Ю В Клапцов - Аналітичне визначення раціональних параметрів струменеформуючих пристроїв - страница 1

Страницы:
1 

ВИПУСК 11, 2011

Процеси механічної обробки в машинобудуванні

УДК 685.31.052

Ю.В. Клапцов, к.т.н., доц.

І.В. Петко, д.т.н., проф. І.В. Панасюк, д.т.н., проф.

Київський національний університет технологій та дизайну

АНАЛІТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ СТРУМЕНЕФОРМУЮЧИХ ПРИСТРОЇВ

Наведено результати аналітичного дослідження формування високошвидкісного різального двофазного струменя з локальним закручуванням твердої фази. Визначено основні фактори, що впливають на продуктивність устаткування для гідроабразивного різання матеріалів та раціональні конструктивні параметри робочого органу.

Вступ. У різних галузях промисловості процес різання, як правило, відбувається в результаті механічній дії різального інструмента на матеріал. Проте в ряді випадків, особливо під час обробки поверхонь складної форми та у важкодоступних місцях, цей метод малоефективний, або взагалі неприйнятний. Окрім того, традиційні методи для розкрою нових матеріалів зі спеціальними фізико-механічними властивостями малоефективні, тому що знижується продуктивність, підвищується собівартість, а в деяких випадках не забезпечується якість різання. Останнім часом для різання матеріалів все частіше застосовують високоефективні методи, одним з яких є розрізання матеріалів високошвидкісним струменем рідини та струменем рідини, що містить абразив.

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

Аналіз останніх досліджень. За останні роки в технічній літературі з'явились наукові роботи, в яких наведені результати досліджень робочих органів гідрорізного устаткування. Але ряд питань залишається ще не вирішеним. Відомі конструкції робочих органів, що формують високошвидкісний ріжучий струмінь, не забезпечують ефективності використання енергії потоку при зміні режимів розкрою матеріалів. Відсутні також дослідження стосовно вибору раціональних параметрів конструкції робочого органу, що формує ріжучий двофазний струмінь. Стримуючим фактором є також відсутність   науково   обґрунтованих   рекомендацій   по вибору

© Ю.В. Клапцов, І.В. Петко, І.В. Панасюк, 2011

125конструктивних та технологічних параметрів гідро- та гідроабразивного устаткування для розкрою матеріалів.

Постановка завдання. Мета досліджень - створення математичної моделі формування високошвидкісного ріжучого двофазного струменя рідини для визначення раціональних конструктивних параметрів струменеформуючого пристрою.

Викладення основного матеріалу. 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 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 частинок і формування гідроабразивного струменя.

Як було визначено в роботах [1, 2], окрім таких факторів як тиск рідини, діаметр сопла, довжина прискорюючого насадка, витрата абразиву на енергетичні параметри високошвидкісного двофазного 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.

Рис. 1. Схема утворення гідроабразивного струменю

Складна структура двофазного потоку і відсутність надійного експериментального матеріалу ускладнює його математичний опис. У зв'язку з цим до теперішнього часу ще не створені фізично обгрунтовані інженерні методи розрахунку двофазних потоків. У роботі [3] показано, що найбільш точними і ефективними методами дослідження, які дозволяють до того ж уточнити фізичний стан потоку, є методи математичного моделювання.

Рівняння руху і нерозривності у разі двофазної симетрично-осьової турбулентної течії в наближенні граничного шару можна записати роздільно для несучої рідини і абразивних частинок [4, 5]. Початкова система рівнянь має вигляд:

для несучої рідини:

dwx dwx      dp    1 d(zro)

dx dro       dx   ro   dro (1)

де x, ф, r - циліндрова система координат, вісь в якій співпадає з віссю каналу; w - швидкість; p - статичний тиск; r0 - радіус каналу; р -густина несучого середовища; ps - густина абразивного матеріалу; т -дотичні напруження; в - концентрація абразивного матеріалу в потоці; F - комплекс 18L1 ; - динамічна в'язкість; ds - діаметр абразивної

частинки; індекси: х, ф, r - напрямок по відповідній осі циліндричної системи координат; s - параметри абразивного матеріалу;

Pwx^ + Pwr^ + = —^Г-, (2)

dp wY

= P—, (3) дго dx

d(wxro) , d(wrro) = 0. (4)

dx dro для абразивної фази:

dw dw

pswsx^ + f^sr^ = psFP(wx - wsx ) , (5 )

dx dro d(w r )    d(w r ) dx dro

На присутність абразивної фази вказує останній член рівняння (1), який враховує силу опору частинок при обтіканні їх потоком рідини.

Використовуючи відомі основні залежності для розрахунку двофазного граничного шару, та отримані залежності розрахунку параметрів тертя зони пристінної течії, одержали систему рівнянь, яка повністю описує 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 41х, відносної швидкості на межі ламінарного

підшару w1, та інтегральних комплексів - відносної товщини

втрати імпульсу (-) , відносної товщини витіснення (—) ,

8   x 8 x

коефіцієнта тертя в осьовому напрямку

2

2.   Розрахунок параметрів тангенціального руху: відносної товщини підшару в тангенціальному напрямку 41f, відносної циркуляції,

.8++.

,8+.

f<p

інтегральних комплексів (-) , (—)   коефіцієнта тертя

3. Визначення профілю концентрації (5 .

