Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія:"Гірничо-електромеханічна". Випуск 99. - Донецьк: ДонНТУ, 2005

СТЕНДОВАЯ БАЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД СТРУЯМИ ВОДЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Головин К.А.канд. техн. наук, доц., Поляков. А. В. аспирант, Пушкарев А.Е. докт. техн. наук., доц.,
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.

Статистика	Реклама