Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Использование гидроабразивного способа резания горных пород и других твердых материалов при выполнении основных и вспомогательных работ в шахтных условиях 9
1.2. Анализ результатов исследований процесса формирования гидроабразивных струй 20
1.3. Анализ конструктивных особенностей и параметров гидроабразивных инструментов и систем подачи абразива 32
1.4. Цель и задачи исследований 45
2. Экспериментальные исследования влияния динамических и структурных характеристик водяных струй на эффективность формирования гидроабразивных струй 46
2.1. Стендовая база и измерительная аппаратура 46
2.2. Анализ влияния динамических и структурных характеристик водяных струй на эффективность разрушения горных пород и твердых материалов 51
2.3. Исследование влияния параметров проточной части гидроабразивного инструмента на разрушающую способность водяных струй высокого давления 59
2.4. Разработка и обоснование модели формирования гидроабразивной струи в режущем инструменте 65
Выводы по главе 71
3. Экспериментальные исследования влияния параметров проточной части гидроабразивного инструмента и расхода абразива на эффективность формирования гидроабразивных струй 73
3.1. Методика выполнения исследований 73
3.2. Исследование влияния параметров проточной части режущего инструмента на эффективность формирования гидроабразивной струи 81
3.2.1. Влияние параметров коллиматора на эффективность формирования гидроабразивной струи 88
3.2.2. Влияние параметров камеры смешивания на эффективность формирования гидроабразивной струи 99
3.3. Исследование влияния расхода абразива и параметров системы подачи абразива на эффективность гидроабразивного резания 107
Выводы по главе 115
4. Установление рациональных параметров агрегата для гидроабразивного резания твердых материалов 117
4.1. Установление зависимостей для расчета структурных характеристик водяных струй высокого давления 117
4.2. Установление рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента 128
4.3. Установление рациональных параметров разомкнутой системы дозированной подачи абразива в режущий инструмент 140
4.4. Установление эффективности разрушения горных пород гидроабразивным инструментом нового технического уровня 143
4.5. Инженерный метод расчета параметров агрегата для гидроабразивного резания 157
Выводы по главе 163
Заключение 164
Литература 167
Приложения 176
- Анализ результатов исследований процесса формирования гидроабразивных струй
- Анализ влияния динамических и структурных характеристик водяных струй на эффективность разрушения горных пород и твердых материалов
- Исследование влияния параметров проточной части режущего инструмента на эффективность формирования гидроабразивной струи
- Установление рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента
Введение к работе
В настоящее время большое внимание уделяется созданию эффективных средств разрушения угля, горных пород и других твердых материалов, обеспечивающих наряду с повышением технико-экономических показателей горношахтного оборудования безопасные условия труда при ведении очистных и проходческих работ.
Одним из решений указанной проблемы является использование оборудования для гидравлического резания различных горных пород и твердых материалов. Эффективность резания существенно повышается при введении в высоконапорную водяную струю абразивных частиц. Технология гидроабразивного резания в полной мере обладает положительными качествами технологии гидравлического резания, а именно: отсутствием пылеобразования, высокой скоростью резания, многофункциональностью, отсутствием затупления режущего инструмента, термических и деформационных напряжений в обрабатываемом материале, а также высокой пожаровзрывобезопасностью.
Вместе с тем технология гидроабразивного резания по сравнению с технологией резания материалов обычными высоконапорными водяными струями имеет значительные преимущества: увеличение глубины и скорости резания в несколько раз при одинаковом исходном давлении воды; снижение давления воды, необходимого для получения заданной глубины резания; способность разрушать высокопрочные материалы и крепкие породы; повышение безопасности работ для обслуживающего персонала и другие.
