установка для абразивно-газовой обработки поверхности

Формула изобретения

Установка для абразивно-газовой обработки поверхности, содержащая источник сжатого газа, сообщенный с помощью запорной аппаратуры с резервуарами для абразивного материала и с пистолетом, содержащим корпус с патрубками для подвода абразивно-газовой смеси и сжатого газа, камеру, в которой установлена форсунка и сверхзвуковое сопло с входной сужающейся частью, критическим сечением и выходной конической частью, отличающаяся тем, что на входе в патрубок для подвода абразивно-газовой смеси установлен тройник с шаровым краном, соединенным с окружающей средой, выходная коническая часть сверхзвукового сопла пистолета снабжена перерасширительным соплом, выполненным в виде двух соосно установленных цилиндрических частей разного диаметра, при этом отношение длины цилиндрической части перерасширительного сопла с меньшим диаметром к длине цилиндрической части с большим диаметром составляет 0,4-0,55, причем плоскость выходного отверстия форсунки выдвинута относительно критического сечения сверхзвукового сопла в направлении его выходной части на 4-5 мм, а на выходной части перерасширительного сопла установлена перфорированная насадка с радиальными отверстиями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области абразивно-газовой обработки поверхностей от различных покрытий, отложений, ржавчины крупногабаритных металлических конструкций, например судов, емкостей для нефтепродуктов, листопроката, бетона и т.д., в различных средах, в том числе в морской воде, агрессивных средах, в газовой, воздушной средах, и под давлением.

Известна установка для абразивно-газовой обработки поверхности, в которой сопловое устройство содержит камеру смешения и сверхзвуковое сопло с входной сужающейся частью, критическим сечением и выходной частью. Выходная часть сопла снабжена выполненным соосно с критическим сечением перерасширительным соплом. Однако известная установка не позволяет точно регулировать расход абразивного материала, имеет высокий износ материалов ее конструкции (абразивные шланги, критическое сечение сопла и его выходная часть), что приводит к перерасходу абразивного материала без увеличения производительности обработки, существенным материальным затратам, повышенным потерям рабочего времени и, соответственно, к низкой производительности обработки(Патент РФ №2246391, В24С 1/00, 5/04, 2005 г.).

Наиболее близкой по конструкции к заявляемой является установка для абразивно-газовой обработки поверхности, в которой пистолет содержит корпус с патрубками для подвода сжатого газа и абразивного материала, запорную аппаратуру и камеру, в которой установлена форсунка для подачи абразива и имеющую критическое сечение, переходящее в выходное сопло. Внутренняя поверхность выходного сопла имеет коническо-цилиндрическую форму. Форсунка для подачи абразива установлена соосно в начале конической части выходного сопла с кольцевым зазором относительно критического сечения камеры. При этом плоскость ее выходного отверстия совпадает с критическим сечением, а длины конической, цилиндрической и выходной частей сопла равны (Патент РФ №2137593, В24С 1/00, 5/04, 1999 г.).

Однако конструкция установки и пистолета не обеспечивают высокую производительность обработки поверхностей. Это обусловлено не оптимальностью внутреннего профиля выходного сопла, т.к. его невозможно рассчитать. Это приводит к частому прекращению подачи абразива в выходное сопло из-за засорения отверстия форсунки диаметром 3-4 мм, особенно при работе в зимнее время, а также в результате того, что подача абразива производится в зону повышенного давления в выходном сопле пистолета, т.к. плоскость выходного отверстия форсунки совпадает с критическим сечением или выступает в выходное сопло максимум на 2 мм. В результате этого на некоторых режимах работы установки вообще прекращается подача абразива в выходное сопло. Все это приводит к большим непроизводственным потерям рабочего времени и к резкому снижению производительности установки.

Необходимо также отметить низкую технологичность изготовления выходного сопла с внутренним коническо-цилиндрическим профилем, т.к. длина конуса составляет около 150 мм, а угол раскрытия - 3-5°, что приводит к существенному увеличению затрат при эксплуатации установки.

Техническая задача заключается в повышении производительности установки и эффективности обработки поверхностей при одновременном снижении материальных затрат при эксплуатации установки за счет обеспечения бесперебойной работы путем быстрого удаления мусора и некондиционного абразива в окружающую среду.

