КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Клапцов Юрій Володимирович

УДК 685.31.052

РОЗРОБКА СТРУМЕНЕФОРМУЮЧИХ ПРИСТРОЇВ ДЛЯ РОЗРІЗАННЯ МАТЕРІАЛІВ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ ГІДРО- ТА ГІДРОАБРАЗИВНИМ СТРУМЕНЕМ

05.05.10 – машини легкої промисловості

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

Дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Петко Ігор Валентинович ,

Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри електромеханічних систем, м. Київ;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Піпа Борис Федорович,

Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри інженерної механіки,

м. Київ;

доктор технічних наук, професор

Саленко Олександр Федорович,

Кременчуцький державний політехнічний університет, завідувач кафедри верстатів та верстатних комплексів, м. Кременчук.

Провідна установа: Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України (м. Хмельницький).

Захист відбудеться " 14 " червня 2007 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.02 в Київському національному університеті технологій та дизайну (КНУТД) за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУТД за адресою:

01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий 06.05.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Бухонька Н. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

У різних підгалузях легкої промисловості процес різання, як правило, відбувається в результаті механічної дії різального інструмента на матеріал. Але ці методи малоефективні та не забезпечують необхідної якості під час обробки поверхонь складної форми, а також для розкрою нових швейних матеріалів зі специфічними фізико-механічними властивостями (металізовані, композиційні з полімерною складовою, та інші). Одними з найбільш ефективних методів різання матеріалів є різання високошвидкісним струменем рідини та струменем рідини, що містить абразив.

За останні роки опубліковано ряд робіт, в яких наведено результати досліджень робочих органів гідрорізного устаткування. Але ряд питань залишається ще не вирішеним. Відомі конструкції робочих органів, що формують високошвидкісний різальний струмінь, не забезпечують ефективного використання енергії потоку при зміні режимів розкрою матеріалів легкої промисловості. Відсутні також дослідження стосовно вибору раціональних параметрів конструкції робочого органу, що формує різальний двофазний струмінь. Стримуючим фактором є також відсутність науково обґрунтованих рекомендацій по вибору конструктивних та технологічних параметрів гідро- та гідроабразивного устаткування для розкрою матеріалів легкої промисловості.

Таким чином, дослідження в області розробки струменеформуючих пристроїв (головок) для розрізання традиційних матеріалів, а особливо нових матеріалів з специфічними фізико-механічними властивостями, є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими планами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукової програми "Розробка новітніх технологій науковими установами" у ході досліджень при виконанні держбюджетної наукової теми № Н/н 2 2001-2006 рр. відповідно до плану НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну "Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення існуючих та розробка нових конструкцій робочих органів формування високо-швидкісного різального струменю гідрорізного устаткування та науково обґрунтованих методів їх проектування, спрямованих на підвищення ефективності розкрою матеріалів легкої промисловості.

Для досягнення мети дослідження були поставлені такі задачі:

- узагальнити науково-технічну інформацію в області розрізання листових та рулонних матеріалів, сформулювати вихідні вимоги до конструктивних та технологічних параметрів устаткування для розрізання нових матеріалів легкої промисловості гідро та гідроабразивним струменем;

- дослідити процес взаємодії високошвидкісного струменя з розрізаємим матеріалом та аналітично визначити раціональну швидкість його руху при гідрорізанні;

- визначити ступінь впливу рідинної складової на інтенсивність руйнування матеріалу при гідроабразивному різанні;

- розробити математичну модель формування високошвидкісного струменя рідини, що містить абразив, з метою визначення енергетичних параметрів двохфазного струменя;

- провести експериментальне дослідження процесу розрізання матеріалів легкої промисловості гідро і гідроабразивним струменем з метою перевірки адекватності математичних моделей та виявлення ступеня впливу конструктивних і технологічних параметрів на процес різання;-

визначити значення конструктивних параметрів струменеформуючого пристрою, які забезпечують високу якість та продуктивність гідроабразивного різання;

- науково обґрунтувати раціональні конструктивні та технологічні параметри устаткування гідро та гідроабразивного розкрою матеріалів легкої промисловості;

- розробити практичні рекомендації щодо проектування струменеформуючих робочих органів устаткування для розкрою матеріалів легкої промисловості гідро та гідроабразивним способом.

Об’єкт дослідження – устаткування для розкрою листових та рулонних матеріалів гідро та гідро абразивним струменем.

Предмет дослідження – розробка пристроїв для формування високошвидкісного різального гідро- та гідроабразивного струменя.

Методи досліджень.

Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії машин легкої промисловості, механіки рідин та твердих тіл, теорії математичного моделювання, теоретичної механіки та опору матеріалів. Експериментальні дослідження формування високошвидкісного гідро та гідроабразивного струменя проведені з використанням методів математичного планування експерименту на спеціально розробленому експериментальному устаткуванні. Аналіз експериментальних даних здійснено з використанням методів математичної статистики та регресійного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше показано, що, на основі розкриття механізмів формування високошвидкісного гідро- та гідроабразивного струменя, шляхом цілеспрямованої зміни конструктивних параметрів струменеформуючих пристроїв можна прогнозувати кінцевий результат процесу розкрою та забезпечити розрізання широкого асортименту матеріалів легкої промисловості.

2. Запропонована математична модель взаємодії високошвидкісного струменя рідини з матеріалом, що розрізається.

