ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЩНОСТИ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ИНЕРЦИОННО-УДАРНЫМ ИСТРУМЕНТОМ

Конкурентоспособность выпускаемой продукции, в том числе и машиностроительной, экономия энергетических и материальных ресурсов, обеспечение эксплуатации и ремонта теплоэнергетического  оборудования, имеют решающее значение на современном этапе экономического развития.

В связи с этим восстановление труб для последующего их использования в качестве заготовок машиностроения [2,9], как, например, в производстве втулок, колец, полых валов, очистка труб при ремонте скважин нефтяных и газовых месторождений [6,8], удаление отложений с внутренней поверхности труб теплообменных агрегатов, являются актуальными техническими задачами.

Однако реализация всех перечисленных задач невозможна без проведения мероприятий по обработке внутренней поверхности труб с целью удаления дефектных слоев различных технологических отложений и обеспечения требуемого качества их внутренней поверхности.

Среди широкого количества методов обработки внутренней поверхности труб широкое место получил механический метод с использованием шарошечного инструмента [5,7]. Следует отметить, что данный метод получил широкое распространение также в процессе ремонта и обслуживания теплообменного оборудования и  котельных агрегатов.

Реализуется данный метод путем применения специализированных установок, включающих в свой состав следующие основные элементы: привод, передаточный элемент (как правило, жесткий или гибкий вал), а также обрабатывающий инструмент.

Так при очистке труб с внутренним диаметром от 60  до 125 мм может быть использован инерционно-ударный инструмент с синхронно раскрывающимися рабочими элементами [10], представленный на рис. 1.

Преимущества данного инструмента заключаются в том, что ось  каждого рабочего элемента 6 с обеих сторон имеет по серьге 5 закрепленной на соответствующем подвижном диске 3, происходит одновременное и симметричное раскрытие всех рабочих элементов 6. Вследствие этого при отрыве одного или двух элементов от поверхности отложения возникает суммарная центробежная сила, действующая на корпус чистящей головки в радиальном направлении к центру трубы. За счет этого повышается его устойчивость, а следовательно, равномерность и эффективность обработки.

Однако эффективное применение данного метода и оборудования невозможно при отсутствии обоснованной методики расчета технологических режимов работы оборудования, важнейшим параметром которых является мощность, потребляемая в процессе обработки [3,4].

Было выявлено, что на мощность обработки  инструмента с синхронно раскидывающимися очистными элементами оказывает влияние множество факторов. В результате поисковых экспериментов было изучено влияние  ряда факторов на технико-экономические показатели процесса обработки. Среди множества конструкционно-технологических факторов при фиксированной прочности материала отложений, были выявлены следующие:

Для исследования совокупного влияния этих факторов использовался метод математического планирования по плану ЦКОП  2⁴ [1]. Результаты эксперимента были обработаны на ЭВМ с помощью программы MathCAD 13.

На основе априорной информации предполагалось, что в исследуемой области параметров обработки, целевую функцию можно адекватно описать полиномом второго порядка [1]:

  .                      (1)

где  у  — расчетное значение функции отклика; b₀  — свободный коэффициент; b_i  — коэффициенты при линейной зависимости;
 b_ij  — коэффициенты при парном взаимодействии факторов;  b_ii — коэффициенты при квадратичных эффектах;  x_i  — линейный эффект; x_i∙x_j — эффект парного взаимодействия;  x_i ² — квадратичный эффект.

В результате обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, которое позволило определить зависимость целевой функции мощности обработки, которая в натуральном выражении имеет следующий вид:

 (2)

Графические зависимости мощности, потребляемой приводом главного движения от конструктивно-технологических параметров,  представлены на  рис.2.

Зависимость потребляемой мощности от частоты вращения инструмента при остальных фиксированных параметрах показывает квадратичный характер её изменения.

На рис. 2, а изображена поверхность, описывающая функцию , при фиксированных значениях  длины зубца шарошки
b = 40 мм и диаметре трубы D_Вн = 82 мм. Из анализа графиков установлено, что с увеличением частоты вращения инструмента от 1293 до 2707 об/мин происходит увеличение мощности, потребляемой приводом  от 200 до 1200 Вт, при этом зависимость целевой функции от параметра n носит слабо выраженный нелинейный  характер, так как коэффициент при линейном эффекте почти в 5 раз больше квадратичного.

Изменение скорости подачи от 293 до 1707 при n = 2000 об/мин приводит к увеличению потребляемой мощности на 9% с 525 до 575 Вт. Зависимость потребляемой мощности от фактора  близка к линейной.

Из графиков изменения потребляемой мощности от длины зубца шарошки b (рис. 1, б)  очевидно, что данная зависимость имеет нелинейный характер, о чём говорят коэффициенты при соответствующих переменных.   Изменение потребляемой мощности на всём рассматриваемом диапазоне возрастания длины зубца рабочего элемента при  об/мин составляет 3,4%, с 175 до 181 Вт. С изменением параметра b от минимального до максимального значения при   об/мин происходит увеличение потребляемой мощности на 12 %. В центральной точке плана эксперимента  рост мощности  составил 14%  с  512 до 582 Вт.

