УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЙ ЗАПРЕССОВКИ ТРУБ Российский патент 2002 года по МПК B21D26/10 B21D39/06 

Изобретение относится к области обработки материалов давлением с использованием энергии электрического взрыва металлического проводника в конденсированных средах и касается, в частности, запрессовки труб в трубные решетки и другие корпусные детали, а также развальцовка концов и локальная деформация труб.

Известны различные механические устройства запрессовки труб в трубные решетки теплообменных аппаратов, такие как ролики, раскатки, дорны, в частности: А. С. 1581432, кл. В 21 D 39/06, 1990 г., А.С. 1581433, кл. В 21 D 41/02, 1990 г. Применение предлагаемых устройств требует больших энергетических затрат, длительного времени обработки, они обладают большой металлоемкостью и ограничены в технологических возможностях.

Известны устройства для запрессовки труб, в которых в качестве активного элемента используются взрывчатые вещества. Применение таких устройств во многих случаях нежелательно вследствие повышенных требований к технике безопасности при их эксплуатации. А также, они не всегда позволяют решать поставленные технические задачи, как-то: осуществление деформирования труб малого диаметра и генерация цилиндрически симметричной и однородной волны давления. (А.С. 1731359, кл. 5 В 21 D 26/08, 07.05.92 г.)
Применение классического электровзрывного патрона, состоящего из взрывающегося металлического проводника, помещенного в диэлектрическую оболочку с передающей средой, позволяет преодолеть многие возникающие проблемы в вышеперечисленных устройствах (Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. Киев: Наукова думка, 1983 г.). Тем не менее, предлагаемые устройства не позволяют в значительной мере эффективно использовать энергию электрического взрыва проводника для воздействия на обрабатываемый объект и при их применении имеют место неоправданные энергетические потери.

Известно устройство для электровзрывной запрессовки труб (А.С. 211496, кл. В 21 D 26/08, 13.09.1972 г.), содержащее металлический проводник и диэлектрическое покрытие, выполненное в виде втулки с буртом, в которой установлен со стороны бурта токопровод, выполненный в виде стержня с сечением, большим сечения металлического проводника, и длиной, большей длины бурта, а диэлектрическая втулка и металлический проводник имеют преимущественно равную длину и смещены в осевом направлении относительно друг друга. Это обеспечивает локализацию зоны взрыва и ударной волны и экономию покрытия. В запрессовываемую трубу, установленную в трубную решетку, вставляют электровзрывное устройство. Вырабатываемый генератором импульсов ток протекает по металлическому проводнику и взрывает его внутри втулки, а образующиеся при взрыве газы давят на стенки трубы и вдоль оси трубы. Перемещение газов в осевом направлении ограничивается стержнем и упором. В результате этого выхлоп газов происходит через длинный конец трубы, где газ постепенно разряжается, понижая звуковой эффект от взрыва.

При применении данного устройства для электровзрывной запрессовки труб имеют место невосполнимые энергетические потери, связанные с переносом части энергии взрыва волной сжатия высокого давления, распространяющейся в осевом направлении в сторону длинного конца трубы, что сказывается на величине амплитуды давления, а соответственно, на количественной величине деформации и качественной стороне запрессовки трубы.

Наиболее близким из известных технических решений является устройство для электровзрывной запрессовки труб, содержащее диэлектрическую втулку, заполненную рабочей передающей средой и гидроизолированную расположенными на ее торцах резиновых пробках, а также размещенные в упомянутой диэлектрической втулке взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним посредством электрического контакта электроды, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения взрывающегося проводника (Мазуровский Б.Я. Электроимпульсная запрессовка труб в трубных решетках теплообменных аппаратов, Киев: Наукова думка, 1980, с. 93-96, рис. 37).

