CC BY
65
УДК 621.735.004:621.974.001
БЕЗМАШИННОЕ ВАКУУМИРОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ МАШИНОСТРОЕНИЯ И.А. Чечета, В.В. Трухачева, А.Е. Чечета, В.А. Нилов
Изложены варианты применения в машиностроительных процессах низкого вакуума, создаваемого безма-шинным способом, ориентированным на химическое связывание газа, заполнявшего вакуумируемую полость
Ключевые слова: низкий вакуум, поглощение
1.1. Историческая справка о безмашинном вакуумировании конденсацией водяного пара. Процесс такого вакуумирования замкнутых полостей с давних пор привлекал внимание исследователей. Так, в начале XVII века, когда в Европе уже имелись некоторые теоретические предпосылки для создания работоспособных пароатмосферных машин (были доказанными весомость воздуха и наличие производимого им давления), итальянец Дела Порта в 1601 году предложил способ получать разрежение в замкнутом сосуде посредством конденсации водяного пара [1, 2].
Само существование атмосферного давления и вакуума («торричелевой пустоты») открыл в 1644 году итальянский учёный Торричелли, а наглядно продемонстрировал в 1654 году немецкий физик О. Герике, создавший воздушный насос и осуществивший опыт по изучению свойств воздуха (с «магдебургскими полушариями») для доказательства существования атмосферного давления. Открытие атмосферного давления и вакуума имели чрезвычайно важное значение на пути к созданию паровой машины.
В 1666 г. X.Гюйгенс высказал идею о необходимости исследовать силу воды, разреженной силой огня, имея в виду пар. Соотечественник X.Гюйгенса Д Папен, помогавший ему, в 1690 году предложил пароатмосферную машину, в которой вода кипятилась, а потом охлаждалась. То есть цилиндр одновременно выполнял роль котла и холодильника, в котором конденсировался пар.
Машина Д. Папена явилась прототипом для целого класса пароатмосферных машин.
Чечета Иван Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 222-53-85
Трухачева Валерия Владимировна - ВГТУ, аспирант, тел. (8264)-5-03-75
Чечета Антон Евгеньевич - ВГУ, инженер, тел. (473) 272-26-77
Нилов Владимир Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 270-84-39
Впервые эту идею практически реализовал Томас Севери. По своей сути эта машина, запатентованная им в 1698 году, представляла собой водоподъёмник для откачивания воды из шахт. Следует отметить, что впуск пара и холодной водя для его конденсации осуществлялись вручную, то есть в рассматриваемой технической системе отсутствовали элементы самоуправления и саморегулирования рабочего цикла.
Дальнейшее совершенствование пароатмосферной машины связано с именем Т. Ньюкомена, который построил в 1712 году совместно с Д. Колли (Коули) первую сравнительно работоспособную пароатмосферную машину для откачивания воды из шахт [3, 4]. В машине Ньюкомена получаемый в котле пар поступал через клапан в цилиндр и поднимал в нём поршень. Затем клапан закрывался, пар конденсировался в результате охлаждения цилиндра водой. Соответственно, поршень опускался под действием атмосферного давления. Движение поршня через балансир передавалось насосу. Последующее заметное совершенствование в машину Ньюкомена внёс Г. Бейтон (в 1718 году), автоматизировавший процесс попеременного пуска пара и воды и снабдивший котёл предохранительным клапаном. Разработанный в 1766 году русским теплотехником Ползуно-вым И.И. вариант пароатмосферной машины отличался наличием сдвоенных цилиндров, связанных единой системой движущихся частей и поочерёдно передающих работу на один общий вал.
По мере развития техники к настоящему времени появилась возможность обеспечивать состояние разреженного газа (вакуум) специальными откачивающими насосами [5].
Степень разрежения в откачиваемых полостях сосуда определяется равновесным давлением, которое в свою очередь, устанавливается под действием двух противоположных процессов, а именно: откачки газа с помощью насосов и натекания его через неплотности, а также в результате технологического газовыделения. В зависимости от степени разрежения газа, остающегося в сосуде, условно введены понятия о низком, среднем, высоком и сверхвысоком вакууме. Соответственно, низким вакуумом считают область давлений от 105 до 100 Па (для сравнения: при температуре 0 оС давление составляет 101325 Па, то есть 760 мм. рт. ст.).
