СПОСОБ ГИДРОАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2005 года по МПК B24C1/00 

Изобретение относится к области машиностроения и атомной энергетики для гидроабразивной обработке деталей, а именно к гидроабразивной очистке и финишной обработке поверхностей деталей, и может быть использовано при дезактивации поверхностей от радиоактивных загрязнений.

Известен способ гидроабразивной очистки поверхностей деталей, который предусматривает создание гидроабразивного аэрозольного потока состоящего из аэрозольных частиц жидкости, абразивных частиц и воздуха и обработку поверхностей таким аэрозольным потоком [1].

Полученный таким способом трехкомпонентный поток (сжатый воздух, абразивные частицы и аэрозольные частицы жидкости) имеет существенный недостаток который заключается в наличии большого количества свободных, не связанных с жидкостью, абразивных частиц в аэрозольном потоке. В этом случае абразивные частицы взаимодействуют непосредственно с обрабатываемой поверхностью, а не через защитный (демпфирующий) слой жидкости, что способствует более интенсивному повреждению поверхности обрабатываемой детали.

Известен также способ гидроабразивной очистки поверхностей деталей, выбранный в качестве прототипа, который предусматривает создание гидроабразивного аэрозольного потока, где в качестве гидроабразивных частиц используется водная суспензия состоящая из воды и абразивных частиц [2]. Такая суспензия получается путем предварительного смешения абразивных частиц с жидкостью. Абразивный аэрозольный поток для обработки поверхностей получается путем воздействия на суспензию воздушного потока со скоростью от 200 до 500 м/с. При этом соотношение массовых расходов суспензии и воздуха не превышает 1:10.

Недостатком указанного способа является снижение эффективности обработки поверхностей деталей при скоростях воздействия струи сжатого воздуха с водной суспензией более 500 м/с. Ограничение значений скоростей воздушного потока значением в 500 м/с не позволяет повысить производительность очистки для данного способа очистки. Отсутствие положительного эффекта для данного способа связано с особенностью взаимодействия воздушного потока внутри газового сопла и его влияния на коэффициент эжекции водной суспензии через иглу распылителя. Так, для фиксированных геометрических параметров газового сопла и иглы распылителя увеличение скорости воздушного потока выше расчетной приводит к нерасчетному течению сжатого воздуха внутри канала сопла. Так, например, для геометрических параметров сопла, приведенных в описании прототипа [2], расчетному режиму истечения воздушной струи из сопла соответствует значение скорости, равное ≈ 450 м/с. При увеличении скорости истечения газового потока выше расчетного происходит перераспределение величины давления воздуха (которая является функцией от скорости газа P_г=ƒ(V_г)) вдоль оси движения воздуха внутри сопла. Изменение величины давления сжатого воздуха внутри газового сопла влияет на коэффициент эжекции и, следовательно, на величину расхода водной суспензии через иглу распылитель.

Для решения проблемы поддержания требуемого расхода водной суспензии через иглу распылитель, в зависимости от изменения скорости воздушного потока внутри газового сопла, возможно несколько вариантов технического решения.

Вариант 1. Использовать сменный набор газовых сопел, каждое из которых рассчитано на заданную, граничную для данной геометрии сопла, скорость газового потока. В этом случае для смены режима работы режима сопла необходимо прекратить работу устройства для гидроабразивной очистки, и после этого выполнить замену одного сопла другим. При этом также необходимо выполнить последующую проверку и регулировку его рабочих характеристик, в частности величину расхода водной суспензии. В производственных условиях это приводит к снижению производительности работы устройства для гидроабразивной очистки, а также к дополнительным финансовым затратам, связанным с изготовлением сменных наборов сопел.

Вариант 2. Использовать принудительную подачу водной суспензии. Этот вариант может быть реализован путем создания регулируемого напора подачи водной суспензии, например, с помощью насоса или путем изменения перепада высоты между резервуаром для суспензии и иглой распылителя. При использовании принудительной подачи водной суспензии, например, с помощью насоса необходимо синхронизировать величину расхода водной суспензии через иглу распылителя с величиной скорости воздушного потока. Выполнение этого условия связано с необходимостью сохранения определенного соотношения массовых расходов суспензии и воздуха, при которых осуществляется процесс дробления суспензии высокоскоростным воздушным потоком на аэрозольные частицы, а также разгон этих частиц до скоростей, достаточных для выполнения процесса очистки. Поэтому при использовании принудительной подачи суспензии через иглу распылитель требуется наличие специальной самонастраивающейся системы автоматического регулирования поддержки соотношения массовых расходов суспензии и воздуха. Создание подобных систем автоматического регулирования связано с определенными техническими трудностями из-за быстродействия протекания процесса дробления суспензии, вытекающей из иглы распылителя (≈10⁵ с), а также из-за наличия инерционности в самих системах регулирования. По предварительным оценкам, инерционность (т.е. время выхода технологического процесса дробления и разгона аэрозольных частиц суспензии в заданный рабочий режим) подобной системы может составлять 10-30 секунд. При этом также существует еще одна проблема, а именно время стабильного удержания системы в заданных рабочих параметров.