Гидроабразивная технология может быть с успехом использована при выполнении широкого спектра работ на угольных шахтах: оконтуривании забоя подготовительных выработок, ослаблении горного массива нарезанием разгрузочных щелей, ремонте горных выработок, в том числе в условиях пожаров-зрывоопасной среды. Кроме того, с использованием технологии гидроабразивного резания на рудниках, карьерах и других объектах угольной промышленности может быть безопасно и эффективно выполнен большой объем монтажных и демонтажных работ, включая резание металлических конструкций, резинот-росовой ленты, рештаков, рельсов, бронированного кабеля и т.д.
Выполнение разноплановых операций по резанию различных горных пород и угля, а также металлов и других твердых материалов с различными физико-механическими свойствами требует дифференцированного подхода к выбору параметров гидроабразивного агрегата. Существующие методики расчета не учитывают реальные свойства и характеристики водяных струй, что не позволяет научно обоснованно выбирать рациональные параметры гидроабразивного инструмента и систем подачи абразива.
До настоящего времени отсутствует достаточно полная физическая интерпретация процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, а следовательно, отсутствует их адекватное математическое описание. Как следствие, рекомендации по выбору параметров режущих инструментов нередко в 1,5-г2 раза отличаются друг от друга. Все это свидетельствует о необходимости проведения дополнительных исследований, направленных на изучение физических процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте и разработку метода расчета его рациональных параметров с учетом реальных динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления.
Цель работы. Обоснование и выбор рациональных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов на основе установленных зависимостей формирования гидроабразивных струй.
Идея работы. Повышение эффективности использования гидравлической энергии при формировании гидроабразивных струй в режущем инструменте достигается за счет создания специальной конструкции проточной части гидроабразивного инструмента на основе установленных закономерностей изменения динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления и оптимального расхода абразива.
Методы исследования включают в себя: анализ и обобщение опыта
создания и использования оборудования для гидравлического и
гидроабразивного резания твердых материалов и результатов ранее
выполненных работ по экспериментальному изучению структуры и динамики
водяных струй высокого давления, а также аналитическому и
экспериментальному моделированию процессов формирования
гидроабразивных струй в режущем инструменте; экспериментальные
исследования, направленные на установление рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
- при равной глубине щелей в твердом материале, получаемых с
использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания,
давление воды при гидроабразивном резании составляет 33 -г 40% от давления
воды при гидравлическом резании, что подтверждает значительное присутствие
гидравлических механизмов разрушения в процессе гидроабразивного резания;
- при автомодельном режиме истечения водяных струй выбор рациональ
ных параметров струеформирующих элементов гидроабразивного инструмента
не зависит от давления воды перед струеформирующей насадкой, а
определяется в зависимости от динамических и структурных характеристик во
дяных струй высокого давления, характеризующих качество их формирования;
рациональные геометрические параметры проточной части гидроабразивного инструмента определяются в зависимости от динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления с использованием разработанной математической модели процесса формирования гидроабразивных струй в камере смешивания и коллиматоре инструмента, учитывающей расход абразива, диаметр насадки, длину начального участка и изменение диаметра водяной струи по ее длине, характеризующих качество ее формирования;
- расход абразива, при использовании самовсасывающей разомкнутой
системы подачи в режущий инструмент не зависит от изменения гидравличе
ских параметров (давления воды и диаметра струеформирующей насадки), а
определяется диаметром шайбы дозирующего устройства. При этом рацио
нальный диаметр шайбы дозирующего устройства определяется в зависимости
от геометрических параметров проточной части гидроабразивного
инструмента.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается: корректностью поставленных задач; представительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных средств, методов исследований и средств измерения; корректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных; устойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,80 -г 0,99); удовлетворительной сходимостью расчетных данных с результатами эксперимента. Научное значение работы заключается:
- в установлении закономерностей формирования гидроабразивных струй
в режущем инструменте в зависимости от параметров его проточной части,
динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления
и расхода абразива;
в разработке физической интерпретации и математической модели процессов формирования гидроабразивных струй в режущем инструменте, позволяющих определять рациональные геометрические параметры его проточной части и самовсасывающей разомкнутой системы дозированной подачи абразива;
в установлении влияния расхода абразива на выбор рациональных параметров гидроабразивного инструмента и определении параметров системы подачи абразива;
в установлении зависимостей для определения диаметра факела струи на различных расстояниях от насадки и длины начального участка водяных струй высокого давления, учитывающих качество изготовления струеформирующих насадок и параметры подводящего канала гидроабразивного режущего инструмента.
