Пути снижения энергоемкости гидрорезания листовых и рулонированных неметаллических материалов

Так, при уменьшении остаточной доли ферропримесей (повышении степени чистоты рабочей среды) относительное снижение риска увеличивается (рис. 2,а), а остаточный риск снижается (рис. 2,б), подчиняясь соответствующим линейным зависимостям, полностью

/ — 1 —

удовлетворяющим граничным условиям. Так, в частности, при 2 1 _ , т.е. 2 _ 1 (а это

R / R = 1

соответствует случаю отсутствия очистки рабочей среды от ферропримесей): 2 1 , т.е.

R2 = R (остаточный риск не уменьшился по сравнению с изначальным). А при °2 /Cl = 0, т.е.

°2 = 0 (осуществлена полная очистка рабочей среды от ферропримесей): /R = 0, т.е. R = 0

2 (остаточный риск отсутствует, что соответствует «безрисковому» режиму работы, естественно, по данному фактору, связанному с дестабилизирующим влиянием ферропримесей на работу оборудования).

Выводы

Установлены функциональные связи между эффективностью удаления ферропримесей из рабочей среды (остаточной долей ферропримесей) и такими параметрами, как снижение риска и остаточный риск.

Литература

1. Махутов Н.А. Оценка рисков объектов технического регулирования // Вопросы разработки технических регламентов. М., Минпромэнерго, 2007, с.36-63.

2. Федеральный закон №184-Ф3 «О техническом регулировании» от 27.12.2002г.

3. Сандуляк А.А., Сандуляк А.В., Ершова В.А., Пугачева М.Н. Риск как функция содержания ферропримесей в рабочих средах энергообъектов // Безопасность в техносфере, №6, 2008, с.7-15.

Пути снижения энергоемкости гидрорезания листовых и рулонированных

неметаллических материалов

Степанищев М.А., к.т.н., доц. Бурнашов М.А.

ГОУВПО «ОрелГТУ»

Высокоскоростные струи, на использовании которых основаны гидроструйные технологии в различных отраслях промышленности и строительстве, являются универсальным инструментом и могут применяться для раскроя практически любых твердых и эластичных материалов, в том числе - и для листовых и рулонированных неметаллических материалов (ЛРНМ). За последние 30 лет в мире было создано несколько тысяч единиц гидрорежущего оборудования (в основном зарубежного производства индустриально развитых стран) для раскроя различных материалов. При этом режущий инструмент можно классифицировать следующим образом:

• водяные струи;

• водополимерные струи - водяные струи с добавлением полимеров для придания специальных свойств при течении и воздействии на обрабатываемый материал;

• гидроабразивные струи.

Основные отрасли промышленности, в которых высокоскоростные струи уже нашли свое широкое применение, представлены в табл.1 [1]. При оценке уровня практической реализации той или иной гидроструйной технологии принималось во внимание наличие на рынке гидрорезных станков, реализующих конкретный технологический процесс.

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что наибольшее распространение нашли технологии резания и обработки различных материалов водяными и гидроабразивными струями. Этому способствовал большой объем теоретических, экспериментальных и практических знаний, накопленный за последние 30-50 лет, который позволяет достаточно достоверно описывать процессы формирования водяных струй, их течения и взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Таблица 1.

Области применения гидроструйных технологий._

Область применения Технологические операции

Резание (раскрой) Бурение Точение Фрезерование Разделение Гидромеханическое резание Обработка поверхности Вымывание