Сущность изобретения заключается в том, что в установке для абразивно-газовой обработки поверхности, включающей источник сжатого газа, сообщающийся через запорную аппаратуру с резервуарами для абразивного материала и с пистолетом, содержащим корпус с патрубками для подвода абразивно-газовой смеси и сжатого газа, камеру, в которой установлена форсунка, сверхзвуковое сопло с входной сужающейся частью, критическим сечением и выходной конической частью, согласно изобретению на входе в патрубок для подвода абразивно-газовой смеси установлен тройник с шаровым краном, соединенным с окружающей средой, выходная коническая часть пистолета снабжена перерасширительным соплом, выполненным в виде двух соосно установленных цилиндрических частей разного диаметра, при этом отношение длины цилиндрической части сопла с меньшим диаметром к длине цилиндрической части с большим диаметром составляет 0,4-0,55, причем плоскость выходного отверстия форсунки выдвинута относительно критического сечения в направлении выходной части сопла на 4-5 мм, а на выходной части перерасширительного сопла установлена перфорированная насадка с радиальными отверстиями.

Снабжение пистолета тройником с шаровым краном, соединенным с окружающей средой, установленным на входе в патрубок для подвода абразивно-газовой смеси, позволяет резко сократить непроизводственные затраты времени (особенно зимой) и тем самым увеличить производительность обработки поверхности в каждую смену работы за счет исключения многократных разборок, прочистки форсунки и сборок пистолета в течение рабочей смены.

Поскольку проходной диаметр форсунки составляет 3-4 мм, то в процессе работы установки форсунки забиваются некондиционными частицами абразива (с диаметром больше 2 мм), случайным мусором, а в зимний период - конденсатом воды. В результате этого прекращается подача абразива в сверхзвуковой поток газа и, соответственно, очистка поверхности. Однако в заявляемой конструкции при прекращении подачи абразивного материала запорной аппаратурой перекрывают его подачу в патрубок для абразивно-газовой смеси, в перерасширительном сопле создают давление газа, близкое к давлению источника газа, прижимая сопло к обрабатываемой поверхности, и открывают шаровый кран на тройнике. За счет перепада давления застрявший в форсунке материал выбрасывается в окружающую среду. Затем закрывают шаровый кран на тройнике и продолжают обработку поверхности посредством открытия запорной аппаратуры абразивно-газовой смеси. Эта операция занимает считанные секунды, когда как разборка и сборка пистолета - не менее 5-10 минут.

Установка перерасширительного сопла на выходную коническую часть пистолета обеспечивает разгон абразивно-газовой смеси до сверхзвуковых скоростей, позволяя полностью использовать энергию сжатого газа, существенно увеличивая производительность установки и площадь обрабатываемой поверхности за один проход. При этом расчет длины перерасширительного сопла позволяет исключить возникновение прямых скачков давления в потоке абразивно-газовой смеси и обеспечить надежную и высокопроизводительную работу установки.

Выполнение перерасширительного сопла в виде двух соосно установленных цилиндрических частей разного диаметра позволяет формировать профиль сопла, близкий к оптимальному, и резко увеличивать технологичность изготовления сопла при значительном сокращении трудозатрат при изготовлении. Одновременно это позволяет использовать стандартные изделия (например, трубы) с незначительными доработками и использовать дешевые материалы, от которых не требуется высокая износостойкость. Это значительно удешевляет производство перерасширительных сопел.

В виду того, что перерасширительное сопло изготавливают не из износостойкого материала, в начале работы установки под воздействием абразивно-газовой смеси профиль перерасширительного сопла принимает оптимальный профиль и остается таким до полного износа сопла. Это позволяет дополнительно увеличивать производительность установки.

По результатам расчетных и экспериментальных исследований было определено, что наилучшие результаты были получены в том случае, когда отношение длины L₁ цилиндрической части с меньшим диаметром к длине цилиндрической части L₂ с большим диаметром составило 0,4-0,55. Такие геометрические размеры не позволяют изнашиваться конической части сопла в процессе эксплуатации, не снижая производительности установки.