При этом современная практика машиностроения показывает, что для многих технологических процессов продолжает оказываться необходимым и достаточным именно низкий вакуум. Но вакуумирование посредством откачивающих насосов характеризуется избыточной медлительностью, а сами насосы отличаются повышенной стоимостью, имеют ограниченный ресурс работы и не подлежат капитальному ремонту. Всё это предопределяет анализ и поиск других приёмов (кроме откачивания), способных обеспечивать низкий вакуум, характерный для случая конденсации водяного пара в закрытом сосуде.
Анализ возможных химических реакций между некоторыми газами, заполняющими объём, и рядом веществ указывает на возможность связывать молекулы газа, переводя их в солевой осадок [6]. В результате полость, в которой находится этот газ, опорожняется. В частности, определённый интерес вызвала замеченная высокая скорость химической реакции между углекислым газом (СО2) и водным раствором щёлочи. Высокая скорость реакции подчёркнута примером: если в плотно закрытой комнате оставить блюдце с водным раствором щёлочи, то через 10 минут в атмосфере комнаты не останется ни одной свободной молекулы СО2. Эффективность этой реакции была проверена рядом поисковых экспериментов и научных разработок, выполненных на кафедре «Технология машиностроения» Воронежского государственного технического университета (ВГТУ). В итоге в настоящее время высокая скорость химической реакции между углекислым газом и водным раствором щёлочи широко опробована во многих операциях современных технологических процессов машиностроения, для которых достаточно располагать низким вакуумом.
Особенности и важность приёмов создания низкого вакуума выявляется на основе анализа целого ряда технологических машин и процессов, в число которых входят:
а) внутренняя пайка листовых панелей каркасного типа;
б) технологические машины и устройства, приводимые в действие тепловым двигателем, работающим на сжигании углеводородного топлива. Сюда входят термоимпульсные установки для удаления заусенцев фронтом пламени; высокоскоростные штамповочные молоты (ВСМ) с тепловым приводом; автомобили; устройства для листовой штамповки энергией бризантного взрывчатого вещества (БВВ) и другие устройства подобного типа.
Во всех упомянутых случаях создаваемый низкий вакуум предопределяет работу атмосферного давления, причем, вакуум создаётся не только за счёт конденсации водяного пара, но и за счёт химической реакции между углекислым газом и водным раствором щёлочи. Поэтому представляется целесообразным более подробно проанализировать упомянутые случаи.
1.2. Внутренняя пайка каркасных листовых панелей. Известно, что все паяные соединения подразделяют на соединения с наружной пайкой и соединения с внутренней пайкой. Особенность внутренней пайки в том, что отсутствует возможность открытого доступа к месту пайки. Это характерно для изготовления крупногабаритных, как плоских, так и криволинейных панелей с внутренним оребрением. Имеются в виду панели, состоящие, например, из двух элементов: гладкого листа 1 и оребрённого листа 2 (рис.1).
Рис. 1
Местом расположения припоя являются торцы рёбер, контактирующие с гладким листом 1. Процесс внутренней пайки связан с необходимостью надёжно прижимать друг к другу поверхности, между которыми расположен припой. Для этого после укладки соединяемых элементов в рабочее положение образующуюся внутреннюю полость межрёберного пространства изолируют от окружающей атмосферы и обычно машинным способом (вакуумным насосом) откачивают оттуда воздух. В результате равномерное прижатие друг к другу паяемых поверхностей осуществляет окружающая атмосфера. Выполненные в ВГТУ исследования показали, что для внутренней пайки представляется возможным машинное вакууми-рование заменить безмашинным вакуумирова-нием [7, 8,]. Сущность безмашинного вакууми-рования состоит в следующем. Из герметизированного межрёберного пространства углекислым газом выжимают воздух. Затем углекислый газ сообщают с полостью, заполненной водным раствором щёлочи. В результате очень активной химической реакции углекислый газ, связываясь со щёлочью, переходит в растворимый осадок. Этапы безмашинного вакуумирования поясняются представленной на рис. 2 схемой устройства для внутренней торцевой пайки многослойных конструкций [7], где приняты следующие обозначения.
