RU2137593C1 - Method of abrasive-air treatment of surface and gun intended for its realization - Google Patents

Abstract

FIELD: cleaning of surface from different coatings and rust deposit. SUBSTANCE: method includes mixing of working substance with flow of compressed air and subsequent feeding of obtained mixture into jet for acceleration and discharge onto surface being treated. Compressed air is preliminarily expanded to level below atmospheric one and accelerated up to ultrasonic speed. At the same time working substance is supplied into accelerated air flow under pressure, in dense layer and at low speed of forward motion. Abrasive-air mixture is produced, and its acceleration is continued up to indicated full value of pressure which is higher than atmospheric level. Working substance flow rate is regulated by its supply pressure. Gun has body with branch pipes for delivery of materials and chamber. Chamber accommodates abrasive supply jet with critical cross section turning in to outlet jet. Internal surface of outlet jet is of tapered-cylindrical form. Abrasive feeding jet is made in form of injector. Is is installed coaxially in critical cross section with circular space relative to critical cross section of chamber. Plane of injector outlet hole coincides with critical cross section. EFFECT: enhanced efficiency and wear resistance. 6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к абразивно-воздушной обработке поверхности от различных покрытий, отложений, ржавчины, в частности крупногабаритных металлических конструкций, например корпусов судов, емкостей для содержания нефтепродуктов, мостов и т.д. The invention relates to abrasive-air surface treatment from various coatings, deposits, rust, in particular large-sized metal structures, such as ship hulls, containers for containing petroleum products, bridges, etc.

В пескоструйных аппаратах импортного производства "Пухти" (рекламный проспект, Финляндия), "Ортибласт" (рекламный проспект, Великобритания), имеющих высокую популярность в мире, в качестве распылительного узла используется сопло Вентури. Сопло Вентури представляет собой сужение на трубопроводе, за критическим сечением трубопровод снова плавно расширяется, образуя диффузор. Диаметр критического сечения обусловлен выходными параметрами источника сжатого воздуха. На вход подается смесь песка с воздухом, обычно 1,5-2,0 кг/м³ под давлением 4-10 бар с расходом 2-10 м³/мин. Рекомендуемая фракция зернистости до 0,6 мм.In sandblasting machines imported by Puhti (brochure, Finland), Ortiblast (brochure, UK), which are very popular in the world, the Venturi nozzle is used as a spraying unit. The venturi nozzle is a narrowing in the pipeline, beyond the critical section, the pipeline expands smoothly again, forming a diffuser. The diameter of the critical section is determined by the output parameters of the compressed air source. A mixture of sand and air is fed to the inlet, usually 1.5-2.0 kg / m ³ at a pressure of 4-10 bar with a flow rate of 2-10 m ³ / min. Recommended grain size up to 0.6 mm.

Производительность пескоструйной установки тем выше, чем больше кинетическая энергия частиц абразива, E_к=mv²/2. Квадратичная зависимость энергии от скорости говорит о предпочтительности достижения высоких скоростей абразива для увеличения производительности.Fitting Performance sandblasting is higher the larger the kinetic energy of the abrasive particles, E _a = mv ^2/2. The quadratic dependence of energy on speed indicates the preference for achieving high speeds of abrasive to increase productivity.

В критическом сечении S_кр скорость прохода смеси v возрастает, а давление соответственно уменьшается. Для среды с плотность ρ эта зависимость имеет вид [1]:
ΔP = ξρ/2v²[(S_в/S_кр)²-1],
где ξ ≤ 0,2 зависит от гидродинамических потерь и определяется опытным путем.In the critical section S _cr, the passage velocity of the mixture v increases, and the pressure decreases accordingly. For a medium with density ρ, this dependence has the form [1]:
ΔP = ξρ / 2v ² [(S _in / S _cr ) ² -1],
where ξ ≤ 0.2 depends on hydrodynamic losses and is determined empirically.

Все установки этого типа рассчитаны так, что в расширяющейся сверхзвуковой части сопла энергия давления переходит в кинетическую энергию потока до тех пор, пока статическое давление несущего газа на выходе не сравняется с наружным атмосферным давлением, т.е. P_вых ≃ P_атм. При этом скорость воздуха достигает сверхзвукового предела (1,1-1,2)с (где с - скорость звука), но средняя скорость частиц абразивного материала не превышает 100-120 м/с, кроме того, это обусловлено ограничением длины сверхзвуковой части сопла, а следовательно, времени пребывания частиц абразива в высокоскоростном потоке несущего газа (воздуха). Недостатком является также неполное использование энергии давления источника сжатого воздуха. Поскольку песчано-воздушная смесь подается в докритическую часть сопла, это способствует размыву критического сечения и выводу из строя всего соплового блока. Производительность установок такого типа не превышает 7-10 м²/час. При большем расходе абразивного материала на обработку 1 м² поверхности может потребоваться 10 кг песка.All installations of this type are designed so that in the expanding supersonic part of the nozzle, the pressure energy transfers to the kinetic energy of the flow until the static pressure of the carrier gas at the outlet is equal to the external atmospheric pressure, i.e. P _out ≃ P _atm In this case, the air velocity reaches the supersonic limit (1.1-1.2) s (where c is the speed of sound), but the average speed of the particles of abrasive material does not exceed 100-120 m / s, in addition, this is due to the limitation of the length of the supersonic part of the nozzle and, consequently, the residence time of the abrasive particles in a high-speed flow of carrier gas (air). The disadvantage is the incomplete use of pressure energy from a source of compressed air. Since the sand-air mixture is supplied to the subcritical part of the nozzle, this contributes to the erosion of the critical section and the failure of the entire nozzle block. The productivity of plants of this type does not exceed 7-10 m ² / hour. With a higher consumption of abrasive material, 10 kg of sand may be required to process 1 m ^{2 of} surface.

