УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Устройство для газопламенной обработки материалов (варианты). Полезная модель относится к машиностроению, а именно, к устройствам для газопламенной обработки материалов и может быть использована для газовой сварки, пайки, резки, наплавки, зачистке, а также для других технологических процессов, связанных с газопламенной обработкой материалов.
В настоящее время существует значительное количество устройств инжекционного типа.
Известно устройство для газопламенной обработки материалов, содержащее газоподводящие трубки, газоподающую трубку с головкой и вентильный блок, в монолитном корпусе которого выполнены газоподающие отверстия, отверстие с малым проходным сечением, связанное с седлом кислородного вентиля (см. патент ПМ РФ №47075, по кл. F23D 14/00, 2005 г.).
В известном устройстве отверстие с малым проходным сечением расположено тангенциально по отношению к газоподающей трубке, что обеспечивает высококачественную подготовку горючей смеси (кислород + горючий газ) внутри газоподающей трубки.
Устройство отличается простотой конструкции и соответственно низкой себестоимостью при изготовлении.
Однако, эксплуатация известного устройства может приводить к аварийным ситуациям, связанным с возгоранием образовавшейся в системе горючей смеси (в том числе к взрывам).
Это связано с тем, что направление струи кислорода не совпадает с направлением дальнейшего движения горючей смеси в газоподающей трубке.
Поскольку давление кислорода при газопламенной обработке всегда выше, чем давление горючего газа, то в известном устройстве при тангенциальной подаче струи кислорода давление в зоне поступления кислорода в газоподающую трубку будет выше, чем давление в других частях устройства, что при открытии вентилей может привести к постепенному «накачиванию» кислородом (горючей смесью) всей газовой системы, подсоединенной к устройству (включая газовую магистраль и баллон с горючим газом).
Описанная ситуация в огневом режиме эксплуатации устройства может привести к взрыву с тяжелыми последствиями.
Известно устройство для газопламенной обработки материалов, содержащее газоподводящие трубки, газоподающую трубку с головкой, монолитный корпус с полостями и отверстиями, регулировочный вентиль со штоком, который расположен в вентильном отверстии корпуса с возможностью его перекрытия, а также инжектор с инжектирующим отверстием (см. патент Китая CN 1690514).
Известное устройство безопасно в работе, но обладают следующими основными недостатками:
- высокая себестоимость, поскольку требуется изготовление отдельной дорогостоящей детали - инжектора.
- необходимость обеспечивать надежную внутреннюю герметичность устройства за счет высокоточной механической обработки сквозного отверстия в монолитном корпусе (в частности, посадочного места под инжектор).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройстве для газопламенной обработки материалов, содержащее горизонтальную газоподводящую трубку для подвода кислорода, горизонтальную газоподводящую трубку для подвода горючего газа, горизонтальную газоподающую трубку с головкой, монолитный корпус с полостями и отверстиями, регулировочный вентиль со штоком, который расположен в вертикальном вентильном отверстии корпуса с возможностью его перекрытия, сквозное горизонтальное отверстие, инжектирующее отверстие, образованное сужением сквозного горизонтального отверстия, герметизирующий элемент расположенный в сквозном горизонтальном отверстии, смесительную камеру, выполненную в виде полой детали, размещенной в газоподающей трубке, (см. патент ПМ РФ №78290, по кл. F23D 14/00, 2008 г.).
В известном устройстве сквозное горизонтальное отверстие соединено с газовыми каналами в корпусе, в том числе с вентильным вертикальным отверстием. При этом сквозное горизонтальное отверстие, инжектирующее отверстие, полость смесительной камеры и герметизирующий элемент расположены соосно.
В этом устройстве отсутствует отдельная деталь - инжектор и при этом нет необходимости в высокоточной механической обработке монолитного корпуса, что существенно снижает затраты при его изготовлении.
Инжектирующее отверстие расположено соосно смесительной камере, что обеспечивает высокую эжекцию и обеспечивает безопасную работу устройства в различных режимах эксплуатации.
Однако известное устройство обладает рядом существенных недостатков, а именно,
- значительной массой монолитного корпуса,
- низкой технологичностью конструкции, в том числе - при механической обработке полостей монолитного корпуса, а также при соединении трубок к корпусу методом пайки.
Оба недостатка связаны с тем, что в известной конструкции для обеспечения подвода кислорода к инжектирующему отверстию через сопряжение вертикального вентильного отверстия со сквозным горизонтальным отверстием, необходимо увеличить вертикальный габарит монолитного корпуса.
