Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Исследована возможность создания конструкции и технологии изготовления фокусирующих трубок (ФТ) для подводной гидроабразивной резки (ПГАР) материалов. Выявлены недостатки ФТ зарубежного производства, используемых в традиционной технологии гидроабразивной резки (ГАР). Сделан вывод о невозможности их применения в технологии ПГАР ввиду отсутствия обеспечения заданных энергетических параметров гидроабразивной струи. По результатам серии экспериментов установлена линейная зависимость между интенсивностями гидроабразивного износа ФТ и разрушения обрабатываемых материалов. Приведен методический план проведения исследований, направленных на решение задачи создания специализированных сопел для использования в гидроустановках для ПГАР материалов.
гидроабразивная резка, технологический режим, абразивная суспензия, фокусирующие трубки
В МГТУ им. Н.Э. Баумана разрабатываются и создаются подводные роботизированные комплексы различного назначения. На сегодняшний день стоит задача их вооружения современными высокотехнологичными и эффективными средствами обработки и диагностики материалов.
Одной из задач повышения производительности установки для ПГАР является создание узлов технологического оборудования, обеспечивающих формирование высокоскоростной гидроабразивной струи. Общая схема работы установки для ПГАР представлена на рис. 1.
В условиях подводного использования гидротехнологического оборудования одной из проблем являются ограниченные энергетические возможности подводных комплексов. В этой связи создание компактной высокоэнергетической струи малого диаметра представляется актуальной задачей, решение которой необходимо искать за счёт внедрения новых конструкторско-технологических решений.
На первом этапе разработки гидротехнологического комплекса для формирования гидроабразивной струи использовались твердосплавные фокусирующие трубки (ФТ) зарубежного производства, применяемые в промышленных установках для гидроабразивной резки (ГАР) материалов.
Эксперименты показали, что внутренние каналы данных фокусирующих трубок, имеющие диаметры порядка 0,7-0,76 мм, не обеспечивают энергетические параметры гидроабразивной струи, которые необходимы для осуществления эффективного раскроя, резания и пробития материала образцов. Таким образом, была поставлена задача создания фокусирующих трубок новой конструкции отечественного производства.
В отличие от технической схемы эксплуатации промышленных установок для ГАР в схеме ПГАР происходит интенсивное взаимодействие абразивно-жидкостного потока со стенками фокусирующих трубок (рис. 2 а, б).
В этой связи процесс эрозии поверхности внутреннего канала ФТ происходит в значительной степени быстрее (рис. 2б). В качестве иллюстрации на рис. 3 показан износ внутреннего канала струеформирующего сопла, работавшего по схеме, представленной на рис. 2 а.
Форма внутреннего канала, представленная на рис. 4б (п. 2), образована вследствие траектории движения абразива, которая показана на рис. 2а (п. 7).
Износ внутреннего канала сопла при работе по схеме, представленной на рис. 2б, будет схож по форме с профилем, показанным на рис. 3а. Очевидно, что значительное увеличение внутреннего диаметра струеформирующей трубки (в два и более раз) не позволит эффективно осуществлять процесс ПГАР. Из результатов ряда исследований следует, что интенсивность уноса материала внутреннего канала сопла пропорциональна уносу обрабатываемого материала. Этот факт позволяет говорить о возможности прогнозировать производительность ПГАР [4-7] и контролировать остаточный ресурс ФТ, что важно в условиях реализации данной технологии в автоматическом режиме. Сравнительные значения изменения интенсивностей гидроабразивного износа ФТ и ряда материалов представлены на рис. 4.
Результаты оценки коэффициента корреляции r между и представлены на рис. 5. Анализ полученных данных показал существование зависимости , где K – коэффициент пропорциональности между и .
С учетом того, что ФТ зарубежного производства не обеспечивают должные энергетические параметры гидроабразивной струи, ещё большее увеличение диаметра фактически не позволит осуществлять обработку материалов.
В этой связи была поставлена задача создания ФТ меньшего внутреннего диаметра (порядка 0,25-0,35 мм), изготовленных из материалов, устойчивых к интенсивному абразивно-жидкостному воздействию. При этом важной дополнительной задачей является определение оптимальной длины фокусирующих трубок, которая, с одной стороны, позволит обеспечить формирование компактной струи и её разгон до максимально возможной скорости и, с другой стороны, не приведёт к торможению потока абразивно-жидкостной суспензии.
Для решения этих задач была разработана конструкция сопла со вставкой-ядром из монокристалла алмаза, обеспечивающей формирование гидроабразивной струи заданных параметров и имеющей высокую износостойкость. Принципиальная схема данного сопла представлена на рис. 6.
В результате проведённых экспериментов с использованием разработанного сопла новой конструкции было отмечено сильное спрееобразование и рассеивание гидрообразивной струи, что значительно увеличивало площадь её контакта с поверхностью образца и снижало производительность обработки. В связи с этим была предложена тандемная схема (рис. 7), состоящая из разработанного сопла (рис. 6) и ФТ зарубежного производства (рис. 3). Несмотря на переход на тандемную схему, производительность ГАР осталась на том же уровне, что, очевидно, было вызвано излишним увеличением длины разгонной части сборной конструкции, приводящим к торможению потока абразивно-жидкостной суспензии.
