CC BY
22
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.236.002.54
К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.В. Говорова, ассист., (4872) 33-31-55, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕЛИЧИНЫ ИЗНОСА ГИДРОСТРУЙНОГО ИНСТРУМЕНТА
Предлагается полученная на основе анализа результатов экспериментальных данных формула для определения величины износа насадок гидроструйного инструмента в зависимости от начального давлениия воды, диаметра отверстия, твердости материала насадок и времени их работы.
Ключевые слова: гидроструйный инструмент, струеформирующая насадка, гидроэрозионный износ, давление, гидравлическая мощность, коэффициент расхода жидкости, твердость.
В настоящее время как в России так и за рубежом гидроструйные технологии находят все более широкое применение практически во всех отраслях для резки самых разнообразных материалов - от бумаги и кожи до труднообрабатываемых - стекла, любых металлов, горных пород, для очистки поверхностей. Это обусловлено существенными преимуществами гидроструйного способа по сравнению как с механическими резанием, так и с лазерной и плазменной обработкой [1, 2].
К числу преимуществ относят и более высокую стойкость гидроструйного инструмента, однако достаточно большой опыт эксплуатации гидроструйных установок показывает, что износ инструмента все-таки значителен а это приводит к снижению эффективности гидроструйного резания за счет снижения давления при увеличении диаметров. Гидроабра-зивнй инструмент изнашивается еще интенсивнее, поскольку при его работе к гидроэрозионному износу насадок и коллиматоров добавляется и абразивный [1, 2, 3].
К настоящему времени вопрос изнашивания гидроструйного инструмента изучен не достаточно, что связано в первую очередь с известными трудностями измерения величины износа и интенсивности изнашивания отверстий насадок и коллиматоров ввиду их малого диаметра (0,2...0,6 мм).
Однако опубликованные ранее результаты исследований позволяют судить о том, что увеличение диаметров струеформирующих насадок и коллиматоров существенно снижает эффективность гидроструйного резания, поскольку при этом снижается давление рабочей жидкости. Результаты экспериментальных исследований влияния гидравлических параметров, а также диаметров коллиматоров и насадок на эффективность преобразования приведены в работах [1, 2, 4 и др.]
Для проведения исследований применялась сруеформирующая насадка, коэффициент расхода которой |i = 0,75. Диаметр струеформирую-щей насадки составлял 0,4 мм, а диаметр коллиматора и выходной диаметр конфузора изменялся в пределах 2... 5,5 мм.
Исследования показали, что влияние диаметров коллиматора и насадок весьма существенно. Так, при диаметре струеформирующей насадки do = 0,4 мм для разных величинах давления воды от 60 до 180 МПа оптимальным является диаметр коллиматора dK = 3,5 мм. Увеличение этого диаметра до 4,5, 5 и 5,5 мм приводит к уменьшению глубины прорезаемой щели при длине коллиматора LK = 65 мм соответственно на 21м, 4, 28,5 и 42,9 %, а при длине коллиматора LK = 95 мм - соответственно на 13, 8, 31 и 69 %.
Поскольку давление в насадке и коллиматоре зависит от диаметра отверстий в них, уменьшаясь с увеличением диаметра, в качестве одного из методов определения износа можно принять расчет диаметра по давлению жидкости через определенные промежутки времени работы инструмента.
Как известно, гидравлическая мощность N, кВт, на выходе гирост-руйного инструмента может быть определена по формуле
N= 1,11- Р d0-ju • (Р/р)0'5, (1)
где Р - давление жидкости, МПа; d{]- диаметр насадки, м; |i коэффициент расхода жидкости; в нашем случае принималось ц = 0,8; р - плотность рабочей жидкости.; для воды принято р = 1000 кг/ м .
После подстановки цифровых значений формула принимает вид
N= 0,028 d0P1,5. (2)
По этой формуле рассчитывалась мощность для давлений 150, 100 и 50 МПа, насадок диаметром 0,4 мм из твердого сплава ВК8 и стали 40X13. Проведен расчет давления 150 МПа также и для насадки из твердого сплава диаметром 0,6 мм. Мощность в каждой серии опытов принималась постоянной
По найденной мощности из этой же формулы для всех указанных случаев были определены диаметры отверстий струеформирующих насадок с учетом экспериментально полученных значений уменьшения давления жидкости из-за увеличения диаметра отверстий насадок в результате их изнашивания. Расчеты проводились для новых насадок и через 2, 4, 6, 8, 10 часов наработки. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
В табл. 2 показаны действительные величины износа отверстий насадок в зависимости от начального давлении, диаметра, твердости материала насадки через 2, 6 и 10 часов работы.