Известен пистолет для струйной обработки (пат. Германии N 4209353, МПК B 24 C 5/02, РЖ ИСМ, 19.03.95 г.) состоящий из стальной трубы с камерой, в которую раскрыто сопло вытеснителя и труба подачи сырого песка, при этом образовавшаяся смесь поступает на выходное сопло. Недостатком пистолета является низкая эффективность очистки и низкая износостойкость элементов конструкции. Данный пистолет взят за прототип для заявленного устройства. Known gun for blasting (US Pat. Germany N 4209353, IPC B 24 C 5/02, RZH ISM, 03/19/95) consisting of a steel pipe with a chamber into which the nozzle of the displacer and the feed pipe of raw sand, which formed the mixture enters the outlet nozzle. The disadvantage of the gun is the low cleaning efficiency and low wear resistance of structural elements. This gun is taken as a prototype for the claimed device.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ абразивно-воздушной обработки поверхности, включающий первоначальное расширение сжатого воздуха и разгон его до сверхзвуковой скорости, одновременную подачу в ускоренный поток воздуха под давлением рабочего вещества и создание абразивно- воздушной смеси, подачу ее в сопло для ускорения и выброса на обрабатываемую поверхность (а.с. СССР N 477831, МПК B 24 C 5/04, бюл. N 27, 1975 г.)
Недостатком способа - прототипа является низкая кинетическая энергия частиц дроби, что снижает производительность труда и качество очистки поверхности А также будет происходить быстрый износ рабочей поверхности внутреннего сопла.The closest technical solution to the claimed method is a method of abrasive-air surface treatment, including the initial expansion of compressed air and its acceleration to supersonic speed, the simultaneous supply of accelerated air flow under pressure of the working substance and the creation of an abrasive-air mixture, feeding it to the nozzle for acceleration and emission to the surface to be treated (AS USSR N 477831, IPC B 24 C 5/04, bull. N 27, 1975)
The disadvantage of the prototype method is the low kinetic energy of the particles of the fraction, which reduces the productivity and quality of surface cleaning And there will also be rapid wear of the working surface of the inner nozzle.

Задачей создания изобретения является повышение производительности абразивной обработки крупногабаритных объектов, повышение износостойкости установки. The objective of the invention is to increase the productivity of abrasive processing of large-sized objects, increase the wear resistance of the installation.

Поставленная задача решается с помощью совокупности признаков, указанных в пункте 1 формулы изобретения, общих с прототипом, таких, как способ абразивно-воздушной обработки поверхности включающий первоначальное расширение сжатого воздуха и разгон его до сверхзвуковой скорости, одновременную подачу в ускоренный поток воздуха под давлением рабочего вещества и создание абразивно- воздушной смеси, подачу ее в сопло для ускорения и выброса на обрабатываемую поверхность, и отличительных, существенных признаков, таких, как сжатый воздух, расширяют до уровня ниже атмосферного, рабочее вещество подают плотным слоем с низкой скоростью поступательного движения, а ускорение смеси производят до фиксированного значения полного давления выше атмосферного уровня, причем расход рабочего вещества регулируют давлением его подачи. The problem is solved using the combination of features specified in paragraph 1 of the claims common to the prototype, such as a method of abrasive-air surface treatment comprising the initial expansion of compressed air and its acceleration to supersonic speed, the simultaneous supply of accelerated air flow under pressure of the working substance and creating an abrasive-air mixture, feeding it into the nozzle for acceleration and ejection onto the surface to be treated, and distinctive, essential features, such as compressed air, iryayut to below atmospheric, the working medium is supplied dense layer with a low rate of translational movement, and acceleration mixture is carried to a fixed value higher than the atmospheric level of the total pressure, the consumption of the working substance pressure regulate its submission.

В пункте 2 формулы изобретения отражены параметры, при которых осуществляют операции расширения сжатого воздуха, а именно расширяют сжатый воздух в пределах 0,03-0,04 МПа. Если давление расширения выйдет за пределы вышеуказанного диапазона, то скорость воздушного сверхзвукового потока не будет максимально возможной. При превышении давления скорость снизится, а дальнейшее уменьшение давления оказывается уже неоптимальным (не дает значительного прироста скорости). Paragraph 2 of the claims reflects the parameters at which the expansion of compressed air is carried out, namely, expand the compressed air in the range of 0.03-0.04 MPa. If the expansion pressure goes beyond the above range, then the speed of the supersonic air flow will not be the maximum possible. If the pressure is exceeded, the speed will decrease, and a further decrease in pressure is no longer optimal (does not give a significant increase in speed).

В пункте 3 формулы изобретения отражены режимы снижения фиксированного значения полного давления, а именно дополнительно осуществляют монотонное снижение фиксированного значения полного давления до 0,192 - 0,203 МПа. При нарушении диапазона предельного давления 0,192 -0,203 МПа изменится оптимальный режим ускорения абразивно-воздушной смеси. При уменьшении давления меньше предельного возможно образование скачков давления, что переведет течение в дозвуковое. При увеличении давления снизится скорость абразивных частиц. Paragraph 3 of the claims reflects the modes of decreasing a fixed value of the total pressure, namely, they additionally carry out a monotonic reduction of the fixed value of the total pressure to 0.192 - 0.203 MPa. In case of violation of the limit pressure range 0.192-0.203 MPa, the optimal acceleration mode of the abrasive-air mixture will change. If the pressure decreases below the limit, pressure surges are possible, which will transfer the flow to subsonic. With increasing pressure, the speed of abrasive particles will decrease.