Таким образом, было сделано заключение, что сопло тандемной схемы компоновки не отвечает требуемым эксплуатационным характеристиками. Анализ показал, что недостатком является наличие конической выходной части сопла и недостаточная длина его разгонной части. С учетом этого было принято решение внести конструкционные изменения в сопло, в частности в два раза увеличить его длину и заменить выходное отверстие конической формы на цилиндрическое. Кроме того, был увеличен угол входного конического отверстия с целью парирования неблагоприятного эффекта скопления во входной части сопла абразивных зёрен и возникновения пробки на входе в струеформирующий элемент из монокристалла алмаза. Конструкция данного сопла приведена на рис. 8.
Применение модернизированной конструкции сопла позволило решить проблему высокого спрееобразования, однако вопрос выбора его оптимальных геометрических параметров требует продолжения исследований. В частности, остаётся открытым вопрос расчёта и оптимизации длины выходной части сопла (за струеформирующим алмазным элементом). В перспективе необходимо обеспечить высокую надежность всех создаваемых элементов гидротехнологического оборудования, оценить их эксплуатационный ресурс, сопоставив его в дальнейшем со временем работы подводного комплекса в течение одного погружения. Данная задача является практически значимой, поскольку приостановка работы подводного гидротехнологического оборудования вследствие неисправности потребует подъёма глубоководного аппарата на поверхность для ее устранения, что повлечёт за собой высокие экономические потери [8-10].
С учетом многофакторности и сложности решения поставленной задачи создания новой конструкции и технологии изготовления струеформирующего тракта для систематизации проведения исследований был разработан поэтапный методический план работ (рис. 9), состоящий как из уже выполненных работ, так и из ряда перспективных задач реализации.
Рассмотренная в статье проблема создания узлов технологического оборудования отечественного производства, обеспечивающих формирование высокоскоростной гидроабразивной струи, является весьма значимой. Отсутствие гидротехнологического оборудования, способного решать задачи раскроя, дефрагментации, очистки материалов в подводных условиях, ограничивает возможности по решению проблем обеспечения экологической безопасности морей и океанов.
Самостоятельным направлением исследований является выбор абразивного материала, в качестве которого могут быть использованы гранатовый концентрат, порошки различных металлов и сплавов, алмазная шихта, керамика разного состава и другие материалы. Интерес также представляет выбор технологических параметров, таких как угол взаимодействия гидроабразивной струи с поверхностью, расстояние от среза сопла до поверхности материала, концентрация абразива, наложение дополнительных вибраций в процессе резания и др. Заслуживают внимания и вопросы использования потенциала новых технологий, таких как селективное лазерное спекание, для изготовления ФТ и корпусов сопел для ГАР и ПГАР.
1. Годовой отчёт о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2016 году / Ростехнадзор. - URL: http://www.gosnadzor.ru/public/annual_reports/ (дата обращения: 20.10.2017).
2. Тухбатуллин, Ф.Г. Анализ эффективности диагностики при оптимизации ремонта магистральных газопроводов / Ф.Г. Тухбатуллин, И.И. Ве-лиюлин, А.Д. Решетников, А.Л. Тимофеев; ВНИИГАЗ. - Режим доступа: http://www.prostoev.net /publications/ndt/ vniigaz/ vniigazl.html (дата обращения: 10.10.2017).
3. Дао, М.Н. Экологическая безопасность морских трубопроводов на шельфе Вьетнама: дис. … канд. техн. наук / М.Н. Дао. - М., 1999.
4. Тарасов, В.А. Эрозионное изнашивание обрабатываемой поверхности при циклическом нагружении потоком абразивных частиц / В.А. Тара-сов, А.Л. Галиновский, В.М. Елфимов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2008. - С. 163.
5. Тарасов, В.А. Минимизация технологической себестоимости гидроабразивного резания с учётом стоимостных и технологических параметров процесса обработки / В.А. Тарасов, А.Л. Га-линовский, В.М. Елфимов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2011. - № 4. - С. 46-53.
6. Li, D. Effects of feeding pipe diameter on the performance of a jetdriven Helmholtz oscillator generating pulsed / D. Li, Y. Kang // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2017. - Т. 31. - № 3. - Р. 1203-1212.
7. Kantha Babu, M. Studies on recharging of abrasives in abrasive water jet machining / M. Kantha Babu, O.V. Krishnaiah Chetty // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2002. - Т. 19. - № 9. - Р. 697-703.
8. Stepanov, Y.S. Technological fundamentals for efficiency control of hydroabrasive cutting / Y.S. Stepanov, G.V. Barsukov, S.G. Bishutin // Procedia Engineering. - 2016. - Т. 150. - Р. 717-725.
9. Loktiushina, Y. Influence of the working fluid properties on water jet cannon efficiency / Y. Loktiushina, A.N. Semko // Computers & Fluids. - 2014. - Т. 103. - Р. 166-174.
10. Deam, R.T. Modelling of the abrasive water jet cutting process / R.T. Deam, E. Lemma, D.H. Ahmed // Wear. - 2004. - Т. 257. - № 9-10. - Р. 877-891.