16 /9
Рис. 2
Основание 1, на котором расположен нижний опорный диск 2, имеющий кольцевой паз 3 и трубопровод с вентилем 4, способным обеспечивать подачу углекислого газа Г, и вентиль В2 для сообщения с окружающей атмосферой. Вдоль кольцевого паза 3 смонтировано уплотнение 5, на которое опирается нижний торец подготовленной к пайке панельной конструкции 6. Эта конструкция имеет внутреннюю стенку 7 (см. сечение по А-А) с продольными рёбрами 8, несущими на своей конструкции слой припоя 9. С припоем 9 контактирует наружная оболочка 10 панельной конструкции 6. На верхнем торце конструкции 6 смонтирован опорный диск 11, имеющий уплотнение 12 и кольцевой паз 13, сообщающийся трубопроводом с управляемым клапаном 14, способным внутреннее пространство подготовленного к пайке узла 6 раздельно сообщать как с окружающей атмосферой по стрелке В1, так и со щёлочью ёмкости 20. Внутреннее пространство представляет собой полость, находящуюся между рёбрами 8 и наружной оболочкой 10. Кроме того, внутреннее пространство узла сообщено с вакуумметром 21. Диски 2 и 11 скреплены между собой шпильками 15, способными надёжно прижимать уплотнения 5 и 12, отсекая от окружающей атмосферы внутреннее пространство. Число шпилек 15 предопределяется геометрическими размерами паяемого узла.
Каждая шпилька 15 оснащена рычажным механизмом, имеющим коромысло 16, плечи которого опираются на передаточные стержни 17 и 18, причём нижний торец стержня 17 опирается непосредственно на поверхность диска
11, а нижний торец стержня 18 опирается на торец шпильки 15. При этом ось поворота коромысла 16 способна перемещаться вверх-вниз под действием регулировочного винта 19, а установочная площадка коромысла 16 жёстко связана с основанием 1 (на рисунке не показано).
Последователь работы устройства. В исходном положении, показанном на рис. 2, клапан 14 держит закрытым тракт, ведущий в щё-лочную ёмкость 20, а внутреннее пространство узла 6 через штуцер В1 сообщается с окружающей атмосферой. Вентиль В2 закрыт. При этом положении клапана 14 и вентиля В2 открывают вентиль 4 и углекислый газ заполняет внутреннюю полость узла 6, вытесняя оттуда воздух, и вентиль 4 закрывают.
Затем клапану 14 подают команду запереть выход В1 в атмосферу и одновременно открыть доступ углекислому газу в щёлочную полость 20. В результате автоматически начинается химическая реакция перехода углекислого газа в растворимый солевой осадок, накапливающийся в щелочной емкости 20. Этим предопределяется появление вакуума во внутреннем пространстве полости узла 6. После достижения намеченной глубины вакуума включают нагрев узла 6 до температуры плавления припоя. Для ликвидации вакуума после остывания открывают вентиль В2 и частично демонтируют устройства в мере, достаточной для выемки паяного узла 6, и повторяют очередной рабочий цикл. Основное преимущество безмашинного вакуумирования состоит в простоте процесса, за счёт чего существенно снижаются расходы, поскольку отпадает необходимость применять медленно действующие дорогостоящие вакуумные насосы.
1.3. Удаление заусенцев фронтом пламени. Этот процесс реализуют в герметично закрываемой камере, в которой укладывают предназначенные к обработке детали. После герметизации туда подают стехиометрический заряд горючей газовой смеси (обычно - пропан с кислородом) и поджигают его. Под воздействием возникающего фронта пламени заусенцы выгорают за сотые доли секунды. Простота и высокая эффективность процесса привлекли к себе внимание обширного круга исследователей, в результате чего в практике машиностроения опробовано большое число установок отечественного и зарубежного производства. При этом выявлены следующие особенности:
- очень часто длительность горения заряда топливной смеси короче времени, необходимого для разогрева и воспламенения заусенцев, и надо корректировать темп горения заряда;
- высокотемпературное воздействие продуктов сгорания на обрабатываемую деталь должно быть ограниченным;
- выброс продуктов сгорания из камеры надо организовывать в определённом порядке, соблюдая требуемые условия труда обслуживающего персонала, то есть обеспечить шумо-глушение выхлопа и оградить окружающую среду от выбрасывания большого объёма углекислого газа. Здесь принято во внимание, что продуктами сгорания стехиометрического заряда углеводородного топлива являются углекислый газ (СО2) и вода (Н2О), которая под действием высокотемпературного горения автоматически превращается в пар.
