waterjet.org.pl najwięcej o technologii strugi wody

Transkrypt

1 Podstawy przecinania wysokociśnieniową strugą wodną dr inż. Ryszard SOBCZAK, dr inż. Jarosław PRAŹMO - Jet Solutions Streszczenie W artykule opisano podstawowe zagadnienia dotyczące procesu przecinania z wykorzystaniem wysokociśnieniowej strugi wody. Przybliżono teoretyczne podstawy przecinania strugą, parametry hydrauliczne i technologiczne oraz zalety i wady, a także przykłady komercyjnego wykorzystana takiego procesu kształtowania (porcjowania) materiałów. 1. Wstęp Przecinanie wysokociśnieniową strugą wodną polega na oddziaływaniu odpowiednio uformowanej strugi, zwykle o naddźwiękowej prędkości, na obrabiany materiał. Koncentracja dużej energii kinetycznej strugi na niewielkim obszarze powoduje spiętrzenie naprężeń skutkujących gwałtownym płynięciem materiału i inicjowaniem mikroszczelin rozluźniających materiał w strefie obróbki. Proces usuwania materiału ze strefy obróbki można określić mianem lawinowej erozji. 2. Struktura strugi wodnej Wysokociśnieniowa struga wodna kształtowana jest w dyszach o typowym zakresie średnicy 0,1 2 mm. Obecne urządzenia technologiczne umożliwiają stosowanie ciśnień roboczych powyżej 600 MPa. Schematyczną strukturę wysokociśnieniowej strugi wodnej przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Struktura wysokociśnieniowej strugi wodnej (d-średnica dyszy; a p - teoretyczna długość rdzenia; a c -rzeczywista długość rdzenia; a b - długość strugi zwartej; całkowita długość strugi) [14].

2 Struga wodna, wypływająca z dyszy z dużą prędkością, uderza w powietrze poruszające się z pomijalnie małą prędkością, co powoduje wystąpienie sił aerodynamicznych- również w kierunku prostopadłym do osi strugi. W zewnętrznym obszarze strugi zachodzi proces wymiany masy pomiędzy wodą a powietrzem, skutkujący powstaniem strugi kropelkowej. Efektem zjawiska aeracji jest stożkowy kształt strugi. Intensywność aeracji strugi wzrasta wraz ze wzrostem odległości od dyszy, doprowadzając ostatecznie do całkowitego rozpadu strugi. Na kształt strugi wodnej istotny wpływ ma ciśnienie wody. Wzrost ciśnienia wody skutkuje zwiększeniem prędkości strugi, a to z kolei zwiększeniem sił aerodynamicznych i intensyfikacją zjawiska aeracji strugi. W konsekwencji wzrostu aeracji strugi skróceniu ulega zwarta część strugi i zwiększa się kąt wierzchołkowy warstwy rozpylonej. Na rys. 2 przedstawiony widok rzeczywisty kształtu strugi wodnej w funkcji ciśnienia wody. a) b) c) Rys. 2. Widok ogólny struktury strugi wodnej w funkcji ciśnienia wody, ϕ d = 0,08mm (a-55 MPa, b-70 MPa, c-90 MPa). Kształt wysokociśnieniowej strugi wodnej ma istotny wpływ na głębokość przecinania. Od kształtu strugi i odległości dyszy od obrabianego materiału zależy obszar, na jakim skupiona jest całkowita energia kinetyczna strugi. Stożkowy kształt strugi sprawia, że wzrost odległości dyszy od materiału obrabianego powoduje zmniejszenie głębokości i poszerzenie szczeliny cięcia. 3. Dysza do formowania strugi wodnej Typowa dysza do formowania wysokociśnieniowej strugi wodnej zbudowana jest z wykonanego ze stali kwasoodpornej korpusu oraz zamontowanego w nim np. szafirowego wkładu z otworem formującym strugę. Korpusy dysz, zależnie od typów, produkowane są w różnych kształtach, natomiast kształty otworów formujących strugę - zwykle są do siebie zbliżone. Budowę dyszy oraz geometrię jej otworu formującego przedstawiono na rys. 3. Geometria otworu formującego dyszy, do formowania strugi wodnej, charakteryzuje się ostrą (prostokątną) krawędzią wlotową do części cylindrycznej, której stosunek długości do średnicy wynosi 1 2. Ta część otworu formuje wypływającą z dyszy strugę. Otwór zakończony jest formą stożkową, która nie bierze czynnego udziału w procesie formowania strugi. Dopuszczalne ciśnienie robocze dyszy wynosi zwykle MPa, a minimalna średnica otworu formującego ok. 80 µm.