Практическое значение работы:
- разработана конструкция гидроабразивного инструмента нового
технического уровня с изменяемой геометрией проточной части, позволяющая
расширить область его эффективного применения при использовании
струеформирующих насадок диаметром 0,4-н1,2 мм;
разработана принципиальная схема разомкнутой самовсасывающей системы подачи абразива в режущий инструмент, позволяющая стабилизировать подачу заданного количества абразива независимо от изменения гидравлических параметров инструмента;
разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы дозированной подачи абразива и инженерный метод расчета основных параметров гидроабразивного агрегата для резания горных пород и других твердых материалов.
Реализация работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского и ООО "НИТЕП" при проектировании и изготовлении на ОАО "Скуратовский машиностроительный завод" экспериментальных и опытных образцов гидроабразивных агрегатов для резания горных пород и металлических изделий.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 2-й Международной конференции по проблемам рационального природоис-пользования. (г. Тула, 14-17 мая 2002 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского (г. Люберцы, 27-29 ноября 2002 г.), на 2-й Международной Конференции "Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 28-29 мая 2003 г.), а также на научных семинарах ННЦ ГП -ИГД им. А.А. Скочинского (2002-2005 гг.).
Анализ результатов исследований процесса формирования гидроабразивных струй
При разработке и совершенствовании средств гидроабразивного разрушения большое значение имеет эффективное использование гидравлической мощности насосной установки при формировании гидроабразивной струи в режущем инструменте гидроабразивного агрегата.
Важнейшим условием решения этой задачи является оптимизация геометрических параметров проточной части гидроабразивного инструмента. Нами выполнен анализ и обобщение результатов ряда представительных экспериментальных исследований [25-29], целью которых являлась разработка более совершенной режущей головки за счет учета влияния размеров коллиматоров и смесительной камеры на эффективность гидроабразивного резания.
Следует отметить, что в большинстве исследований по совершенствованию оборудования и технологии гидроабразивного резания, выполненные в США, Германии, Японии, Англии, использовались струеформирующие насадки диаметром do=0,3-b0,6 мм. Основные соотношения геометрических параметров коллиматора и камеры смешивания, использованные в работах [25-29], а также значения их безразмерных сочетаний приведены в таблице 1.2.
Анализ таблицы 1.2 позволяет выделить приемлемые для практического использования диапазоны изменений безразмерных соотношений размеров основных элементов гидроабразивного инструмента: D/d=2,5 -6,5; aVdo=3 4; Li/D=l,35-b3. Следует отметить, что если в большинстве исследований, например [22, 30], использовались гидроабразивные инструменты с отношением диаметра коллиматора к диаметру струеформирующей насадки равным aVd0=4, то при выборе параметров камеры смешивания наблюдался значительный разброс значений отношения D/d0. Это обусловлено тем, что в большинстве конструкций гидроабразивных инструментов камеры смешивания имеют практически постоянный диаметр D=10-f-12 мм, поскольку при малых значениях диаметров насадок это не приводит к серьезным потерям качества формирования гидроабразивных струй.
В работе [32] при резании алюминия и углеродистой стали получено линейное увеличение глубины резания с повышением давления воды в пределах от 50 до 250 МПа для диаметров насадки от 0,25 до 0,875 мм. Однако, если при увеличении диаметра насадки от 0,25 до 0,65 мм имело место увеличение глубины щели, то при дальнейшем увеличении диаметра насадки до 0,7 + 0,875 мм при прочих одинаковых условиях наблюдалось существенное уменьшение глубины резания. Отсюда следует вывод, что если диаметр струеформирующей насадки, расход абразива, диаметр и длина коллиматора подобраны нерационально, то абразивные частицы не получают надлежащего ускорения и эффективность гидроабразивного резания снижается.