Поставленная задача также решается с помощью конструкции пистолета для обработки поверхности, совокупность признаков которого отражена в пункте 4 формулы изобретения, общих с прототипом, таких, как пистолет для обработки поверхности, содержащий корпус с патрубками подвода материалов и камерой, в которой установлено сопло для подачи абразива, имеющей критическое сечение, переходящее в выходное сопло, и отличительных существенных признаков, таких, как внутренняя поверхность выходного сопла имеет коническо-цилиндрическую форму, а сопло для подачи абразива выполнено в виде форсунки, установленной соосно в начале конической части выходного сопла с кольцевым зазором относительно критического сечения камеры, при этом плоскость ее выходного отверстия совпадает с критическим сечением. The problem is also solved by the design of a gun for surface treatment, the set of features of which are reflected in paragraph 4 of the claims common to the prototype, such as a gun for surface treatment, containing a housing with nozzles for supplying materials and a chamber in which a nozzle for supplying abrasive is installed having a critical section passing into the outlet nozzle, and distinctive essential features, such as the inner surface of the outlet nozzle has a conical-cylindrical shape, and the nozzle is To feed the abrasive, it is made in the form of a nozzle mounted coaxially at the beginning of the conical part of the outlet nozzle with an annular gap relative to the critical section of the chamber, while the plane of its outlet coincides with the critical section.

Особенность конструктивного выполнения выходного сопла отражена в пункте 5 формулы изобретения, а именно угол раскрытия конической части выходного сопла не превышает 3-5 град. A feature of the design of the output nozzle is reflected in paragraph 5 of the claims, namely, the opening angle of the conical part of the output nozzle does not exceed 3-5 degrees.

Условия выбора оптимальных размеров сечений выходного сопла отражены в пункте 6 формулы изобретения, а именно размер критического сечения, выходного сечения конической части, а также размеры вдоль образующей конусной и цилиндрической частей выходного сопла выбирают из условий максимального развития сверхзвуковой скорости абразивно- воздушной смеси в условиях отсутствия скачков давления, при этом выходное сечение конической части равно проходному сечению цилиндрической части. The conditions for choosing the optimal cross-sectional dimensions of the outlet nozzle are reflected in paragraph 6 of the claims, namely, the size of the critical section, the outlet section of the conical part, and also the dimensions along the generatrix of the conical and cylindrical parts of the outlet nozzle are selected from the conditions for the maximum development of the supersonic speed of the abrasive-air mixture in the absence of pressure surges, while the output section of the conical part is equal to the bore of the cylindrical part.

Особенности конструктивного выполнения пистолета позволяют осуществить все необходимые операции, предусмотренные заявленным способом, и достичь цель - повышение производительности обработки при одновременном повышении износостойкости установки в целом. Features of the constructive implementation of the gun allow you to carry out all the necessary operations provided by the claimed method, and to achieve the goal is to increase processing productivity while increasing the wear resistance of the installation as a whole.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. This allows us to conclude that the claimed invention is interconnected by a single inventive concept.

В устройстве пистолета используется выходное сопло коническо-цилиндрической формы. По газодинамическим характеристикам сопло Вентури практически не отличается от конуса малым углом раскрытия 3-5 град. Зато предложенное устройство пистолета более просто в изготовлении и не требует специальных материалов. The device of the gun uses an output nozzle of a conical-cylindrical shape. According to the gas-dynamic characteristics, the Venturi nozzle practically does not differ from the cone by a small opening angle of 3-5 degrees. But the proposed device of the gun is more simple to manufacture and does not require special materials.

Площадь критического сечения предложенного пистолета S_кр.min можно определить по формуле [2]:

(1)
подставив числовые данные в формулу 1, получим Q_max= 0,068 м³/с (0,083 кг/с) - расход воздуха в единицу времени; P₀= 0,7 МПа - рабочее давление; ρ_o = = 7,97 кг/м³ - плотность воздуха на выходе из компрессора; k = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха.The critical cross-sectional area of the proposed gun S _cr.min can be determined by the formula [2]:

(1)
substituting the numerical data in the formula 1, we get Q _max = 0,068 m ³ / s (0,083 kg / s) - air flow per unit time; P ₀ = 0.7 MPa - working pressure; ρ _o = = 7.97 kg / m ³ is the density of air at the outlet of the compressor; k = 1.4 is the adiabatic exponent for air.

После вычисления S_кр.min = 0,0000512 м².After calculating S _cr.min = 0.0000512 m ² .

При определении площади критического сечения необходимо учесть, что после установки форсунки оно приобретает форму кругового (сечения) кольца с площадью:
S_к= π/4(D²-d²), (2)
где D - диаметр, образующий критическое сечение;
d - наружный диаметр форсунки.When determining the critical cross-sectional area, it must be taken into account that after installing the nozzle, it takes the form of a circular (section) ring with an area of
S _k = π / 4 (D ² -d ² ), (2)
where D is the diameter forming the critical section;
d is the outer diameter of the nozzle.

Следовательно, к расчетной величине следует добавить величину πd²/4. Угол раскрытия конуса сверхкритической части сопла составляет 3-5 град (чем меньше, тем лучше, но при угле меньше 3 град, происходит износ конической части, но не износ критического сечения. Угол раскрытия излучаемой абразивной струи находится в пределах 2-3 град.Consequently, to the estimated value should be added to πd ^2/4. The opening angle of the cone of the supercritical part of the nozzle is 3-5 degrees (the smaller the better, but at an angle of less than 3 degrees, the conical part is worn, but not the critical section. The opening angle of the emitted abrasive jet is within 2-3 degrees.

