1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Традиционные меры повышения износостойкости рабочих поверхностей технологических средств, таких как, например, дробеструйные устройства, от струйно-абразивного воздействия за счет использования твердосплавных материалов малоэффективны [1-3]. Недостаточной защитной способностью поверхностей обладают также дозвуковые пристеночные газовые потоки. В связи с этим представляет интерес использование для этой цели недорасширенных сверхзвуковых пристеночных потоков. Отжатие ими основного струйно-абразивного потока происходит вследствие того, что на длине пристеночного потока до сечения «запирания» граница сверхзвуковой струи обладает высокой устойчивостью к воздействию на ее извне возмущений, в том числе и в виде отдельных частиц, например, абразива [4]. Это объясняется упругими свойствами границы струи, так как при сверхзвуковой скорости уменьшение проходного сечения потока приводит к его торможению и увеличению давления [5-7].
Дополнительно к этому защитные свойства сверхзвуковой струи проявляются в следующем: когда упругости сверхзвуковой струи недостаточно и частица все-таки пробивает ее границу, то в момент проникновения частицы в струю на величину, примерно равную радиусу частицы, сверхзвуковой поток перед частицей локально затормозится, что вызовет повышение давления. Вследствие существенной разницы давления, действующих на частицу в этом случае со стороны пристеночного сверхзвукового и основного потоков, частица вытолкнется пристеночным потоком, не успев коснуться стенки рабочего сопла. К этому выводу можно прийти путем аналитически обоснованного следующего обоснования.
2 Результаты исследований
Перед частицей в сверхзвуковом потоке образуется скачок уплотнения, давление за которым описывается уравнением [8] :
(1)
где k – показатель адиабаты рабочего тела в сверхзвуковом потоке; – число Маха перед скачком уплотнения;
– давление перед скачком уплотнения;
– давление после скачка уплотнения.
Давление P2, определимое формулой (1), можно считать средним давлением, воздействующим непосредственно на частицу, так как оно находится между минимальным и максимальным давлением, действующим на переднюю точку частицы. Давление перед скачком уплотнения выражается через давление энергоносителя в ресивере (давление торможения), откуда он поступает, следующей формулой (1):
(2)
где – давление торможения в сверхзвуковом потоке;
– коэффициент скорости;
– скорость потока перед скачком уплотнения, м/с;
– критическая скорость, м/с.
Число Маха через коэффициент скорости выражается формулой [4]:
. (3)
Подставляя (2) и (3) в (1), имеем:
. (4)
Выталкивающая сила, действующая на частицу, определится выражением
, (5)
где – радиус частицы.
– статическое давление в основном потоке.
Давление дополнительного энергоносителя дробеструйного сопла, который эжектирует абразив с энергоносителем (в результате чего образуется основной поток), берем равным 0,5 МПа, поэтому лежит в пределах 0,1-0,5 МПа.
С другой стороны,
(6)
где – ускорение частицы; m – масса частицы.
Из (5) и (6) следует:
, (7)
где – плотность материала частицы.
По определению: .
Проинтегрируем это уравнение
,
где – средняя величина ускорения равнозамедленного движения.
Откуда следует
, (8)
где – нормальная к внутренней поверхности дробеструйного сопла составляющая скорости частицы.
Согласно [9] скорость частиц на входе из обычного дозвукового дробеструйного сопла при давлении сжатого воздуха 0,5 МПа не превышает 60 м/с и при угле раствора оставляет не более
Хотя скорость частиц внутри сопла меньше, чем на выходе, для надежности выводов возьмем неблагоприятный вариант м/с. Нормальная составляющая к поверхности часть пути, которую пройдет частица за время t при изменении ее скорости
от 10 м/с до нуля в предложении равнозамедленного движения, составит:
