Устройство для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАТЕРИАЛ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СТРУИ ЖИДКОСТИ ИЛИ СУСПЕНЗИИ(71) Заявитель Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения НАНБ(72) Авторы Сечко Александр Эдуардович Свириденок Анатолий Иванович Игнатовский Михаил Иванович Ставров Василий Петрович(73) Патентообладатель Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения НАНБ(57) 1. Устройство для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии, содержащее ускоритель, разгоняемое тело, рабочую камеру с поршнем и мишень, отличающееся тем, что ускоритель содержит вертикально расположенную силовую пружину кручения, нижняя часть которой соединена с механизмом взвода, а ее верхняя часть прикреплена к центробежному механизму, посредством которого возможен запуск разгоняемого тела по кольцевому желобу стола до ударного воздействия на поршень рабочей камеры, заполненной жидкостью, что обеспечит разгон поршня до необходимой скорости для формирования высокоскоростной струи жидкости при выходе через форсунку рабочей камеры в сторону мишени. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что механизм взвода пружины выполнен в виде червячного редуктора, который расположен в основании ускорителя и соединен с нижним концом силовой пружины. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что механизм взвода снабжен стопорным устройством. 12674. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что центробежный механизм ускорителя состоит из горизонтально расположенного круглого стола, край которого выполнен в виде кольцевого желоба, а в центре стола расположена ось горизонтального кругового движения рычага, где он с одной стороны через подшипник соединен с верхним концом пружины, а другой свободный конец расположен параллельно столу в непосредственной близости от кольцевого желоба. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что рычаг центробежного механизма снабжен подпружиненным фиксатором. 6. Устройство по пп. 1 или 4, отличающееся тем, что кольцевой желоб имеет прямолинейную площадку, в конце которой соосно с траекторией движения разгоняемого тела установлен кронштейн для крепления улавливателя разгоняемого тела с одной или несколькими рабочими камерами, мишенью и (или) скоростемером. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в основу конструкции рабочей камеры с поршнем заложен плунжер топливной системы дизельного двигателя. 8. Устройство по пп. 1 или 7, отличающееся тем, что рабочая камера снабжена сменными форсунками, поршнем с приемником ударного воздействия разгоняемого тела,амортизационной прокладкой и трубчатым улавливателем разгоняемого тела. 9. Устройство по пп. 1 или 6, отличающееся тем, что мишень выполнена в виде пластинки и установлена с возможностью поворота вокруг оси и продольного перемещения по направляющим, в одной или более плоскостях и имеет пружинные пластинки для крепления исследуемого материала. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что мишень снабжена съемной диафрагмой для изменения размеров метаемой струи в виде сменных пластин с различными отверстиями диаметром от 0,5 до 10 мм, которая установлена перед исследуемым материалом. 11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мишень установлена на рычажном силоизмерителе или пластинчатых пружинах, которые снабжены тензочувствительными элементами, для измерения силы удара жидкости или суспензии.(56) 1. 73-98, 135-95 (2001) . 2.,,,-// , 203-204, 1997. - Р. 88-97. 3.,//, , 1987. 4. Информационный листок//. 5..-., - .//7,1,27. - , 1973. 6. Перельман Р.Г., Денисов Ю.Д. Установка для ускоренного испытания металлов на эрозионную прочность // Зав. лаб. -4. - 1973. 7. Патент РФ 2122206, МПК 601 33/22, 1998. 8. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел / Пер. с англ. Н.М. Михина и А.А. Силина Под ред. И.В. Крагельского. - М. Машиностроение, 1968. - С. 460. Полезная модель относится к области испытательных приборов для моделирования гидравлического разрушения материалов и может быть использована, например, при изучении кинетики гидравлических разрушений материалов и испытаний ударного воздействия капель жидкости и единичных струй на различные поверхности. Известно несколько технических решений и конструкций аппаратов для моделирования ударного воздействия жидкости 1-8. 2 1267 Известен, где в качестве ускорителя жидкости используется гидравлический насос высокого давления. Создаваемое насосом давление (0,39,0 МПа) обеспечивает скорость жидкости до 40 м/с при выходе из сопла выпускного устройства. Напротив сопла установлена диафрагма и столик с закрепленной мишенью 2. Известен- автоматический аппарат для многократных испытаний, оснащенный контрольной панелью. Автоматические клапана обеспечивают подачу жидкости в рабочую камеру с поршнем. В качестве ускорителя используется взрывная подача газа на поршень, контролируемая с помощью автоматических клапанов. Обеспечивая, таким образом, разгон поршня до скорости 50 м/с и высокую скорость жидкости при выходе через сопло (30-600 м/с) 3, 4. Известно устройство для испытаний непрерывного высокоскоростного потока жидкости. Для испытаний используется стандартное оборудование для создания непрерывного высокоскоростного потока жидкости, оснащенное тестовой камерой. Камера оснащена приспособлением для закрепления образцов, которые, вращаясь с определенной скоростью, кратковременно попадают под действие высокоскоростной струи жидкости 5. Принцип действия известной установки Московского авиационного института основан на вращении образцов в вакуумной камере от двигателя постоянного тока (1 кВт, 8000 об/мин). Камера насыщена парами жидкости (воды). Скорость соударения - до 320 м/с 6. Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, по совокупности основных признаков является- устройство для испытаний прерывистого высокоскоростного потока 4, 5, 8. В качестве ускорителя используется ствол ружья. Принцип действия установки основан на ударном воздействии разгоняемого тела - пули-пробки на рабочую камеру заполненную жидкостью. Жидкость содержится в маленькой камере, выфрезерованной в блоке из нержавеющей стали. После заполнения отверстие в камере закрывается неопреновым диском. Необходимый импульс сообщается посредством тупоносой пробки, выстреливаемой из ружья и действующей как быстро движущийся поршень. В результате жидкость выдавливается через маленькое отверстие в камере. Диск движется вместе с пробкой и препятствует утечке жидкости в обратном направлении. Масса, скорость и форма струи могут изменяться путем изменения размера камеры и скорости пробки-пули. Верхний предел скорости (около 2000 м/с) ограничен прочностью камеры. Известные устройства имеют ограничения по широкому использованию в научноисследовательских и других испытательных лабораториях. Конструкции известных устройств требуют сложных специальных агрегатов (насосы высокого давления, специальные приборы контроля, огнестрельное оружие). Такие устройства требуют квалифицированного обслуживания специалистами с допуском работы по технике безопасности к аппаратам высокого давления и огнестрельным оружиям. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание простого и дешевого прибора, не требующего специальных дорогих и громоздких агрегатов для формирования высокоскоростного потока жидкости и простого в обслуживании. Решение поставленной задачи достигается тем, что ускоритель предлагаемой полезной модели содержит вертикально расположенную силовую пружину кручения, нижняя часть которой соединена с механизмом взвода, а ее верхняя часть прикреплена к центробежному механизму, посредством которого происходит запуск разгоняемого тела (шара) по кольцевому желобу стола до ударного воздействия на поршень рабочей камеры, предварительно заполненной жидкостью, что обеспечивает необходимый разгон поршня для формирования высокоскоростной струи жидкости при выходе через форсунку рабочей камеры в сторону мишени. Устройство для взвода (закручивания) пружины выполнено в виде червячного редуктора, который расположен в основании ускорителя и соединен с нижним концом силовой 3 1267 пружины. Посредством ручного или механического привода производят взвод пружины на заданное число оборотов, после чего посредством стопорного устройства фиксируют приводной вал редуктора. Центробежный механизм ускорителя состоит из горизонтально расположенного круглого стола, край которого выполнен в виде кольцевого желоба, а в центре стола расположена ось горизонтального кругового движения рычага, где он с одной стороны через подшипник соединен с верхним концом пружины, а другой свободный конец расположен параллельно столу и находится в непосредственной близости от кольцевого желоба. При взводе пружины подпружиненный фиксатор рычаг удерживает рычаг в стартовой точке,где перед ним, рядом с кольцевым желобом, помещено разгоняемое тело, которое при освобождении рычага совершает движения по кольцевому желобу стола коробчатого сечения до выхода на прямолинейную площадку. В конце прямолинейной площадки кольцевого желоба соосно с траекторией движения разгоняемого тела установлен кронштейн для крепления улавливателя разгоняемого тела с одной или несколькими рабочими камерами,мишенью и (или) скоростемером. В основу конструкции рабочей камеры с поршнем заложен плунжер топливной системы дизельного двигателя. Рабочая камера оснащена сменными форсунками, поршнем с приемником ударного воздействия разгоняемого тела, амортизационной прокладкой и трубчатым улавливателем разгоняемого тела. Мишень выполнена в виде пластинки, установленной с возможностью поворота вокруг оси и продольного перемещения по направляющим, в одной или более плоскостях и имеет пружинные пластинки для крепления исследуемого материала. Мишень снабжена съемной диафрагмой для изменения размеров метаемой струи в виде сменных пластин с различными отверстиями диаметром от 0,5 до 10 мм, устанавливаемых перед исследуемым материалом. Мишень установлена на рычажном силоизмерителе или пластинчатых пружинах, снабженных тензочувствительными элементами, для измерения силы удара жидкости или суспензии. Вышеуказанные особенности устройства для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии являются существенными признаками, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи. Использование в конструкции заявленного устройства стандартных легкодоступных элементов и обеспечение безопасных условий работы установки позволяет широко использовать его в качестве испытательного устройства в лабораторных научно-исследовательских помещениях. Существенные отличительные признаки устройства для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии в предложенном исполнении являются новыми, так как их использование в известном уровне техники,аналогах и прототипе не обнаружены, что позволяет характеризовать установку в совокупности существенных признаков соответствием критерию новизна. Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что характеризует предложенное техническое решение с существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение по устройству для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии является результатом разработки конструкции и творческого вклада, полученного без использования нормативно-технической документации, ГОСТов, стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники для решения поставленной задачи, является оригинальным по конструктивному исполнению,неочевидным для специалистов соответствующей отрасли, характеризуется соответствием критерию изобретательский уровень. 4 1267 На фиг. 1 изображена схема устройства для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии на фиг. 2. изображен вид сверху устройства для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии на фиг. 3 показана схема конструкции рабочей камеры. Заявленное устройство для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии (фиг. 1 и 2) состоит из корпуса (рамы) 1, внутри которой вертикально расположена силовая пружина 2, закрытая металлическим кожухом 3. Нижняя часть пружины соединена с механизмом взвода, состоящего из редуктора 4, снабженного рукояткой взвода пружины 5 и стопорным устройством 6. Верхняя часть пружины соединена с центробежным механизмом, который представляет собой горизонтально расположенный круглый стол 7, край которого выполнен в виде кольцевого желоба 8. В центре стола установлен подшипниковый узел 9, с одной стороны соединенный с концом верхнего витка пружины, а с другой - с рычагом 10. Рычаг расположен параллельно поверхности стола и снабжен подпружиненным фиксатором 11. Перед свободным концом рычага в непосредственной близости от кольцевого желоба находится разгоняемое тело (шар) 12. Движение шара по кольцевому желобу начинается из стартовой площадки 13, а завершается - на прямолинейной площадке кольцевого желоба, в конце которой установлен кронштейн для крепления улавливателя 14 разгоняемого тела с одной или несколькими рабочими камерами 15, мишенью 16 и (или) скоростемером 17. Сверху стол центробежного механизма закрывается съемным защитным кожухом 18. Специфическим узлом устройства является конструкция рабочей камеры (фиг. 3). За основу конструкции взят плунжер 19 топливной системы дизельного двигателя. Плунжер оснащен сменной форсункой 20 в месте, с которой с помощью крепежной гайки 21 фиксируется в металлическом корпусе 22, а гайка 23 крепит корпус плунжерного насоса к корпусу центробежного ускорителя 24 в месте конечной круговой траектории движения разгоняемого тела. Поршень 25 плунжерного насоса оснащен приемником ударного воздействия 26 разгоняемого тела и амортизационной прокладкой 27. На крепежную гайку 21 накручивается трубчатый приемный ствол разгоняемого тела. Для приведения устройства в рабочее состояние и получения высокоскоростной струи жидкости необходимо снять защитный кожух 18 центробежного ускорителя, установить рычаг 10 ускорителя перед стартовой площадкой 13 и поместить на нее разгоняемое тело 12. С помощью подпружиненного фиксатора 11 зафиксировать рычаг. Медицинским шприцем с иголкой заполнить плунжер 19 рабочей камеры 15 заданным количеством жидкости, после чего вставить 1/4 часть поршня 25 с приемником ударного воздействия 26 разгоняемого тела и амортизационной прокладкой 27, а затем установить приемный ствол улавливателя 14 разгоняемого тела. На уровне форсунки 20 рабочей камеры установить подготовленный к работе прибор для измерения скорости метаемой струи 17 или закрепить на заданном расстоянии мишень 16 (испытуемый материал). Затем закрыть центробежный ускоритель защитным кожухом 18 и зафиксировать его предусмотренными для этого шпингалетами. Далее необходимо произвести взвод (закручивание) силовой пружины 2 против часовой стрелки на заданное число оборотов приводного вала редуктора 4 (на заданную угловую величину) с помощью рукоятки 5. При этом зубчатая пара редуктора в конечном положении фиксируется с помощью стопорного устройства 6. В этом положении центробежный ускоритель готов к работе. Для запуска шара и получения ударного воздействия им на поршень рабочей камеры необходимо произвести спуск фиксатора 11 центробежного механизма. Разгонный рычаг 10 высвободится и совершит скоростной поворот вокруг своей оси, увлекая за собой шар 12. Последний, совершая полет по круговой траектории желоба 8 стола, входит в приемный ствол 14, где ударяет в поршень рабочей камеры 15. При его перемещении происхо 5 1267 дит вытеснение жидкости из камеры плунжера и ее истечение через форсунку под высоким давлением с формированием высокоскоростной струи. В опытах достигнута скорость метания струи более 500 м/с. Применение на практике устройства для исследования ударного воздействия на материал высокоскоростной струи жидкости или суспензии позволяет решать заявленные в полезной модели задачи. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.