Таким образом, выражение для определения износа может быть представлено в следующем виде:
з = /(фР^НЯс). (3)
Обработка массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета износа струеформирующей насадки:
а р О,*4; 0,77
з = 0,1-—— (4)
ИЯс134 ' (4)
Таблица 1
Зависимость давления на выходе гидроструйного инструмента и текущего диаметра насадки от материала ее изготовления, начального диаметра и времени работы
Время работы 1, ч 0 2 | 4 | 6 | 8 | 10
Диаметр насадки ё, мм Материал насадки,твердость, ИЯС Давление Р, МПа / диаметр насадки, ё0 , мм, через t ч работы Падение давления за 10 ч работы, МПа / %
0,4 ВК8 90 150 0,4 140,1 0,421 137,2 0,427 137,1 0,428 127.1 0,453 124,0 0,461 26 / 17,3
0,4 Сталь 40Х13 55 150 0,4 140,0 0,421 129,3 0,447 123,5 0,4633 107,1 0,515 101,1 0,538 48,1/32,6
0,6 ВК8 90 150 0,6 145,2 0,615 135,2 0,648 137,1 0,642 123,1 0,697 115,9 0,728 34,1/22,7
0,4 ВК8 90 100 0,4 96,1 0,412 95,3 0,415 86,5 0,446 88,0 0,44 83,1 0,459 16,9/16,9
0,4 Сталь 40Х13 55 100 0,4 91,0 0,429 88,5 0,438 80,0 0,47 72,1 0,511 71,0 0,517 29 / 29
0,4 ВК8 90 50 0,4 46,5 0,41 49,0 0,402 46,2 0,42 46,4 0,419 47,4 0,412 2,6 / 5,2
0,4 Сталь 40Х13 55 50 0,4 45,8 0,423 45,8 0,423 45,7 0,424 44,3 0,434 45,0 0,429 5 /10,0
Индекс корреляции для данного выражения составил Я = 0,88, критерий Фишера ^ = 13,5. Критическое значение критерия Фишера для за-
висимости (4) при 5 %-ом уровне значимости Р0,05= 3,28, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным данным.
Таблица 2
Зависимость износа насадки от ее диаметра, материала, давления и времени работы
Диаметр Начальное Материал на- Время наработ- Износ
насадкиД мм давление Р, садки, ки t, час насадки
МПа твердость, S, мм
ЖС
0,4 150 90 2 0,021
0,4 150 55 2 0,021
0,6 150 90 2 0,015
0,4 100 90 2 0,012
0,4 100 55 2 0,029
0,4 50 90 2 0,01
0,4 50 55 2 0,023
0,4 150 90 6 0,028
0,4 150 55 6 0,063
0,6 150 90 6 0,042
0,4 100 90 6 0,046
0,4 100 55 6 0,07
0,4 50 90 6 0,02
0,4 50 55 6 0,024
0,4 150 90 10 0,061
0,4 150 55 10 0,138
0,6 150 90 10 0,128
0,4 10 90 10 0,059
0,4 10 55 10 0,177
0,4 50 90 10 0,012
04 50 55 10 0,029
Полученная формула (4) позволяет не только определять величину износа насадок в конкретных условиях и прогнозировать интенсивность их изнашивания, но и выбирать рациональные режимы работы гидроструйных установок, в частности, минимальную величину давления жидкости, при котором уже не обеспечиваются заданные параметры резания (глубина щели, качество поверхности) и необходимо производить замену насадок.
Список литературы
1. Гидроструйные технологии обработки горных пород/ В. А. Бреннер [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 176 с.
K.A. Golovin, E. V. Govorova
ABOUT EVALUATING DETERIORATION VALUE OF WATER-JET TOOL
The formula, which getting as result of analyzing experimental data, is proposedfor evaluating deterioration value of water-jet tool subject to initial water pressure, internal diameter, solidity of headpieces material and their action period.
Key words: water-jet tool, jet-forming headpiece, hydraulic jet deterioration, pressure, hydraulic capacity, fluidflow coefficient, solidity.
Получено 24.11.11
УДК 622.236.002.54
К. А. Головин, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, pushkarev-agn@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ), Е.В. Говорова, ассист., (4872) 33-31-55, g-sps@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
К ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ СОВРЕМЕННОГО ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИНСТРУМЕНТА
На основе анализа доступных данных процесса гидроабразивного резания различных материалов обосновывается целесообразность проведения исследований влияния износа проточной части струйного инструмента на эффективность его работы.
Ключевые слова: гидроабразивная резка, герметизированная вода, порошкообразный абразив, струя жидкости, инструмент.
Гидроабразивная резка использует принцип герметизированной воды, предварительно смешанной с порошкообразным абразивом и вытекающей под высоким давлением через очень малое отверстие, выполненное в твердом материале. Этот вид резки является альтернативой механической, лазерной, плазменной, а в некоторых случаях единственно возможной.
Струя жидкости по своим техническим возможностям приближается к идеальному точечному инструменту, что позволяет обрабатывать сложный профиль с любым радиусом закругления, поскольку ширина реза составляет 0,6...2,0 мм, отход материала меньше, чем при традиционных методах обработки, рез можно начинать в любой точке заготовки без предварительного выполнения отверстия.
Небольшие сила (1.100 Н) и температура (+60...+90 °С) в зоне резания исключают деформацию заготовки, оплавление и пригорание материала в зоне реза. Струя не изменяет физико-механические свойства обрабатываемого материала.