3. Вперше розроблено та досліджено математичну модель формування різального гідроабразивного струменя з локальною закруткою твердої фази на вході в канал прискорюючого насадка.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено інженерні методи оцінки впливу конструктивних параметрів струменеформуючих пристроїв на величину подачі матеріалу при повному його прорізанні.

2. Розроблено метод і алгоритм розрахунку конструктивних параметрів струменеформуючих пристроїв гідрорізного устаткування для розрізання матеріалів легкої промисловості зі специфічними фізико-механічними властивостями;

3. Запропоновані та досліджені конструкції струменеформуючих пристроїв, які забезпечують високопродуктивне розрізання матеріалів легкої промисловості високошвидкісним струменем рідини;

4. Розроблено принципово нову конструкцію струменеформуючого пристрою, яка забезпечує ефективне формування високошвидкісного гідроабразивного струменя з заданими енергетичними параметрами;

5. Запропоновані практичні рекомендації щодо отримання високого тиску робочої рідини для створення високошвидкісного гідро- та гідроабразивного струменя.

6. Практична цінність отриманих результатів підтверджена 2 авторськими свідоцтвами.

7. Результати дисертації використовуються в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача полягає у виборі теми дисертації, постановці та вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач дисертації. За безпосередньою участю автора розроблено методики досліджень та теоретичні основи проектування нових конструкцій високоефективних робочих органів гідрорізного обладнання, запропоновано інженерні методи проектування струменеформуючих пристроїв, виконано теоретичні та експериментальні дослідження. Автору належать основні ідеї опублікованих праць, аналіз та узагальнення одержаних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались, обговорювались і отримали позитивну оцінку на: науковій конференції молодих вчених та студентів КНУТД (м. Київ 2005 р.); ювілейній міжнародній науковій конференції “Інноваційні технології – майбутнє України” (м. Київ 2005 р.); українсько-польській науково-технічній конференції молодих науковців (м. Хмельницький 2006 р.); ювілейній міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні екологічно безпечні тепломасообмінні процеси в технологіях легкої промисловості” (м. Київ 2006 р.)

Дисертація доповідалась повністю і одержала позитивну оцінку на міжкафедральному науковому семінарі кафедри "Машини легкої промисловості" Київського національного університету технологій та дизайну (26 грудня 2006 р.)

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 8-и роботах, серед них 3 статті у фахових наукових виданнях, 3 – у збірниках наукових конференцій та 2 авторських свідоцтва.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел (133 найменуванння) і додатків. Основний текст дисертації викладено на 131 сторінці друкованого тексту, вміщує 34 рисунки, 5 таблиць. Повний обсяг дисертації складає 183сторінки, включаючи 9 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі досліджень, подано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведено відомості про апробацію, публікації і структуру дисертації.

У першому розділі проведено аналіз способів розрізання матеріалів легкої промисловості. Встановлено, що в даний час на підприємствах легкої промисловості використовуються як традиційні способи розкрою – вирубка деталей на пресах, розкрій на машинах з різними типами ножів, розкрій в штампах, так і нетрадиційні – гарячим повітрям, електричною іскрою, променем лазера, струменем рідини, мікроплазмою, ультразвуком. Традиційні способи розкрою є високоефективними для масового виробництва, а в умовах сучасного ринку з частою зміною асортименту виробів доцільно використання нетрадиційних способів розкрою. В останній час на зарубіжних підприємствах легкої промисловості для розкрою матеріалів все більше застосовується високошвидкісний гідрострумінь. А використання матеріалів зі специфічними фізико-механічними властивостями потребують збільшення енергії гідроструменя, що досягається введенням в струмінь абразивних частинок.

Устаткування для розрізання матеріалів гідро- та гідроабразивним струменем, як у нас такі закордоном, знаходиться в стадії розробки, що стримує широке запровадження даного способу в підготовчо-розкрійному виробництві.

Показано, що на продуктивність гідро- та гідроабразивного різання значною мірою впливають умови формування високошвидкісного струменя рідини, та струменя рідини, що містить абразивні частинки. Ці умови залежать від конструктивних параметрів струменеформуючих пристроїв. Існуючі в наш час струменеформуючі пристрої гідрорізного устаткування мають різноманітні конструкції, які відрізняються струменеформуючими соплами, способами їх встановлення, шляхом підведення та складу абразиву.

Експериментальним дослідженням устаткування для гідрорізання до теперішнього часу приділялося недостатньо уваги. У той же час, як показали експериментальні дослідження, за рахунок застосування елементів струменеформуючих пристроїв раціональних параметрів можна збільшити швидкість різання в 2 - 2,5 рази. Найбільш точними і ефективними методами дослідження, що дозволяють до того ж уточнити фізичну картину течії, є методи математичного моделювання.

На основі аналізу стану питання була визначена мета дисертаційної роботи та сформульовані задачі дослідження.

