устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделий

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ, содержащее центральный неподвижный узел распыливаемой среды и распыливающего газа, включающий центральное распыливающее сопло, газовый коллектор, связанный с магистралью сжатого газа, а также подвижный ротор-распылитель, установленный на центральном неподвижном узле подачи распыливаемой среды и распыливающего газа с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства и имеющий внутренний газовый канал, герметично изолированный от окружающей среды и соединенный с газовым коллектором, причем газовый канал ротора-распылителя соединен с областью распыла с помощью патрубка, срез сопла выходного отверстия которого обращен к продольной оси устройства, отличающееся тем, что патрубок ориентирован так, что продольная ось сечения его входного отверстия лежит в одной плоскости с продольной осью устройства, продольная же ось среза сопла выходного отверстия патрубка всегда пересекает упомянутую плоскость, а газовый коллектор, выполненный в виде полой замкнутой обечайки, имеющей по крайней мере три ряда отверстий, равномерно распределенным по ее периметру, охватывает центральный неподвижный узел подачи распыливаемой среды и распыливающего газа и жестко связан с ним, причем ротор-распылитель установлен на газовом коллекторе так, что средний ряд отверстий газового коллектора связывает его внутреннюю полость с газовым каналом ротора-распылителя, а два крайних ряда расположены в непосредственной близости от внешних стенок ротора-распылителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в каждом из двух крайних рядов газового коллектора расположены в шахматном порядке, причем расстояние между центрами отверстий в этих рядах составляет интервал от D до 1,5 D, где D - диаметр единичного отверстия из ряда отверстий.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний газовый канал ротора-распылителя выполнен в виде замкнутой кольцеобразной полости, охватывающей газовый коллектор и соединенной с ним посредством щелевого отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделий, в частности к устройствам электродуговой или газовой металлизации.

Известно устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб, содержащее распылительную головку с тангенциальными каналами, установленную на центраторе, с возможностью вращения. Воздушно-полимерная смесь подается под давлением в распылительную головку и под действием центробежных сил истекающего через названные каналы материала покрытия вращает последнюю, нанося покрытие на внутреннюю поверхность трубы (I).

Подобное устройство, имеющее свои достоинства и недостатки в части эффективности работы и качества наносимых с его помощью покрытий, невозможно применить в том случае, когда напыляемая среда подается через центральное неподвижное сопло (например, в случае электродуговой или газоплазменной металлизации внутренних поверхностей изделий, когда распыливаемый материал подается в форме стержней или проволоки). Даже если самовращающуюся головку устройства-аналога приводить в действие распыливающим газом, то ее конструкция не позволит направить поток этого газа в зону распыла, т.е. подобный принцип организации самовращающегося распылителя невозможно использовать при нанесении покрытий на внутреннюю поверхность изделий в тех случаях, когда распыливаемый материал подается по центральному неподвижному соплу.

Известно также устройство для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб, содержащее неподвижный центральный узел подачи распыливаемой среды и распыливающего газа, механизм подачи материала покрытия вдоль продольной оси устройства, совпадающей с продольной осью покрываемого изделия, и подвижный распылитель, установленный посредством шарикоподшипников на неподвижном центральном узле подачи распыливаемой среды и распыливающего газа, т.е. ротор-распылитель, в теле которого имеется продольный канал, сообщающийся с газовым коллектором распыливающего газа, который выполнен в виде кольцевой приточки на корпусе упомянутого центрального узла, причем подвижная связь газового канала ротора-распылителя и газового коллектора-проточки осуществляется посредством Г-образного аппендикса продольного канала ротора-распылителя. Устройство снабжено патрубком, жестко связанным с ротором-распылителем, причем срез сопла выходного отверстия патрубка обращен к продольной оси устройства. Подвижный ротор-распылитель приводится во вращение электродвигателем. Герметизация подвижного соединения в области коллектора (газового) выполнена по контактному принципу с помощью уплотнительных колец (2).

Это техническое решение, как наиболее близкое по технической сути и достигаемому результату, выбрано за прототип.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

необходимость установки специального привода для вращения ротора-распылителя и задействование пульта управления этим приводом, что усложняет конструкцию устройства и сужает диапазон типоразмеров обрабатываемых изделий;

неизбежно пульсирующий характер истечения сжатого газа через сопло патрубка, отрицательно сказывающийся на качества наносимого покрытия, причем такой характер истечения распыливающего сжатого газа из сопла патрубка связан с тем, что забор этого газа газовым каналом ротора-распылителя производится Г-образным аппендиксом этого канала при обегании кольцевой проточки газового коллектора, в котором в силу его конструктивных особенностей скоростной напор сжатого распыливающего газа не может быть преобразован в давление торможения, а газовый канал ротор-распылителя передает возникающие пульсации на выход патрубка без изменения.

Поддержание необходимой ступени герметизации ротор-распылителя и газового коллектора от окружающей среды в месте их контакта в области забора сжатого газа (распыливающего) реализовано с помощью уплотнения обладающего высоким коэффициентом трения, на преодоление которого тратится дополнительная, и немалая, энергия электродвигателя, что также увеличивает его массогабаритные характеристики.

