Результат интеллектуальной деятельности: Способ гидроабразивной очистки поверхностей от загрязнений

Изобретение относится к механической обработке материалов, а именно к струйной гидроабразивной обработке, и может быть использовано при очистке поверхностей без повреждения основы изделия.

Известен способ [Описание к изобретению РФ №2400314 от 28.07.2009, МПК В08В 3/02, опубл. 27.09.2010, бюл. №27], для реализации которого поверхность обрабатывают струей воды под давлением 450-500 атм, расход воды составляет 20-25 л/мин, производительность 60-80 м /ч, продолжительность воздействия 0,5-1,0 мин/м, степень очистки Sa 2 1/2.

Недостатком данного способа является высокая энергоемкость процесса очистки из-за больших значений затрачиваемой гидравлической мощности, а также невозможность очистки слабых поверхностей без их повреждения при таком диапазоне давления, поскольку для очистки слабых непрочных поверхностей достаточно более низких значений давления воды.

Известен способ [Описание к изобретению РФ №2457933 от 28.10.2010, МПК⁸ В24С 11/00, опубл. 10.08.2012, Бюл. №22] абразивно-струйной очистки поверхности от органических загрязнений, для реализации которого осуществляют подачу под давлением на обрабатываемую поверхность абразива в струе сжатого воздуха с добавлением в поток воды и поверхностно-активного вещества (ПАВ); в качестве абразива используют композицию следующего состава, в масс. %: мягкий абразив 60-80, твердый абразив 10-30, карбонат натрия 10; абразив подают на очищаемую поверхность под давлением 8 атм.; воду в поток подают с содержанием 0,1-2% масс. ПАВ, в количестве 10-150% масс, от веса расходуемой композиции.

Недостатком указанного способа является то, что в процессе очистки поверхности материалов от загрязнений не учитывается возможность возникновения внутренних деформаций в них, в частности, зарождение микротрещин и возникновение других микродефектов, приводящих к нарушению внутренней структуры обрабатываемого материала. Недостатком данного способа является также отсутствие четких данных о параметрах очистки, таких как скорость струи, давление воды и расход абразива.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является недопущение нарушения внутренней структуры обрабатываемого материала в процессе гидроабразивной очистки от загрязнений путем рационального подбора параметров гидроабразивной струи, таких как ее скорость, давление воды и расход абразива.

Способ гидроабразивной очистки поверхностей, включающий подачу воды под давлением на обрабатываемую поверхность, причем подачу воды под давлением на обрабатываемую поверхность осуществляют с добавлением в поток воды абразивных частиц и поддерживают отношение массового расхода абразива к массовому расходу воды в диапазоне значений 0,1-0,35, а давление воды выбирают не более значения, определяемого по формуле

где - плотность воды, кг/м³; μ - коэффициент расхода струеформирующей насадки; V_k - критическая скорость гидроабразивной струи, при которой происходит инициация зарождения трещин в обрабатываемом материале, м/с.

Известно [Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. - М.: Изд-во МГТУ, 2003. - 279 с.], что при малом расходе абразива относительно расхода воды плотность распределения энергии гидроабразивной струи по ее сечению неравномерна вследствие неравномерности насыщения струи абразивными частицами. Это приводит к ситуации, при которой часть абразивных частиц обладает высокой кинетической энергией, и как следствие, разрушающей способностью, в то время как другая часть абразивных частиц обладает малой кинетической энергией, не оказывая существенного влияния на обрабатываемый материал. Причем контроль эффективности очистки поверхности обрабатываемого материала от загрязнений является трудноосуществимым в виду высокой сложности учета характера распределения энергии по сечению гидроабразивной струи из-за стохастического (случайного) расположения абразивных частиц в потоке воды.

По мере увеличения расхода абразива относительно расхода воды плотность распределения абразивных частиц по сечению струи выравнивается, делая процесс передачи энергии от потока воды абразивным частицам равномерным. Однако чрезмерное повышение расхода абразива относительно расхода воды приводит к перенасыщению гидроабразивной струи абразивными частицами, затрудняя продвижение струи через сопло гидроабразивного инструмента и способствуя повышению его абразивного износа.