Увеличение вертикального габарита корпуса необходимо для того, чтобы обеспечить выход сквозного горизонтального отверстия на корпусе и соответственно расположение полости для герметизирующего элемента ниже полости для горизонтальной газоподводящей трубки.
Из-за указанных конструктивных особенностей, в известной конструкции невозможно расположить в одной оси газоподающую трубку и газоподводящую трубку для подвода горючего газа, что исключает возможность эффективной механической обработки соответствующих полостей корпуса, уменьшает эффективность процесса пайки из-за нерационального расположения газовых трубок. Указанные конструктивные особенности снижают технологичность конструкции в целом.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой группой полезных моделей, является создание устройства для газопламенной обработки материалов, позволяющего повысить технологичность конструкции за счет расположения на одной оси газоподающей и газоподводящей трубок для подвода горючего газа.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием устройства для газопламенной обработки материалов, содержащего газоподводящие трубки, газоподающую трубку с головкой, монолитный корпус с полостями и отверстиями, регулировочный вентиль со штоком, который расположен в сквозном вентильном отверстии корпуса с возможностью его перекрытия, смесительную камеру в виде полой детали, частично или полностью, размещенную в смесительной полости корпуса, герметизирующий элемент, расположенный в вентильном отверстии, эжекционную полость, образованную по меньшей мере поверхностью смесительной камеры и телом корпуса, соединенную с выполненным в корпусе отверстием для горючего газа, а также инжектирующее отверстие, соединяющее смесительную полость и вентильное отверстие на участке между штоком и герметизирующим элементом, выполненное под углом к вентильному отверстию.
Герметизирующий элемент устройства выполнен в виде резьбовой заглушки.
Второй вариант исполнения устройства содержит газоподводящие трубки, газоподающую трубку с головкой, монолитный корпус с полостями и отверстиями, регулировочный вентиль со штоком, который расположен в глухом вентильном отверстии корпуса с возможностью его перекрытия, смесительную камеру в виде полой детали, частично или полностью, размещенную в смесительной полости корпуса, герметизирующий элемент, расположенный в смесительной полости, эжекционную полость, образованную по меньшей мере поверхностью смесительной камеры и телом корпуса, соединенную с выполненным в корпусе отверстием для горючего газа, а также инжектирующее отверстие, соединяющее смесительную полость и вентильное отверстие, выполненное под углом к вентильному отверстию.
Герметизирующий элемент в этом варианте выполнен в виде смесительной камеры, зафиксированной в смесительной полости корпуса деталью с резьбой.
При этом для инжектирующего отверстия устройства выполняют соотношение Д>1,1d, где L - длина инжектирующего отверстия, а d - минимальный диаметр инжектирующего отверстия.
В случае, если указанное соотношение не соблюдают, нарушается ламинарность потока кислорода внутри инжектирующего отверстия, что значительно снижает инжекцию и ухудшает работу устройства.
Соотношение L>1,1d установлено эмпирическим путем для конструкции газопламенного устройства по настоящей полезной модели.
При диаметре инжектирующего отверстия для кислородно-ацетиленового резака d=0,6 мм, рекомендуемая длина инжектирующего отверстия L>0,7 мм.
При диаметре инжектирующего отверстия для кислородно-пропанового резака d=0,9 мм, рекомендуемая длина инжектирующего отверстия L>1,0 мм.
Полезная модель представляет собой инжекционное устройство, которое может быть выполнено в виде газокислородного резака или газокислородной горелки.
Устройство может быть выполнено зацело.
В устройстве ось инжектирующего отверстия перпендикулярна оси вентильного отверстия.
Устройство может быть выполнено с уплотняющим элементом в герметизирующем элементе в виде резинового кольца.
В устройстве смесительная полость корпуса и инжектирующее отверстие имеют цилиндрические поверхности, расположенные соосно.
Предлагаемое исполнение устройства позволяет непосредственно через инжектирующее отверстие соединить эжекционную полость с вентильным отверстием.
Такая компоновка основных внутренних элементов монолитного корпуса, позволяет достичь всех заявленных целей в двух основных вариантах устройства.
В предлагаемой полезной модели реализуют техническую возможность непосредственного соединения эжекционной полости с вентильным отверстием через инжектирующее отверстие.
Лучшим исполнением устройства, с точки зрения технологичности его изготовления, является вариант, в котором смесительная полость корпуса и инжектирующее отверстие имеют цилиндрические поверхности, расположенные соосно, при этом ось инжектирующего отверстия перпендикулярна оси вентильного отверстия.