При расширении сжатого воздуха до давления ниже нормального необходимо, чтобы диаметр выходного сечения конуса был больше значения D_min, определяемого следующим образом:

(3)
где D_кр - диаметр критического сечения, м;
P*_кр - полное давление воздуха, поддерживаемого на входе в сопло, МПа;
P*_пр - минимальное значение полного давления, допустимого внутри сопла, МПа;
d_max - наибольшая толщина пограничного слоя внутри сопла, определяемая из расчетов, м.When expanding compressed air to a pressure below normal, it is necessary that the diameter of the outlet section of the cone be greater than the value of D _min , defined as follows:

(3)
where D _cr - the diameter of the critical section, m;
P * _cr - total air pressure maintained at the inlet to the nozzle, MPa;
P * _pr - the minimum value of the total pressure permissible inside the nozzle, MPa;
d _max - the largest thickness of the boundary layer inside the nozzle, determined from the calculations, m

Подставив числовые значения D_кр=0,0081 м, P*_кр = 0,70 МПа, P*_пр = 0,19 МПа, d_max = 0,0015 м в формулу (3), получаем значения для D_min = 0,0185 м.Substituting the numerical values of D _cr = 0.0081 m, P * _cr = 0.70 MPa, P * _pr = 0.19 MPa, d _max = 0.0015 m in formula (3), we obtain values for D _min = 0, 0185 m.

Затем произведем расчет давления в полученном сечении с использованием газодинамических функций [3] . Найдем функцию приведенной платности потока массы
q(λ) = S_кр/S_стр (4)
где

площадь критического сечения;

площадь сечения потока без учета пограничного слоя.Then we will calculate the pressure in the obtained section using gas-dynamic functions [3]. We find the function of reduced charge mass flow
q (λ) = S _cr / S _p (4)
Where

critical section area;

cross-sectional area of the stream without taking into account the boundary layer.

После подстановки данных в формулу (4) получаем: q(λ) ≈ 0,3.
По таблицам газодинамических функций при данном q(λ) имеем

,
где Р - статическое давление в потоке в данном сечении;
Р^* - полное давление в потоке в данном сечении.After substituting the data in formula (4), we obtain: q (λ) ≈ 0.3.
According to the tables of gas-dynamic functions for a given q (λ) we have

,
where P is the static pressure in the stream in a given section;
P ^* is the total pressure in the stream in a given section.

С учетом математического моделирования влияния абразивных частиц на поток получаем Р^* = 0,3 МПа.Taking into account the mathematical modeling of the effect of abrasive particles on the flow, we obtain P ^* = 0.3 MPa.

Окончательно следует Р = π•P^* = 0,1 х 0,3 = 0,03 МПа.Finally follows P = π • P ^* = 0.1 x 0.3 = 0.03 MPa.

Таким образом, в выходном сечении конической части статическое давление составит 0,03 - 0,04 МПа, что позволит получить скорость воздушного потока ~ 1,5-2,5 с (с - скорость звука). Thus, in the exit section of the conical part, the static pressure will be 0.03 - 0.04 MPa, which will allow us to obtain an air flow rate of ~ 1.5-2.5 s (s is the speed of sound).

В ускоренный поток воздуха одновременно подают под давлением плотным слоем с низкой поступательной скоростью (10- 20 см/с) абразивный материал через специальную форсунку, расположенную на геометрической оси пескоструйного пистолета. Величина калиброванного отверстия 3; 3,5; 4 мм. Abrasive material is simultaneously supplied into the accelerated air flow under pressure in a dense layer with a low translational speed (10–20 cm / s) through a special nozzle located on the geometric axis of the sandblasting gun. The size of the calibrated hole 3; 3.5; 4 mm.

На участке 15-20 мм по длине конуса идет активное перемешивание абразивно-воздушной смеси с минимальными энергетическими потерями при отсутствии скачков большой интенсивности на частицах абразива и осуществляется предварительный разгон смеси. При этом критическая часть устройства не подвергается абразивному износу. In the area of 15-20 mm along the length of the cone, the abrasive-air mixture is actively mixed with minimal energy loss in the absence of high intensity jumps on the abrasive particles and the mixture is preliminarily accelerated. Moreover, the critical part of the device is not subject to abrasive wear.

Затем однородная воздушно-абразивная смесь подается в цилиндрическую часть сверхзвуковой части устройства с диаметром, не превышающим значения D_max, определяемого выражением:

(5)
где P_кр ^* - давление воздуха в критическом сечении, МПа;
Р_пр ^* - предельное значение полного давления воздуха на выходе соплового устройства, МПа;
Т_min ^* - минимальная температура торможения воздуха в сопле, К;
Т_кр ^* - температура торможения воздуха в критическом сечении, К;
q(λ_пр) - приведенная плотность потока массы при давлении P_пр ^*. Подставив числовые значения: D_кр = 0,0081 м, Р_кр ^*=0,7 МПа, Р_пр ^*=0,19 МПа, Т_кр ^*=300 К, Т_min ^*= 290К, q(λ_пр) = 0,63 в формулу (5), получаем значения D_max=0,0241 м.Then a homogeneous air-abrasive mixture is fed into the cylindrical part of the supersonic part of the device with a diameter not exceeding the value of D _max defined by the expression:

(5)
where P _kr ^* is the air pressure in the critical section, MPa;
P _CR ^* - the limit value of the total air pressure at the exit of the nozzle device, MPa;
T _min ^* - the minimum temperature of braking air in the nozzle, K;
T _cr ^* - temperature of braking of air in a critical section, K;
q (λ _CR ) is the reduced mass flux density at a pressure P _CR ^* . Substituting numerical values: D _cr = 0.0081 m, P _cr ^* = 0.7 MPa, P _ave ⁼ 0.19 MPa, T _cr ^* = 300 K, T _min ^* = 290K, q (λ _pr) = 0 , 63 to the formula (5), we obtain the values of D _max = 0,0241 m.