Результаты комплексных исследований влияния расхода абразива на глубину резания при различных давлениях воды и отношениях диаметра отверстия коллиматора к диаметру отверстия струеформирующей насадки представлены в работе Чалмерса (Chalmers) [33]. Опыты выполнялись с использованием струе-формирующих насадок от 0,28 до 0,61 мм при давлениях воды 207-:-379 МПа при резании углеродной стали. Скорость перемещения инструмента была постоянной и равнялась 2,5 мм/с. Расход абразива (гранатовый песок с размером частиц 0,17 мм) изменялся в пределах 2,0ч-27,0 г/с. Установлено, что при использовании двух коллиматоров с диаметром отверстий 1,14 и 1,65 мм одинаковой длины (76 мм) наибольшая глубина резания имеет место при отношении d/do=3. Отмечается также, что при всех значениях давления воды и отношениях d/do повышение расхода абразива увеличивает глубину резания. После этого глубина резания уменьшается, так как избыточное количество абразива приводит к уменьшению удельного количества энергии, передаваемой абразивным частицам и к снижению скорости их разгона в гидроабразивном инструменте. Установлено также, что максимальная глубина резания достигается при вполне определенном отношении массового расхода абразива к массовому расходу воды, которое при всех значениях давления воды для обоих инструментов с подобными геометрическими параметрами оказалось равным 0,19.
В экспериментах, выполненных Османом [34], установлена корреляция между расходом воздуха и интенсивностью разрушения алюминия при использовании смесительных камер длиной 10-г30мм. Результаты исследований показали, что эффективность гидроабразивного резания уменьшается при увеличении расхода воздуха, которая происходит при увеличении длины смесительной камеры. Результаты исследований Османа показали, что еще большая эффективность гидроабразивного резания может быть достигнута при использовании длины смесительной камеры менее 10 мм.
Более того, в работе [35] утверждается, что нет необходимости в смесительной камере для создания разряжения. Было зафиксировано давление 0,1 бар при отсутствии смесительной камеры в экспериментальной режущей головке. Указывается, что тем не менее, определенный расход воздуха необходим для подачи требуемого количества абразива. При этом для гарантированного движения абразивной частицы ее скорость должна равняться скорости свободного падения
Анализ влияния динамических и структурных характеристик водяных струй на эффективность разрушения горных пород и твердых материалов
В настоящее время известно достаточно ограниченное количество исследований, посвященных теоретическим аспектам формирования абразивной струи. В большинстве из них процесс гидроабразивного резания твердых материалов рассматривается исключительно как взаимодействие абразивных частиц с разрушаемым материалом. Роль гидравлической составляющей в механизме разрушения твердых материалов полностью отрицается вне зависимости от соотношения прочностных свойств разрушаемого материала и давления воды и сводится только к разгону абразивных частиц в коллиматоре гидроабразивного инструмента.
Результаты обширных исследований, выполненных в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского в области гидравлического разрушения горных пород [2, 39, 41, 67], позволяют подойти к разработке математической модели формирования гидроабразивной струи с позиции влияния параметров, характеризующих качество процесса формирования водяных струй высокого давления на выбор параметров проточной части режущего инструмента гидроабразивного инструмента и агрегата в целом.
Для количественной оценки гидравлической составляющей в процессе гидроабразивного разрушения были выполнены две серии опытов, включающие гидравлический и гидроабразивный способ получения щелей в твердом однородном материале. С целью уменьшения информационного шума, связанного с вариацией прочностных свойств, в качестве разрушаемого твердого однородного материала использованы песчано-цементные блоки стсж= 9,5 МПа. Эксперименты были выполнены с использованием струеформирующих насадок диаметром do=0,6 мм и d0= 0,8 мм при изменении давлений воды в пределах ро=2(Ы00МПа.