Также известно [Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. - М.: Изд-во МГГУ, 2003. - 279 с.], что при определенном отношении массового расхода абразива к массовому расходу воды достигается так называемое оптимальное отношение при котором обеспечивается эффективная и равномерная передача кинетической энергии от потока воды к абразивным частицам. Эта величина является постоянным индивидуальным параметром конкретного режущего инструмента, характеризующим эффективность передачи количества движения от высокоскоростного потока воды к потоку абразива и зависит от конструктивного оформления и качества изготовления конкретного режущего инструмента. При этом установлено, что в диапазоне значений отношения от 0,1-0,35 независимо от индивидуальных характеристик инструмента отклонение эффективности и равномерности распределения энергии от оптимальных величин не превышает 10% [Averin Е. Universal method for the prediction of abrasive waterjet performance in mining // Engineering. - 2017. T. 3. - №6. C. 888-891]. Причем с ростом отклонения реального отношения массового расхода абразива к массовому расходу воды от так называемого оптимального значения за пределами указанного диапазона (то есть меньше 0,1 и больше 0,35) отклонение эффективности и равномерности распределения энергии от оптимальных величин существенно возрастает вследствие нелинейного характера влияния этого отношения на процесс передачи энергии. К тому же точные значения отклонения существенно зависят от конкретного инструмента [Жабин А.Б., Аверин Е.А. Совершенствование метода расчета глубины резания материалов гидроабразивным инструментом // Горное оборудование и электромеханика. - 2014. - №11. - С. 24-29.]. Таким образом, в указанном диапазоне процесс передачи энергии от потока воды абразивным частицам является рациональным независимо от индивидуальных характеристик конкретного гидроабразивного инструмента [Averin Е. Universal method for the prediction of abrasive waterjet performance in mining // Engineering. - 2017. T. 3. - №6. C. 888-891].

Полагая процесс передачи энергии от струи воды к абразивным частицам рациональным, что, как показано выше, возможно только в случае нахождения отношения массового расхода абразива к массовому расходу воды в диапазоне значений 0,1÷0,35, критическая скорость гидроабразивной струи, которой она должна обладать для инициации разрушения в обрабатываемом материале и превышение которой приведет к его разрушению, что не допустимо, определяется по выражению [Averin Е. Universal method for the prediction of abrasive waterjet performance in mining // Engineering. - 2017. T. 3. - №6. C. 888-891]

где J_c - критическое значение J - интеграла (показатель трещиностойкости) обрабатываемого материала, Дж/м; Е - модуль Юнга обрабатываемого материала, Па; ν - коэффициент Пуассона обрабатываемого материала; τ - инкубационное время разрушения для обрабатываемого материала, с; σ_сж - прочность обрабатываемого материала на сжатие, Па; ρ - истинная плотность абразивных частиц, кг/м³.

При этом в случае если отношение массового расхода абразива к массовому расходу воды не поддерживается в заданном интервале значений; от 0,1 до 0,35, определение критической скорости гидроабразивной струи усложняется вследствие необходимости учета индивидуальных характеристик конкретного гидроабразивного инструмента [Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. - М.: Изд-во МГГУ, 2003. - 279 с.]. В настоящее время расчетных методов для определения этой величины нет.

Способ гидроабразивной очистки поверхностей от загрязнений осуществляется следующим образом. Вначале производится выбор типа струеформирующей насадки с известным коэффициентом ее расхода. Выбирается тип абразива определенной плотности и производится расчет критической скорости гидроабразивной струи M_k при известных физико-технических свойствах материала, а именно показателе трещиностойкости J_c, модуле Юнга Е, коэффициенте Пуассона ν, инкубационном времени разрушения τ и прочности обрабатываемого материала на сжатие σ_сж. Далее вычисляется критическое давление воды в гидросистеме P_k. В качестве рабочего давления воды для очистки поверхности материала от загрязнений принимается величина не более чем рассчитанное значение P_k. По принятому рабочему давлению воды в гидросистеме определяется расход воды, а из отношения массового расхода абразива к массовому расходу воды равного 0,1-0,35 определяется расход абразива.

Пример использования способа гидроабразивной очистки поверхностей от загрязнений.

Проводили очистку поверхности мраморного панно без нарушения его внутренней структуры. Физико-технические свойства мрамора описываются следующими параметрами: σ_сж=27,7 МПа, Е=0,22 ГПа, ν=0,19, J_c=1710,197 Дж/м, τ=2,45-10^-6 с. Плотность воды составляет 1000 кг/м³. Использовали струеформирующую насадку с диаметром отверстия 1,0 мм и коэффициентом расхода 0,85. В качестве абразива применяли гранатовый песок, истинная плотность частиц которого составляет 4300 кг/м³.

Для заданных условий критическая скорость, которой должны обладать частицы абразива в момент соударения с поверхностью обрабатываемого материала, составляет 42,9 м/с. Тогда критическое давление воды в гидросистеме составляет 5,1 МПа. Достижение этой величины при обработке мраморного панно с заданными физико-техническими свойствами приведет к формированию в нем микродефектов, поэтому очистку его поверхности следует производить при давлении воды меньше, чем полученное значение. Приняв рабочее давление воды в гидросистеме 5,0 МПа, расход воды составит 4,0 кг/мин. Тогда расход абразива следует выбрать из следующего диапазона (0,4-1,4) кг/мин.