Из графика функции , представленного на рис. 2, б, очевидно, что увеличение диаметра очищаемой трубы с 76 до 88 мм приводит к  повышению мощности, потребляемой приводом на 13–15%, при значениях частоты вращения 1500 и 2500 об/мин соответственно. Зависимость потребляемой мощности от величины внутреннего диаметра очищаемой трубы при остальных фиксированных параметрах показывает также нелинейный характер  изменения целевой функции от D_Вн.

Результаты обработки экспериментальных данных по определению потребляемой мощности подтверждают справедливость теоретических исследований [4] о влиянии конструктивно-технологических факторов на целевую функцию:

 –        эффект повышения мощности обработки при увеличении частоты вращения и внутреннего диаметра очищаемой трубы обусловлен ростом усилия прижатия рабочего элемента к поверхности отложения, а следовательно, увеличением момента сопротивления движению рабочего элемента;

–         увеличение значений параметров b также приводит к росту потребляемой мощности, что объясняется  возникновением дополнительных сопротивлений при движении шарошки. Рост сопротивления движению во вращательном движении инструмента с увеличением параметра S_М объясняется увеличением усилия прижатия торцевой части рабочего элемента к отложению в направлении оси трубы, что позволяет нам в данном случае провести некоторую аналогию с процессом сверления. Такое поведение целевой функции было подтверждено теоретическими исследованиями.

  Практическая значимость представленных результатов обоснована тем, что полученные регрессионные и графические зависимости могут быть использованы в методике расчета технологических режимов обработки, а также при проектировании установок и выборе приводных устройств для обрабатывающего инструмента.

 

Список литературы:

1. 1. Ахназарова, С. Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии : учеб. пособие / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. – 2-е изд., перераб и доп. – М. : Высшая школа, 1985. – 327 с.
2. Афонькин М. Г. Производство заготовок в машиностроении /
   М. Г. Афонькин, М. В. Магницкая. – Л. : Машиностроение, 1987. – 256 с. : ил.
3. Бондаренко, В. Н. Исследование процесса разрушения накипи и отложений при очистке труб теплообменных агрегатов чистящими головками с инерционно раскрывающимися очистными элементами /
   В. Н. Бондаренко, И. Р. Бондаренко, Д. Ю. Волков // Вест. Брян. гос. ун-та. – 2010. – № 2 (26). – С. 55–59.
4. Волков, Д. Ю. Определение мощности привода в технологии очистки труб теплообменного оборудования от отложений / Д. Ю. Волков,
   И. Р. Бондаренко, В. Н. Бондаренко // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. – 2010. – № 2. – С. 97–99.
5. Каталог оборудования для очистки котлов и теплообменников от накипи и отложений / Научно-техническое предприятие “Сплавы-сервис”. – Белгород, 2002. – 22 с.
6. Масловский, В. В. Основы технологии ремонта газового оборудования и трубопроводных систем : учеб. пособие / В. В. Масловский,
   И. И. Капцов, И. В. Сокруто. – Изд. 2-е, стер. – М. : Высшая школа, 2007. – 320 с. – (Для высших учебных заведений).
7. Методические указания по безреагентным способам очистки теплообменного оборудования от отложений : РД 153 — 34.1 — 37.410 — 00. – М. : АООТ “ВТИ”, 2000. – 22 с.
8. Омельянюк, М. В. Разработка технологии гидродинамической кавитационной очистки труб от отложений при ремонте скважин [Электронный ресурс] : дис. … канд. техн. наук : 25.00.15, 05.02.13 /
   М. В. Омельянюк ; науч. рук. В. П. Родионов. – Краснодар, 2004. – (Из фондов Российской Государственной библиотеки). – Режим доступа :
9. Схиртладзе, А. Г. Проектирование и производство заготовок : учеб. для студентов вузов / А. Г. Схиртладзе, В. П. Борискин, А. В. Макаров. – Старый Оскол, 2006. – 448 с.
10. Чистящая головка : пат. 93311 Рос. Федерация : МПК В08В 9/27 /
    И. Р. Бондаренко, В. Н. Бондаренко, А. С. Чурносов ; патентообладатель Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «БГТУ
    им. В. Г. Шухова». – № 2009126714/22 ; заявл. 13.07.09 ; опубл. 27.04.10, Бюл. № 12. – 2 с.[schema type=»book» name=»ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЩНОСТИ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ ИНЕРЦИОННО-УДАРНЫМ ИСТРУМЕНТОМ» description=»На основании экспериментальных исследований получена регрессионная зависимость мощности развиваемой приводом в процессе обработки внутренней поверхности труб с целью удаления технологических отложений инструментом инерционно-ударного действия.» author=»Бондаренко Иван Русланович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]