Для формирования гидроабразивной струи в режущем инструменте использовались камера смешивания диаметром D=12 мм и длиной 1кам= 12 мм и коллиматор с диаметром отверстия d= 2,5 мм и длиной 1кол= 62 мм. Расход абразива Qa= 1 кг/мин обеспечивался с использованием разомкнутой самовсасывающей системы подачи абразива (см. рисунок 2.2). Все опыты были проведены при постоянной скорости перемещения струи vp= 10 мм/с. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.3 и представлены в графическом виде на рисунке 2.3.
Анализ результатов экспериментов (см. рисунок 2.3) показал, что для гидроабразивного и гидравлического резания характерно линейное увеличение глубины резания во всем диапазоне изменения давлений воды. При этом интенсивность увеличения глубины резания с ростом давления воды зависит от диаметра струеформирующей насадки. Угловые коэффициенты линейных графиков эффективности резания твердого однородного материала гидроабразивными и водяными струями на рисунке 2.3 составляют соответственно 1,2 и 0,42 при использовании насадки диаметром d0= 0,6 мм, и 1,3 и 0,65 при использовании насадки диаметром do= 0,8 мм.
Анализ графиков на рисунке 2.3 показывает, что при равной глубине щелей в однородном материале, получаемых с использованием гидравлической и гидроабразивной технологий резания, давление воды при гидроабразивном резании составляет 33-ь40% от давления воды при гидравлическом резании. Это подтверждает значительное присутствие механизмов гидравлического разрушения в процессе гидроабразивного резания и увеличение их удельного веса при увеличении диаметра струеформирующей насадки.
Специальные эксперименты были выполнены с целью оценки влияния динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления на разрушающую способность гидроабразивных струй. Изменение динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления достигалось посредством установки на входе в гидроабразивный инструмент турбули-затора в виде крестообразных пластин, создающих добавочную турбулентность в потоке воды перед струеформирующей насадкой.
Опыты были выполнены с использованием струеформирующей насадки диаметром do=l мм и двух конфигураций проточной части гидроабразивного инструмента: I - камера смешивания диаметром D=12MM, ДЛИНОЙ 1кам=12мм; II - камера смешивания диаметром D=12 мм, длиной 1кам=24 мм. Параметры коллиматора (диаметр отверстия d= 3 мм, длина 1кол= 75 мм), давление воды р0= 50 МПа и скорость перемещения струи vp=15 мм/с имели постоянные значения. Расход абразива составлял Qa= 1 кг/мин. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.4 и в графическом виде приведены на рисунке 2.4.
Анализ результатов экспериментов однозначно показывает, что при всех прочих равных условиях повышение компактности водяной струи при отсутствии турбулизатора способствует увеличению глубины щели, получаемой в процессе гидроабразивного резания.
Кроме того, отмечено влияние параметров камеры гидроабразивного инструмента на эффективность гидроабразивного резания. При использовании короткой камеры смешивания увеличение глубины щели гидроабразивного резания при отсутствии турбулизатора составило 9,4%, а в аналогичных условиях при использовании длинной камеры увеличение глубины щели составило 24%.
Было выдвинуто предположение, что изменение длины камеры смешивания влияет на эффективность гидроабразивного резания за счет изменения величин разряжения, создаваемого в камере и количества воздуха, проходящего через гидроабразивный инструмент. Для дополнительной оценки влияния этих факторов на компактность водяных струй высокого давления была проведена серия опытов по резанию твердого однородного материала свободными водяными струями высокого давления и струями высокого давления, прошедшими через камеру смешивания и коллиматор гидроабразивного инструмента. При этом задавались три различных уровня расхода воздуха проходящего через инструмент и давления в камере смешивания. Это достигалось за счет полного перекрытия отверстие подачи абразива, а также полного и частичного его открытия.