3 a) b) Rys. 3. Geometria przykładowej dyszy do formowania strugi wodnej (a - budowa dyszy; b -geometria otworu formującego). 4. Współczynnik wydatku i spójność strugi Od początku stosowania strugi wodnej, jako narzędzia erozyjnego, trwały prace nad zwiększeniem jej koncentracji, poprzez opracowanie właściwej geometrii dyszy formującej [3, 10, 13] oraz wprowadzanie domieszek zwiększających jej spójność [1, 4, 9, 11]. Geometria wzdłużna otworu formującego strugę w dyszy roboczej ma również istotny wpływ na współczynnik wydatku (sprawność dyszy) strugi. Na rys. 4. pokazano związek pomiędzy Rys. 4. Zależność współczynnika wydatku dyszy od geometrii jej otworu [7]. przykładowymi kształtami otworu formującego strugę wodną a współczynnikiem wydatku strugi (sprawnością dyszy). Z przedstawionego rysunku wynika, że współczynnik wydatku zawiera się w przedziale od 0,6 do 0,98. Najniższa wartość (0,6) współczynnika dotyczy cylindrycznego otworu z prostokątną krawędzią wlotową, a najwyższa otworu z zaokrągloną krawędzią wlotową. Kompromisowe rozwiązanie ze stożkową częścią wlotową charakteryzuje się współczynnikiem wydatku na poziomie 0,9. Ciągły kształt i odpowiednio długa część cylindryczna otworu formującego korzystnie wpływa na koherentność wytwarzanej strugi. Innym sposobem zwiększenia spójności strugi jest

4 zwiększenie jej lepkości kinetycznej poprzez wprowadzenie do wody domieszek polimerowych. Na rys. 5. pokazano kształt strugi z różnymi domieszkami polimerowymi. a) b) c) d) Rys. 5. Kształt strugi z dodatkiem polimerów (a- bez dodatku polimeru; b- poliakrylamid 0,3%; c- poliwinylopirolidon 4%; d- glikol polialkilenowy 9%). Na podstawie zamieszczonych na rys. 5 zdjęć można stwierdzić, że najkorzystniejsze efekty uzyskano wskutek wprowadzenia do wody poliakrylamidu, w tym przypadku, do uzyskania koherentnej strugi, wystarczyło stężenie o wartości 0,3% całkowitej objętości wody. W przypadku poliwinylopirolidonu, do uzyskania znaczącej poprawy geometrii wytwarzanej strugi, niezbędne było wprowadzenie tego polimeru w ilości 4% całkowitej objętości wody. Najmniej korzystnie w tym zestawieniu wypadł glikol polialkilenowy, do uzyskania akceptowalnej poprawy geometrii konieczne było wprowadzenie tego polimeru w ilości 9% całkowitej objętości strugi. 5. Prędkość strugi Prędkość strugi wodnej wypływającej z dyszy roboczej zależy głównie od wartości ciśnienia wody przed dyszą. Wzrost ciśnienia wody przed dyszą powoduje zwiększenie prędkości wypływu strugi z dyszy. Przy ciśnieniu wody rzędu 50 MPa prędkość strugi przekracza 300 m/s; dla ciśnienia 300 MPa dochodzi do 770 m/s, natomiast przy ekstremalnie wysokim ciśnieniu 700 MPa jej prędkość osiąga 1170 m/s. Schematyczny rozkład prędkości w wysokociśnieniowej strudze wodnej pokazano na rys Najwyższą prędkość wypływu struga wodna uzyskuje na wylocie dyszy w jej osi symetrii. Jednak wraz ze wzrostem odległości od dyszy struga taka sukcesywnie wytraca swą prędkość w wyniku hamującego oddziaływania otaczającego ją powietrza.