В перерасширительном сопле отношение длин цилиндрических частей L₁ /L₂ менее 0,4 и более 0,55 приводит к получению неоптимального профиля перерасширительного сопла и, соответственно, к большим потерям производительности установки. При отношении L₁/L₂ менее 0,4 абразивный материал не успевает разгоняться в сверхзвуковом потоке газа из-за низкой кинетической энергии абразивно-газовой смеси. А при отношении L₁/L₂ больше 0,55 в сопле возникают участки прямых скачков давления, в которых резко снижается скорость поступления абразивного материала, существенно снижая производительность установки. Экспериметально установлено, что величина L₁ приблизительно лежит в интервале 90-120 мм при стандартных режимах компрессора (р=6-8 атм.).

Плоскость выходного отверстия форсунки должна быть выдвинута относительно критического сечения в направлении выходной части сопла на расстояние а, равное 4-5 мм, что обеспечивает надежную подачу абразивного материала в сверхзвуковой поток газа при различных параметрах источника сжатого газа (в основном давлении сжатого газа). При расстоянии а<4 мм на многих режимах работы пистолета подача абразивного материала в сверхзвуковой поток может прекращаться либо осуществляться с очень малым расходом (5-10 г/с) в связи с высоким противодавлением на выходе форсунки из-за малого перепада давления газа при вытеснительной подаче абразивного материала. Чем дальше выдвинута форсунка в направлении выходной части сопла, тем меньше противодавление и, соответственно, больше перепад давления и стабильность подачи абразивного материала в сверхзвуковой поток газа. Если это расстояние превышает 5 мм, то вследствие высокой скорости газового потока при подаче в него абразивного материала возникают «косые скачки уплотнения», которые снижают скорость абразивно-газовой смеси и производительность установки.

Пистолет дополнительно снабжен перфорированной насадкой с радиальными отверстиями, которая установлена на выходной части перерасширительного сопла, обеспечивая «слив» (стравливание) пограничного слоя сверхзвуковой абразивно-газовой смеси в окружающую среду непосредственно перед выбросом ее на обрабатываемую поверхность через радиальные отверстия в перфорированной насадке. Диаметр проходного сечения насадки равен диаметру выходного отверстия выходной цилиндрической части. Такое выполнение конструкции позволяет увеличить скорость сверхзвуковой абразивно-газовой смеси за счет уменьшения толщины пограничного слоя, а также дальнобойность и поперечную площадь сверхзвуковой смеси и, соответственно, повысить производительность установки.

Изобретение проиллюстрировано следующим образом.

Схема заявляемой установки представлена на фиг.1. На фиг.2 показана конструкция пистолета данной установки.

Установка для абразивно-газовой обработки поверхности содержит источник сжатого газа 1, например передвижную компрессорную станцию ПКСД-5,25 Д, которая подает сжатый газ со скорость 5,25 м ³/мин через вентиль 2 и воздуховод 3, который доходит до тройника 4 и точки разделения на два канала. По основному каналу 5 через запорную аппаратуру - шаровый кран 6 сжатый газ под давлением попадает на входной патрубок 7 подачи сжатого газа 8. В качестве воздуховодов 3 и 5 используют шланг высокого давления диаметром 32-36 мм. После тройника 4 часть сжатого воздуха по шлангу давления 9 диаметром 6-12 мм подается через тройник 10 поочередно или одновременно в подключенные параллельно посредством трубопроводов 11 резервуары 12 и 13 для абразивного материала через запорную аппаратуру - шаровые краны 14. В качестве резервуаров 12 и 13 для абразивного материала используют 50-литровые газовые баллоны, дополнительно снабженные входными отверстиями 15 для сжатого газа в верхней части и выходными отверстиями 16 для подачи абразивного материала в нижней части, а также отверстиями с горловинами 17 для загрузки абразивного материала сверху.

Далее абразивный материал под давлением сжатого газа по шлангу 18 диаметром 25-32 мм через запорную аппаратуру - шаровые краны 19, тройник 20, шаровые краны 21 и тройник 22 с шаровым краном поступает плотным слоем во входной патрубок 22 подачи абразивного материала пистолетом 8.

В случае опустошения, например, резервуара 12 идет подача абразивного материала в пистолет 8 из резервуара 13, а резервуар 12 в это время заполняется. Такая же операция производится и при опустошении резервуара 13, чем обеспечивается бесперебойность работы установки.

