Устройство для резки высоконапорной струей жидкости

 

Использование: при резке струей жидкости, преимущественно, неметалических материалов. Сущность: уплотнительный элемент выполнен в виде эластичной манжеты с коническим кольцевым разрезом, в который вставлена клиновидная металлическая шайба. Такая конструкция манжеты обеспечивает снижение веса устройства и повышает его надежность за счет того, что усилие прижатия манжеты к плунжеру саморегулируется величиной давления жидкости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к резке высоконапорной струей жидкости, преимущественно неметаллических материалов.

Известно устройство, содержащее генератор жидкости высокого давления, соединенный посредством гидравлического канала со струеформирующим соплом и выполненный в виде высоконапорного баллона с рабочей жидкостью с размещенным в нем перфорированным патроном с веществом, реагирующим с рабочей жидкостью с выделением газа.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее корпус, в котором размещены камеры высокого давления с плунжерами, взаимодействующими с механизмом их перемещения, каналы, соединенные со струеформирующим соплом, и уплотнительные элементы, охватывающие плунжеры и корпус.

Недостатком известного решения является быстрый износ уплотнительных элементов из-за большой цикличности хода плунжера. Кроме того, высокое давление в канале уплотнения влечет за собой увеличение прочности нажимного элемента и следовательно повышение металлоемкости, габаритов и веса устройства.

Техническим эффектом изобретения является снижение металлоемкости устройства и повышение надежности.

Это достигается тем, что в известном устройстве, содержащим корпус с размещенными в нем камерами высокого давления с плунжерами, взаимодействующими с механизмом их перемещения, каналы, соединенные со струеформирующим соплом, и уплотнительные элементы, охватывающие плунжеры и корпус, каждый из уплотнительных элементов выполнен в виде эластичной манжеты с коническим кольцевым разрезом, в который вставлена клиновидная металлическая шайба. Угол разреза манжеты и клиновидной металлической шайбы составляет 10-35^о.

Выполнение уплотнительных элементов в виде эластичной манжеты с коническим кольцевым разрезом, в который вставлена клиновидная металлическая шайба, обеспечивает снятие с нажимного элемента высокого давления, переводя его на корпус и на клиновидную металлическую шайбу, обеспечивает более плотный охват движущегося плунжера, позволяет применить нажимной элемент близкий к размеру колодца уплотнения, причем усилие прижатия манжеты к плунжеру саморегулируется величиной давления жидкости.

При угле меньше 10^о наблюдается слабое поджатие манжеты к плунжеру, а при угле больше 35^о - заклинивание манжеты, что затрудняет ее замену.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, общий вид; на фиг.2 - узел I на фиг.1; на фиг.3 - схема распределения сил при воздействии давления на манжету.

Устройство состоит из корпуса 1, в котором размещены камеры 2 высокого давления с плунжерами 3, взаимодействующими через подшипник элемента 4 с механизмом их перемещения, представляющим собой вращающуюся обойму 5 с выступом в виде части спирали Архимеда. В корпусе выполнены каналы 6, 7 с обратными клапанами 8, 9, полость 10 с эластичной камерой 11, соединенная со струеформирующим соплом 12, а также колодцы с уплотнительными элементами 13.

Каждый из уплотнительных элементов выполнен в виде эластичной манжеты с коническим кольцевым разрезом, в который вставлена клиновидная металлическая шайба 14. Угол разреза упругой манжеты и клиновидной металлической шайбы составляет 10-35^о. Верхняя часть манжеты охватывается фрикционным разрезным кольцом 15. Манжеты собраны в пакет и отделены друг от друга металлическими шайбами 16. Количество манжет в пакете определяется из расчета наименьшей величины затяжки нажимного элемента 17.

Процесс резки с помощью предлагаемого устройства происходит следующим образом.

Жидкость подается под давлением 0,5-1 МПа через клапан 7 по каналу 6 в камеру 2. При вращении обоймы 5 выступ в виде части спирали Архимеда набегает на подшипник и через элемент 4 перемещает плунжер 3 вниз. При этом в камере 2 возникает высокое давление жидкости, которое передается от каждого плунжера в полость 10, где сжимает эластичную камеру 11 и через струеформирующее сопло подается на обрабатываемую поверхность.

