Техническое применение пескоструйных устройств

 

§ 3. История пескоструйной обработки

 

Впервые запатентован американцем  Бенджамином Чу Тилгманом (1821-1901) в 1870 году (рис. 1-2).

О принципах работы пескоструйного оборудования говорит его название - «струя песка». С возникновением технологии пескоструйной обработки связана интересная история. Бенджамин Чу Тилгман, американский военный изобретатель служил в пустыне, он обратил внимание на то, что стекло, неприкрытое ставнями, отличалось от защищенного. Под воздействием сильных ветров, песок постоянно царапал оконное стекло, и со временем разница стала видна невооруженным взглядом. Бенджамин был изобретателем, он быстро нашел применение этому эффекту, и уже в 1870 году в США был запатентован пескоструйный аппарат (патент США 104408).

рис.1                                   рис.2

С того времени прошло сто  сорок лет, однако принцип работы пескоструйного аппарата, созданного американским изобретателем, практически не поменялся. Изменились, впрочем, применяемые при пескоструйной обработке материалы. От песка со временем отказались, поскольку у работников выполнявших очистку был большой риска заболеть силикозом, болезнью, вызываемой мельчайшей песчаной пылью, которая неизбежно попадает в легкие при работе с пескоструйным аппаратом. Сначала песок заменили чугунной дробью, а после ассортимент абразивных материалов пополнился карбидом кремния, электрокорундом, купершлаком, различными пластиковыми материалами и даже измельченными фруктовыми косточками.

Так что в наше время  пескоструйный аппарат вернее называть абразивным аппаратом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 4. Физические основы

Трение – один из видов взаимодействия тел. Сила трения возникает как сила сопротивления, препятствующая относительному смещению соприкасающихся тел, и направлена по касательной к поверхности соприкасающихся тел в сторону, противоположную относительного смещения.

Если соприкасающиеся  тела твердые, то трение называют сухим. Если твердое тело движется в жидкости или между твердыми телами имеется  слой жидкости (смазка),то трение называют жидким (или вязким).

Но не надо думать, что трение всегда препятствует движению - часто оно ему способствует. При прокручивании колёс автомобиля сила трения шин о поверхность земли, препятствуя их проскальзыванию, действует со стороны дороги и направлена вперёд, обеспечивая движение автомобиля. Чем сильнее трение, тем больше соответствующая сила, поэтому его стараются не уменьшать, а увеличивать: покрытие дороги делают шероховатым, наносят на поверхность шины рельефные рисунки (протекторы). Вспомните, как трудно идти по скользкой дороге или как буксует автомобиль, стоящий на льду или в грязи: колёса проскальзывают на месте, хотя мотор исправно вращает их.

Что определяет величину силы сухого трения? Повседневный опыт свидетельствует: чем сильнее прижать поверхности тел друг к другу, тем труднее вызвать их взаимное скольжение и затем его поддерживать его. Так, например, лист бумаги, вложенный между страницами лежащей на столе толстой книги, проще вытащить из верхней части фолианта, чем из нижней. Прижимающая сила, действующая со стороны соседнего тела на трущуюся поверхность, перпендикулярна ей и называется силой нормального давления.

 

В 1781 г. Шарль Кулон, изучая трение деталей и верёвок, которые в  то время были существенными частями  механизмов, экспериментально установил, что сила трения F_тр прямо пропорциональна прижимающей силе N:

Коэффициент пропорциональности µ - коэффициент трения - определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей; для более гладких поверхностей он меньше. Например, после удара хоккейной клюшкой скользящая шайба быстрее останавливается на деревянном полу, чем на льду.

Если к лежащей на столе очень  тяжёлой книге приложить небольшую  горизонтальную силу, то книга не сдвинется. Это значит, что и при отсутствии движения на тело действует сила трения покоя F^о_тр, компенсирующая действие остальных сил. Чем сильнее внешнее воздействие, направленное вдоль поверхности, тем эта сила больше. Однако она не растёт бесконечно (если тело не приклеили), а достигает предела, зависящего от силы нормального давления:

F^о_тр max = µ _оN

где µ _о - коэффициент трения покоя немного превышает коэффициент трения скольжения µ . Если внешние силы превысят это максимальное значение, тело начнёт двигаться ускоренно. Таким образом, величина силы трения покоя ограничена неравенством

F^о_тр ≥ µ _оN 

 

Она меняется в зависимости от действующих  сил и может принимать любые значения от нуля до µ _оN

Когда сила трения покоя достигнет  максимального значения, малейшее возмущение приведёт тело в движение. При этом сила трения покоя µ _оN сменяется силой трения скольжения µ N, которая также направлена, но имеет несколько меньшую величину.

