К вопросу о разработке современного гидроабразивного инструмента Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

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, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), Е.В. Говорова, ассист., (4872) 33-31-55, [email protected] (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.

Способ гидроабразивной резки материалов позволяет решать многие технологические проблемы при сложном фигурном раскрое металлов, пластмасс, стекла и плит из природного камня.

Камень - особенно сложный для обработки материал требует от обработчика больших знаний, опыта, предельной аккуратности и внимания. Однако даже наличие всех перечисленных качеств не избавляет процесс от издержек, связанных с природной структурой камня. А это, в свою очередь, ведет к повышению расхода материала и соответственно к повышению стоимости изделия. Гидрорезное оборудование позволяет с высокой точностью воспроизводить задуманное художником. Наличие координатного технологического стола и соответствующего программного обеспечения позволяет создавать композиции из различных материалов и сложные элементы контуров. Одни из них будут с высокой степенью точности совмещаться с такими же сложными по форме другими контурами. Причем сделать это можно как с монтажным зазором (или как его еще называют "швом"), так и без него. Ценность подобной автоматизации заключается еще и в том, что информация об изделии (об его профиле) в виде управляющей программы (и исходного чертежа) может храниться сколь угодно долго. В случае разрушения изделия оно может быть точно восстановлено. Кроме того, это позволяет тиражировать изделие, быстро переходить к выпуску как новых изделий путем модификации существующего каталога, так и изделий уже производившихся, но новых требуемых размеров.

На оборудовании для гидроабразивной резки возможно применение программного обеспечения для оптимального (в смысле минимизации отходов) раскроя листа, что позволяет во многих случаях значительно сократить количество отходов.

Открываются новые возможности, связанные с применением гидрорезного оборудования, например, получение очень тонких (до 0,3 мм) элементов конструкций из камня, резка пожаро- и взрывоопасных материалов, материалов, выделяющих при применении термических, в частности лазерных, технологий ядовитые компоненты; материалов, имеющих неоднородную структуру и разрушающихся, пусть частично, при нагревании (стекло, цветные металлы, черные металлы большой толщины, композитные материалы, материалы из сложных органических соединений).

Гидроабразивная струя - это значительно более экономичный в сравнении с традиционным режущим инструментом элемент технологического процесса. Например, при обработке полимерных композиционных материалов типа углепластиков, концевая фреза из твердого сплава имеет ресурс немногим более трех часов, а водное сопло для обработки этого же материала работает нескольких сотен часов и более, процесс протекает без выделения пыли.

Хотя технология гидравлической резки применяется уже много лет, гидроабразивное оборудование только недавно вышло на рынки сбыта и

стало самым динамичным сегментом роста станкостроительной промышленности в мире. Имея среднегодовые темпы роста около 9 %, оно успешно конкурирует с механической и лазерной обработкой материалов.

Гидроабразивной струей можно резать многие материалы: бумага, картон, ткани, кожа, резина, древесина, полимерные материалы (винипласт, фторопласт, органическое стекло, гетинакс, текстолит, стеклотекстолит), фольгированная и металлизированная пластмасса, металлы и сплавы, в том числе труднообрабатываемые (твердые и магнитные сплавы, титан, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали), композиционные материалы, керамика, натуральный и искусственный гранит и мрамор, стекло и др.:

Преимущества гидроабразивной резки:

- возможность применения абсолютно к любым материалам

- неподтвержденность разрезаемого материалов термическому воздействию (холодное резание);

- отсутствие пыли и вредных газов (поток струи воды уносит пыль с собой);

- инструмент резки (струя воды или вода + абразив) не нуждается в переточке;

- низкое тангенциальное усилие резания на деталь (в общем случае даже не требуется зажима разрезаемого материала);

- небольшая, порядка 1 мм, ширина реза (уменьшение отходов и улучшение экономичности раскроя);

- высокая скорость резания;

- возможность резки сложных контуров по фасонным поверхностям;

- рациональный расход материалов;

- быстрое реагирование на нужды производства. Разработанный ННЦ ГП - ИГД им. А. А. Скочинского совместно с

фирмой НИТЕП способ гидроабразивного резания заключается в одновременном воздействии на горные породы и твердые материалы водно-абразивной суспензии, подаваемой под давлением к месту их обработки.