Другий розділ присвячено розробці базових основ фізичної моделі ріжучих властивостей гідро- та гідроабразивного струменів. При моделюванні процесу руйнування матеріалу високошвидкісним гідроструменем розглядали дві основні стадії: 1- деформація поверхні з ущільненням матеріалу без втрат маси, 2- утворення і злиття тріщин, винос матеріалу. Приймаючи припущення, та зводячи задачу на першій стадії до визначення глибини проникнення струменя в матеріал через стиск поверхні пружного напівпростору, та знаходячи еквівалентну гідродинамічну силу, що руйнує матеріал, на другому етапі, а також враховуючи втрати тиску струменя на тертя об бічні стінки вирізу, визначили швидкість подачі V матеріалу товщиною h при його повному прорізанні:

, (1)

де Rс – радіус каналу струменеформуючого сопла; t – час проникнення струменя в матеріал на першому та другому етапах; ср – густина робочої рідини; р1 -– динамічний тиск струменя на виході з сопла; hпр -– глибина проникнення струменя в матеріал на першому етапі; ур – границя міцності при розтягу; L – відстань від сопла до контактної площини; Lп – довжина початкової ділянки струменя; і – безрозмірні параметри (, ); лf – коефіцієнт гідравлічного опору.

Змінюючи величину тиску робочої рідини або периметр сопла, тобто змінюючи величину енергії, що подається на одиницю поверхні матеріалу, можна у кожному конкретному випадку розрахувати тривалість обробки різних матеріалів, а, отже, і продуктивність гідроустановки.

При гідроабразивному розрізанні, як і при гідрорізанні, використовується енергія високошвидкісного струменя рідини, але фізична суть цих процесів різна.

При формуванні різального гідроабразивного струменя відбувається складна взаємодія двох середовищ, в результаті якої енергія струменя йде на розгін абразиву. Струменеформуючий пристрій працює таким чином (рис. 1). Рідина високого тиску 1 подається до сопла 2 і витікає з

Рис. 1. Схема утворення гідроабразивного струменю

надзвуковою швидкістю. Проходячи через змішувальну камеру 3, струмінь рідини захоплює частинки абразиву 4 і разом з ними поступає в канал прискорюючого насадка 6, де відбувається розгін абразивних части-нок і формування гідроабразивного струменя. При побудові моделі процесу формування різального гідро-абразивного струменя вважали, що елемент абразиву 5 масою dma, потрапляючи в змішувальну камеру 3, захоплюється в ній елементом струменя рідини 8 масою dmр, утворюючи при цьому елемент гідро-

абразивного струменя 7 масою (dma + dmр), що рухається зі швидкістю v. Згідно закону збереження кількості руху:

, (2)

де vp – швидкість струменя рідини; va – швидкість абразиву.

Приймаючи ряд умов і припущень, отримали залежність потужності гідроабразивного струменя від конструктивних та технологічних параметрів струменеформуючого пристрою:

, (3)

де fр – площа перетину струменя рідині; рр – тиск рідини до струменеформуючого сопла; с – густина рідини; Ма – масова витрата абразиву.

Враховуючи відому формулу Верещагіна Л.Ф. можна стверджувати, що потужність гідроабразивного струменя прямо пропорційна швидкості руху рідинної і твердої фаз струменя. Проте для побудови математичної моделі формування різального гідроабразивного струменя і обґрунтування деяких припущень, було визначено ступінь впливу на процес руйнування матеріалу рідинної та абразивної складової через дослідження енергетичних параметрів струменів (рис.2). Пристрій складався з контактної площини 1, на яку діяв струмінь, важеля 2, пружного елементу 3 з тензодатчиками 4, тензопідсилювача 5 та реєструючого самописного приладу 6.

Рис. 2. Схема експериментального стенду для визначення енергетичних параметрів струменів.

При незмінних початкових пара-метрах вимірювалися величини сил дії на матеріал двох струме-нів. Враховуючи площу контак-ту, побудована залежність тиску гідро- (1) і гідроабразивного струменя (2) на перешкоду від довжини прискорюючого насадка (рис. 3).

Вплив кожної складової двофаз-ного потоку на розрізання матеріалів визначено шляхом

вимірювання видаленої маси матеріалу високо-швидкісним струменем рідини (1) і гідроабразивним струменем (2) (рис. 4).

Рис. 3. Залежність тиску струменя на перешкоду від довжини каналу: 1- гідрострумінь; 2- гідроабразив- ний струмінь.

Рис. 4. Залежність маси видаленого матеріалу від довжини каналу: 1- гідрострумінь; 2- гідроабразивний струмінь.

Отримані результати свідчать, що при значно більшому тиску гідроструменя на матеріал, видалена маса матеріалу гідроабразивним способом перевищувала цей показник при гідрорізанні в декілька разів. Розглядаючи процес формування гідроабразивного струменя припускали, що його енергія, ріжучі властивості і, зрештою, продуктивність різання повинні в значній мірі залежати від витрати і тиску (швидкості витоку) робочої рідини, витрати і розмірів частинок вживаного абразиву, діаметру і довжини каналу прискорюючого насадка. Для визначення ступеня впливу на процес кожного з перерахованих чинників та обґрунтування подальшого використання їх в математичній моделі, що розроблялась, були проведені експериментальні дослідження. Безпосереднє вимірювання швидкості струменя представляє певну складність, тому за його енергетичну характеристику, що однозначно залежить від швидкості, була прийнята інтенсивність різання, тобто маса матеріалу, що руйнується в одиницю часу , де -– маса зруйнованого матеріалу за час дії струменя . Результати експерименту приведені на рис. 5.