Для того, чтобы избежать перечисленных недостатков желательно иметь такой распылительный блок, в котором его вращение определялось и осуществлялось бы только самим сжатым распыливающим газом, проходящим через него, и не нуждалось бы в наличии принудительного внешнего привода.

Целью заявляемого изобретения является расширение технологических возможностей устройства и улучшение его массогабаритных характеристик путем обеспечения возможности эффективной работы ротора-распылителя в режиме самовращения.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность изделий, содержащем центральный неподвижный узел подачи распыливаемой среды и распыливающего газа, включающий центральное распыливающее сопло и газовый коллектор, соединенный с магистралью сжатого газа, а также подвижный ротор-распылитель, установленный на центральном неподвижном узле подачи распыливаемой среды и распыливающего газа с возможностью свободного вращения вокруг продольной оси устройства и имеющий газовый канал, герметично изолированный от окружающей среды и соединенный с газовым коллектором, причем газовый канал ротор-распылителя соединен с областью распыла с помощью патрубка, срез сопла выходного отверстия которого обращен к продольной оси устройства, патрубок ориентирован таким образом, что продольная ось сечения входного отверстия его лежит в одной плоскости с продольной осью устройства, продольная же ось выходного отверстия патрубка всегда пересекает упомянутую плоскость, а газовый коллектор, выполненный в виде полой замкнутой обечайки, имеет по крайней мере три ряда отверстий, pавномерно распределенных по его периметру в каждом из указанных рядов, и охватывает центральный неподвижный узел подачи распыливаемой среды и распыливающего газа, причем ротор-распылитель установлен на газовом коллекторе таким образом, что средний ряд отверстий газового коллектора связывает его внутреннюю полость с газовым каналом ротора-распылителя, а два крайних ряда расположены в непосредственной близости от внешних стенок ротора распылителя; для усиления эффекта без уплотнительной герметизации отверстия в каждом из дух крайних рядов газового коллектора расположены в шахматном порядке, причем расстояние l между центрами отверстий в этих рядах составляет D-1,5D (где D - диаметр отверстия), а в целях повышения качества напыляемых покрытий, газовый канал ротора распылителя выполнен в виде кольцеобразной замкнутой полости, охватывающей газовый коллектор и соединенной с ним щелевым отверстием.

На фиг. 1 показан общий вид устройства во фронтальной проекции в разрезе; на фиг. 2 - вид этого устройства сверху; на фиг. 3 - вид сбоку и схема возникающих при работе устройства сил и моментов; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - вид по стрелке Б на фиг. 4.

Устройство содержит ротор-распылитель 1 с газовой кольцеобразной замкнутой полостью 2 и закрепленный на нем патрубок 3, канал которого сообщается с этой полостью 2, неподвижный узел подачи распыливаемого материала и распыливающей среды газа 4, в который входит механизм 5 подачи распыливаемой электродной проволоки (проволока на фиг. 1 не показана), закрепленный на несущей раме 6, и центральное подающее сопло 7, газовый коллектор 8 с помощью фланца 9 жестко закреплен на центральном неподвижном узле подачи распыливаемого материала и распыливающего газа 4, газовый коллектор 8 имеет три ряда отверстий 10, 11, 12, расположенных в крайних рядах 10 и 11 в шахматном порядке (см. фиг. 5). Газовый коллектор 8 соединен с магистралью подачи сжатого газа 13 через штуцер 14, ротор-распылитель 1 установлен на неподвижном газовом коллекторе 8 на шарикоподшипниках 15 и 16 так, что его щелевое отверстие 17, являющееся входным для кольцевой замкнутой газовой полости 2, сообщается с отверстиями 12 газового коллектора 8. Ротор-распылитель 1 имеет возможность свободного вращения вокруг продольной оси устройства (а также газового коллектора 8) на подшипниках 15 и 16 и в то же время он зафиксирован от бокового смещения стопорными кольцами 18, наружные кольца шарикоподшипников 15 и 16 удерживаются крышками 19 на винтах 20, одновременно обеспечивая герметичность последних. Базовая замкнутая кольцевая полость 2 ротора-распылителя 1 через отверстие 21 соединена с патрубком 3, на выходном конце которого установлен насадок 22 с соплом 23, на роторе-распылителе 1 укреплен балансир 24 с совокупной массой, равной совокупной массе патрубка 3 и насадка 22, причем балансир 24 установлен таким образом, что его центр масс по отношению к центру масс патрубка 3 и насадка 22 размещается в противоположной и равноудаленной от оси вращения ротор-распылителя 1 (совпадающей с продольной осью устройства 0-0) точке. Позиция 25 обозначает область распыла, а позиция 26 - обрабатываемую деталь - цилиндрическую трубу.