Данное устройство не позволяет эффективно использовать энергию взрыва, так как имеются энергетические потери, которые будут возникать при распространении взрывной волны в осевом направлении, что уменьшает величину деформации трубы и не обеспечивает качественную запрессовку.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для электровзрывной запрессовки труб, в котором наиболее эффективно используется энергия электрического взрыва проводника в конденсированной среде и путем трансформации аксиальных волн давления генерируется цилиндрическая волна сжатия повышенной амплитуды, при этом увеличивается время воздействия на обрабатываемый объект, повышается качество запрессовки и КПД.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для электровзрывной запрессовки труб, содержащее диэлектрическую втулку, заполненную рабочей передающей средой и гидроизолированную расположенными на ее торцах резиновыми пробками, а также размещенные в упомянутой диэлектрической втулке взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним посредствам электрического контакта электроды, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения упомянутого проводника, снабжено размещенным в полости диэлектрической втулки жестким каркасом в виде двух металлических торцевых стенок, соединенных между собой металлическими шпильками и выполненных в форме плосковогнутых линз с центральным сквозным отверстием, обращенных криволинейными поверхностями одна навстречу другой, а также двумя диэлектрическими втулками с упорным фланцем, установленными в центральных сквозных отверстиях торцевых стенок, при этом диэлектрическая втулка выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода, размещенного со стороны упомянутого бурта, а электроды расположены в упомянутых диэлектрических втулках с упорным фланцем.

Причем каждый электрод выполнен с расположенным на одном его конце конусом, площадь основания которого превышает площадь поперечного сечения стержня.

Введение в конструкцию дополнительного электрода позволяет обеспечить надежный электрический контакт взрывающегося проводника с токопроводами энергетической установки. Наличие конусной части электродов предотвращает преждевременное отражение центрального участка аксиальной составляющей волны от электрода, осуществляя сглаживающий эффект прохождения волны до криволинейной поверхности торцевых стенок. Торцевая поверхность основания конуса находится в соприкосновении через фланец диэлектрической втулки с криволинейной поверхностью торцевой стенки. Увеличенные размеры основания конуса по сравнению с сечением стержня позволяют избежать влияния выталкивающего воздействия волны на электроды, тем самым предотвратить потери части волны. Металлические торцевые стенки, соединенные между собой металлическими шпильками, моделируют граничные условия с абсолютно жесткими стенками и предназначены для осуществления эффективного отражения аксиальной волны давления. Их криволинейные поверхности сглаживают диссипативные эффекты, возникающие на границе периферийного края торцевой стенки и деформируемой трубы, и отображают профиль волнового фронта.

Диэлектрические втулки с фланцем предотвращают возникновение паразитного электрического разряда. Диэлектрическая втулка с буртом представляет собой цилиндрическую оболочку и предназначена для размещения в ней собранного жесткого каркаса и рабочей передающей среды. Устройство устанавливается в полость трубы в области деформации, электроды подключаются к токоподводящим проводам генератора импульсных токов. При подаче высокого напряжения через электроды на металлический проводник последний взрывается, возбуждая в окружающей передающей среде волну сжатия высокого давления. Волновой фронт волны, генерируемой электрическим взрывом проводника, представляет собой, в первом приближении, расширяющийся эллипсоид. Следовательно, существуют аксиальная и радиальная составляющая параметров, характеризующих волну давления. Аксиальные составляющие волн давления отражаются от противоположных торцевых стенок конструкции и накладываются на радиальную составляющую, формируя в ограниченном торцевыми стенками и деформируемой трубой пространстве результирующую волну высокого давления. Тем самым, энергетические потери становятся минимальными, наиболее эффективно используется энергия электрического взрыва проводника, генерируется цилиндрическая волна сжатия повышенной амплитуды давления, увеличивается время воздействия и повышается КПД.

Приведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже представлена конструкция устройства для электровзрывной запрессовки труб.

Основными элементами устройства являются: металлический взрывающийся проводник 1, соединенный электрическим контактом с двумя электродами 2, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения упомянутого проводника. Причем, каждый электрод 2 выполнен с расположенными на одном его конце конусом, основания которого превышает площадь поперечного сечения стержня. Электроды 2 фиксируются гайками 3 вместе с механически прочными диэлектрическими втулками с фланцем 4 и диэлектрическими шайбами 5 в центральных отверстиях торцевых стенок 6, выполненных в форме плосковогнутых линз. Торцевые стенки 6 обращены криволинейными поверхностями навстречу друг другу и зафиксированы между собой шпильками 7, образуя жесткий каркас, в котором соосно закреплены проводник 1 и электроды 2. Данный каркас размещается в полости диэлектрической оболочки с буртом 8, которая заполняется рабочей передающей средой 9, в нашем случае - водой, и гидроизолируется через прокладку 10 с торцов эластичными резиновыми пробками 11. Диаметры торцевых стенок 6 и внутренний диаметр оболочки 8 равны. Конструкция электровзрывного устройства размещается в полости деформируемой трубы, и электроды соединяются электрическим контактом с токопроводами генератора импульсных токов.