Опыты были выполнены при давлении воды р0= 50 МПа и струеформи-рующей насадкой диаметром do=l мм с использованием и без использования турбулизатора при постоянном значении скорости перемещения водяной струи vp= 10 мм/с. Гидроабразивный инструмент имел камеру смешивания диаметром D=12 мм и длиной 1кам=24 мм, а также коллиматор с диаметром отверстия d= 3 мм и длиной 1КОл= 75 мм. Результаты этих экспериментов представлены в таблице 2.5 и в графическом виде приведены на рисунке 2.5.
Анализ таблицы 2.5 и рисунка 2.5 показывает, что наличие турбулизатора, а следовательно, уменьшение компактности водяных струй, привело к снижению разрушающей способности струи при всех условиях проведения опытов. Характерно, что минимальные глубины щелей, как с использованием турбулизатора, так и без турбулизатора, были получены при закрытом отверстии подачи абразива (режим II). При этом в камере смешивания величина создаваемого вакуума достигает максимального значения. Данный факт можно объяснить следующим образом.
Из уравнения Вернули [56, 69] следует, что истекающая из струеформи-рующей насадки водяная струя сохраняет некоторое положительное значение статического давления. Поэтому, чем меньше давление в камере смешивания, тем больше расширяется факел струи и снижается ее компактность и разрушающая способность.
Было установлено, что минимальное влияние турбулизатора на компактность и разрушающую способность струи, составившее 4,2%, было получено при резании свободной водяной струей, а максимальное, составившее 20,7%, зафиксировано при условиях проведения эксперимента IV (давление 0,02 МПа), которое соответствует промежуточному положению между режимами II и III.
Исследование влияния параметров проточной части режущего инструмента на эффективность формирования гидроабразивной струи
Одной из основных задач экспериментальных исследований являлось установление рациональных значений количественных соотношений параметров струеформирующих элементов гидроабразивного режущего инструмента, приведенных в таблице 3.1, в зависимости от диаметра струеформирующей насадки и расхода абразива.
Геометрические параметры струеформирующих элементов и диапазон их варьирования были определены исходя из анализа результатов исследований [1,2, 25-29], а также с учетом результатов экспериментальных исследований, представленных в разделах 2.2 и 2.3, а также сформулированной в разделе 2.4 физической интерпретации процесса формирования гидроабразивной струи. Согласно расчетной схеме формирования гидроабразивной струи в режущем инструменте гидроабразивного агрегата (см. рисунок 2.9) первым этапом формирования гидроабразивной струи является захват абразивных частиц воздушно-капельной частью водяной струи и их последующий разгон в камере смешивания гидроабразивного инструмента.
Для определения исходных минимальных параметров камеры смешивания была проведена серия экспериментов с использованием струеформирую-щей насадки диаметром 0,6 мм с давлением воды 50 МПа. Формирование гидроабразивной струи осуществлялось в коллиматоре диаметром 2,5 мм и длиной 62 мм. При проведении опытов использовались шланги подачи абразива диаметром от 8 мм до 4 мм. Для получения дополнительной информации, уточняющей условия формирования водяной струи, производились замеры давления в камере смешивания.
Первый замер производился при полностью перекрытой подаче абразива (Pmin) и характеризовал величину максимального разряжения, создаваемого водяной струей в камере смешивания.
Второй замер (Рдоп) производился при постоянном значении дополнительного сопротивления (5) (см. рисунок 3.3) и характеризовал условия в камере смешивания при подаче количества воздуха, необходимого для транспортирования абразива в камеру смешивания. В качестве постоянного сопротивления использовался шланг диаметром 4 мм и длиной 3 мм.
Совместная оценка величин pmjn и Рдот позволяет оценить условия, при которых может быть обеспечена устойчивая подача абразива в камеру смешивания. Результаты выполненных экспериментов приведены в таблице 3.2.