- Очевидно, что выходное сечение конуса равно проходному сечению цилиндра и должно являться наибольшим проходным сечением всего соплового устройства. На основе вышеизложенных условий диаметр этого сечения D_пр ^max выбирают из диапазона D_min<D_пр ^max<D_max
- Расчетные и экспериментальные исследования показали, что оптимальное значение среднее: D_пр ^max=(D_max + D_min)/2 (6)
Подставив числовые данные D_min = 0,0185 м, D_max = 0,0241 м в формулу (6), имеем D_пр ^* = 0,0213 м.- It is obvious that the exit section of the cone is equal to the passage section of the cylinder and should be the largest passage section of the entire nozzle device. Based on the above conditions, the diameter of this cross section D _CR ^{max is} selected from the range D _min <D _CR ^max <D _max
- Computational and experimental studies have shown that the optimal average value: D _CR ^max = (D _max + D _min ) / 2 (6)
Substituting the numerical data D _min = 0.0185 m, D _max = 0.0241 m in the formula (6), we have D _pr ^* = 0.0213 m.

Длина конической части L_кон вдоль геометрической оси составит величину:

,
где D_пр ^max - диаметр выходного сечения конической части,
D_кр - диаметр в критической части,
α - угол раскрытия конуса, град.The length of the conical part L _con along the geometric axis will be:

,
where D _CR ^max - the diameter of the output section of the conical part,
D _cr - the diameter in the critical part,
α is the cone opening angle, deg.

Длина цилиндрической части l_ц выбирается меньше предельной длины l_пр, на которой полное давление воздуха становится равным предельному значению P_пр ^* = 0,019 МПа, вычисленному по формуле:

,
где Р_вн - давление внешней среды (нормальное);
К = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха.The length of the cylindrical part l _C is chosen less than the limit length l _CR , at which the total air pressure becomes equal to the limit value P _CR ^* = 0.019 MPa, calculated by the formula:

,
where R _VN - pressure of the environment (normal);
K = 1.4 is the adiabatic exponent for air.

Если полное давление воздуха в каком-либо сечении сопла меньше P_пр ^*, то в этом сечении возникает скачок давления, переводящий сверхзвуковое течение в дозвуковое, что значительно снизит скорость частиц абразива. В противном случае сжатие от выходного статического давления до давления внешнего происходит в косой ударной волне слабой интенсивности, отходящей от края сопла во внешнюю среду. Что практически никак не сказывается на скорости частиц абразива.If the total air pressure in any section of the nozzle is less than P _pr ^* , then a pressure jump occurs in this section, converting the supersonic flow into a subsonic flow, which will significantly reduce the speed of the abrasive particles. Otherwise, compression from the output static pressure to the external pressure occurs in an oblique shock wave of low intensity, extending from the nozzle edge into the external medium. Which practically does not affect the speed of the abrasive particles.

Таким образом, обеспечивается монотонное изменение полного давления вдоль оси абразивно-воздушного потока до предельного уровня 0,192 - 0,203 МПа. А цилиндрическая часть позволяет увеличить время пребывания частиц абразива в сверхзвуковом потоке воздуха. Thus, a monotonic change in the total pressure along the axis of the abrasive-air flow is ensured to a limit level of 0.192 - 0.203 MPa. And the cylindrical part allows you to increase the residence time of the abrasive particles in a supersonic air flow.

Сущность предложенного способа состоит в том, что изначально расширяют сжатый воздух до уровня ниже атмосферного и разгоняют его при этом до сверхзвуковой скорости. Одновременно подают под давлением плотным слоем с низкой скоростью поступательного движения рабочее вещество в ускоренный поток воздуха. После образования воздушно-абразивной смеси ее продолжают ускорять до фиксированного значения полного давления, находящегося выше атмосферного уровня, причем расход рабочего вещества регулируют давлением его подачи. The essence of the proposed method is that initially expand the compressed air to a level below atmospheric and accelerate it at the same time to supersonic speed. At the same time, the working substance is fed under pressure in a dense layer with a low speed of translational motion into the accelerated air flow. After the formation of the air-abrasive mixture, it continues to be accelerated to a fixed value of the total pressure above atmospheric level, and the flow rate of the working substance is controlled by its supply pressure.

Ниже приводим пример расчета соплового устройства пистолета. Пусть компрессор поддерживает в сопловом устройстве перед входом в докритическую часть в зоне критического диаметра D_кр=8,1 мм давление P₀ = 7 кг/см².Below is an example of calculating the nozzle device of the gun. Let the compressor support in the nozzle device before entering the subcritical part in the zone of critical diameter D _cr = 8.1 mm pressure P ₀ = 7 kg / cm ² .

Тогда статическое давление в критике Р_кр = 0,53 х Р₀ = 3,71 кг/см², расход при этом составит 4,1 м³/мин.Then the static pressure in criticism P _cr = 0.53 x P ₀ = 3.71 kg / cm ² , the flow rate will be 4.1 m ³ / min.