5 Rys. 6. Rozkład prędkości w strudze wodnej [8]. 6. Teoretyczne podstawy przecinania Fundamentalnym prawem mechaniki płynów stosowanym do opisu podstawowych własności strugi wodnej jest równanie Bernoulliego. Pomimo tego, że równanie to odnosi się do cieczy nieściśliwej i nielepkiej można je stosować z pewnym przybliżeniem do opisu własności cieczy rzeczywistych [9]. Według tego prawa sumaryczna energia każdego punktu cieczy w przepływie ustalonym jest wartością stałą. Równanie to ma postać: gdzie: g- przyśpieszenie ziemskie, p- ciśnienie przed otworem, p 0 - ciśnienie otoczenia, v- prędkość wypływu płynu przez otwór, v 0 - prędkość przepływu po stronie wlotowej, z- wysokość położenia otworu dyszy, z 0 - wysokość ciśnienia, γ- gęstość płynu, ξ - współczynnik straty lokalnej przy wlocie do otworu., (1)

6 Po przekształceniu równania i uwzględnieniu, że z 0 -z = H i p 0 =p, prędkość wypływu strugi z otworu określona jest wzorem: 2. (2) Wydatek można obliczyć ze wzoru: 1 2. (3) gdzie: d- średnica dyszy, D- średnica przewodu przed dyszą, f- pole powierzchni otworu dyszy. a współczynnik wydatku ze wzoru: 1. (4) Energię kinetyczną strugi zaś ze wzoru: (5) Istotnym parametrem, od którego zależy wydajność przecinania jest gęstość mocy strugi. Gęstość mocy jest stosunkiem mocy strugi przypadającej na jednostkę powierzchni obrabianego materiału. Przykładowe zestawienie gęstości mocy w zależności od ciśnienia i wydatku strugi oraz średnicy dyszy wodnej przedstawiono w Tabeli 1. Tab.1. Zestawienie przykładowych parametrów technologicznych strugi o stałej mocy Moc strugi kw Ciśnienie MPa Wydatek dm 3 /min Średnica dyszy mm Gęstość mocy kw/mm ,994 0, ,997 0, ,998 0, ,498 0, ,599 0, ,999 0,

7 Do obliczeń przyjęto moc strugi o wartości 30 kw, a ciśnienie w przedziale od 100 do 600 MPa. Wydatek strugi i średnica dyszy są wartościami wynikowymi zmieniającymi się odpowiednio w przedziałach 3 18 dm 3 /min i 0,24 0,93 mm. Z przedstawionej tabeli wynika, że gęstość mocy w tych warunkach zwiększa się w przedziale od 44 do 651 kw/mm 2 wraz ze wzrostem ciśnienia i zmniejszaniem średnicy dyszy wodnej. Jest to kilkunastokrotny wzrost wartości gęstości mocy przy zachowaniu stałej wartości mocy strugi. Strugi wodne o stałej mocy i różnej konfiguracji ciśnienia, wydatku i średnicy dyszy wodnej umożliwiają obróbkę o zbliżonej wydajności objętościowej. W procesie przecinania strugą wodną korzystne jest maksymalizowanie jej gęstości mocy, ponieważ skutkuje to zmniejszeniem szerokości szczeliny cięcia i zwiększeniem głębokości przecinania obrabianego materiału. 7. Przykłady przemysłowego wykorzystania strugi wodnej Liczne zalety technologii przecinania strugą wodną, głównie wydajność, łatwość adaptacyjna do ciągle zmieniających się zadań obróbkowych, mała ilość odpadów, brak destrukcyjnego wpływu, poza strefą erozji, na obrabiany materiał sprawiają, że taki sposób kształtowania (porcjowania) materiałów znalazł szerokie, komercyjne zastosowanie. Wysokoenergetyczna struga wodna wykorzystywana jest głównie do przecinania materiałów o mniejszej twardości takich jak gumy, pianki, kartony, tworzywa itd. Bardzo popularnym obszarem wykorzystania strugi wodnej do porcjowania materiałów jest przemysł spożywczy. Na rys. 7. przedstawiony przykłady komercyjnego wykorzystania strugi wodnej do przecinania żywności. a) b) c) d) Rys. 7. Przykłady wykorzystania strugi wodnej do cięcia żywności (a- cięcie ciasta, b- jabłka, c-pizzy, d-ryby).