Анализ таблицы 3.2 показывает, что диаметр камеры смешивания, а следовательно ее объем, практически не влияют на величину максимального разряжения, создаваемого в камере смешивания. В то же время, уменьшение диаметра камеры смешивания до D= 8 мм при прочих равных условиях привело к повышению давления в камере смешивания до рдоп= 0,074 МПа. При этом давлении всасывающая сила в камере смешивания была не достаточной для обеспечения подачи абразива в режущий инструмент. Уменьшение диаметра шланга до dmjI= 6 мм еще более снизило всасывающую способность гидроабразивного инструмента за счет увеличения сопротивления на всасывающей магистрали. Таким образом, для создания условий устойчивой подачи абразива минимальный диаметр камеры смешивания должен составлять D= 10 мм при использовании шланга подачи абразива диаметром а"шл= 8 мм. При этом минимальная длина камеры смешивания по конструктивным соображениям не может быть меньше 12 мм. Максимальная длина камеры смешивания была принята кратной ее минимальной длине и составила 1кам= 24 мм.
При выборе рационального диаметра коллиматора важную роль играет правильный выбор отношения диаметра канала коллиматора к диаметру струе-формирующей насадки d/do. Анализ литературных данных показывает, что в большинстве случаев в качестве оптимального рекомендуется принимать отношение d/d0= 4. С учетом указанных рекомендаций для проведения исследований были изготовлены коллиматоры из твердого сплава ВК 6 с диаметрами канала от 2,5 мм до 4 мм и длиной от 62 до 100 мм, обладающие высокой износостойкостью. При проведении исследований их износ был незначителен, что позволило повысить достоверность полученных результатов.
В соответствии с изложенной выше методикой проведения экспериментов их основной объем был выполнен с использованием струеформирующих насадок диаметром d0= 0,6 мм и do= 0,9 мм. Для насадки диаметром d= 0,6 мм величина отношения диаметра канала коллиматора к диаметру струеформирующей насадки изменялась в пределах d/d0= 4,1-5-6,1, а при использовании насадки диаметром в do= 0,9 мм величина отношения диаметра канала коллиматора к диаметру струеформирующей насадки изменялась пределах aVd0=2,7-4,4, что позволило с учетом качества формирования водяных струй уточнить его реальную рациональную величину для экспериментальной конструкции режущего инструмента. Длина коллиматоров, использованных при проведении экспериментов, составляла 62-т-ЮОмм, т.е. также находилась в пределах рекомендаций, приведенных в литературных данных [2, 25-29].
Для установления рациональных параметров проточной части режущего инструмента и системы подачи абразива все эксперименты были проведены при шести значениях расхода абразива от 0,2 до 2,0 кг/мин. Исходные параметры и результаты экспериментов с использованием струеформирующей насадки диаметром do= 0,9 мм представлены в таблице 3.3. Аналогичные данные при d0= 0,6 мм представлены в таблице 3.4.
Ранее неоднократно было показано, что мониторинг давления в камере смешивания без подачи абразива при открытой подаче воздуха (ркам=0,1 МПа), в закрытом положении (ркам =0,08 МПа) и при постоянной нагрузке на всасывающей магистрали (ркам =0,015 МПа) дает важную дополнительную информацию, позволяющую оценить параметры проточной части гидроабразивного инструмента с точки зрения их влияния на компактность и разрушающую способность водяной струи высокого давления. Поэтому параллельно с выполнением основных экспериментов по резанию твердого однородного материала гидроабразивными струями был выполнен аналогичный объем экспериментов без подачи абразива для оценки влияния параметров проточной части гидроабразивного инструмента на разрушающую способность и компактность водяных струй.
Как и в выполненных ранее аналогичных опытах, эксперименты были проведены при открытой подаче воздуха (ркт=09\ МПа), в закрытом положении (Ркам =0,08 МПа) и при постоянном значении нагрузки на всасывающей магистрали (ркам =0,015 МПа). Сопоставимость полученных результатов обеспечивалась также за счет сохранения на постоянном уровне скорости перемещения струи относительно разрушаемого материала (скорости резания) vp=10 MM/c=const.