Рассчитаем D_min и D_max. Как известно,

где d_max ≃ 1,5 мм - наибольшая толщина пограничного слоя, определенная из расчетов,
тогда

Определим

Если приведенная скорость λ_пр= 1,6, то значение функции приведенной плотности потока массы q(λ_пр) = 0,63. T_min ^*/T_кр ^* составляет величину 0,97, т. е.

во всем исследованном диапазоне параметров. Подставим данные в формулу (5)

Проанализируем условие 18,5<D_цил=D_вых>24,1.We calculate D _min and D _max . As known,

where d _max ≃ 1.5 mm is the largest thickness of the boundary layer, determined from the calculations,
then

Define

If the reduced velocity λ _CR = 1.6, then the value of the function of the reduced mass flux density q (λ _CR ) = 0.63. T _min ^* / T _cr ^* is 0.97, i.e.

in the entire studied range of parameters. Substitute the data in the formula (5)

Let us analyze the condition 18.5 <D _cyl = D _o > 24.1.

Из расчетов по модели течения максимум кинетической энергии частиц абразива приходится на D= 21,3 мм. При этом также имеется запас по износу. Длина конусной части L_кон при D_вых=21,3 и угле раскрытия α = 5 град составит:

Введем корректировку для удобства изготовления конуса, взяв L_кон = 150 мм, тогда D_вых = D_цил = 21,2 мм Расчет показывает, что l_пред для цилиндрической части больше 180 мм. Из конструктивных соображений выбираем l_цил = 150 мм.From calculations using the flow model, the maximum kinetic energy of the abrasive particles falls on D = 21.3 mm. There is also a margin for wear. The length of the conical part L _con at D _o = 21.3 and the opening angle α = 5 deg will be:

We introduce a correction for the convenience of manufacturing a cone, taking L _con = 150 mm, then D _o = D _cyl = 21.2 mm The calculation shows that l _before for the cylindrical part is more than 180 mm. For design reasons, choose l _cyl = 150 mm.

При разработке модели учитывалось взаимодействие абразива и газа (воздуха), трение газа о стенки и влияние пограничного слоя. К выходному сечению соплового устройства частицы средней фракции абразивного материала приобретают скорость 250 - 350 м/с. Улучшение условий разгона абразивных частиц дает возможность получить их высокую кинетическую энергию на выходе из соплового устройства, что улучшает производительность труда и качество обработки поверхности, особенно крупногабаритных конструкций. When developing the model, the interaction of abrasive and gas (air), the friction of the gas against the walls, and the influence of the boundary layer were taken into account. By the exit section of the nozzle device, the particles of the middle fraction of abrasive material acquire a speed of 250-350 m / s. Improving the acceleration conditions of abrasive particles makes it possible to obtain their high kinetic energy at the exit of the nozzle device, which improves labor productivity and the quality of surface treatment, especially of large-sized structures.

Расчеты проводились по математической модели для движения аэровзвеси, реализованной на языке программирования ТУРБО Паскаль 7.0
Предлагаемый способ осуществляется с помощью установки, принципиальная схема которой приведена на фиг. 1. На фиг.2 приведен продольный разрез конструкции пистолета для обработки деталей.The calculations were carried out according to the mathematical model for the movement of air suspension, implemented in the programming language TURBO Pascal 7.0
The proposed method is carried out using the installation, the circuit diagram of which is shown in FIG. 1. Figure 2 shows a longitudinal section of the design of the gun for processing parts.

Установка содержит внешний источник подачи воздуха 1, например передвижную компрессорную станцию ПКСД - 5,25Д, которая подает воздух под давлением 0,7 (7) МПа (кгс/см²) с производительностью 5,25 м³/мин, через вентиль 2 и воздухопровод 3 сжатого воздуха и доходит до тройника 4, точки разделения на два канала. По основному каналу 5 через вентиль 6 воздух под давлением попадает на входной патрубок 7 подачи воздуха пистолета 8. В качестве воздуховода 9 используется шланг высокого давления диаметром 32-36 мм. После тройника 4 часть сжатого воздуха 5% по шлангу высокого давления 10 диаметром 9-10 мм подается через тройник 11 поочередно на подключенные параллельно посредством трубопровода 12 резервуары 13, 14 для абразивного материала через вентиль 15 и калиброванное отверстие 16 диаметром 5 мм. В качестве резервуаров 13, 14 для абразивного материала используются обычные 50-литровые газовые баллоны, дополнительно снабженные входными отверстиями 17 для воздуха в верхней части и выходными отверстиями 18 для абразивного материала в нижней части, а также отверстиями для загрузки абразивного материала сверху 19. Далее абразивный материал под давлением по шлангу подачи 20 диаметром 25 мм через вентиль 21, тройник 22 и вентиль 23 плотным слоем с низкой регулируемой скоростью поступает на входной патрубок 24 подачи абразивного материала пистолета 8. Поступательная скорость абразива не превышает 10-20 см/с. В случае разгрузки абразива в одном из баллонов, например 13, аналогично идет разгрузка второго баллона 14, а первый в это время заполняется абразивным материалом. Таким образом, обеспечивается бесперебойность в цикле работы.The installation contains an external air supply source 1, for example, a PKSD-5.25D mobile compressor station, which supplies air at a pressure of 0.7 (7) MPa (kgf / cm ² ) with a capacity of 5.25 m ³ / min through valve 2 and air duct 3 of compressed air and reaches the tee 4, the point of separation into two channels. Through the main channel 5, through the valve 6, air under pressure enters the inlet pipe 7 of the air supply of the gun 8. As a duct 9, a high pressure hose with a diameter of 32-36 mm is used. After the tee 4, a part of the 5% compressed air through the high pressure hose 10 with a diameter of 9-10 mm is fed through the tee 11 alternately to the abrasive tanks 13, 14 connected in parallel through the pipe 12 through the valve 15 and a calibrated hole 16 with a diameter of 5 mm. As reservoirs 13, 14 for abrasive material, conventional 50-liter gas cylinders are used, additionally equipped with air inlets 17 at the top and outlet 18 for abrasive material at the bottom, as well as openings for loading abrasive material from above 19. Further, abrasive material under pressure through a feed hose 20 with a diameter of 25 mm through valve 21, tee 22 and valve 23 in a dense layer with a low adjustable speed enters the inlet pipe 24 for supplying abrasive material to the gun 8. The translational speed of the abrasive does not exceed 10-20 cm / s. In the case of unloading the abrasive in one of the cylinders, for example 13, the second cylinder 14 is unloaded similarly, and the first is filled with abrasive material at this time. This ensures uninterrupted operation in the work cycle.