Аналіз результатів показав, що на деякому інтервалі (5<L<15 мм) при збільшенні довжини каналу насадка інтенсивність різання зростає, досягаючи максимуму при L=15 мм, і потім (на інтервалі (15<L<85мм) починає убувати, що повністю підтвердило приведене вище припущення. Результати експерименту (рис. 5) показують, що разом з підвищенням інтенсивності різання збільшилася і оптимальна довжина насадка. Це пояснюється тим, що при більшому тиску рідини швидкість струменя

Рис. 5. Залежність інтенсив- ності видалення матеріалу від довжини прискорюючо- го каналу. 1- гідрострумінь; 2-гідроабразивний струмінь.

і, отже, різниця швидкостей струменя і абразивних частинок зростають. Тому для їх вирівнювання потрібно більше часу і більша довжина насадка.

Дані результатів проведених експериментів по визначенню енергетич-них властивостей гідро- і гідроабразив-ного струменів дозволили встановити, що впливом рідинної складової на процес руйнування матеріалу гідроабразивним способом можна знехтувати. Енергія гідроструменя витрачається на розгін абразивних частинок, винесення продуктів руйнування із зони різання і тому не враховується в подальших аналітичних дослідженнях процесу формування різальних властивостей гідроабразивного струменя.

Третій розділ присвячено аналітичному дослідженню формування гідроабразивного струменя. Як було визначено в постановочних експериментах, окрім вже названих факторів на енергетичні параметри високошвидкісного гідроабразивного струменя впливають також умови взаємодії абразивних частинок з гідроструменем на початковому етапі, а саме кут підведення твердої фази до входу в канал прискорюючого насадка і інтенсивність закручування абразивних частинок в обертально-поступальному русі. Тому при аналітичному дослідженні формування високошвидкісного двофазного потоку оцінювався вплив твердих частинок на структуру потоку в пристінній області, а саме його закручування.

Рівняння руху і нерозривності у разі двофазної симетрично-осьової турбулентної течії в наближенні граничного шару можна записати роздільно для несучої рідини і абразивних частинок. Початкова система рівнянь має вигляд:

для несучої рідини:

, (3)

де x, ц, r – циліндрова система координат, вісь в якій співпадає з віссю каналу; w – швидкість; p – статичний тиск; r0 – радіус каналу; с – густина несучого середовища; сs – густина абразивного матеріалу; ф – дотичні напруження; в – концентрація абразивного матеріалу в потоці; F – комплекс ; м – динамічна в’язкість; ds – діаметр абразивної частинки; індекси: х, ц, r – напрямок по відповідній осі циліндричної системи координат; s – параметри абразивного матеріалу;

; (4)

; (5)

. (6)

Для абразивної фази:

; (7)

. (8) На присутність абразивної фази вказує останній член рівняння (3), який враховує силу опору частинок при обтіканні їх потоком рідини.

Використовуючи відомі основні залежності для розрахунку двофазного граничного шару, та отримані в роботі залежності розрахунку параметрів тертя зони пристінної течії, одержали систему рівнянь, які повністю описують двофазний потік “рідина – абразивні частинки” з локальним закручуванням абразиву на вході в канал прискорюючого насадка. Для чисельної реалізації отриманої системи рівнянь був розроблений метод розрахунку, який складається з наступних основних частин:

1. Розрахунок характеристик течії в аксіальному напрямі: відносної товщини підшару , відносної швидкості на межі ламінарного підшару , та інтегральних комплексів – відносної товщини втрати імпульсу , відносної товщини витіснення , коефіцієнту тертя в осьовому напрямку .

2. Розрахунок параметрів тангенціального руху: відносної товщини підшару в тангенціальному напрямку , відносної циркуляції, інтегральних комплексів , коефіцієнту тертя .

3. Визначення профілю концентрації.

4. Рішення диференціальних рівнянь руху несучого середовища і потоку частинок. При цьому рівняння руху в проекції на вісь х прийняло вигляд:

, (9)

де Re++ – критерій Рейнольдса, визначений по товщині втрати імпульсу; X – відносна відстань від входу до розглядаємого перетину ; R1 – число Рейнольдса, визначене по середньовитратній швидкості; W0 – безрозмірна швидкість ; Н– безрозмірна товщина граничного шару ; дx – товщина динамічного граничного шару; індекси: 0 – зовнішня межа граничного шару; 1 -– умови на вході; u – параметри на стінці.

А рівняння руху в тангенціальному напрямі:

(10)

Запропонований метод розрахунку описує двофазну течію з локальним закручуванням твердої фази. Рішення рівнянь (9) і (10) здійснювали методом Рунге-Кутта. В результаті розрахунків отримані основні характеристики структури двофазного потоку, які дозволили визначити розподіл концентрації абразиву в перетинах каналу в залежності від довжини каналу. Результати проведеного розрахунку двофазного потоку з локальною закруткою твердої фази представлені на рис 6.

Рис. 6. Розподіл швидкостей двофазного потоку та концентрації абразиву в перетинах по довжині каналу фази: а- профіль осьовий компоненти швидкості, б- профіль окружної компоненти швидкості, в- профіль концентрації.