При перезагрузке резервуаров 12, 13 абразивным материалом сжатый газ стравливают из них посредством вентилей 14, а при открытии шарового крана 25 абразивный материал стравливается из пистолета 8 через патрубок 23 и тройник 22 в окружающую среду.

Пистолет 8 содержит корпус 26 с патрубками 23 для подвода абразивного материала, сжатого газа 24, запорную аппаратуру - шаровые краны 6, 25, тройник 22 и камеру 27. На выходе патрубка 23 установлена форсунка 28. Камера 27 снабжена сверхзвуковым соплом 29 с входной сужающейся частью 30, критическим сечением 31, выходной конической частью 32, перерасширительным соплом 33 и перфорированной насадкой 34 с радиальными отверстиями 35.

Форсунка 28 выполнена сменной и установлена на выходе патрубка 23 соосно со сверхзвуковым соплом 29 с кольцевым зазором относительно критического сечения 31. Причем плоскость выходного отверстия форсунки 28 выдвинута за критическое сечение 31 в направлении конической части 32 на расстояние а, равное 4-5 мм.

Перерасширительное сопло 33 состоит из двух соосно установленных цилиндрических частей 36 и 37 с разными диаметрами. Цилиндрическая часть 36 с меньшим диаметром пристыкована к конической части 32, а отношение длин частей 36 и 37 (L₁/L ₂) находится в интервале 0,4-0,55. Перфорированная насадка 35 установлена на выходе из перерасширительного сопла 33. Обрабатываемая поверхность показана поз.38.

Установка осуществляет работу следующим образом.

Сжатый воздух от источника сжатого газа 1 подают в пистолет 8 посредством открытия шарового крана 6, далее он проходит через кольцевое критическое сечение 31 в выходную коническую часть 32 пистолета 8. Одновременно в выходную коническую часть 32 (а в некоторых случаях и во входную часть цилиндрической части 36 перерасширительного сопла 33 с меньшим диаметром) подают абразивный материал плотным слоем с низкой скоростью поступательного движения через форсунку 28. В выходной конической части 32 (или входной части цилиндра 36) абразивно-газовая смесь перемешивается с основной частью газа. Образовавшийся абразивно-газовый поток расширяется до давления окружающей среды, а абразивный материал разгоняется. Скорость абразивно-газовой смеси на выходе конической части 32 (или начальном участке цилиндрической части 36) составляет 100-200 м/с в зависимости от размера частиц абразива и параметров источника газа.

В случае работы в воздушной атмосфере абразивно-газовую смесь расширяют в выходной конической части 32 пистолета 8 до давления 0,1 МПа, а в случае обработки поверхности под водой на глубине 10 м - до давления 0,2 МПа.

В перерасширительном сопле 33 абразивно-газовую смесь также расширяют в зависимости от вида окружающей среды. При воздушной атмосфере - до давления 0,006-0,06 МПа, а под водой - до давления 0,01-0,1 МПа (при глубине 10 м).

Для уменьшения толщины пограничного слоя в перерасширительном сопле 33 его «сливают» (стравливают) через радиальные отверстия 35 перфорированной насадки 34, увеличивая скорость потока абразивного материала, а также поперечную площадь абразивно-газового потока на выходе из сверхзвукового сопла, что позволяет обрабатывать поверхность с больших расстояний.

Вследствие попадания мусора, некондиционного абразивного материала и т.п. в форсунку 28 при внезапном прекращении подачи абразивного материала в пистолет 8 и, соответственно, прекращении обработки поверхности 38 осуществляют закрытие шарового крана 21 для подачи абразивного материала в патрубок 23, а пистолет 8 прижимают к поверхности 38 выходной частью перфорированной насадки 34. Поскольку в перфорированной насадке 34 проходная площадь радиальных отверстий 35 меньше проходной площади сверхзвукового сопла 29, то давление в нем, в камере 27, в форсунке 28 и патрубке 23 резко возрастает и значительно превышает величину давления газа в абразивном материале перед шаровым краном 21. При открытии шарового крана 25 тройника 22 возникает волна разрушения вследствие перепада между давлением в форсунке 28, патрубке 23,тройнике 22 и давлением окружающей среды. Под воздействием перепада давлений абразивный материал с мусором, крупными частицами и пр. сбрасывается в окружающую среду. После сброса мусора шаровый кран 25 закрывают и продолжают процесс обработки поверхности 38.