При возникновении в камере 2 высокого давления жидкость также проникает в колодец с уплотнительными элементами 13 и воздействует на нижнюю манжету с давлением Р_ж (см. фиг.2, 3).

Так как плоскость соприкосновения манжеты с клинокольцом выполнена под углом α к направлению действия силы давления Р_ж, причем манжета и кольцо имеют возможность взаимного перемещения, на клинокольце передается часть силы, направленная нормально к поверхности Р_н, тангенциальная составляющая компенсируется силами взаимодействия манжеты со штоком при создании силы охвата Р_п. Величины их составит Р_н= Р_ж˙cosα , Р_п=Р_ж˙sinα.

Клиновое кольцо взаимодействует с верхней частью манжеты по поверхности, расположенной под угломϕ к направлению действия силы Р_н также с возможностью взаимного их перемещения. Поэтому на верхнюю часть манжеты передается часть силы Р_н, нормальная к поверхности Р_в, а тангенциальная составляющая силы Р_н компенсируется упругостью клинокольцевой шайбой. Сила Р_в составит: Р_в=Р_н ˙cosϕ= =Р_ж ˙сosα˙cosϕ .

Сила Р_в, воздействуя на верхнюю часть манжеты, создает усилие прижатия манжеты к корпусу Р_к и выталкивающее осевое усилие Р_у, составляющие соответственно Р_к=Р_в ˙сosβ =Р_ж ˙cosα. ˙cosϕ ˙cosβ , Р_у=Р_в ˙sinβ =Р_ж ˙cosα ˙cosϕ ˙sinβ. При отсутствии сил трения и углах α=30^о; β=30^o; ϕ=30^о Р_у=0,38Р_ж При учете коэффициента трения К разрезной фрикционной шайбы, сила затяжки нажимного элемента F_зат.=Р_у ˙S_м-Р_к ˙К, где S_м - площадь кольца манжеты.

Пример расчета силы затяжки нажимного элемента. Диаметр плунжера, см 1 Диаметр манжеты, см 2,2 Угол α^о 30 Угол ϕ^о 30 Угол β^о 30 Получаемое давление жидкости - 400 МПа.

Силу, выталкивающую уплотнительный элемент F_выт.=S ˙P=3,01˙ 4000=120400 Н, Давление, действующее на стенку корпуса верхней манжетой Р_к=Р_ж˙cosα ˙cosϕ ˙cosβ =400x x0,6495=259,8 МПа.

Находим силу трения о корпус F_тр.=Р_к ˙К (коэффициент трения К=0,3).

Fт_р.=2598 ˙0,3=779,4 кгс=1194 Н, давление на нажимной элемент
Р_у=400˙cosα ˙cosϕ ˙sinβ =400x x0,38=152 МПа.

Сила, действующая на нажимной элемент
F_у=1520 ˙3,01=4575,2 кгс=45752 Н.

С учетом силы трения на нажимной элемент приходится
4575,2-779,4=3795,8 кгс=37958 Н.

Из примера видно, что давление на нажимной элемент снизилось 400/152= 2,63 раза.

Если поставить еще один уплотнительный элемент, то сила затяжки нажимного элемента также снизится в 2,63 раза, т.е. 3795,8/2,63=1443,27 кгс= 14432,7 Н.

Использование предлагаемого устройства позволяет снизить металлоемкость и повысить надежность за счет уменьшения нагрузки на нажимной элемент.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ ВЫСОКОНАПОРНОЙ СТРУЕЙ ЖИДКОСТИ, содержащее корпус, размещенные в корпусе камеры высокого давления с плунжерами, установленными с возможностью взаимодействия с механизмом их перемещения, выполненные в корпусе каналы, соединенные со струеформирующим соплом, и размещенные между плунжерами и корпусом уплотнительные элементы, отличающееся тем, что каждый из уплотнительных элементов выполнен в виде эластичной манжеты с коническим кольцевым вырезом и размещенного в упомянутом вырезе эластичной манжеты клиновидного металлического распорного элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол конусности конического кольцевого выреза равен 10 - 35^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3