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

d Re+ dX

+ 8x

і 2 RlW +

R,

Rl88,

і

2 ro W

1 8

2 r0

^0

■(1 + H)

r, 2W0 wfp 0 dX

dxl      r0     I        psd2 p w,W„ r0 {

dH dX

- 8x

4X d4.

(7)

4H

Re

(1+h )-Rl 8 -L|i

18л

2 r0

'0 " 0 v        0 ,

де Re^ - критерій Рейнольдса, визначений по товщині втрати імпульсу; X - відносна відстань від входу до розглядаємого перетину

Х =^—; Rl - число Рейнольдса, визначене по середньовитратній

^'0

c

+

видкості; W0 - безрозмірна швидкість W0 = ; Н - безрозмірна товщина граничного шару H = ——; ox - товщина динамічного

к+

граничного шару; індекси: 0 - зовнішня межа граничного шару; 1 -умови на вході; u - параметри на стінці.

А рівняння руху в тангенціальному напрямі:

dR< = cj^R jvl_±fHdReT + Re++ JH)_d(R<-Re^+ > (8)

dX       2   1 W0wj2     W0 R1 [     dX x dX) dX ()

Запропонований метод розрахунку описує двофазну течію з локальним закручуванням твердої фази. Рішення рівнянь (7) і (8) здійснювали методом Рунне-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 рисунку 2.

Рис. 2. Розподіл швидкостей двофазного потоку та концентрації абразиву в перетинах по довжині каналу : 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. 2, а). У потоці з локальною закруткою твердої фази спостерігається істотна нерівномірність поля концентрації (5 . Профіль концентрації на вході в канал прискорюючого насадка характеризується зростанням ( у бік

стінки каналу, що викликано дією відцентрового ефекту (рис. 2, в). В процесі виродження обертального руху за рахунок турбулентної дифузії відбувається вирівнювання профілю концентрації (рис. 2, б), а на кінці розрахункової ділянки розподіл концентрації наближається до рівномірного (рис. 3).

У

1 2

4

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

0,5    1,0    1,5    2,0

Рис. 3. Залежність концентрації абразивних частинок в перетинах каналу прискорюючого насадка при ак= 60о: 1 - Х=5; 2 - Х=15; 3 - Х=30; 4 - Х=50

Збільшення інтенсивності крутки створює більш градієнтний розподіл домішок в каналі (рис. 4.) В зв'язку з тим, що є відповідність між інтенсивністю крутки і кутом конусності стінок змішувальної камери залежність концентрації наведено відносно кута конусності ак.

У

0,5    1,0     1,5     2,0 $

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

Висновки. Розроблена математична модель формування високошвидкісного гідроабразивного струменя з локальним закручуванням твердої фази на вході в прискорюючий канал дозволяє встановити взаємозв'язок між енергетичними параметрами гідроабразивного струменя і конструктивними параметрами струменеформуючого пристрою. Доведено, що на кінетичну енергію частинок абразиву окрім тиску робочої рідини, діаметру струменеформуючого сопла впливає кут підведення абразивних частинок до прискорюючого каналу, діаметр і довжина прискорюючого каналу. На основі аналітичних досліджень встановлено, що кінетична енергія твердої фази високошвидкісного струменя рідини, яка містить абразив, досягає максимальних значень при куті підведення абразиву до прискорюючого каналу 35о, - 50о і довжині прискорюючого каналу 40-60 мм.

ЛІТЕРАТУРА:

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

2. 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.

3. Клапцов Ю.В., Петко І.В., Панасюк І.В. Аналіз методів аналітичного дослідження формування високошвидкісних гідро- та гідроабразивних струменів // Вісник КНУТД. - 2010. - № 5 (55). - С. 285-290.

4. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. - М. : Мир, 1975. - 423 с.

5. Соу С.Л. Гидродинамика многофазных систем. - М. : Мир, 1971. - 537 с.

КЛАПЦОВ Юрій Володимирович --кандидат технічних наук, доцент кафедри техногенної безпеки Київського національного університету технологій та дизайну.

Наукові інтереси:

- гідро- та гідроабразивна обробка матеріалів;

- технологія та обладнання для легкої промисловості;

- засоби та заходи, що створюють безпечні умови праці на виробництві.

Тел.: (050)559-92-84.

ПЕТКО Ігор Валентинович - доктор технічних наук, професор кафедри електромеханічних систем Київського національного університету технологій та дизайну.

Наукові інтереси:

- гідро- та гідроабразивна обробка матеріалів;

- електромеханіка, електричні машини;

- технологія та обладнання для легкої промисловості. Тел.: (050)944-55-18.

E-mail: kems@knutd.com.ua

ПАНАСЮК Ігор Васильович - доктор технічних наук, професор кафедри техногенної безпеки Київського національного університету технологій та дизайну.

Наукові інтереси:

- технологія та обладнання для легкої промисловості;

- засоби та заходи, що створюють безпечні умови праці на виробництві;

- гідро- та гідроабразивна обробка матеріалів. Тел.: (050)667-14-10.

E-mail: panasjuk.i@knutd.com.ua

Подано 18.08.2011

ВИПУСК 11, 2011     Процеси механічної обробки в машинобудуванні

Страницы:
1 


Похожие статьи

Ю В Клапцов - Аналітичне визначення раціональних параметрів струменеформуючих пристроїв