РАБОЧИЙ ЭЛЕКТРОД ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ДРОБИЛКИ

РАБОЧИЙ ЭЛЕКТРОД ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ДРОБИЛКИ
Предложение относится к области оборудования для дробления камня, руд, бетонных отходов и других материалов. Более точно - к элементам электрогидравлических дробилок, основанных на разрушающем действии ударной волны, порождаемой искрового электрическим разрядом в воде.
Производительность электрогидравлических установок прямо пропорциональна частоте следования разрядов, которая определяется возможностями источника питания и стойкостью рабочего электрода. Рабочие электроды быстро изнашиваются и расходы на их замену являются основными издержками эксплуатации электрогидравлических установок.
Известен рабочий электрод электрогидравлической установки, состоящий из окруженной по всей длине изоляцией латунной трубки, сквозь которую проходит тонкая проволока, соединяемая одним концом с источником питания 1, с. 97. Нижний, погружаемый в воду, рабочий конец проволоки выступает из оболочки па небольшую длину. По мере износа проволока посредством специального механизма продвигается вниз, обеспечивая необходимое выступание рабочего конца за пределы изоляции. В качестве материала проволоки указаны сталь, медь, алюминий, а в качестве материала изоляции - нейлон, полиэтилен, эскапон 1, с. 174. Недостатками известного электрода являются его техническая сложность, малая токонесущая способность тонкой проволоки, а также непригодность его для использования в дробилках из-за того, что тонкую и длинную проволоку практически никогда не удаётся вытолкнуть из изоляции в забитый камнем разрядный промежуток.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности является рабочий электрод электрогидравлической установки для разрушения отходов железобетона, состоящий из металлического стержня, окруженного по всей длине, за исключением концов, изоляцией из полиэтилена 2. Выполнение стержня из имеющих высокую электропроводность меди, алюминия или их сплавов существенно удорожает электрод, поэтому в качестве материала стержня используется обычно сталь, которая прочнее и дешевле цветных металлов. Однако, известный электрод со стальным стержнем работоспособен
МКИВ02С19/18
только при частоте следования разрядов, менее 1 Гц, то есть практически в режиме единичных Импульсов. Увеличение частоты следования импульсов приводит к перегреву стального стержня электрода и расплавлению прилегающей к нему области изолирующей оболочки. Вьпшавленный стержень опускается вниз и замыкает разрядный промежуток. Применение термостойких материалов для изолирующей оболочки снижает ресурс электрода, поскольку все известные термостойкие материалы обладают худщей стойкостью к воздействию ударной волны, чем выщеуказанные.
Для обеспечения работоспособности электрода при повьппенных частотах следования импульсов, то есть иовьппения производительности электрогидравлической установки, в известном рабочем электроде электрогидравлической дробилки, состоящем из металлического стержня с изоляцией, стержень выполнен в виде центральной части из материала с высокой механической прочностью и наружного слоя из материала с высокой электропроводностью. Дополнительно, соотнощение диаметров наружной и центральной частей стержня лежит в пределах 1,02-7-1,3. Кроме того, в качестве материала наружного слоя могут быть использованы серебро, медь или алюминий или их сплавы, а центральная часть стержня вьщолнена из сплавов железа.
Вьшолнение наружного слоя стержня электрода из материала с высокой электропроводностью уменьщает нагрев стержня протекающим током, позволяя увеличить частоту следования разрядных импульсов и повысить тем самым производительность электрогидравлической установки. Вьщолнение центральной части стержня из прочного металла обеспечивает долговечность электрода в условиях механического воздействия со стороны разрущаемого материала, а применение относительно тонкого, как это следует из заявленного соотнощения размеров, наружного хорошо проводящего слоя делает удорожание электрода весьма незначительным.
Существо предложения поясняется чертежом фиг. 1.
Предложенный электрод состоит из многослойного стержня 1, центральная часть (основа) которого 2 вьшолнена прочного металла и окружена слоем (покрыгием) 3 из хорощо проводящего металла. Наиболее дешёвым является вариант, когда центральная часть изготовлена из углеродистой стали, а покрытие - из меди. Между внешним слоем 3 и центральной частью 2 может
располагаться промежуточный слой 4, например никеля, служащий для улучшения сцепления основы 2 с покрытием 3. Снаружи металлический двухили трёхслойный стержень окружён изоляцией 5 из материала с высокой стойкостью к действию воды, ударной волны, ультрафиолетового излучения и абразивному действию разрушаемого сьфья. Концы стержня 1 свободны от изоляции. Один из них служит для присоединения провода питания, другой разрядный, обычно слегка заостряется. Наличие слоя 3 на разрядном конце стержня 1 не обязательно, так как он всё равно соскабливается сырьём в первые же минуты работы и, кроме того, достаточно охлаждается водой. На конце, присоединённом к источнику питания, слой 3 желателен, но не обязателен, так как он охлаждается теплоотводом на провод.