Машиностроение П* р** П П Р

Авиация и космонавтика П Р Р Р П

Оптика П Р П Р

Электроника П П Р

Атомная энергетика П П П Р П

Нефтяная и газовая промышленность П Р П

Создание новых материалов П

Разоружение П П Р

Кораблестроение и мореходство П П

Пищевая промышленность П П П П

Гражданское строительство П П П П П П

Нефтехимия П Р П Р

Экология П Р Р

Горное дело П Р Р Р

Искусство и архитектура П Р Р Р Р

Медицина П П Р

*П - промышленно освоенное оборудование **Р - разрабатываемое оборудование

Признанными лидерами в области промышленного применения водоструйной резки являются фирмы «Hammelmann», «INGERSOLL-RAND», «UHDE» (Германия), «Bohler» (Австрия), «Autoclave France» (Франция), «National Liquid Blasting» (США), «Sandvik» (Швеция), «BHR Group Limited» (Великобритания), «Smetjet/jetinter» (Бельгия) и др., использующие водяные струи для быстрого и эффективного разрезания бумаги, ткани, дерева, пластиков и др. Этими же фирмами на рынке гидроструйных технологий предлагается широкий ассортимент высоконапорного гидравлического оборудования для очистки водяными струями поверхностей строительных конструкций, металлических изделий, литейных форм и судовых днищ, а также удаления выветренного слоя железобетона и др.

Однако наиболее важными недостатками, сдерживающими широкое внедрение автоматизированных, экологически чистых технологий гидрорезания конструкционных материалов, в том числе и ЛРНМ, являются:

• большая стоимость оборудования и планового текущего ремонта (замена изношенных струеформирующих насадок, уплотнений высоконапорной системы источника воды высокого давления, вышедших из строя рабочих опор раскройного стола);

• большая мощность (40 - 50 кВт) приводных электродвигателей насосной станции для достижения высокого давления струи жидкости р = 400 МПа. В результате исследований, активно проводимых в последние десятилетия, установлено, что эффективность резания резко повышается при введении в высокоскоростную водяную струю абразивных частиц [2, 3, 4].

Так, сравнительные экспериментальные исследования показали [5], что при одинаковых гидравлических параметрах введение абразивного компонента в высокоскоростную водяную струю позволяет увеличить глубину резания (производительность), например, в горных породах, - в 5 - 8 и более раз.

P.A. Тихомировым и B.C. Гуенко [6] исследовался процесс резания листов винилпла-ста, стеклотекстолита, фольгированного пластика и стали с пределом прочности на растяжение от 55 до 450 МПа. При этом было установлено, что добавление абразива в высокоскоростную струю воды по сравнению со струей воды повышает производительность резки менее прочных материалов в 3 - 5 раз, а более прочных в 10 - 20 раз.

Таким образом, можно сделать вывод, что технология гидроабразивного резания имеет значительные преимущества перед технологией резания материалов обычными высокоскоростными водяными струями, не содержащими абразива. Наряду с увеличением производительности резки к основным преимуществам относятся следующие:

• высокая эффективность резания твердых материалов;

• способность разрушать крепкие и весьма крепкие горные породы;

• повышение безопасности работ для обслуживающего персонала;

• снижение стоимости расходных материалов, оборудования и всего технологического процесса (из-за возможности резания при рабочем давлении Р=250 МПа, а не при 400 МПа как в случае гидрорезания);

• обеспечение высокой надежности эксплуатации оборудования.

При этом, безусловно, технология гидроабразивного резания сохраняет и те преимущества, которые присущи и технологии резания различных материалов высокоскоростными струями воды.

Гидроабразивные струи уже стали стандартным режущим инструментом в высокотехнологичных отраслях и в машиностроении. Однако применение их оправдано только лишь при раскрое твердых (мрамор, гранит и керамогранит), труднообрабатываемых, жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов. Большая стоимость применяемого абразивного материала и его безвозвратный расход в случае неприобретения дорогостоящей системы вторичного использования и очистки от продуктов резания сделали недоступным применение способа раскроя гидроабразивной струей для большинства неметаллических конструкционных материалов, в том числе и ЛРНМ. Кроме того, ввиду специфики строения большинства рулонированных материалов (чаще всего прорезиненных), использование для их резания в качестве инструмента высокоскоростного потока абразивных зерен также сдерживается из-за получения реза неудовлетворительного качества при установлении величины рабочей подачи как для большинства металлических заготовок одинаковой толщины. Это объясняется повышенными демпфирующими способностями резины при ударном воздействии на нее абразивных зерен и значительном коэффициенте трения «абразив - резина». Поэтому рез получается с непостоянным рельефом и чаще всего с местным вырыванием слишком широких припусков. Удовлетворительное качество реза гидроабразивным способом наблюдается лишь при снижении величины рабочей подачи, что ведет к снижению производительности и удорожанию технологии для случая раскроя ЛРНМ.