Для надежной герметизации, обеспечивающей безопасную работу устройства, герметизирующий элемент необходимо выполнить с уплотняющим элементом в виде резинового кольца.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
На фиг. 1 изображен общий вид устройства в варианте со сквозным вентильным отверстием.
На фиг. 2 изображен разрез устройства в варианте со сквозным вентильным отверстием.
На фиг. 3 изображен общий вид устройства в варианте с глухим вентильным отверстием.
На фиг. 4 изображен разрез устройства в варианте с глухим вентильным отверстием.
На фиг. 5 изображено инжектирующее отверстие, соединяющее смесительную полость с вентильным отверстием.
На фиг. 6 изображен разрез устройства по отверстию для горючего газа в варианте со сквозным вентильным отверстием.
На фиг. 7 изображен разрез устройства по отверстию для горючего газа в варианте с глухим вентильным отверстием.
Вариант устройства для газопламенной обработки материалов, (на фиг. 1 фиг. 2 и фиг. 6) содержит газоподводящие трубки 1 и 2, газоподающую трубку 3 с головкой 4, монолитный корпус 5 с полостями и отверстиями, регулировочный вентиль 6 со штоком 7, который расположен в сквозном вентильном отверстии 8 корпуса 5 с возможностью его перекрытия, смесительную камеру 9 в виде полой детали, размещенную в смесительной полости корпуса 10, герметизирующий элемент 11, расположенный в вентильном отверстии 8, эжекционную полость 12, образованную газоподающей трубкой 3, поверхностью смесительной камеры 9 и телом корпуса 5, соединенную с выполненным в корпусе 5 отверстием 13 для горючего газа, а также инжектирующее отверстие 14, соединяющее смесительную полость 10 и вентильное отверстие 8 на участке между штоком 7 и герметизирующим элементом 11, выполненное перпендикулярно вентильному отверстию 8. В этом варианте герметизирующий элемент 11 устройства выполнен в виде резьбовой заглушки с резиновым кольцом 15.
Вариант устройства для газопламенной обработки материалов, (на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 7) содержит: газоподводящие трубки 1 и 2, газоподающую трубку 3 с головкой 4, монолитный корпус 5 с полостями и отверстиями, регулировочный вентиль 6 со штоком 7, который расположен в глухом вентильном отверстии 16 корпуса 5 с возможностью его перекрытия, смесительную камеру 17 в виде полой детали, размещенную в смесительной полости корпуса 18, герметизирующий элемент в виде смесительной камеры 17, расположенный в смесительной полости 18, эжекционную полость 19, образованную поверхностью смесительной камеры 17 и телом корпуса 5, соединенную с выполненным в корпусе отверстием 13 для горючего газа, а также инжектирующее отверстие 14, соединяющее смесительную полость 18 и вентильное отверстие 16, выполненное перпендикулярно вентильному отверстию 16. Герметизирующий элемент в этом варианте выполнен в виде смесительной камеры 17, с резиновым кольцом 15, зафиксированной в смесительной полости корпуса 18 деталью с резьбой 20.
Инжектирующее отверстие 14. имеет диаметр инжектирующего отверстия - d и его длину - L. Ось инжектирующего отверстия 14 расположена перпендикулярно оси вентильного отверстия 16.
Устройства со сквозным и глухим вентильным отверстием 8 имеют регулировочный вентиль 21 для горючего газа.
Устройство, выполненное в виде газокислородного резака, снабжено вентилем 22 режущего кислорода.
В основе работы предлагаемого устройства лежит принцип эжекции, который заключается в следующем: кислород под давлением, проходя через отверстие малой площади (инжектор) и расширяясь в следующем за ним отверстии большей площади, в соответствии с законом сохранения количества вещества, ускоряется.
Поток кислорода, после прохождения инжектора, движется с большой скоростью при малом давлении (малой плотности), что создает эффект эжекции (разрежения).
Зона эжекции (зона разрежения) соединена с газовым каналом, по которому в зону эжекции поступает горючий газ.
При дальнейшем движении потока, кислород и горючий газ перемешиваются, создавая горючую смесь, которая сгорает на выходе устройства, обеспечивая при этом необходимую температуру и мощность пламени.
Регулировку пламени, осуществляют при помощи вентиля для подачи кислорода и вентиля для подачи горючего газа.
Устройство, изображенное на фиг. 1 работает следующим образом: газ (кислород), находящийся под высоким давлением, подают через газоподающую трубку 1 к вентилю 6 и далее через вентильное отверстие 8 к инжектирующему отверстию 14. После чего, расширяясь в смесительной камере 9, поток кислорода ускоряется, создавая эжектирующий эффект. Горючий газ подают через газоподающую трубку 2 к вентилю 21 и далее через отверстие 13 в эжекционную полость 12.