Профіль осьової швидкості складається з граничного шару, і "зовнішньої" області. Розподілення швидкості в перетинах змінюється поки не настає змикання поздовжнього граничного шару (рис. 6,а). У потоці з локальною закруткою твердої фази спостерігається істотна нерівномірність поля концентрації . Профіль концентрації на вході в канал прискорюючого насадка характеризується зростанням у бік стінки каналу, що викликано дією відцентрового ефекту (рис.6.в). В процесі виродження обертального руху за рахунок турбулентної дифузії відбувається вирівнювання профілю концентрації (рис. 6,б), а на кінці розрахункової ділянки розподіл концентрації наближається до рівномірного (рис. 7). Збільшення інтенсивності крутки створює більш градієнтний розподіл домішок в каналі (рис. 8.) В зв’язку з тим, що є відповідність між інтенсивністю крутки і кутом конусності стінок змішувальної камери залежність концентрації наведено відносно кута конусності бк.

Рис. 7. Залежність концентрації абразивних частинок в перетинах каналу прискорюючого насадка при бк= 60о: 1 - Х=5; 2 - Х=15;

3 - Х=30; 4 - Х=50.

Рис. 8. Залежність концентрації абразивних частинок в перетині Х=5 від кута конусності змішуваль-ної камери: 1 – бк = 60о; 2 – бк =45о; 3 – бк =30о.

У четвертому розділі розглядаються питання планування, проведення та аналізу експериментальних досліджень залежності продуктивності процесу розрізання від конструктивних параметрів гідрорізного устаткування та оцінки аналітичних залежностей, отриманих при вивченні процесу руйнування матеріалів високошвидкісним гідро- та гідроабразивним струменем.

Для проведення експериментальних досліджень була розроблена і виготовлена гідрорізна установка, гідравлічна схема якої представлена на рис. 9. Установка складається з системи низького 1 і високого 2 тиску, робочої головки 3, столу подач 4, а також системи управління. В якості сопел використовувались волоки з високоміцного синтетичного алмазу Експериментальна установка забезпечувала регулювання параметрів в діапазоні: тиску робочої рідини - 50 – 250 МПа; швидку зміну струменеформуючих сопел діаметрами від 0,10 до 0,16 мм; відстань сопло – матеріал 1 – 100 мм, кут нахилу струменя до матеріалу – 70о – 110о;

Рис. 9. Гідравлічна схема гідрорізної установки.

швидкість подачі матеріалу 0,005 – 0,03 м/с. Ранжирування чинників: тиск рідини p перед соплом, діаметр вихідного отвору струменеформуючого сопла dс ; відстань від зрізу сопла до поверхні оброблюваного матеріалу l; кут нахилу струменя рідини щодо поверхні матеріалу . Експериментальні дослідження проводились для матеріалів: пористий матеріал на основі хлоропренового каучуку (ГОСТ 385061-91), тканина спеціальна термостійка (ТСТ), вініліскожа-Т. В результаті проведених досліджень були отримані рівняння регресії які дозволяють визначити величину подачі матеріалу при повному прорізанні:

– для матеріалу на основі хлоропренового каучуку

Sп = -13523,25 + 35,82 p + 118849 dс +39,69 l +86,23 б +

+ 74,4 pdс – 0,12p2 – 510700 dс – 1,1 l2 – 0,63 б2 ; (11)–

для тканини спеціальної термостійкої (ТСТ)

Sп = -13620,63 + 31,64 p + 10459 dс +67,29 l + 115,56 б +

+ 94,9 pdс – 0,14 p2 – 443400 dс2 – 2,104 l2 – 0,53 б2 ; (12)–

для вініліскожи-Т

Sп= -19132,33 41,734 p + 202410 dс + 52,34 l + 101 б +

+ 75,2 pdс – 0,19 p2 – 841800 dс2 – 1,56 l2 – 0,53 б2 . (13)

Залежності величини подачі матеріалів від параметрів процесу гідрорізання представлені на рис. 10.

а б в

Рис. 10. Залежність подачі матеріалу від: а – тиску робочої рідини р, МПа; б – діаметра струменеформуючого сопла dс , мм; в – відстані "зріз сопла – поверхня матеріалу".(I - пористий матеріал на основі хлоропренового каучуку (ГОСТ 385061-91); 2 - тканина спеціальна термостійка (ТСТ); 3 - вініліскожа-Т).

Визначення впливу конструктивних параметрів гідроабразивного струменеформуючого пристрою на величину подачі матеріалу проводилось для тканини металізованої на скловолокні.

Враховувалися такі фактори: тиск робочої рідини p, діаметр dк та довжина каналу lк прискорюючого насадка , витрата абразиву Ма. В ході експериментів встановлено, що для забезпечення надійності роботи струменеформуючої головки і запобігання закупорки каналів, що підводять абразивний матеріал, кут конусності камери змішування повинен знаходитися в інтервалі 37о-52о. На основі результатів аналітичних досліджень було прийнято кут – 45о, оскільки в області даного значення істотної зміни впливу інтенсивності закручування абразивних частинок на енергетичні параметри гідроабразивного струменя не спостерігається.