Для снижения энергоемкости (и, соответственно, себестоимости) процесса раскроя ЛРНМ с применением энергии высокоскоростных струй необходимо найти такие способы воздействия на материал, которые бы при относительно «низких» давлениях в пределах 100 - 200 МПа (в отличие от гидрорезания - 400 МПа) обеспечивали приемлемое качество реза при одинаковых величинах рабочей подачи.

Поставленная цель научного исследования может быть решена с помощью применения двух новых способов резания ЛРНМ с использованием энергии высокоскоростных жидкостных струй:

• применением в качестве режущего инструмента водоледяной струи высокого давления;

• применением в качестве режущего инструмента импульсной струи жидкости высокого давления.

Авторами были проведены экспериментальные исследования по применению указанных новых способов раскроя настилов ЛРНМ.

Способ раскроя настилов ЛРНМ водоледяным инструментом

Водоледяная струя высокого давления может быть получена с помощью двух способов.

При реализации первого способа раздробленные и просеянные частицы льда подаются в высокоскоростную струю воды с помощью эффекта эжекции, как это происходит в хорошо изученном процессе формирования гидроабразивных струй. На рис. 1 показан технологический процесс получения высокоскоростной водоледяной струи, основанный на предварительном получении льда и последующим формированием водоледяной струи.

Второй способ отличается от предыдущего тем, что в водяную струю в качестве хладагента вводится жидкий азот, под действием которого в камере смешивания инструмента происходит формирование ледяных частиц в жидкостной струе. Схема экспериментальной установки, применяемой авторами при исследовании процесса раскроя настилов ЛРНМ водоледяным инструментом, представлена на рис. 2, где указаны основные узлы: 1 - Управляющая ПЭВМ; 2 - Стол податчик; 3 - Водоледяной инструмент; 4 - Система дозирования; 5 - Сосуд Дюара (резервуар с жидким азотом); 6 - Разрезаемый настил ЛРНМ; ИВД - источник высокого давления.

Водоледяной генератор,

Буфер дроблёного льда с дополнитель ным охлаждением

гранулометрия 2-5мм.

Пере охлаждение в жидком азоте

Дробилка с грйнулометрическим | | контролёром

Режущая головка эффект эжекции

Рис. 1. Схема установки для получения Рис. 2. Схема установки для резания настилов водоледяной струи. ЛРНМ водоледяным инструментом.

Анализ предварительных результатов проведенных экспериментов по раскрою настилов ЛРНМ водоледяным инструментом показал явную перспективность нового способа с точки зрения приемлемой себестоимости обработки (в отличие от гидрорезания и гидроабразивного резания) и обеспечения требуемой точности и качества реза.

Способ раскроя настилов ЛРНМ импульсными жидкостными струями

Получение импульсной высоконапорной струи воды осуществляется применением специальной струеформирующей головки при реализации «классической» схемы гидрорезания. Применяемая в ходе проведения экспериментов стендовая установка использовалась сначала для исследования гидродинамики импульсных высокоскоростных струй, поэтому на рис. 3 она имеет горизонтальную компоновку. Впоследствии при проведении экспериментов по разрезанию ЛРНМ гидроимпульсная головка имела вертикальное положение, как при «классической» схеме гидрорезания.

Гидроимпульсный инструмент 3 (см. рис. 3, а и б) состоит из установленной на общей раме 2 струеформирующей головки 1 и пневмораспределителя с электроуправлением 3. Струеформирующая головка крепится на раме при помощи специального кронштейна 4.

