Ефремков Д.Н., Минаев С.И., Головин К.А.

Тульский государственный университет, г. Тула, Россия.

Анализ результатов исследований струеформирующих насадок при реализации гидроструйных технологий

В процессе эксплуатации насадки из разных материалов подвержены износу, что приводит к ухудшению качества струи, и уменьшению производительности струйной обработки. Износ насадок, а именно, увеличение диаметра отверстия, приводит к снижению рабочего давления.

От качества фильтрации воды, а именно от концентрации находящихся в струе примесей и зависит характер износа.

Из анализа литературных источников известны экспериментальные данные для определения ожидаемого срока службы нескольких видов насадок при давлении от 70 - 250 МПа и водой отфильтрованной до 25×10^-6 м [1]. Исследовались диаметры отверстия и качество струи за различное время работы.

При исследовании результатов выяснилось, что насадки из твердого сплава на основе карбида вольфрама, как правило, считаются самыми долговечными, при условии расхода более 190 л/мин и нефильтрованной воды.

При условии, что тонкость фильтрации воды равна 25×10^-6 м и выше, и давлением ниже 140 МПа ресурс насадки из твердого сплава находится в пределе от 10 до 20 часов. В данном случае эрозия материала протекает равномерно, но насадка начинает производить когерентные струи. Спустя некоторое время износ может быть настолько большим, что желаемое рабочее давление не может быть обеспеченно. Эта проблема наиболее ярко проявляется при малых диаметрах отверстия.

Например, если используется диаметр насадки 0,7 мм. наблюдается увеличение размера отверстия на 0,1 мм, т.е. на 15%, что в результате уменьшает скорость потока на 30%. Однако, если используется насадка с диаметром 2,0 мм, увеличение диаметра отверстия на 0,1 мм составляет разницу 5%, в результате чего скорость потока изменяется на 10%. В случае неравномерной эрозии при небольших изменениях диаметра отверстия, происходят большие изменения в качестве струи. При этом наблюдается уменьшение производительности в два раза и более из-за ухудшения режущей способности струи.

Качественно изготовленные насадки из нержавеющей стали могут иметь ресурс 150 - 200 часов, что в свою очередь выше чем у насадки из твердого сплава. Для достижения данного результата необходимо соблюдать следующие условия: степень фильтрации воды должна быть не менее 25×10^-6 м и давление до 140 МПа.

Сапфировые насадки наиболее часто используются для рабочего давления выше 140 МПа. Они обеспечивают лучшее струеформирование по сравнению с твердосплавными и стальными при отверстии диаметром менее 1 мм, но худшее качество – при больших диаметрах. Однако, сапфировые насадки требуют воды с тонкостью фильтрации до 1×10^-7 м и выше. При нормальных условиях, стойкость сапфировых насадок может достигать 200 часов и более, так как материал насадки в меньшей степени страдает от эрозии, чем твердый сплав или нержавеющая сталь.

Таким образом, каждому из применяемых для изготовления струеформирующих насадок материалу, присущи свои специфические свойства, определяющие особенность его практического применения.

Твердый сплав состоит из частиц карбида и связующего вещества. Изменения отношения связующего и карбида влияют как на прочность насадки, так и на сопротивление эрозии. В ходе испытаний материал с 15% связующего показал большую стойкость к износу и эрозии.

Насадки изготовленные из нержавеющей стали различаются по конструкции и качеству. Они изготавливаются в виде сменных резьбовых вставок, или путем сверления в одноразовых головках. Насадки которые выполнены со сменными вставками, как правило, обеспечивают лучшее качество струи, потому что струя при входе в насадку может быть сформирована в соответствии с пожеланиями пользователя; отверстия, просверленные в головках не обеспечивают такой возможности и дают струю худшего качества. Износ насадок из нержавеющей стали происходит по двум причинам: из-за кавитационной эрозии и абразивной эрозии. Скорость кавитационной эрозии в основном зависит от конструкции насадки, а абразивная эрозия наблюдается во всех стальных насадках при наличии абразивных частиц в воде. На скорость кавитации влияет форма входного отверстия и рабочее давление. При этом стойкость может достигать 150 часов при 140 МПа и только 20 -30 часов при 250 МПа.

Сапфир – материал очень хрупкий, и любой дефект на краях отверстия снижает качество струи. Любая частица в воде, проходящей через насадку, будет причиной появления этих дефектов, а если частицы крупные, то их удары о сапфир могут привести к разрушению насадки. Они также довольно легко повреждаются при отскоке разрушаемого материала. По этим причинам, сапфир обычно не используется при давлениях ниже 140 МПа.

Следует отметить, что каждый из применяемых материалов имеет экономически обоснованную область применения.

Конструкция насадок также оказывает существенное влияние на срок их службы. Исходное качество струи является показателем качества насадок. Установлено, что насадки из твердого сплава имеют больший ресурс по сравнению с другими материалами при использовании не фильтрованной воды. Насадки из различных типов твердого сплава на основе карбида вольфрама в зависимости от вида и процентного содержания связующего имеют разный вид и характер износа.

Разница в сроке службы становится существеннее при рабочем давлении выше 70 МПа. Стальные насадки изнашиваются быстрее в условиях грязной воды. Срок службы стальных насадок также зависит от конструкции; хорошая конструкция может обеспечить ресурс до 200 часов, в то время как плохая - лишь 40 часов.

Сапфировые насадки для длительной работы требуют тонкости фильтрации до 1×10^-7 метра или лучше. Они очень хрупкие, и не очищенная вода может вызвать быстрый износ насадок. С отфильтрованной водой сапфировые насадки могут работать 200 часов и более.

Ниже, в таблице приведены рекомендуемые на основе обобщенного литературного анализа материалы для насадок в зависимости от условий работы.

Рекомендуемые материалы насадок в зависимости от условий эксплуатации.

Материал насадки	Условия эксплуатации	Срок службы
Твердый сплав	Грязные, не фильтрованное воды; давление ниже 140 МПа	10 до 20 часов
Нержавеющая сталь	Вода с тонкостью фильтрации 25×10^-6 метра и менее, давление до 140 МПа	150 - 200 часов
Сапфир	Вода с тонкостью фильтрации 1×10^-7 метра и выше, давление свыше 140 МПа	200 часов и более

1. Материалы конференции Американской гидротехнической ассоциации/ США, Техас, Хьюстон. 2003 г., 657с.