Було отримано рівняння регресії:

S = 1191,8 – 22,14p + 49,71,Ma + 33,16L – 112,29d + 0,37p2 – 0,02Ma2 -––

0,81L2 + 30,9d2 + 1,842pMa + 0,53pL – 2,19pd – 0,11MaL + 6,97Mad. (14)

По рівнянню (14) були проведені розрахунки і побудовані графіки (рис.11), що відображають залежність величини подачі матеріалу при повному його прорізанні (тобто енергетичної характеристики двофазного потоку) при зміні одного з чинників з фіксованими значеннями трьох інших

а б в г

Рис. 11. Залежність величини подачі матеріалу від: тиску робочої рідини (а), витрати абразиву (б), довжини (в) і діаметру (г) прискорюючого насадка. Сімейство кривих відповідає області зміни тиску 100 – 200 МПа з інтервалом 10 Мпа.

Аналіз отриманих графіків підтвердив, що на руйнуючу здатність абразивно-рідинного потоку найбільше впливає тиск робочої рідини p (рис. 11, а). Витрата абразивного матеріалу приводить до збільшення контрольованого параметра в 1,5—2 рази (рис. 11, б). Зміна довжини прискорюючого насадка (рис. 11,в) і його діаметра (рис. 11, г) не дає таких результатів. Графічні залежності (рис. 11, б, в, г) мають явно виражений нелінійний характер з точкою максимуму, який вказує на збільшення оптимального значення Ма і L при зростанні тиску. Четвертий чинник – діаметр прискорюючого каналу — також впливає на енергетичну характеристику різального потоку. Для нього характерний незначний вплив на контрольований параметр при значеннях тиску, близьких до нижнього рівня варіювання, і істотне зменшення його оптимального значення при зростанні тиску.

а б

Рис. 12. Залежність подачі хлоропренового каучуку від тиску робочої рідини (а) і діа- метра каналу струменеформуючого сопла (б): 1- експериментальна крива; 2- аналітична крива.

На рис. 12 наведені залеж- ності подачі матеріалу (хлоропреновий каучук) від конструктивних параметрів, що розраховані з викори-станням аналітичного виразу (1) та рівняння регресії (11). Максимальне неспівпадіння становить 18,5%.. Залежно-сті для інших досліджених матеріалів носять аналогіч-ний характер, відрізняючись меншими значеннями похиб ки ( матеріал ТСТ – 16,6%; вініліскожа-Т – 15,2%).

П’ятий розділ присвячений практичному використанню результатів досліджень. Виконані дослідження дозволили визначати основні конструктивні параметри струменеформуючих пристроїв для розрізання матеріалів легкої промисловості гідро- і гідроабразивним струменем. Результати досліджень реалізовані в розробленій установці гідродинамічного розрізання. Струменеформуюча головка для розрізання матеріалів високошвидкісним струменем рідини представлена на рис. 13 і складається з

Рис. 13 Струменеформуючий пристрій для розрізання матеріалів високошвидкісним струменем рідини.

штуцера 1, корпуса 2, кільця ущільнювача 3, утримувача 4, вкладиша 5, струменеформуючого сопла 6.

В даній конструкції як сопла використовуються заготовки з синтетич-них надтвердих матеріалів: СВА-15-БУ і СКМ-2, що мають циліндричну форму і розміри зовнішнього діаметра 3,5 мм та 5,5 мм відповідно. З метою підвищення надійності та поліпшення експлуата-ційних якостей використовується додатковий вкладиш 5, що виконаний з еластичного матеріалу, а кут конусності між корпусом та утримувачем складає 55о – 65о.

Розроблена конструкція струменеформуючої головки дозволяє формувати високошвидкісний різальний струмінь рідини в діапазоні тиску робочої рідини в системі 50—300 МПа, встановлювати сопла з різними значеннями струменеформуючих каналів, а також змінювати відстань до оброблюваної поверхні в інтервалі 1 – 15 мм. Це забезпечує розрізання широкого асортименту листових і рулонних швейних матеріалів з прогнозованою продуктивністю процесу.

Результати проведених аналітичних і експериментальних досліджень дозволили визначити ступінь впливу конструктивних параметрів гідрорізного устаткування на продуктивність процесу різання, розробити і виготовити струменеформуючий пристрій для формування різального гідроабразивного струменя (рис.14), який складається з штуцера 1, верхньої 2

Рис.14 Гідроабразивний

струменеформуючий пристрій

і нижньої 6 частин корпуса, утримувача 3, струменеформуючого сопла 4, фіксатора 7 прискорюючого насадка 8. Дана конструкція гідроабразивної струменеформуючої головки дозволяє створювати високошвидкісний різальний струмінь рідини, що містить абразив. Застосування утримувача 3 забезпечує можливість використання сопел з синтетичних надтвердих матеріалів СВА-15-БУ і СКМ-2, що формують струмінь рідини при тиску 50 – 300 МПа. Канал 5, виконаний в нижній частині корпуса 6, дозволяє подавати в камеру змішувача абразивний матеріал (кварцовий пісок) з розмірами частинок 0,25 – 0,5 мм з величиною витрат у відповідності з вибраною програмою в діапазоні 0,5 – 4,5 г/с.

Виготовлення змішувальної камери з визначеним в дослідженнях кутом конусності 45о запобігає можливості закупорки каналу, що підводить абразив. При підводі абразивних частинок в змішувальну камеру останні потраплять на конусну стінку, отримуючи при цьому обертально-поступальний рух і локальну закрутку абразиву на вході в канал прискорюючого насадка. Використання прискорюючих насадків з карбіду вольфраму однакового зовнішнього діаметра і застосування універсального способу їх кріплення, дозволяє встановлювати прискорюючі насадки з довжинами 15 – 100 мм. Розроблена конструкція гідроабразивної струменеформуючої головки дозволяє створювати високошвидкісний різальний струмінь рідини, що містить абразив і проводити процес різання листових і рулонних матеріалів із специфічними фізико-механічними властивостями.