Результаты экспериментов с использованием струеформирующей насадки диаметром do= 0,9 мм представлены в таблице 3.5, а результаты экспериментов со струеформирующей насадкой диаметром d0= 0,6 мм представлены в таблице 3.6. Выполненный в последующих разделах совместный анализ экспериментальных данных, приведенных в таблицах 3.3 - 3.6, позволил установить влияние геометрических параметров коллиматоров и камер смешивания гидроабразивного режущего инструмента на эффективность формирования гидроабразивной струи, а также установить влияния параметров системы подачи абразива на разрушающую способность гидроабразивной струи.
Установление рациональных параметров гидроабразивного режущего инструмента
Разработанная в разделе 2.4 модель формирования гидроабразивной струи базируется на принципиально новом подходе к установлению связи между диаметром струеформирующей насадки и диаметром канала коллиматора режущего инструмента. Указанный подход заключается в том, что рациональное значение диаметра коллиматора должно приниматься равным диаметру водяной струи на расстоянии (l/do)pmaxi с учетом минимального зазора 8 для выхода воздуха и абразивных частиц, не внедрившихся в струю. С использованием зависимости (4.9) для определения диаметра водяной струи, и принимая 5min =da, получаем расчетную зависимость для определения диаметра коллиматора в следующем виде: do где da - крупность абразива (для условий эксперимента da=0,34-0,5 мм); При использовании струеформирующих насадок do=0,4- l,2 мм рекомендуется применять абразив крупностью da=0,2-r-0,5 мм; lH/d0 - безразмерная величина начального участка водяной струи; (l/d0) - безразмерное расстояние от насадки до рассматриваемого сечения струи; Ki - коэффициент, величина которого зависит от расстояния между рассматриваемым сечением и насадкой. На рисунке 4.4 представлены расчетные графические зависимости диаметра коллиматора от расстояния до насадки, построенные для струеформирующей насадки do= 1 мм с использованием зависимости (4.10) при различной компактности водяных струй, оцененной относительной длиной начального участка. Анализ графиков на рисунке 4.4 показывает, что повышение качества формирования водяных струй позволяет существенно уменьшить диаметр коллиматора и тем самым повысить концентрацию гидравлической энергии и удельное содержание абразивных частиц в высокоскоростной части струи.
Одним из наиболее важных условий эффективного формирования гидроабразивной струи является обеспечение интенсивного внедрения абразивных частиц в тело водяной струи непосредственно на входе в коллиматор инструмента. Как было указано в разделе 2.4, это требование выполняются, если диаметр коллиматора определяется исходя из диаметра струи на безразмерном расстоянии от насадки (l/d0)p , в котором сила воздействия струи на преграду достигает максимума (Р=Ртах) Из рисунка 4.5 следует, что максимальное значение силы удара струи находится в интервале безразмерных расстояний от насадки: На рисунке 4.6 представлен график зависимости (l/d0)p =f(d0), полученный на основании результатов ранее выполненных экспериментальных исследований [2, 53, 67] силы воздействия тонких струй высокого давления на плоскую преграду. Графо-аналитическим методом обработки опытных 4.12) После подстановки в зависимость (4.10) выражения (4.11) зависимость для определения диаметра коллиматора гидроабразивного инструмента имеет вид: Ki - коэффициент, определяемый из выражений (4.7) или (4.9) в зависимости от расстояния рассматриваемого сечения струи от насадки. С использованием зависимости (4.12) на рисунке 4.7 представлены графики зависимости диаметра коллиматора от диаметра струеформирующей насадки. Качество формирования (компактность) водяной струи варьируется за счет изменения безразмерной величины начального участка в пределах lH/d0=30-60. Результаты экспериментальных исследований (см. раздел 3. ) показали, что рациональное значение длины коллиматора может быть определено из экспериментально полученного соотношения: 1К0Л =(25-30)d. (4.14) Аналитическая зависимость для определения рационального диаметра камеры смешивания была получена при условии сохранения подобия процессов формирования абразивных струй в камерах смешивания, имеющих рациональные параметры, при использовании различных диаметров струе-формирующих насадок [48]