Пистолет 8 содержит корпус 25 с патрубками подвода материалов 7,24 и камерой 26, в которой установлено сопло 27 для подачи абразива через трубку 28, а на выходе имеется критическое сечение 29, переходящее в выходное сопло 30. Внутренняя поверхность 31 выходного сопла 30 имеет коническо-цилиндрическую форму 32, 33, а сопло 27 для подачи абразива выполнено в виде форсунки, установленной соосно в критическом сечении в виде кольцевого зазора 29 в начале конической части 32 выходного сопла 30, причем плоскость 34 его выходного отверстия 35 совпадает с критическим сечением 29 или незначительно выдвинута на 1-2 мм в коническую часть 32. The gun 8 contains a housing 25 with nozzles for supplying materials 7.24 and a chamber 26 in which a nozzle 27 for supplying abrasive through the tube 28 is installed, and at the exit there is a critical section 29 passing into the output nozzle 30. The inner surface 31 of the output nozzle 30 has a conical - a cylindrical shape 32, 33, and the nozzle 27 for feeding the abrasive is made in the form of a nozzle mounted coaxially in a critical section in the form of an annular gap 29 at the beginning of the conical part 32 of the output nozzle 30, and the plane 34 of its outlet 35 coincides with the critical echeniem 29 or slightly pushed 1-2 mm into the conical portion 32.

Угол раскрытия конической части 32 выходного сопла 30 не превышает 3-5 град. The opening angle of the conical portion 32 of the output nozzle 30 does not exceed 3-5 degrees.

Размер критического сечения 29 выходного сечения 36 конической части 32, а также размеры 37 вдоль образующей конусной 32 и цилиндрической 33 частей выходного сопла 30 выбирают из условий максимального развития сверхзвуковой скорости абразивно-воздушной смеси в условиях отсутствия скачков давления. The size of the critical section 29 of the output section 36 of the conical portion 32, as well as the dimensions 37 along the generatrix of the conical 32 and the cylindrical 33 parts of the output nozzle 30, are selected from the conditions for the maximum development of the supersonic speed of the abrasive-air mixture in the absence of pressure surges.

После подачи сжатого воздуха в пистолет 8 он через кольцевой зазор 29 попадает в коническую часть 32, где его разгоняют до максимально возможной сверхзвуковой скорости за счет его расширения до давления 0,035 МПа. Одновременно через форсунку 27 в ускоренный поток воздуха поступает абразивный материал со средней фракцией 250 - 300 мкм. Далее идет активное их перемешивание и ускорение. Затем осуществляют окончательный разгон смеси в цилиндрической части 33, длина которой меньше предельной длины, на которой полное давление аэровзвеси достигает предельного уровня давления 0,197 МПа. При этих условиях в коническо-цилиндрической части выходного сопла 30 давление вдоль потока меняется плавно, без скачков, следовательно, в сверхкритической части скорость частиц средней фракции достигает 300 м/с. After supplying compressed air to the gun 8, it enters the conical part 32 through the annular gap 29, where it is accelerated to the maximum possible supersonic speed due to its expansion to a pressure of 0.035 MPa. At the same time, through the nozzle 27, an abrasive material with an average fraction of 250-300 μm enters the accelerated air stream. Next is their active mixing and acceleration. Then the final acceleration of the mixture is carried out in the cylindrical part 33, the length of which is less than the limiting length, at which the total pressure of the air suspension reaches the maximum pressure level of 0.197 MPa. Under these conditions, in the conical-cylindrical part of the outlet nozzle 30, the pressure along the flow changes smoothly, without jumps, therefore, in the supercritical part, the velocity of the particles of the middle fraction reaches 300 m / s.

Сверхзвуковой воздушно- абразивный поток выбрасывается пистолетом 8 на обрабатываемую поверхность (на чертеже не показано). Количество абразивных частиц, попадающих в воздушную струю (расход абразива), регулируют давлением его подачи. Вентили 6, 23 применяются в качестве запорно-регулировочных. Для остановки устройства необходимо закрыть вентиль 2 и выпустить сжатый воздух из пневмосистемы вентилями 38. The supersonic air-abrasive flow is ejected by the gun 8 onto the work surface (not shown in the drawing). The amount of abrasive particles falling into the air stream (flow rate of abrasive) is controlled by its supply pressure. Gates 6, 23 are used as shut-off and control valves. To stop the device, it is necessary to close valve 2 and release compressed air from the pneumatic system with valves 38.

