Електрогідроімпульсний пристрій для різання матеріалів

Реферат: Електрогідроімпульсний пристрій для різання матеріалів містить камеру, заповнену робочою струмопровідною рідиною під тиском, та джерело високовольтних імпульсів напруги. Камера виготовлена у вигляді порожнистої півсфери, оберненої основою униз. У верхній центральній частині камери встановлений ізольований позитивний електрод, направлений вертикально униз. В нижній частині камери введений патрубок з гальмівним пристроєм. До нижньої частини півсферичної камери приєднане кругле днище з установленим в ньому соплом для формування пульсуючого струменя робочої рідини. Корпус камери електрично з'єднаний з негативним виводом високовольтного генератора імпульсів. Надвисокий імпульсний тиск в камері і надзвуковий імпульсний струмінь створюються за рахунок утворення каналу розряду від високовольтних імпульсів між позитивним електродом та верхньою внутрішньою кромкою сопла. Забезпечується підвищення продуктивності процесу різання твердих та швидкості різання. UA 98242 C2 (12) UA 98242 C2 UA 98242 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв, призначених для різання та обробки матеріалів високонапірним надзвуковим струменем рідини. Відомий гідравлічний генератор високонапірних пульсуючих струменів (Деклараційний патент України на винахід №45620 А, МПК Е21С 45/00, Е21В 4/14, 2002). Недоліком цього генератора є те, що він складний за конструкцією та має підвищену вагу, робочий пульсуючий струмінь досягає розрізуваного матеріалу не прямо, а через додатковий потік, що постійно протікає та проходить по каналу між обичайкою та діафрагмою і далі через нижнє вікно в корпусі до розрізуваного матеріалу, що робить його затопленим та розмитим. Це значно знижує величину тиску в імпульсі та розширює межі (діаметр) струменя, а, отже, і ширину різання. Крім того, чистота розрізуваної поверхні не перевищує 5-го класу. Найбільш близьким за технічною суттю та досягнутим результатом є спосіб різання високонапірним струменем рідини та пристрій для його здійснення (А.с. СССР №1377172, МПК B23D 31/00, 1988), вибраний за найближчий аналог. Пристрій містить камеру, в якій знаходиться струмопровідна водовмісна робоча рідина. Камера з'єднана з соплом, при цьому переривання струменя рідини здійснюється шляхом впливу на нього однополярними (позитивними) імпульсами електричного струму. Як домішки робочої рідини використовують водорозчинні електропровідні хімічні сполуки або дрібнодисперсні порошки металів. Крім того, пристрій містить джерело рідини високого тиску, з'єднане з соплом, закріпленим в тримачі, робочий стіл та механізм переривання струменя рідини, який виконаний у вигляді магнітної системи, розташованої концентрично осі сопла, і імпульсного джерела живлення, позитивний вихід якого з'єднаний через магнітну систему з тримачем сопла, а негативний вихід з'єднаний з робочим столом. Суттєвими ознаками відомого пристрою, які співпадають з ознаками заявленого винаходу, є те, що пристрій містить камеру, заповнену робочою струмопровідною рідиною під тиском, з'єднану з соплом, через яке витікає імпульсний струмінь робочої струмопровідної рідини, який діє на розрізуваний матеріал і є негативним електродом, та джерело високовольтних імпульсів напруги позитивної полярності, енергія яких використовується для різання матеріалів сумісно з пульсуючим струменем струмопровідної робочої рідини. Основними недоліками відомого технічного рішення, вибраного за найближчий аналог, є мала швидкість витікання робочої рідини (50 м/с), яка не може бути збільшена проходженням струму. До того ж, ця швидкість струменя зменшується з часом, а струм через струмінь робочої рідини, що рухається, розширює діаметр цього струменя і, отже, зменшує його швидкість та рушійну силу струменя на розрізуваний матеріал. Розширення струменя збільшує ширину розрізу матеріалу та не забезпечує високий клас чистоти. Крім того, відомий пристрій не дає можливості розрізати матеріали, які не проводять струм, а пристрій, струмінь та розрізуваний матеріал знаходяться під високою напругою, що є небезпечним при експлуатації. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу створення електрогідроімпульсного пристрою, що дозволяє підвищити швидкість різання та техніку безпеки при різанні, збільшити глибину та зменшити ширину розрізу, підвищити клас чистоти розрізуваної поверхні, розширити асортимент розрізуваних матеріалів (тверді, м'які, ті, що проводять та не проводять струм тощо), зменшити собівартість різання квадратного метра поверхні, спростити конструкцію пристрою та зменшити його вагу. Поставлена задача вирішується тим, що електрогідроімпульсний пристрій для різання матеріалів містить камеру, заповнену робочою струмопровідною рідиною під тиском, з'єднану з соплом, через яке витікає імпульсний струмінь робочої струмопровідної рідини, який діє на розрізуваний матеріал і є негативним електродом, та джерело високовольтних імпульсів напруги позитивної полярності, енергія яких використовується для різання матеріалів сумісно з пульсуючим струменем струмопровідної робочої рідини. Згідно з винаходом камера виготовлена у вигляді порожнистої півсфери, оберненої основою униз, з установленим у верхній центральній частині ізольованим позитивним електродом, направленим вертикально униз до центра кола основи, на який періодично подаються позитивні імпульси високої напруги від генератора, в нижній частині камери введений патрубок з гальмівним пристроєм для постійного введення робочої рідини і до нижньої частини півсферичної камери приєднане кругле днище камери з установленим в ньому соплом для формування пульсуючого струменя робочої рідини, при цьому корпус камери електрично з'єднаний з негативним виводом високовольтного генератора імпульсів, а надвисокий імпульсний тиск в камері і надзвуковий імпульсний струмінь створюються за рахунок утворення каналу розряду від високовольтних імпульсів між позитивним електродом та верхньою внутрішньою кромкою сопла, яка електрично зв'язана з негативним виводом високовольтного імпульсного генератора. Високовольтний позитивний електрод може містити декілька гострокінцевих закінчень (гострих кінців), направлених на 1 UA 98242 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 внутрішню кромку сопла. Гострий кінець електрода може містити радіоактивний елемент іонізації міжелектродного проміжку. Генератор, шляхом регулювання частоти позитивних імпульсів на виході сопла та форми вихідної частини сопла, може утворювати льодяний струмінь. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленням, на якому зображена функціональна електрична схема пристрою. Пристрій містить камеру 1, заповнену робочою рідиною 2, сопло 3, через яке подають різальний струмінь 4 на розрізуваний матеріал 5, ізольований позитивний електрод 6, на який подають позитивний імпульс 7 високої напруги від генератора 8, патрубок для введення робочої рідини 9, днище камери 10, вивід високовольтного генератора імпульсів 11, канал розряду 12, ввід промислової мережі 13, тормозний пристрій 14, гостру круглу кромку 15 сопла 3. Запропонований пристрій працює таким чином. Камеру електрогідроімпульсного пристрою для різання та генератор високовольтних позитивних імпульсів установлюють на монтажному робочому столі. До патрубка 9 приєднують водопровідний шланг, який другим кінцем з'єднують з водопровідним краном, наприклад, житлового будинку (р~3 атм), і порожнину камери 1 заповнюють робочою рідиною 2. Імпульсний генератор 8 підключають до промислової мережі 13 (~220 в, 50 Гц; ~110 в, 60 Гц) і включають його. На ізольований електрод 6 з імпульсного генератора 8 подають позитивний високовольтний імпульс 7. Негативний електрод генератора 8 через корпусний провід з'єднаний з камерою 1. Між електродом 6 і гострою круглою кромкою 15 сопла виникає різниця напруг при приході позитивного імпульсу 7 від генератора 8. За рахунок гострого кінця електрода 6 виникає підвищена напруженість електричного поля, яка електрично пробиває робочу рідину (воду) 2 в одному із найбільш електрично провідному місці - між вістрям електрода 6 та гострою кромкою сопла 3. На цьому шляху утворюється канал розряду 12 діаметром 3-5 мм. Різко підвищується температура каналу до 40000 °C та більше, з'являються продукти розкладу робочої рідини на плазму, іони та пару, появляється стрибок тиску і електрична дуга розряду 12 розосереджується по конічній поверхні порожнистого конуса, вершина якого знаходиться поблизу вістря електрода 6, а основою порожнистої конічної поверхні є внутрішня гостра кромка 15 сопла 3. Під час тривалості імпульсу 7 різко підвищується температура каналу по всій конічній поверхні каналу розряду 12 (до 40000 °C) і робоча рідина, яка знаходиться всередині конічної порожнини, викидається із швидкістю через сопло 3, яке формує високошвидкісний струмінь із робочої рідини (води). Одночасно з цим, підвищена температура та поява імпульсу магнітного поля значної величини (від десятків кА) формують