Это видно из рисунка, показывающего  Зависимость силы сухого трения от внешней силы, приложенной к телу.

Зависимость силы сухого трения от относительной  скорости скольжения соприкасающихся  поверхностей приведена на следующем рисунке.

При небольших скоростях сила трения при скольжении меньше, чем сила трения покоя. Поэтому тяжёлое тело сдвинуть с места труднее, чем  потом поддерживать его скольжение[7].

Общее описание пескоструйного процесса

 

Технологическая цепочка, включающая в себя: компрессор – воздушную линию – пескоструйный аппарат – воздушно-абразивную линию – сопло, проектируются и собираются в одно целое с одной единственной целью – создание стабильных условий для оптимальной работы финишного элемента системы – пескоструйного сопла. Все элементы системы взаимосвязаны и неотделимы друг от друга. Другими словами - цель минимизация потерь давления сжатого воздуха, в процессе прохождения воздушного потока, заданного объёма по системе трубопроводов и его оптимальное насыщение абразивным материалом на определённом этапе, нацеленное на получение максимально возможного чистящего эффекта при помощи оптимально подобранного, под конкретную задачу, струйного сопла. В свою очередь чистящий эффект (кинетическая энергия удара абразивной частицы) существенно зависит ещё и от массы, размера и количества абразивных частиц, проходящих через сопло с определённой скоростью в единицу времени.

Для того чтобы разобраться  от чего зависит эффективность пескоструйной очистки, и какая роль отведена в ней каждому элементу системы и в частности соплу попытаемся разобраться по порядку:

Выделим три ключевых элемента системы: компрессор - система трубопроводов – струйное сопло. Система трубопроводов в свою очередь состоит из двух частей: воздушной и воздушно-абразивной магистралей. Характеристики пескоструйного аппарата на процесс прохождения сжатого воздуха оказывают минимальное влияние. Хотя недооценивать роль дозирующего устройства для всего пескоструйного процесса тоже неправильно, а в остальном, пескоструйный аппарат - это всего лишь накопительный бункер, ценность которого определяется вместимостью и наличием всевозможных дополнительных опций.

Компрессор питает воздушную  магистраль сжатым воздухом с определёнными характеристиками – объём и давление. При движении по трубопроводам часть давления будет потеряна в результате трения о стенки трубопроводов. Всевозможные выступы, неровности и т.п. создавая турбулентные завихрения, способствуют дополнительным потерям давления. При этом скорость потока будет постепенно возрастать, а давление падать. В воздушной части трубопроводов бороться с потерями давления довольно просто – увеличивая диаметр проходного сечения и применяя материалы с более высокими коэффициентами скольжения, возможно сведение потерь от трения к минимальным значениям. Сложнее дело обстоит с воздушно-абразивной линией, где сжатый воздух начинает выполнять функции пневмотранспорта. И на этом этапе следует понять и принять во внимание, что масса абразивного материала в единицу времени в магистрали есть величина постоянная, т.е. сколько абразива попадает через дозирующий клапан пескоструйного аппарата в магистраль примерно столько же должно быть выброшено через сопло на обрабатываемую поверхность. Это объясняет тот факт, что при увеличении длин воздушно-абразивной линии, приходится уменьшать подачу абразива, (что негативно сказывается на производительности) либо увеличивать давление в магистрали, в противном случае появляется неравномерно насыщенная пульсирующая струя абразива на сопле. Не стоит забывать и о потерях давления в результате трения о стенки трубопровода, из-за уменьшения проходного сечения трубопровода в результате образования пристеночного турбулентного слоя.

Объём воздуха, и давление на сопле являются основными параметрами, влияющими на скорость и производительность пескоструйной очистки. Но стоит  оговориться пока речь идёт только о максимально–возможных скоростях воздушно-абразивного потока, хоть это и ключевые параметры, но производительность пескоструйной очистки будет так же немало зависеть от характеристик и свойств абразивного материала.

В зависимости от имеющегося объёма сжатого воздуха выбирается и проходное сечение сопла, и  чем больше объём воздуха в  наличии, тем больший диаметр сопла может быть использован. Это подразумевает и больший отпечаток на обрабатываемой поверхности (рабочее пятно), и как следствие уменьшение количества перепроходов (по аналогии с окраской – т.н. эффект переокрашивания), что существенно влияет на производительность пескоструйной очистки и расход абразива.