Отримані залежності та сформульовані рекомендації можуть бути використані при розрахунку конструктивних параметрів та проектуванні устаткування для розрізання листових і рулонних матеріалів легкої промисловості. Розроблений алгоритм проектування гідрорізного устаткування дозволяє з урахуванням властивостей оброблюваного матеріалу провести розрахунок і вибір основних конструктивних параметрів устаткування даного типу: тиску робочої рідини, діаметра струменеформуючого сопла, діаметра і довжини каналу прискорюючого насадка, маси і витрати абразиву.

ВИСНОВКИ

1. Вирішено важливу науково-технічну задачу – удосконалено існуючі та розроблено нові робочі органи устаткування для розрізання гідро та гідроабразивним струменем матеріалів легкої промисловості зі специфічними фізико-механічнимим властивостями.

2. Теоретично та експериментально підтверджена висунута гіпотеза про те, що за рахунок зміни конструктивних параметрів струменеформуючих пристроїв та введення в них абразивної складової, можна забезпечити розрізання широкого спектру матеріалів легкої промисловості.

3. Розроблено математичну модель взаємодії високошвидкісного струменя рідини з розрізаємим матеріалом, яка встановлює взаємозв’язок конструктивних параметрів робочого органу гідрорізного устаткування з величиною подачі матеріалу при повному його прорізанні. Доведено, що подача матеріалу залежить від тиску робочої рідини, діаметра сопла, відстані від сопла до матеріалу, кута нахилу струменя до матеріалу. Експериментальні дослідження підтвердили адекватність аналітичних методів розрахунку, розбіжність між ними становила не більше 17%.

4. Експериментально встановлено, що на величину подачі при розрізанні матеріалів легкої промисловості високошвидкісним струменем рідини найбільший вплив має тиск робочої рідини в системі. Для розрізання матеріалів легкої промисловості доцільно використовувати гідрорізне устаткування з такими параметрами: тиск робочої рідини в системі 100 – 200 МПа, діаметр струменеформуючого сопла 0,13 – 0,15 мм, відстань від зрізу сопла до матеріалу 3 – 7 мм, кут нахилу високошвидкісного струменя до матеріалу 90о.

5. Доведено, що впливом рідинної складової струменя при розрізанні матеріалів гідроабразивним способом можна нехтувати, вважаючи, що її енергія використовується для розгону часток абразиву та виносу продуктів руйнування із зони різання.

6. Розроблено математичну модель формування високошвидкісного гідроабразивного струменя рідини з локальною закруткою твердої фази на вході в прискорюючий канал, яка дозволяє встановити взаємозв’язок між енергетичними параметрами високошвидкісного струменя рідини, що містить абразив, та конструктивними параметрами струменеформуючого пристрою устаткування. Доведено, що на кінетичну енергію часток абразиву впливає тиск робочої рідини в системі, діаметр струменеформуючого сопла, кут підводу абразивних часток до каналу прискорюючого насадка, діаметр та довжина каналу прискорюючого насадка.

7. На основі аналітичних досліджень встановлено, що кінетична енергія твердої фази високошвидкісного струменя рідини, що містить абразив, досягає максимальних значень при куті підводу абразиву до каналу прискорюючого насадка 35о – 50о, та довжині каналу 40 – 60 діаметрів каналу.

8. Експериментально визначено ступінь впливу конструктивних параметрів струменеформуючого пристрою устаткування на подачу матеріалу при розрізанні гідроабразивним способом. Встановлено, що забезпечення раціональних параметрів тиску робочої рідини, масової витрати абразиву, довжини та діаметру прискорюючого каналу дає можливість збільшити величину подачі матеріалу в 1,5 – 2 рази.

9. На основі експериментальних досліджень розрізання рулонних та листових матеріалів легкої промисловості зі специфічними фізико-механічними властивостями гідроабразивним способом встановлено, що тиск робочої рідини в системі, який забезпечує повне прорізання, складає 50 – 200 МПа; масова витрата абразиву 2,5 – 3 г/с; діаметр прискорюючого каналу та його довжина 1,5 мм і 45 – 60 мм відповідно.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Клапцов Ю.В., Панасюк І.В., Петко І.В. Визначення основних параметрів гідрорізного устаткування для розкрою матеріалів на основі хлоропренового каучуку// Вісник Хмельницького національного університету .- 2006.- № 2.- С. 44-47.

2. Клапцов Ю.В., Петко І.В., Панасюк І.В. К питанню про взаємодію гідроабразивного струменя з матеріалом, що розрізається // Вісник КНУТД.- 2006.- № 6.- С. 51-57.

3. Клапцов Ю.В., Петко І.В., Панасюк І.В. Дослідження впливу конструктивних параметрів устаткування на продуктивність гідроабразивного розрізання// Вісник Хмельницького національного університету .- 2007.- № 1.- с. 25-28.

4. Клапцов Ю.В. Експериментальне дослідження силової дії гідроабразивного потоку розкрійних пристроїв// Тези доповідей ювілейної міжнародної наукової конференції “Інноваційні технології – майбутнє України”// Вісник КНУТД.- 2005.- № 5 (спеціальний випуск) – Т. 2, с. 24-25.