Устройство работает следующим образом: при подаче высокого напряжения, формирующегося генератором импульсных токов, на взрывающийся металлический проводник 1 посредством токопроводящих проводов и металлических электродов 2, по нему протекает импульс тока большой плотности, что приводит к электрическому взрыву последнего. В передающей рабочей среде 9, окружающей проводник, генерируется волна высокого давления. Волна давления, распространяющаяся в аксиальном направлении, претерпевает отражение от торцевых стенок, изготовленных в виде формы плосковогнутой линзы 6 и скрепленных между собой шпильками 7.

Отражение аксиально составляющей происходит по времени раньше, чем соответствующая радиально составляющая параметра достигнет деформируемой поверхности, так как длина конусной части электродов 2 мала. Отраженная аксиальная волна давления распространяется по области передающей среды, находящейся в возмущенном радиальной составляющей волны давления состоянии. Скорость распространения волны по возмущенной среде выше, чем по невозмущенной, поэтому при определенных пропорциях длины проводника и деформируемой трубы происходит наложение двух отраженных аксиально составляющих волн на радиально составляющую. При их взаимодействии, в пространстве между стенками формируется волна повышенной амплитуды давления, совершающая положительную работу по деформированию трубы.

Пример.

Эксперименты были проведены на энергетической установке с генератором импульсных токов марки ГИТ 10-20/400-У4.

Бесшовная, стальная труба диаметром d_тр=30 мм запрессовывалась в отверстие корпусной детали длиной L=40 мм и диаметром D=32 мм. Толщина стенки трубы h₁= 1 мм. Диаметр взрывающегося проводника варьировался в пределах d= 0,4-1 мм, длина l=40 мм. Четыре металлические шпильки диаметром d_ш=3,5 мм обволакивались полихлорвиниловой оболочкой во избежание электрического разряда и соединяли между собой торцевые стенки посредством резьбы М3. Также, во избежание паразитного электрического разряда, есть смысл установить эластичную диэлектрическую прокладку диаметром, примерно равным диаметру торцевой стенки между фланцем втулки и стенкой. В качестве рабочей передающей среды бралась вода. Начальное напряжение на ГИТ варьировалось в пределах U₀=2,5-6 кВ.

В результате проведенных экспериментов получены опытные образцы запрессовки трубы в отверстие корпусной детали, а также деформирование трубы, находящейся в свободном состоянии. Результаты работы свидетельствуют о повышении давления волны сжатия, увеличении радиальных размеров деформации и качественной запрессовке трубы в корпусную деталь.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, в частности, для запрессовки труб в трубные решетки теплообменных аппаратов;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Изобретение относится к области обработки материалов давлением с использованием энергии электрического взрыва металлического проводника. В диэлектрической втулке, заполненной передающей средой и гидроизолированной резиновыми пробками, размещены взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним электроды. Каждый электрод выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения проводника. В полости диэлектрической втулки также размещен жесткий каркас в виде двух металлических торцевых стенок, соединенных металлическими шпильками и выполненных в форме плосковогнутых линз с центральным сквозным отверстием. Линзы обращены криволинейными поверхностями одна навстречу другой, а в их центральных сквозных отверстиях установлены две диэлектрические втулки с упорным фланцем, в которых размещены электроды. Диэлектрическая втулка выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода, размещенного со стороны упомянутого бурта. В результате обеспечивается увеличение времени воздействия на обрабатываемый объект, повышение качества запрессовки и коэффициента полезного действия. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для электровзрывной запрессовки труб, содержащее диэлектрическую втулку, заполненную рабочей передающей средой и гидроизолированную расположенными на ее торцах резиновыми пробками, а также размещенные в упомянутой диэлектрической втулке взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним посредством электрического контакта электроды, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения упомянутого проводника, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным в полости диэлектрической втулки жестким каркасом в виде двух металлических торцевых стенок, соединенных между собой металлическими шпильками и выполненных в форме плосковогнутых линз с центральным сквозным отверстием, обращенных криволинейными поверхностями одна навстречу другой, а также двумя диэлектрическими втулками с упорным фланцем, установленными в центральных сквозных отверстиях торцевых стенок, при этом диэлектрическая втулка выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода, размещенного со стороны упомянутого бурта, а электроды расположены в упомянутых диэлектрических втулках с упорным фланцем. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый электрод выполнен с расположенным на одном его конце конусом, площадь основания которого превышает площадь поперечного сечения стержня.