При повышении давления на сопле, увеличиваются скорости разгона  абразива и кинетическая энергия  удара абразивной частицы, что также  способствует увеличению производительности.

Основные функции, выполняемые  соплом - это сжатие и дополнительный разгон воздушно-абразивного потока, формирование и различное (сфокусированное или равномерное) насыщение рабочего пятна.

Про диаметр соплового  отверстия написано уже много  и с этим параметром все довольно вроде бы ясно. Резюмируя все вышесказанное можно сделать следующие выводы. Диаметр сопла динамично связан с объёмом производимого компрессором сжатого воздуха и давлением в трубопроводной магистрали, т.е. при увеличении давления увеличивается и потребляемый объём сжатого воздуха, при этом производительность пескоструйной очистки возрастает, а потребление абразива падает. Примечание: Производительность пескоструйной очистки зависит от количества соударений абразивных частиц, обладающих определённой энергией в единицу времени, с обрабатываемой поверхностью. В то же время энергия удара частицы зависит напрямую от её скорости и массы в момент соприкосновения с поверхностью.

Форма канала. По форме канала на сегодняшний день в основном используются две разновидности пескоструйных сопел:

• Прямоточные,
• Трубки Вентури.

Прямоточные сопла формируют  неравномерно насыщенный рабочий отпечаток. Основная концентрация абразива будет находиться в центре рабочего пятна, с постепенным уменьшением концентрации к краям. Такая неравномерность в распределении абразива связана с физикой прохождения воздушного потока по трубе, где на границе сопло - воздушный поток происходит формирование пристеночного турбулентного слоя, обладающего тормозящим эффектом. Сопла с прямой формой канала могут быть полезны при локальной обработке, при работе на узко профильных конструкциях (решётки, перила, сварные швы и т.п.), т. е везде, где может потребоваться сфокусированное рабочее пятно.

Сопла Вентури формируют  равномерно насыщенное рабочее пятно  и дополнительно создают предпосылки для получения при соблюдении определённых условий, максимально возможных, вплоть до сверхзвуковых, скоростей воздушно-абразивного потока. Это связанно с особой геометрией соплового канала состоящего как бы из трёх частей: конус входной горловины (конффузор), прямой отрезок (разгонная часть) и конус выходного отверстия (диффузор).

Примечание: Диаметр сопла – это диаметр прямого канала у прямоточных сопел и диаметр разгонной части сопла у сопел Вентури.

В зависимости от изменения  соотношения диаметра разгонной  части к выходному диаметру диффузора  изменяются и параметры рабочего отпечатка. Следует отметить, параметры скорости абразива и рабочего пятна также немало зависят от длины разгонной части и длины самого диффузора.

Как известно каждый абразив  обладает определёнными характеристиками - тип, твёрдость, плотность, фракционный состав и т.п. Возвращаясь к вопросам пневмотранспорта, определённый объём сжатого воздуха при определённом давлении может транспортировать строго определённое количество абразивного материала по массе. Сравним для примера кварцевый песок и стальную колотую дробь. Плотность кварцевого песка примерно 1,6 кг/дм3, а металла 7,8 кг/дм3. То есть песка будет транспортироваться и подаваться в четыре раза больше, при одинаковых исходных параметрах пескоструйной системы, чем стального абразива. Учитывая то что, производительность пескоструйной очистки зависит от количества и кинетической энергии соударений в единицу времени о поверхность. Можно сделать следующие выводы - количество соударений песчаного абразива, при одинаковом фракционном составе, по сравнению с дробью, будет в 4 раза больше. Но в то же время кинетическая энергия удара у металлического абразива также будет в 4 раза больше, чем у песка. В реальных условиях в зависимости от конкретных задач могут быть востребованы и максимально возможный чистящий эффект и максимальный кинетический удар. Поэтому вопрос выбора абразива находится в прямой зависимости от исходного состояния и требуемой конечной чистоты поверхности и приобретает такое же ключевое значение, как и проектирование оптимальной пескоструйной системы совместно с подбором оптимального струйного сопла[10].

 

Свойства абразивного  материала

Специалисты проводили пескоструйную  очистку поверхности металла  разными абразивами: кварцевый песок, электрокорунд, шлаки металлургических производств и т.д.

Основными параметрами при  выборе типа абразива являются: удельная плотность, ударная вязкость и фракционный  состав.