5. Клапцов Ю.В., Панасюк І.В., Петко І.В. Гідроструменеве розрізання – технологія широкого діапазону застосування// Тези доповідей ювілейної міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні екологічно безпечні тепломасообмінні процеси в технологіях легкої промисловості”, 17-19 травня 2006 р. м. Київ – К.: Вісник КНУТД.- 2006. № 2 (спеціальний випуск) – с. 102-103.

6. Клапцов Ю.В., Ніколаєв А.В. Розробка природоохоронних заходів при гідроабразивній обробці// Тези доповідей ІV всеукраїнської ювілейної наукової конференції молодих вчених та студентів “Наукові розробки молоді на сучасному етапі”, 17-19 травня 2005 р. м. Київ – К.: КНУТД, 2005. – Т.1, с. 216.

7. Сопловой насадок: А.с. 1412892 СССР, МКИ В 23 D 31/00 / С.В. Беляев, Б.Г. Кедровский Ю.В. Клапцов, И.В. Петко, К.К. Кудрявцев (СССР). – № 4129079/25 -– 27; Заявл. 02.10.1986; Опубл. 30.07.88, Бюл. № 28.– С. 61.

8. Способ резания високоскоростной струей жидкости: А.с. 1433660 СССР, МКИ В 23 D 31/00 / С.В. Беляев, Б.Г. Кедровский Ю.В. Клапцов, И.В. Петко, В.А. Слободянюк (СССР). – № 4206762/28 – 27; Заявл. 09.03.87; Опубл. 30.10.88, Бюл. № 40 – С. 58.

Анотація

Клапцов Ю.В. Розробка струменеформуючих пристроїв для розрізання матеріалів легкої промисловості гідро- та гідроабразивним струменем. -– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.10 -– машини легкої промисловості, Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню значної прикладної задачі для легкої промисловості – розробці струменеформуючих пристроїв для розрізання матеріалів легкої промисловості гідро- та гідроабразивним способом. Розроблені математичні моделі взаємодії високошвидкісного струменя малого діаметра з розрізаємим матеріалом, а також процесу формування різального гідроабразивного струменя дозволили отримати аналітичні співвідношення для визначення конструктивних параметрів струменеформуючих пристроїв, що забезпечують розрізання матеріалів легкої промисловості із специфічними фізико-механічними властивостями і надають можливість прогнозувати результат розкрою.

Наведені результати експериментальних досліджень впливу конструктивних параметрів на величину подачі матеріалів легкої промисловості при їх розрізанні підтвердили правильність основних аналітичних підходів.

Встановлено, що ефективність розкрою високошвидкісним гідроструменем головним чином залежить від тиску робочої рідини в системі, діаметра струменеформуючого сопла відстані сопло – матеріал; при гідроабразивному розрізанні – від тиску робочої рідини, діаметра та довжини прискорюючого каналу, масової витрати абразиву, параметрів змішувальної камери.

Розроблені практичні рекомендації щодо вибору конструктивних параметрів для прогнозованого процесу розрізання матеріалів легкої промисловості зі специфічними фізико-механічними властивостями, а також запропоновані конструкції пристроїв для формування різального гідро- та гідроабразивного струменів, гідравлічна схема гідрорізного устаткування.

Ключові слова: гідрорізання, гідрорізальна головка, гідроабразивна головка.

Аннотация

Клапцов ю.В. Разработка струеформирующих устройств для разрезания материалов легкой промышленности гидро- и гидроабразивной струей. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.10 – машины легкой промышленности, Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2007.

Диссертация посвящена решению важной прикладной задачи для легкой промышленности – разработке струеформирующих устройств для разрезания материалов легкой промышленности гидро- и гидроабразивным способом.

В диссертации выполнен анализ научно-технической информации в области разрезания листовых и рулонных материалов. Установлено, что известные конструкции рабочих органов, формирующих высокоскоростную режущую струю, не обеспечивают эффективного использования энергии струи. Отсутствуют также исследования относительно выбора рациональных параметров конструкции рабочего органа, формирующего режущую двухфазную струю. Сформулированы исходные требования к конструктивным и технологическим параметрам оборудования для разрезания новых материалов легкой промышленности (материалов со специальными физико-механическими свойствами) гидро- и гидроабразивной струей. Разработаны математические модели взаимодействия высокоскоростной струи малого диаметра с разрезаемым материалом, а также процесса формирования резальной гидроабразивной струи. Аналитические исследования позволили получить соотношения для определения конструктивных параметров струеформирующих устройств, которые обеспечивают разрезание материалов легкой промышленности со специальными физико-механическими свойствами и дают возможность прогнозировать производительность процесса резания.

Проведенные экспериментальные исследования позволили заключить, что влиянием жидкостной составляющей на процесс разрезания материалов высокоскоростной гидроабразивной струей можно пренебречь, считая, что ее энергия расходуется на разгон абразива и вынос из зоны резания продуктов разрушения.

Определено, что эффективность разрезания материалов высокоскоростной гидроструей зависит главным образом от давления рабочей жидкости в системе, диаметра струеформирующего сопла, расстояния "сопло-материал"; при гидроабразивном разрезании – давления