С помощью новой гидроабразивной технологии резания могут производиться следующие виды работ:

- холодная резка металлов и сплавов толщиной до 300 мм;

- резание металлоконструкций, бронированного кабеля и прочих твердых материалов при монтаже и демонтаже оборудования и в экстремальных условиях при проведении спасательных работ;

- утилизация боеприпасов и военной техники;

- резание бетона и железобетона при выполнении строительных работ, ремонте теплотрасс, мостов, плотин и других гидротехнических сооружений;

- ослабление горного массива нарезанием разгрузочных щелей;

- ремонт горных выработок, восстановление их сечения, оконтури-вание забоев подготовительных выработок;

- резание резины, стекла, керамики и других труднообрабатываемых материалов;

- очистка металлических поверхностей (конструкций мостов и эстакад, шахтных копров, корпусов морских и речных судов и др.) от ржавчины, краски и различных загрязнений;

- полировка металлических поверхностей с использованием различных типов абразивов; очистка литейных форм и отливок;

- очистка транспортных средств (шахтных вагонеток, думпкаров и др.) от налипающих материалов;

- очистка тоннелей, зданий и сооружений от различного рода покрытий и загрязнений.

При выполнении указанных работ обеспечивается низкая стоимость расходных материалов и высокая эксплуатационная надежность оборудования.

Для гидроабразивного резания твердых материалов создана стационарная установка, состоящая из рамы, гидроабразивного режущего инструмента, каретки, привода и другого вспомогательного оборудования.

Для механизации различных видов вспомогательных работ создан мобильный аппарат гидроабразивного резания, который в зависимости от выполняемых работ может быть укомплектован источником высокого давления мощностью 17...140 кВт. Дистанционная подача абразива в гидроабразивный режущий инструмент на расстояние до 20 м обеспечивается из бункера вместимостью 50 .200 кг сухого абразива.

Гидроабразивный агрегат комплектуется источником гидравлической энергии из разработанного параметрического ряда, генерирующим давление воды до 300 МПа, а также может быть укомплектован ручным резаком для гидроабразивного резания твердых материалов и очистки технологического оборудования от старых покрытий и загрязнений.

Оригинальные конструктивные решения, использованные при разработке и создании оборудования для гидроабразивного резания, защищены авторскими свидетельствами на изобретения и патентами РФ.

Список литературы

1. Гидроструйные технологии обработки горных пород / В. А. Бреннер [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 176 с.

2. Гидроабразивное резание горных пород/ В. А. Бреннер [и др.]. М: Изд-во МГГУ, 2003. 279 с.

K.A. Golovin, A.E. Pushkarev, E. V. Govorova ABOUT PROBLEM OF CREATING MODERN HYDROABRASIVE TOOL

Expediency of researching influence setting water-jet tool deterioration upon efficiency their functioning is substantiated with using information about hydroabrasive cutting different materials.

Key words: hydroabrasive cutting, pressurized water, powdery abrasive, water-jet,

tool.

Получено 24.11.11

УДК 622.257.16.002.54

К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),

Н.С. Леонтьев, асп. (920) 753-44-04, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ГИДРОСЪЕМНИКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА УСТАНОВКАХ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

Рассмотрены виды гидросъемников. Представлен стенд и описаны испытания по определению зависимостей, характеризующих режимы работы и позволяющие обосновать рациональные параметры гидросъемника высокого давления. Проанализированы результаты стендовых испытаний гидросъемника и установлены зависимости потери мощности на трение от возрастающего давления.

Ключевые слова: гидроструйная технология, стендовые испытания, гидросъемник, потери мощности, давление.

В настоящее время в горной отрасли и строительстве большое внимание уделяется развитию технических средств для бурения и технологий разрушения породного массива, повышающих эффективность и безопасность производства работ.

К числу таких технологий относятся технологии, основанные на энергии высокоскоростных струй: гидроструйное и гидромеханическое бурение, гидроструйная цементация неустойчивых пород и др. [1, 2]. При этом задача подачи воды под высоким давлением в буровую колонну осуществляется с помощью гидросъемника (рис.1). Такая компоновка бурового оборудования позволяет успешно реализовывать как гидромеханическое бурение, так и гидроструйную цементацию.

Гидросъемник предназначен для передачи высоконапорной воды от питающего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны [2, 3, 4].

Одним из недостатков гидросъемника является относительно невысокий ресурс работы узла, передающего высокоабразивный материал - во-доцементную суспензию под значительным давлением во вращающуюся буровую колонну. Возникающее трение внутри гидросъемника является