Работа гидроимпульсного инструмента осуществляется следующим образом. Первоначально на генераторе электрических сигналов 5 (рис. 3, в) устанавливается необходимое значение частоты пульсации скорости струи. Затем включается в работу источник воды высокого давления и устанавливается требуемый уровень давления, и вода подается к струеформи-рующей головке 1. Далее одновременно включаются в работу пневмосистема 6 и генератор

электрических сигналов 5. Генератор электрических сигналов подает электрические импульсы на пневмораспределитель 3, обеспечивая его попеременное открытие и закрытие и тем самым создавая периодическую подачу сжатого воздуха к струеформирующей головке, в которой происходит прерывание непрерывного потока воды

а)

пола высокого _ давления

в) г)

Рис. 3. Гидроимпульсный инструмент.

Струеформирующая головка (см. рис. 3, в и г) состоит из основного корпуса 7, к которому через гайку 20 крепится промежуточный корпус 8. Внутри основного корпуса 7 установлен наконечник 9. Втулка 10 соединена с основным корпусом 7 гайкой 11. Уплотнение высокого давления 12 обеспечивает герметизацию полости высокого давления внутри основного корпуса 7. В промежуточном корпусе 8 смонтирован гидроусилитель, состоящий из поршней 13 и 14 и штока 16. Полость А гидроусилителя заполнена смазкой УС-2. Стопорное кольцо 17 фиксирует поршень 14 в верхнем положении промежуточного корпуса 8. С промежуточным корпусом 8 резьбовым соединением связан цилиндр 18, внутри которого установлен поршень 15, а в верхней части крышки 19 имеется отверстие, в которое подается воздух давлением 0,6 МПа.

Анализ предварительных результатов проведенных экспериментов по раскрою настилов ЛРНМ гидроимпульсным инструментом показал его перспективность и обеспечение качества обработки при сравнительно малых энергетических затратах, т.к. применение импульсной струи вместо непрерывной позволило понизить рабочее давление в системе с 400 до 150 МПа. Однако предварительная оценка влияния частоты импульсов на производительность и, особенно на качество раскроя, позволяет сделать вывод о необходимости проведения всесторонних теоретических и экспериментальных исследований процесса. Также необходимо исследовать влияние особенностей строения и физико-механических свойств материалов с разработкой их классификации по обрабатываемости гидроимпульсным инструментом.

Выводы

Проведенный анализ применения современного оборудования для реализации гидро- и гидроабразивного резания показал, что его внедрение для раскроя настилов ЛРНМ затрудне-

Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. но с экономической точки зрения из-за значительных энергозатрат по электропотреблению, дороговизны самого оборудования и текущего ремонта, а также - неудовлетворительных качественных и точностных показателей полученного реза при выборе стандартных значений рабочей подачи.

Проведенные авторами экспериментальные исследования по раскрою настилов ЛРНМ водоледяным и гидроимпульсным инструментами показали их перспективность и целесообразность всестороннего исследования процессов для оптимизации параметров и разработки рекомендаций по выбору научно обоснованных режимов обработки материалов с различными физико-механическими свойствами.

Литература

1. Hollinger R. H., Perry W, D., Swanson R. R. Proceedings of the 5th American Water Jet Conference, Toronto, Canada, August, 1989, р. 245 - 252.

2. Hashish M., Loscutoff M. V., Reich, P. Cutting with Abrasive Waterjets: 2nd U. S. Water Jet Conference, Rolla, Missouri, U. S. A., 1983, р. 391 - 405.

3. Harris I. D. Abrasive Water Jet Cutting and its Applications at the Welding Institute, Welding Institute Research Bulletin, Vol.19, February, 1988, р.42 - 49.

4. Hunt D.C., Kim T.J., Sylvia J.G. A parametric study of abrasive waterjet processes by piercing experiment: 8th International Simposium on Jet Cutting Technology, Durham, England: 9-11 September, 1986.

5. Hessling M. Recent Examination Relating to the Effects of the Abrasive Material, Operating Parameters and Rock Properties on the Depth of Cut Obtainable with Abrasive High Presser Water Jets when Cutting Rock: 9th International Symposium on Jet Cutting Technology, Sen-dai, Japan, October, 1988, paper G3, р. 357 - 376.

6. Тихомиров Р.А., Гуренко B.C. Гидрорезание неметаллических материалов.- Киев.: Техника, 1984. - 149 с.