподающей W. Обратный клапан 4.2 запирается. В теплообменнике 3 происходит намораживание льда (процесс а-b на Фиг.1). Пара поршень-плунжеры движется вправо. Правый плунжер сжимает находящуюся в правом цилиндре сверхвысокого давления двухфазную взвесь ″жидкость-лед″ до рабочего давления Р (вторая ступень сжатия - процесс е-с на Фиг.1), и через клапан 4.4 подает в магистраль сверхвысокого давления WP, ведущую к соплу 5. В крайнем правом положении гидромультипликатор 1 реверсируется переводом гидрораспределителя 12 в положение Б. В силу симметрии принципиальной схемы процессы, происходящие в гидросистеме при движении пары поршень-плунжер гидромультипликатора 1 влево, аналогичны.
В канале струеформирующего сопла 5 поток двухфазной взвеси ″жидкость-лед″ адиабатно ускоряется. При этом давление падает до атмосферного и ядро струи превращается в лед (процесс c-d на Фиг.1).
В примере 1 рабочее давление резания составляет 1000…3500 бар. В примере 2 рабочее давление резания составляет 1000…3500 бар. Насос 11 работает при давлении 200…250 бар. В качестве рабочей жидкости используют воду, замораживаемую до -2°C.
Предложенный способ за счет устранения турбулентности ядра режущей струи позволяет повысить эффективность использования энергии струи. Увеличивается длина рабочей части режущей струи, увеличивается производительность резания, уменьшается его энергоемкость.