Анализ материалов патентного поиска показал, что перечисленные особенности термоимпульсного удаления заусенцев наиболее полно учтены в разработках кафедры «Технология машиностроения» ВГТУ [9, 10, 11, 12, 13]. В свою очередь, удалось разработать само-запирающуюся камеру сгорания, что в целом существенно повысило экономическую эффективность рассматриваемого процесса удаления заусенцев.
Схема разработанной установки с самозапира-ющейся камерой показана на рис. 3 [9]. Эта камера состоит из нижней подвижной части 1 в виде кольцевого пояса, на нижнем торце которого выполнен внутренний фланец, и верхней неподвижной части 2, имеющей на своём нижнем торце наружный фланец.
Рис. 3
Неподвижная часть 2 камеры посредством шпилек 3 жёстко связана с дном 4, которое имеет каналы 5 для отвода продуктов сгорания из камеры и одновременно является местом 6 для укладки обрабатываемых изделий.
В верхней своей части камера оснащена системой 7 зажигания и системой 8 для подачи топлива. Нижняя подвижная часть 1 имеет на своём верхнем торце кольцо 9, замыкающее полость П. При крайнем верхнем расположении нижней части 1 (см. правую часть рис. 3) рабочая камера находится в положении «Открыто», а при крайнем нижнем положении части 1 (левая часть рис. 3) - рабочая камера в положении «Закрыто».
Каналы 5 дна 4 сообщают полость рабочей камеры с трактом 10, отводящим газообразные продукты сгорания. На тракте 10 смонтирован клапан 11, в полости которого расположен командный плунжер 12 и выпускной плунжер 13, способный своей боковой поверхностью перекрывать тракт В выхлопного канала, погруженного в водный раствор щёлочи Щ.
Плунжеры 12 и 13 кинематически связаны между собой шариковым замком 14, в связи с чем способны перемещаться последовательно: после полного хода командного плунжера 12 способен перемещаться плунжер 13.
Канал плунжера 12 заполнен жидкостью Ж, воздействующей на плавающий поршень 15, подпираемый тарированной пружиной 16 со стороны регулировочного винта 17, имеющего ход продольного перемещения относительно шкалы 18 силовой нагрузки.
В целом установка работает следующим образом. В исходном положении нижняя подвижная часть 1 камеры занимает крайнее верхнее положение (показано на правой части рис. 3) за счёт подачи сжатого воздуха в полость П. Обрабатываемые изделия укладывают на площадке 6, после чего сбросом воздуха из полости П подвижную часть 1 камеры приводят в крайнее нижнее положение (показано на левой части рис. 3), что соответствует положению камеры «Закрыто».
Регулировочным винтом 17 устанавливают силу поджатия командного плунжера 12; эта сила удерживает плунжер 12 в крайнем правом положении. В полость рабочей камеры сквозь впускную систему 8 подают топливные компоненты свежей горючей газовой смеси. При этом сила Е1, действующая вверх на неподвижную часть 2 рабочей камеры под давлением Р свежей газовой смеси, составляет Е1 =0,25РпВ2, где В - диаметр торца Т. Соответственно, сила Е2, прижимающая подвижную часть 1 к неподвижному дну 4, составляет Е2=0,25Рп(В2-$).
Здесь й - диаметр внутреннего фланца, имеющегося на подвижной части 1 камеры. Причём, ¥2 является силой самозапирания камеры на период горения топлива и, соответственно, - сжигания заусенцев.
После поджигания горючей смеси посредством электроискровой системы 7 в камере растёт давление и более плотно прижимает узел 1 к неподвижному дну.
В процессе горения давление газов передаётся по каналам 5 в полость тракта 10 и воздействует на торцы плунжеров 12 и 13. С того момента, когда сила газов, действующая на правый торец командного плунжера 12, начинает превышать силу, установленную регулировочным винтом 17, плунжер 12 перемещается влево. В конце своего хода он переключает шариковый замок 14 и тем самым снимает стопор с плунжера 13, который в конце своего смещения влево сообщает тракт 10 с выхлопным каналом В, отводящий продукты сгорания (водяной пар и СО2) в водный раствор щёлочи, где пар конденсируется, а СО2 переходит в растворимый осадок.
Затем подачей сжатого воздуха в полость П открывают камеру путём перевода нижней подвижной части 1 в крайнее верхнее положение.