Задача настоящего изобретения заключается в повышении производительности и функциональных возможностей гидроабразивного способа очистки поверхностей деталей, основанного на использовании высокоскоростного гидроабразивного аэрозольного потока водной суспензии абразивных частиц, который создается внутри газового сопла при воздействии на водную суспензию струи сжатого воздуха путем увеличения диапазона изменения скорости воздушного потока, за счет чего повышается производительность очистки поверхностей.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе гидроабразивной очистки поверхностей деталей, включающем воздействие струей сжатого газа для образования аэрозольных частиц на поток гидрообразивной суспензии, согласно изобретению воздействие на поток гидрообразивной суспензии проводят при скоростях потока сжатого газа более 200 м/с, при этом соотношение массовых расходов гидроабразивной суспензии и сжатого газа не превышает 1:2, и для каждого значения скорости потока сжатого газа устанавливают расход потока гидроабразивной суспензии путем изменения расстояния между выходным сечением газового сопла и выходным сечением торца иглы распылителя для подачи гидрообразивной суспензии в зону сопла, где происходит образование гидрообразивных аэрозольных частиц.

На чертеже представлена одна из возможных схем установки для реализации способа.

Установка для реализации способа гидроабразивной очистки содержит резервуар 1 с водной гидроабразивной суспензией, который оснащен устройством 2 для перемешивания суспензии, иглу 3 для подачи гидроабразивной суспензии, положение зоны распыления (выходного торца иглы) которой может устанавливаться в дозвуковой или сверхзвуковой частя газового сопла 4.

Пример осуществления способа.

Из резервуара 1, внутри которого находится и постоянно перемешивается (для поддержания твердых частиц суспензии во взвешенном состоянии) с помощью устройства 2 гидроабразивная суспензия, суспензия, за счет эжекции, через иглу 3 поступает в зону распыления газового сопла 4. Скорость газа V_г, в данном случае сжатого воздуха, на выходе из сопла превышала 200 м/с и изменялась в диапазоне от 280 до 720 м/с, что соответствовало изменению давления сжатого воздуха на входе в сопло в пределах от 0,28 до 0,6 МПа. Контроль величины давления газа осуществлялся с помощью манометра, подключенного к внутренней полости газового сопла. В указанном диапазоне изменения скорости воздушного потока обеспечивается дробление гидроабразивной суспензии на капли жидкости диаметром (4 - 50)×10⁶ м и содержащие внутри себя абразивные частицы размером не более 5×10⁵ м.

Как показали экспериментальные результаты, с уменьшением размеров частиц суспензии увеличивается их удельная поверхность и их количество в единице объема аэрозольного потока, что способствует повышению эффективности очистки.

Результаты по эффективности процессов очистки для указанных в примере диапазонов изменения параметров приведены в таблице, которая прилагается.

Источники информации

1. А.с. 1237403 1984.

2. А.с. 1740142 1987.

Таблица
Экспериментальные результаты производительности очистки поверхностей контрольных металлических образцов от окалины при неподвижном и изменяемом положении выходного торца иглы распылителя и выходного сечения газового соплаДавление сжатого воздуха на входе в газовое сопло, МПа0,280,320,40,450,50,550,6Скорость воздушного потока на выходе из сопла, м/с280350430500580650720Расстояние L (мм) между выходным сечением газового сопла и неподвижным торцом иглы3333333Расход рабочей жидкости (гидроабразивной суспензии) через иглу распылителя, литров/мин0,520,380,30,180,120,060,01Производительность очистки поверхности образца размером 25 см² от окалины, секунд63301225365290Расстояние L (мм) между выходным сечением газового сопла и торцом иглы974310-2*Расход рабочей жидкости (гидроабразивной суспензии) через иглу распылителя, литров/мин0,30,30,30,30,30,30,3Производительность очистки поверхности образца размером 25 см² от окалины, секунд38201210854* - торец иглы выдвинут на 2 мм из сопла

Изобретение может быть использовано при дезактивации поверхностей от радиоактивных загрязнений. Новым в способе является то, что воздействие на поток гидроабразивной суспензии проводят при скоростях потока сжатого газа более 200 м/с, при этом соотношение массовых расходов гидроабразивной суспензии и сжатого газа не превышает 1:2. Для каждого значения скорости потока сжатого газа устанавливают расход потока гидроабразивной суспензии путем изменения расстояния между выходным сечением газового сопла и выходным сечением торца иглы распылителя для подачи гидроабразивной суспензии в зону сопла, где происходит образование гидроабразивных аэрозольных частиц. Предложенный способ позволяет эффективно проводить очистку, финишную обработку и дезактивацию поверхностей от радиоактивных загрязнений. 1 ил., 1 табл.

Способ гидроабразивной обработки поверхностей деталей, включающий воздействие струей сжатого газа для образования аэрозольных частиц на поток гидроабразивной суспензии, отличающийся тем, что воздействие на поток гидроабразивной суспензии проводят при скоростях потока сжатого газа более 200 м/с, при этом соотношение массовых расходов гидроабразивной суспензии и сжатого газа не превышает 1:2, и для каждого значения скорости потока сжатого газа устанавливают расход потока гидроабразивной суспензии путем изменения расстояния между выходным сечением газового сопла и выходным сечением торца иглы распылителя для подачи гидроабразивной суспензии в зону сопла, где происходит образование гидроабразивных аэрозольных частиц.