Математическое моделирование криогенного охлаждения струеформирующего соплового элемента установки для гидроабразивной резки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.22.011
Дата публикации:
19 мая 2022, 13:53
Категория:
Высокоэнергетические методы изготовления заготовок
Авторы
Изотов Никита Анатольевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Янко Мария Алексеевна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрена постановка задачи износа компонентов режущей головки гидроабразивной установки и первоначальный (подготовительный) этап ее решения. Произведено приграничное воздействие гидроабразивной струи на замороженный в жидком азоте образец. Показано приблизительное решение уравнения теплового баланса. Проведен сравнительный анализ, интерпретация результатов, намечена перспектива дальнейшего направления исследований.
Ключевые слова:
гидроабразивная резка, ультраструйная обработка, криогенные жидкости, жидкий азот
Основной текст труда

Гидроабразивная технология обладает широкими технологическими возможностями и заключается в воздействии на обрабатываемый материал струи жидкости с частицами абразива под высоким давлением и скоростью (ультраструя) [1]

Одной из проблем, влияющих на высокую себестоимость обработки является быстрый износ элементов режущей головки гидроабразивного станка — соплового насадка (фокусирующей трубки) [2]. Настоящая работа предлагает рассмотрение этой проблемы и ее решение путем изменения физических параметров компонентов фокусирующей трубки за счет ее охлаждения. Для оценки перспективности данного технического решения и проведения сложных и трудоемких экспериментов по замораживанию гидроабразивной головки, необходимо оценить эффект от образования на внутренней поверхности фокусирующей трубки защитного ледяного покрытия для снижения износа при воздействии на поверхность движущихся в канале абразивных зерен. В основе экспериментов лежит феноменологическое представление о том, что образовавшийся ледяной слой на внутренней поверхности фокусирующей трубки способен выполнять защитные функции и снижать износ.

Эксперимент проводился путем кратковременного приграничного воздействия гидроабразивной ультраструи на образцы (один замороженный, другой контрольный), имитирующие собой компоненты режущей головки. Затем образцы с гидрокавернами подвергались измерениям с применением контрольно-измерительной аппаратуры. Получившиеся данные были подвергнуты анализу на предмет выявления разницы между гидрокавернами, с вычислением нескольких средних значений (глубины и объема удаленного материала) геометрических параметров гидрокаверн.

Для появления ледяного покрытия необходимо убедиться в достаточной энергоэффективности теплообменника.

Математическое моделирование производилось в программной среде Ansys СFX путем сравнения тепловых балансов [3] двух разных по конфигурации теплообменников. Один теплообменник Мурашева [4], другой двухконтурный спиральный. Произведена имитация течения хладагента (жидкий азот в состоянии фазового перехода) через теплообменники.

Результаты показывают, что оба теплообменника позволяют достичь криогенных температур, а также то, что двухконтурный спиральный теплообменник дает более равномерное распределение поля температур по длине фокусирующей трубки. Полученные результаты предполагается экстраполировать на свойства компонентов режущей головки с целью повышения их срока службы. Обзор ранее производившихся исследований, в том числе зарубежных, позволяет судить о комплексном положительном влиянии замораживания, как компонентов гидроабразивной установки, так и рабочего тела ультраструи, а так же комбинации замораживания с другими видами физических воздействий (электричество, вибрации и т. д.), а, следовательно, минимизировать один из главных недостатков этого метода обработки — высокую себестоимость резания.

 

Литература
  1. Абашин М.И., Галиновский А.Л., Бочкарев С.В., Цаплин А.И, Проваторов А.С., Хафизов М.В. Моделирование ультраструйного воздействия для контроля качества покрытий. Физическая мезомеханика, 2015, т. 18, № 1, с. 84–89.
  2. Абашин М.И., Герасимова А.М., Вдовин А.А. Импортозамещающие технологии производства расходных элементов гидроструйного оборудования, применяемого для обработки материалов ракетно-космической техники. Инженерный журнал: наука и инновации, 2016, вып. 9. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2016-09-1529
  3. Perzel V., Flimel M., Krolczyk J., Sedmak A., Ruggiero A., Kozak D., Stoic A., Krolczyk G., Hloch S. Measurement of thermal emission during cutting of materials using abrasive water jet. Thermal science, 2017, vol. 21, no. 5, pp. 2197–2203. https://doi.org/10.2298/TSCI150212046P
  4. Мурашов И.Д., Петраков С.А. Устройство для гидроабразивной резки. Патент RU2393077 Российская Федерация, 2009.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.