При работе установки расход абразивного материала (металлических опилок, формовочного песка, отходов Купер шлака) не превышает 840 г на м³ воздуха. Пятно контакта абразивно-воздушной струи с обрабатываемой поверхностью 20-30 мм.During operation of the installation, the consumption of abrasive material (metal sawdust, foundry sand, Cooper slag waste) does not exceed 840 g per m ^{3 of} air. The contact spot of the abrasive air stream with the treated surface of 20-30 mm.

Производительность установки составляет: 10-15 м²/час при очистке битумной мастики; 15-40 м²/час - окалины и прочной краски; 40-100 м²/час - рыхлой ржавчины. Качество очистки до степени 4-5 по ГОСТу, т.е. до белого цвета металла. В эксплуатации предлагаемая установка позволит снизить энергозатраты и количество расходуемых материалов при сохранении таких преимуществ, как портативность и простота в эксплуатации.The productivity of the installation is: 10-15 m ² / hour when cleaning bitumen mastic; 15-40 m ² / h - scale and durable paint; 40-100 m ² / hour - loose rust. Quality of cleaning up to degree 4-5 in accordance with GOST, i.e. to white color of metal. In operation, the proposed installation will reduce energy costs and the amount of consumables while maintaining benefits such as portability and ease of operation.

Источники информации:
1.Физическая энциклопедия, T.1, с.258,М, Советская энциклопедия, 1988.Sources of information:
1. Physical Encyclopedia, T.1, p. 258, M, Soviet Encyclopedia, 1988.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика, т.6,с.503,М, Наука, 1988. 2. Landau L.D., Lifshits E.M. Hydrodynamics, T. 6, S. 503, M, Science, 1988.

3.Диментова А.А. Рекстин Ф.С., Рябов В.А. Таблицы газодинамических функций (К= 1,05 - 1,70), Справочное пособие, М, - Л, Машиностроение, 1966, с. 3-83. 3.Dimentova A.A. Rekstin F.S., Ryabov V.A. Tables of gas-dynamic functions (K = 1.05 - 1.70), Reference manual, M, - L, Mechanical Engineering, 1966, p. 3-83.

Claims (6)

1. Способ абразивно-воздушной обработки поверхности, включающий первоначальное расширение сжатого воздуха и разгон его до сверхзвуковой скорости, одновременную подачу в ускоренный поток воздуха под давлением рабочего вещества и создание абразивно-воздушной смеси, подача ее в сопло для ускорения и выброса на обрабатываемую поверхность, отличающийся тем, что сжатый воздух расширяют до уровня ниже атмосферного, рабочее вещество подают плотным слоем с низкой скоростью поступательного движения, а ускорение смеси производят до фиксированного значения полного давления выше атмосферного уровня, при зтом расход рабочего вещества регулируют давлением его подачи. 1. The method of abrasive-air surface treatment, including the initial expansion of compressed air and its acceleration to supersonic speed, the simultaneous supply of accelerated air flow under pressure of the working substance and the creation of an abrasive-air mixture, its supply to the nozzle for acceleration and discharge onto the surface to be treated, characterized in that the compressed air is expanded to a level below atmospheric, the working substance is fed in a dense layer with a low speed of translational motion, and the mixture is accelerated to a fixed of the total pressure values above atmospheric level at ztom consumption of the working substance pressure regulating its flow. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширяют сжатый воздух в пределах 0,03-0,04 МПа. 2. The method according to claim 1, characterized in that expand the compressed air in the range of 0.03-0.04 MPa. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют монотоннее снижение значения уровня полного давления до 0,192-0,203 МПа. 3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that it further carries out a monotonous decrease in the value of the level of total pressure to 0.192-0.203 MPa. 4. Пистолет для абразивно-воздушной обработки поверхности, содержащий корпус с патрубками для подвода материалов и камерой, в которой установлено сопло для подачи абразива, имеющей критическое сечение, переходящее в выходное сопло, отличающийся тем, что внутренняя поверхность выходного сопла имеет коническо-цилиндрическою форму, а сопло для подачи абразива выполнено в виде форсунки, установленной соосно в начале конической части выходного сопла с кольцевым зазором относительно критического сечения камеры, при этом плоскость его выходного отверстия совпадает с критическим сечением. 4. A gun for abrasive-air surface treatment, comprising a housing with nozzles for supplying materials and a chamber in which a nozzle for supplying an abrasive having a critical section passing into the output nozzle is installed, characterized in that the inner surface of the output nozzle has a conical-cylindrical shape and the nozzle for feeding the abrasive is made in the form of a nozzle mounted coaxially at the beginning of the conical part of the output nozzle with an annular gap relative to the critical section of the chamber, while its exit plane th hole coincides with the critical section. 5. Пистолет по п.4, отличающийся тем, что угол раскрытия конической части выходного сопла не превышает 3-5^o.5. The gun according to claim 4, characterized in that the opening angle of the conical part of the output nozzle does not exceed 3-5 ^o . 6. Пистолет по п. 4 или 5, отличающийся тем, что размер критического сечения, выходного сечения конической части, а также размеры вдоль образующей конусной и цилиндрической частей выходного сопла выбирают из условий максимального развития сверхзвуковой скорости абразивно-воздушной смеси в условиях отсутствия скачков давления, при этом выходное сечение конической части равно проходному сечению цилиндрической части. 6. The gun according to claim 4 or 5, characterized in that the size of the critical section, the outlet section of the conical part, and also the dimensions along the generatrix of the conical and cylindrical parts of the outlet nozzle are selected from the conditions for the maximum development of the supersonic speed of the abrasive-air mixture in the absence of pressure surges while the output section of the conical part is equal to the passage section of the cylindrical part.

Images