Схема возникающих при работе устройства сил и моментов показана на фиг. 3. Сжатый распыливающий газ, истекая из сопла 23 насадка 22 со скоростью V, создает силу тяги Т, которая, как известно, вызывает равную ей по величине и противоположно направленную силу реакции R в месте заделки патрубка 3 в роторе-распылителе 1. Эта сила реакции R на плече l создает крутящий момент Мкр ротора-распылителя 1 относительно продольной оси устройства 0-0. Скорость вращения ротора-распылителя 1 определяется скоростью истечения распыливающего газа V на срезе сопла 23 и массой ротора-распылителя. Изменять массу ротора-распылителя 1 можно либо путем установки добавочных масс на него, либо используя набор типоразмеров роторов-распылителей. Изменение скорости истечения распыливающего газа достигается путем изменения расхода через его сопло 23 при неизменном сечении этого сопла, с помощью регулирования пневмосистемы, обеспечивающей подачу сжатого распыливающего газа в ротор-распылитель 1 (на чертеже не показана), либо сменой насадка 22.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Две электродные проволоки (на фиг. 1 не показаны) непрерывно протягиваются механизмом подачи по направляющим, к которым посредством шин подводится электрический ток, и через центральное подающее сопло 7 подводятся в зону распыла 25. При подаче напряжения на шины между проволоками возникает электрическая дуга, под действием тепла которой концы проволок плавятся. Одновременно через штуцер 14 из магистрали 13 сжатый распыливающий газ подается в газовый коллектор 8, через отверстия 12 и щелевое отверстие 17 сжатый газ заполняет замкнутую кольцеобразную полость 2 ротора-распылителя 1, и далее через отверстие 21 он поступает в патрубок 3 и с большой скоростью V вытекает из сопла 23 насадка 22, принуждая ротор-распылитель 1 вращаться со скоростью обратно пропорциональной его массе. Балансир 24 предотвращает при этом вредные вибрации, которые могли бы возникнуть в установке вследствие дисбаланса масс ротора-распылителя 1. Струя газового потока, выходящая из сопла 23 распыливает расплавленный металл и наносит его на внутреннюю поверхность детали 26, перемещаемой вдоль оси (0-0) устройства.

Часть сжатого распыливающего газа из газового коллектора 8 через отверстия 10 и 11 поступает в область, находящуюся непосредственно за стенками замкнутой газовой кольцеобразной полости 2 ротора-распылителя 1, создавая поддавливание щелевого уплотнения между газовым коллектором (неподвижным) и подвижным ротором-распылителем, тем самым обеспечивая достаточную герметизацию газовой полости 2 ротора-распылителя 1, не препятствуя при этом самовращению последнего.

Однако оптимальной эффективности работы щелевого бесконтактного уплотнения данной конструкции можно достичь только расположив отверстия в крайних рядах 10 и 11 газового коллектора 8 так, как показано на фиг. 5, тем самым достигая достаточной плотности воздушной завесы при сохранении необходимой прочности газового коллектора 8. Если расстояние l между центрами соседних отверстий будет более 1,5D (где D - диаметр единичного отверстия в рядах 10 и 11), то в завесе могут появиться разрывы ее сплошности (пустоты), снижающие уровень герметизации, если же расстояние между центрами l будет меньше D, то это отрицательно скажется на прочности самого газового коллектора 8.

Как уже указывалось выше форма газового коллектора и особенно, форма газовой полости ротора-распылителя определяют характер истечения газовой струи из сопла 23, а именно пульсирующий или равномерный, что в первую очередь сказывается на качестве наносимых с помощью распыливающего устройства покрытий. Форма газового коллектора 8 в виде полой замкнутой обечайки была выбрана из соображений создания эффективного безконтактного уплотнения между подвижной и неподвижной деталями, однако эта форма газового коллектора, а главным образом, форма и размер газовой замкнутой кольцеобразной полости (вместо канала сверления в прототипе) способствует преобразованию скоростного напора сжатого распыливающего газа, поступающего из магистрали, в давление торможения и тем самым способствует выравниванию давления и скорости тока в области непосредственно перед поступлением распыливающего газа в патрубок 3, исключая пульсирующий характер истечения газовой струи из последнего. В результате качество покрытий, наносимых заявленной установкой, значительно выше, чем покрытий, получаемых на установке-прототипе.

Осуществление самовращающегося ротора-распылителя с использованием герметизации подвижного соединения в области газового коллектора 8 по контактному типу с помощью уплотнительных колец невозможно, т.к. потребная для преодоления возникающего при этом трения энергия движителя и связанная с нею техническая оснастка превращают саму идею замены электродвигателя для вращения ротора-распылителя на пневмосистему, в бессмысленность.

Форма газового коллектора 8 и его расположение в установке по отношению к ротору-распылителю 1 связаны с решением задачи герметизации подвижного соединения в области газового коллектора 8 по бесконтактному типу, как единственно возможному при выбранном движителе.

С помощью данной установки можно наносить покрытия на внутреннюю поверхность труб достаточно большой длины, поскольку связь установки с питающей ее пневмосистемой осуществляется с помощью гибких шлангов, не являющихся помехой при работе, что существенно расширяет технологические возможности установки-прототипа, в которой нанесение покрытий на внутреннюю поверхность изделий небольших габаритов возможно только в области, прилежащей к торцу, из-за невозможности перемещения электродвигателя вместе с распылителем во внутренней полости изделия.

Данное устройство может найти применение при нанесении защитных покрытий на внутренние поверхности длинных труб малого диаметра.