Стендовая база для исследования процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления.

Тульский государственный университет

Представлено состояние проблемы создания техники сверхвысокого давления. Разработан экспериментальный стенд, оснащенный пре-образователем сверхвысокого давления на базе гидравлического двух-ступенчатого мультипликатора.

The condition of the problem to making high pressure technique is present. Experimental stand, equipped by high pressure converter on the base hydraulic two-stage intensifier is designed.

Введение

Режущая способность водяных и гидроабразивных струй - ос-новной показатель, который определяет эффективность применения таких струй в качестве режущего инструмента. Как для простой во-дяной струи, так и для гидроабразивной режущая способность опре-деляется расходом и давлением. Резание металлов, композиционных материалов, в том числе и прочных горных пород, ограничено давле-нием серийно выпускаемых насосов высокого давления, которые в настоящее время способны развивать давление до 250 МПа [1]. В на-стоящее время наблюдается тенденция увеличения рабочего давления до уровня 400 МПа и выше.

Основными причинами увеличения рабочего давления являют-ся:
- увеличение эффективности процесса резания;
- в случае гидроабразивной струи повышение давление приво-дит к снижению потребного расхода абразива;
- возможность резания тонкого листового металла, а также крепких горных пород водяной струей без добавок абразива.

Постановка и решение задачи

Анализ результатов проведенных исследований [1] показал, что при сверхвысоком давлении (до 690 МПа) наблюдается значительное увеличение показателей разрушения. Экспериментальные исследова-ния которые провели Раджаван (Raghavan) и Тинг (Тing) показали, что предельное давление для резания металлов простой водяной струей находится в диапазоне 276 – 414 МПа. Также было установле-но, что наибольшая эффективность достигается при 3 – х кратном увеличении времени воздействия давления данного уровня. Кроме того, термодинамические ограничения для давления водяных струй находятся в диапазоне выше 1034 МПа. Таким образом, становится очевидным целесообразность создания промышленного насосного оборудования с уровнем давления 400 – 1034 МПа.

Для достижения уровня давления до 400 МПа и выше возможны следующие конструктивных схемы насосов сверхвысокого давления.

Стандартный преобразователь давления

Для преобразователя давления мультипликаторного типа выходное давление определяется входным гидравлическим давлением масла и коэффициентом мультипликации. Обычно этот коэффициент составляет - 20. Однако увеличение коэффициента мультипликации до 30 – 40 позволяет выйти на требуемый уровень давления. Так, на-пример, в лабораторных условиях, Хашиш (Hashish) использовал преобразователь давления с коэффициентом мультипликации 33 и достиг уровня давления 690 МПа.

Модифицированный автофретированный насос

Обычно для гидроструйной резки используются преобразовате-ли давления с контролем по давлению, автофреттированные мульти-пликаторы обычно используются в случае ограниченного расхода. Например, Триеб (Trieb) использовал автофреттированный насос ко-эффициентом мультипликации 50 и достиг уровня давления 1000 МПа.

Многоступенчатый преобразователь давления

В этом случае повышение давления воды достигается повыше-нием давления подпиточного насоса. Это может быть сделано по-средством дополнительного насоса плунжерного типа или при ис-пользовании многоступенчатых преобразователей давления. Напри-мер, Раджаван (Raghavan) и Тинг (Тing) получили давление 690 МПа используя два последовательных преобразователя давления с общим коэффициентом мультипликации 20.

Следует отметить, что создание мультипликаторов на давление свыше 400 МПа на базе стандартного или модифицированного пре-образователей давления приводит к значительному повышению их стоимости и резкому увеличению габаритных размеров. В случае многоступенчатого преобразователя давления данные недостатки устраняются

Таким образом, для достижения уровня давления свыше 400 МПа представляется целесообразным использование схемы пред-ставленной на рис. 1

Для отработки параметров преобразователя давления и установ-ления влияния основных действующих факторов была разработана и изготовлена экспериментальная стендовая база представленная на рис. 2.

Основные технические характеристики установки воды высокого давления представлены в табл. 1.

Таблица 1
Основные технические характеристики экспериментальной установки

Модуль водоподготовки предназначен для питания рабочей жидкостью (водой) преобразователей давления и представляет собой агрегат из приводного электродвигателя и центробежного водяного насоса общего назначения, позволяющего получить на выходе давле-ние воды 5 МПа.

Приводной насосный блок предназначен для питания преобра-зователя давления первой ступени рабочей жидкостью (гидравличе-ским маслом), и состоит из установленных на общей раме электро-двигателя мощностью 45 кВт, регулируемого насоса, маслобака, двух аккумуляторов и соединительных трубопроводов. На концах выход-ных трубопроводов масляной гидросистемы установлены запорные соединения для присоединения рукавов, связывающих насосный блок с преобразователем давления первой ступени.

Модуль преобразователя давления предназначен для преобразо-вания гидравлической энергии рабочей жидкости (масла), поступаю-щей от приводного насосного блока, в гидравлическую энергию воды давлением до 120 МПа (1200 кг/см2) подаваемой во взводящую по-лость преобразователя давления модуля испытания мультипликато-ров.

Каждый из мультипликаторов конструктивно представляет со-бой гидроцилиндр, состоящий из двух камер масляной и водяной, разделённых между собой полиамидными и резиновыми манжетами. Водяная камера или камера высокого давления сообщается каналом с корпусом, оснащенным всасывающим и нагнетательным клапанами. В свою очередь клапаны связаны каналами с гидросистемой.

Работа стенда осуществляется следующим образом. При вклю-чении приводного электродвигателя водяной насосный блок низкого давления забирает воду из сети водопровода и подает ее потребите-лям (преобразователям давления). При включении электродвигателя приводного насосного блока и переводе регулятора давления в рабо-чее положение давление в напорной магистрали насосного блока воз-растает до величины, определяемой настройкой регулятора давления насоса, и также подается потребителям.

При работе мультипликатора поршень совершает двойной ход - рабочий и холостой. При холостом ходе через всасывающий клапан заполняется водой камера высокого давления воды. При рабочем хо-де происходит вытеснение воды высокого давления через нагнета-тельный клапан. Рабочая жидкость, возвращающаяся от потребителя к насосному блоку по сливному трубопроводу, поступает на вход насоса.

Кроме того, конструкция стенда позволят использовать для про-ведения экспериментальных исследований различные типы гидро-струйного инструмента (водоструйный, водоледяной, гидроабразив-ный и т. д.), а также различные типы технологических оснасток для перемещения струеформирующей насадки относительно обрабаты-ваемой поверхности по заданному закону.

Выводы

Таким образом, разработанная экспериментальная установка по-зволяет исследовать закономерности процесса разрушения горных пород струями воды сверхвысокого давления в зависимости от изу-чаемых факторов, а также отрабатывать конкретные варианты конст-рукций мультипликатора сверхвысокого давления для выбора и обос-нования силовой схемы и основных геометрических размеров дина-мически нагруженных элементов гидросистемы.

Список источников.

1. P. Koerner, W. Hiller, W. Werth Design of reliable pressure intensifier for water-jet cutting at 4 to 7kbar// 16 th International Conference on water jetting. 16 – 18 October Aix-en Province 2002 pp. 123 – 133.

2. Домбэ Ю.И. Насосы сверхвысокого давления. М.: Химнефтемаш. 1973. - 44с.

3. Гидросистемы высоких давлений. Под ред. Ю. Н. Лаптева. М.: Машиностроение. 1973. – 152 с.