Изложенные конструкторские и технологические приёмы, предопределившие создание самозапирающейся камеры для термоимпульсного удаления заусенцев обеспечивают следующие положительные результаты.
1. Давление газов, находящихся в камере, обеспечивает надёжную герметизацию камеры на период горения топливной смеси и сгорания заусенцев. По этой причине нет необходимости в технологическую систему дополнительно вводить энергию для механической герметизации камеры.
2. Флегматизация горения, целью которой является стремление обеспечить равенство между периодом сгорания топливной смеси и периодом разогрева заусенцев до температуры их воспламенения, совмещена с тем, что отбор доли нарастающего в камере давления газов используется для перемещения управляемых плунжеров клапана 11.
3. Очистка камеры от продуктов сгорания (водяной пар и СО2) автоматически является следствием безмашинного вакуумирования, идущего одновременно за счёт конденсации пара и перехода СО2 в солевой осадок из-за химической реакции со щёлочью.
4. Из процесса термоимпульсного удаления заусенцев устранён выброс СО2 в атмосферу, а также ликвидирован шумовой эффект, характерный для всех тепловых машин и устройств, работающих на сжигании углеводородных топлив.
5. Отпала необходимость продувать камеру для очистки от остаточных продуктов сгорания после законченного процесса горения.
6. В целом эффект самозапирания камеры предопределил установкам термоимпульсной зачистки заусенцев компактность и снижение их материалоёмкости, а производительность установки по сравнению с обычными камерами повышена за счёт уменьшения числа действий, характерных для обычных систем, ориентированных на применение силовых цилиндров, удерживающих крышку камеры в положении «Закрыто».
Эффективность безмашинного вакуумиро-вания также подтверждаются примерами очистки и снижение шума выхлопных газов, когда
тепловым приводом оснащены штампующие высокоскоростные молоты [12].
Литература
1. Льоцци Марио. История физики /Пер. с итал. Э.Д. Бурштейна. - М.: Мир, 1970.
2. Конфедератов И.Я. История теплотехники. Начальный период (17 - 18 вв.). М.: Машиностроение, 1954
3. Кудрявцев П.С. Курс физики. - М.: Просвещение, 1974. 312 с.
4. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники /Пер. с англ. - М.: Машиностроение. 1950
5. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др. - М.: Машиностроение, 1985. 360 с.
6. Лукс Г. Экспериментальные методы в неорганической химии. - М.: Мир, 1965. 653 с.
7. Патент РФ 2 340 430 С1 МПК В23К 3/00 (2006.01). Устройство для внутренней торцевой пайки многослойных конструкций панельного типа /И.А. Чечета, В.И.Биркин, А.Е.Чечета, Д.В. Рубцов, В.В. Тупики-на(Трухачева). Опубл. 10.12. 2008, Бюл. № 34.
8. Чечета И.А. Технологические процессы в машиностроении. Исходные параметры и определения: Учебное пособие. - Воронеж: ФГБОУ «ВГТУ», 2012 . 200 с.
9. Патент РФ 2 149088. Устройство для термического удаления заусенцев с изделий / В.И. Биркин, И.А. Чечета, В.Л. Зенин, В.В.Пылев. Опубл. 20.05.2000, Бюл. №14.
10. Патент РФ 2 153 409.Устройство для термического удаления заусенцев / И.А.Чечета, В.Л.Зенин, В.А.Сай. Опубл. 27.07.2000, Бюл. № 21.
11. Патент РФ 2 192 944. Устройство для термического удаления заусенцев / И.А. Чечета, В.Л. Зенин, В.В.Бородкин, Л.В. Бочарова. Опубл. 20.11.2002, Бюл. №32.
12. Патент РФ 841 763. Выхлопная система импульсной машины /И.А.Чечета, Л.Ю.Чечета. Опубл. 30.06.1981. Бюл. № 24.
13. Чечета И.А. Резание материалов: учебное пособие /И.А. Чечета, В.И. Гунин, О.Н. Кириллов. Под ред. И.А. Чечеты, изд. 2-е, перераб и доп. - Воронеж: ФГБОУ «ВГПУ», 2007. 194 с.
Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет
THE MACHINELESS VACUUM AT TECHNOLOGICAL MACHINING I.A. Checheta, V.V. Truhacheva, A.E. Checheta, V.A. Nilov
Several versions of machineless vacuum at technological machining consider revising Key words: low vacuum, absorption