Работает предложенный электрод следующим образом. При подаче высоковольтного импульса на стержень 1 между погружённым в воду концом и корпусом электрогидравлической установки возникает искровой разряд, ток и продолжительность которого определяются параметрами установки. По литературньм данным и измерениям заявителя, проведённым на установках по дроблению камня и обеззараживанию воды, длительность импульса разрядного тока в электрогидравлических установках промьшгленного назначения лежит в пределах 5-г20 мкс. Спектр таких импульсов, учитьшая относительно малую частоту их повторения (единицы герц) состоит из десятков тысяч синусоидальных составляющих, амплитуды которых сохраняют значимую величину до частот порядка десятков кГц. На высоких частотах вследствие скин-эффекта ток протекает только в тонком приповерхностном слое стержня. Толщина скин-слоя А, в пределах которого плотность тока уменьшается в е  2,718... раз определяется выражением
где со - частота переменного тока, Y и ц - проводимость и магнитная проницаемость проводника, цо - магнитная постоянная.
Поэтому сопротивление стержня импульсному току во много раз превыщает измеренное на постоянном токе. При характерных для электрогидравлики длительностях разрядного импульса, приблизительно половина энергии импульса переносится гармониками с частотой до 10 кГц. На этой частоте толщина скин-слоя составляет 0,05 мм для железа и 0,7 мм для
V
меди. Медное покрытие на стальной основе снижает сопротивление стержня и вьщеляемую в нём мощность, в 5 раз, если толщина покрытия равна толщине скин-слоя стали, и в 70 раз, если она равна толщине скин-слоя меди.
Тгисим образом, наличие слоя хорощо проводящего металла на прочном сердечнике-основе значительно уменьшает вьщеление тепла в стержне и даёт возможность в несколько раз увеличить рабочую частоту следования импульсов и производительность установки. Поскольку толщина слоя, в котором протекает основная часть тока разряда, мала, расход цветного металла на создание немагнитной хорошо проводящей оболочки также невелик и не удорожает заметным образом электрода.
Заявленное соотношение диаметров обосновьшается следующим образом. Опыт эксплуатации электрогидравлических дробилок показал, что диаметр стержня электрода должен составлять  мм. Стержни меньшего диаметра недостаточно прочны. У стержней большего диаметра чрезмерно возрастает соприкасающаяся с водой поверхность, что снижает к. п. д. установки из-за увеличения числа разрядов, не завершившихся образованием проводящего канала в разрядном промежутке. Толщина слоя 3 для стержня диаметром 6 мм при нижнем пределе заявленного соотношения составит (6 : 1,02) : 2  0,06мм, что обеспечивает примерно пятикратное уменьшение выделяемого в стержне тепла и позволяет во столько же раз увеличить частоту следования импульсов. Верхний предел заявленного соотношения установлен таким, чтобы для стержня с наружным диаметром 10 мм диаметр прочного сердечника не был бы меньше 6 мм. Для алюминия и сплавов меди минимально допустимая толщина покрытия будет несколько больше, а для серебра - несколько меньше, чем для меди. Наиболее практичны медные покрытия, так как стальная омедненная проволока разных диаметров производится промьппленностью. Если стоимость электродов имеет значение, то в отношении материала центральной части стержня выбора практически нет, так как любой сопоставимый по прочности немагнитный металл или сплав, по меньшей мере, в несколько раз дороже углеродистой стали.
Применение предложенного электрода позволяет во много раз увеличить производительность электрогидравлических установок, так как полностью снимает ограничения по тепловой стойкости изоляции электрода на частоту следования разрядных импульсов вплоть до значений, когда вступают в
силу другие ограничения, например связанные с превышением допустимой температуры накопительных конденсаторов.
Источники информации:
1.Л.А. Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промьппленности. Л.: Машиностроение, 1986
2.А.Н. Баранов, Н.Т. Зиновьев, Ж.Г. Танбаев. - Исследование трекингостойкости изоляции высоковольтных электродов электроимпульсных установок разрушения некондиционного железобетона. - В сб.: «Физика импульсньюс разрядов в конденсированных средах (тезисы докладов V-й Всесоюзной школы), сентябрь 1991 г.. Институт импульсных процессов и технологий АН УССР, г. Николаев, с. 19.