порожнину навколо розряду по конічній поверхні у вигляді півсфери, яка розширюється під тиском плазми, іонів та пари, в тому числі і під тиском, створюваним силами Лоренца, з космічною швидкістю (5-10 км/с). Тиск всередині порожнини 10 досягає 2·10 Па і робоча рідина 2 (вода) стає стисливою і стискується, зменшуючись в об'ємі, запасаючи енергію для викиду наступної порції робочої рідини через сопло. При приході наступного імпульсу 7 від генератора 8 процес викидання високошвидкісних імпульсів повторюється з частотою, яка задається генератором 8. В проміжках між позитивними імпульсами генератора збільшується електрична провідність між електродами в камері. Із вихідного отвору сопла 3, розміром від 80 мкм до 500 мкм, попарно вилітають струмені води або льоду, з частотою, заданою генератором 8, ударяються об розрізуваний матеріал та руйнують його в точці зіткнення, і таким чином здійснюється різання матеріалу. Частота пульсації надшвидкісного струменя визначається частотою подачі високовольтних позитивних імпульсів напруги з генератора 8, електричною схемою цього генератора та складає від одиниць до сотень Гц, а тривалість імпульсів складає від одиниць до десятків мікросекунд. При такому різанні матеріалів ширина розрізу визначається діаметром сопла і складає ширину від 120 до 500 мкм, а глибина та швидкість різання - величиною напруги високовольтного генератора, відстанню між позитивним електродом та соплом, твердістю розрізуваного матеріалу. При цьому шорсткість розрізуваної поверхні складає 9-й÷10-й клас (по ГОСТ 278973), глибина розрізуваної поверхні матеріалів (твердих) становить більше 200 мм будь-якої конфігурації, в т.ч. і отворів. Робоча рідина може містити домішки високоенергетичної рідини та/або дрібнодисперсного порошку, які самі по собі можуть бути вибуховими речовинами. Запропонована конструкція електрогідроімпульсного пристрою для різання матеріалів дозволяє підвищити продуктивність процесу різання твердих та м'яких матеріалів струменем води або льоду, підвищити швидкість різання та техніку безпеки при різанні, збільшити глибину та зменшити ширину різання, підвищити клас шорсткості розрізаної поверхні, зменшити енерговитрати та собівартість різання квадратного метра поверхні, спростити конструкцію пристрою та зменшити його вагу. 60 2 UA 98242 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 1. Електрогідроімпульсний пристрій для різання матеріалів, що містить камеру, заповнену робочою струмопровідною рідиною під тиском, з'єднану з соплом, через яке витікає імпульсний струмінь робочої струмопровідної рідини, який діє на розрізуваний матеріал і є негативним електродом, та джерело високовольтних імпульсів напруги позитивної полярності, енергія яких використовується для різання матеріалів сумісно з пульсуючим струменем струмопровідної робочої рідини, який відрізняється тим, що камера виготовлена у вигляді порожнистої півсфери, оберненої основою униз, з установленим у верхній центральній частині ізольованим позитивним електродом, направленим вертикально униз до центра кола основи, на який періодично подаються позитивні імпульси високої напруги від генератора, в нижній частині камери введений патрубок з гальмівним пристроєм для постійного введення робочої рідини і до нижньої частини півсферичної камери приєднане кругле днище камери з установленим в ньому соплом для формування пульсуючого струменя робочої рідини, при цьому корпус камери електрично з'єднаний з негативним виводом високовольтного генератора імпульсів, а надвисокий імпульсний тиск в камері і надзвуковий імпульсний струмінь створюються за рахунок утворення каналу розряду від високовольтних імпульсів між позитивним електродом та верхньою внутрішньою кромкою сопла, яка електрично зв'язана з негативним виводом високовольтного імпульсного генератора. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що високовольтний позитивний електрод може містити декілька гострокінцевих закінчень (гострих кінців), направлених на внутрішню кромку сопла. 3. Пристрій за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що гострий кінець електрода може містити радіоактивний елемент іонізації міжелектродного проміжку. 4. Пристрій за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що генератор, шляхом регулювання частоти позитивних імпульсів на виході сопла та форми вихідної частини сопла, може утворювати льодяний струмінь. 3 UA 98242 C2 Комп’ютерна верстка А. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4