8 Spójna struga wodna o niewielkiej średnicy (0,1 0,25 mm) doskonale sprawdza się do wydajnego kształtowania ciast (zarówno świeżych jak i mrożonych) ryb (świeżych i mrożonych), mięsa, warzyw i innych materiałów spożywczych. 8. Podsumowanie W obecnych zastosowania przemysłowych strugi wodnej można wyodrębnić trzy umowne zakresy ciśnienia obróbki: niski (do 20 MPa), średni ( MPa) i wysoki (powyżej 300 MPa). Struga wodna o niskim ciśnieniu jest stosowana od wielu dziesiątków lat głównie w kopalniach do wypłukiwania i wspomagania urobku kruszyw [2, 5]. Postęp w rozwoju pomp ciśnieniowych umożliwił stosowanie średnich ciśnień strugi. Wzrost energii kinetycznej strugi spowodowany zwiększeniem ciśnienia roboczego znacząco poszerzył obszar jej przemysłowego stosowania. Struga o takich parametrach stosowana jest głównie do czyszczenia powierzchni technicznych, oraz przecinania produktów spożywczych np. ciasta, mięs, ryb. Struga wodna o ciśnieniu powyżej 300 MPa może być skutecznie stosowana do przecinania szerokiej gamy materiałów o mniejszej wytrzymałości, jak: sklejka, guma, tworzywa sztuczne, żywność. Struga o ultra wysokim ciśnieniu (powyżej 600 MPa) umożliwia także przecinanie cienkich metali [6, 12], jednakże z uwagi na specyfikę procesu erozji wywołanej oddziaływaniem na obrabiany materiał strugi wodnej, korzystnie jest stosować, do takich zadań, strugę domieszkowaną ścierniwem. 9. Literatura [1] Chacko S.V., Gupta A., Summers D.A.: Comparative performance study of polyacrylamide and xanthum polimer In abrasive slurry jet WJTA American Waterjet Conference. Houston, Texas, 2003, paper No 5-C. [2] Engemann B.K., Herbrich H., Kessler B., Langemann M.: Schneiden mit Laserstrahlung und Wasserstrahl. Anwendung, Erfahrungen, Ausblick. Kontakt&Studium Band 362, Expert Verlag, 1993 [3] Farmel I.W., Attewell P.B.: Rock penetration by high velocity water jet. Int. Journ. Rock Mech. Min. Sci, 22, [4] Franz N.C.: Fluid additives for improving high velocity jet cutting. First International Symposium on Cutting Technology. 1972, Coventry. [5] Hoogstrate A.M.: Towards High-Definition Abrasive Waterjet Cutting. TU Delft, [6] Miller D.S.: New abrasive waterjet systems to compete with lasers WJTA Amer. Waterjet Conference. Houston. 2005, paper No. 1A-1. [7] Powell M.: Optimization of UHP waterjet cutting heads, the orifice American WJTA Conference and Expo. Houston, Texas, 2007, paper No 2-F. [8] Przyklenk K., Schlatter M.: Simulation of the cutting process in water jetting with the finite element method. 8th Int. Syp. on Jet Cutting Technology. Durham, 1986, pp [9] Rochester M.C., Brunton J.H.: High Speer impast of liquid jest on solids. First International Symposium on Cutting Technology. 1972, Coventry. [10] Shtukaturov K.M., Kuklin I.S.: The influence of the initial diameter and jet pressure on its quality. Acad. Sci., USSR, Urals Branch, Works of the Mining Institute 3, 1962.

9 [11] Sims J.S. et all.: Astudy of external augmentation of the velocity of fluid jest. Bowles Engineering Corp [12] Susuzlu T., Hoogstrate A.M., Karpuschewski B.: Effectiveness of ultra-high pressure waterjets up to 700 MPa. 17th International Conference on Water Jetting Advances and Future Needs. Mainz, Germany, 2004, pp [13] Voytsekhovsky B.V. et all.: On the destructions of rock and metals by high pressure jest of water. First International Symposium on Cutting Technology. 1972, Coventry. [14] Yanajda K.: Flow characteristics of water jets. Proceedings of 2 nd Int. Symp. on Jet Cutting Technology, Cambridge, 1974, pp