Из эжекционной полости 12 горючий газ поступает в смесительную камеру 9, где эжектируется потоком кислорода.
Газовая смесь, продолжая движение, перемешивается за счет вихревых эффектов, возникающих вследствие изменения сечения проходного канала, например, на границе смесительной камеры 9 и газоподающей трубки 3, и образует однородную горючую смесь.
Устройство, изображенное на фиг. 3 работает следующим образом: газ (кислород), находящийся под высоким давлением, подают через газоподающую трубку 1 к вентилю 6 и далее через вентильное отверстие 16 к инжектирующему отверстию 14.
После чего, расширяясь в смесительной камере 17, поток кислорода ускоряется, создавая эжектирующий эффект.
Горючий газ подают через газоподающую трубку 2 к вентилю 21 и далее через отверстие 13 в эжекционную полость 19.
Из эжекционной полости 19 горючий газ поступает в смесительную камеру 17, где эжектируется потоком кислорода.
Газовая смесь, продолжая движение, перемешивается за счет вихревых эффектов, возникающих вследствие изменения сечения проходного канала, например на границе смесительной камеры 17 и газоподающей трубки 3, и образует однородную горючую смесь.
Регулировку состава смеси осуществляют за счет изменения параметров потока кислорода, регулировочным вентилем 6 и за счет изменения параметров потока горючего газа регулировочным вентилем 21.
Горючая смесь, проходя по газоподающей трубке 3, поступает в головку 4, где проходя через калиброванные отверстия, равномерно распределяется и создает на срезе головки факел подогревающего пламени.
В случае исполнения устройства в виде газового резака, для обеспечения резки (например, стального листа), после достаточного разогрева подогревающим пламенем места реза, открывают вентиль режущего кислорода 22.
Кислород по трубке режущего кислорода поступает в головку 4, где проходя через сопло, попадает в зону реза, обеспечивая процесс интенсивного окисления стали и тем самым процесс резки.
Эжекционные полости 12 и 19 в основных вариантах устройства представляют собой кольцевые полости, соединенные с отверстиями 13. Смесительные камеры 9 и 17 в обоих вариантах устройств выполнены с прорезями на торце, таким образом, что эжекционная полость через эти прорези соединяется с отверстием смесительной камеры.
Смесительные полости 10 и 18 в обоих вариантах устройства представляют собой цилиндрические отверстия, при этом для варианта устройства со сквозным вентильным отверстием 8, смесительная полость выполнена без резьбы, а для варианта устройства со глухим вентильным отверстием 16, смесительная полость выполнена с резьбой.
Работоспособность предлагаемого устройства подтверждена испытанием опытных образцов в виде газокислородных резаков.
При испытаниях в качестве горючего газа использовали пропан-бутановую смесь и ацетилен.
Для ацетиленового резака, при диаметре инжектирующего отверстия d=0,6 мм, устойчивая работа наблюдалась, когда длина инжектирующего отверстия находилась в диапазоне L=1,0-4,5 мм.
При длине инжектирующего отверстия 14 для ацетиленового резака L менее 0,7 мм инжектирующий эффект исчезал полностью.
Для резака, работающего на пропан-бутановой смеси, при диаметре инжектирующего отверстия d=0,9 мм, устойчивая работа наблюдалась, когда длина инжектирующего отверстия находилась в диапазоне L=1,9-5,5 мм. При длине инжектирующего отверстия 14 для ацетиленового резака L менее 1,0 мм инжектирующий эффект исчезал полностью.
Предлагаемое устройство удобно в техническом обслуживании инжекторного узла.
В варианте устройства со сквозным вентильным отверстием 8 для прочистки инжектирующего отверстия 14 достаточно вывернуть герметизирующую заглушку 11 и прочистить инжектор через вентильное отверстие 8.
В варианте устройства с глухим вентильным отверстием 16 для прочистки инжектирующего отверстия 14 необходимо вывернуть резьбовую деталь 20, извлечь из смесительной полости 18 газоподающую трубку 3 вместе со смесительной камерой 17 и прочистить инжектор со стороны смесительной полости 18.
В предлагаемом устройстве возможно расположить газоподающую трубку 3 и газоподводящую трубку 2 в одной оси с инжектирующим устройством 14, что значительно снижает массу корпуса, повышает технологичность и снижает себестоимость при серийном производстве.