Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Методы пространственно-временного управления энергией электрогидравлического эффекта

Разработанные методы управления энергией электрогидрав­лического эффекта обеспечивают самые разнообразные виды электрогидравлической обработки материалов, позволяют наибо­лее рационально и полно использовать на практике все его мно­гообразные возможности.

Метод «грязного забоя». Этот метод позволяет с помощью изменения неэлектрического фактора влиять на электрические параметры разряда, приводя форму импульса тока к наиболее выгодной (близкой к апериодической), обеспечивающей нормаль­ную работу различных электрогидравлических устройств в слож­ных условиях [41]. Еще в 1950 г. было установлено, что по­вышение объемного содержания различных твердых, жидких и га­зообразных (не растворенных в жидкости) примесей существен-' ным образом влияет на протекание разряда в этой жидкости. Оказалось, что такие примеси по мере увеличения их объемного содержания в жидкости все более и более затрудняют прораста­ние стримеров по извилистому пути между мелкими, плотно распо­ложенными частицами включений. Увеличение их содержания делает жидкость более прочной к пробою разрядами, по сути дела увеличивая ее механическое сопротивление развитию пробоя, хотя электрическое сопротивление жидкости при этом может и не возрастать. В опытах было установлено, что стример, а с ним и искровой разряд, избегают проходить через объем жидкости между электродами, предпочитая огибать его довольно длинной дугой сверху или снизу. Это «избегание» отсутствует в нескольких первых разрядах и проявляется достаточно ярко только при частом их повторении. Причиной такого поведения разрядов являются микроскопические пузырьки газов, обильно выделяющиеся в этом объеме после каждого электрогидравличес - кого удара и в большом количестве скапливающиеся в нем уже после двух-трех первых ударов. Из-за своей микроскопи­чески малой величины эти пузырьки почти не всплывают, надолго задерживаясь в объеме жидкости между электродами. Очевидно, что именно эти пузырьки, создавая зону с повышенным содержа­нием механических газообразных примесей, и вынуждают разряд огибать ее, идя путем наименьшего сопротивления по границам этой зоны, поскольку пробой по прямой линии, через пузырьки, требует большего напряжения, чем по'линии, огибающей эту зону.

Эти наблюдения послужили основанием для установления закономерности влияния неэлектрических факторов (повышения, объемного содержания обрабатываемого материала) на элект­рические параметры разряда, позволяющие приводить форму кривой импульса тока к наиболее выгодной (близкой к апериоди­ческой) и предложить метод управления разрядом, названный методом «грязного забоя». Название метода было взято из буровой техники, поскольку все явления, связанные с ним, впервые были установлены в опытах по электрогидравлическому бурению [4].

Сущность метода сводится к тому, что при работе С искровым разрядом на электрогидравлических установках вместе с повыше­нием объемного содержания в жидкости каких-либо механических примесей (например, частиц обрабатываемого материала, пузырь­ков газа и т. п.) и уменьшением диаметра этих частиц возрастает и напряжение, необходимое для пробоя существующего в этих установках рабочего искрового промежутка.

На практике этот способ может быть реализован в различных электрогидравлических устройствах, оптимальный режим работы которых обеспечивается простым регулированием объемного содержания механических примесей в жидкости, заполняющей камеру обработки, независимо от принятого режима обработки.

Так, при работе на электрогидравлических дробилках, ориен­тировочно установив напряжение, необходимое для пробоя дан­ного рабочего промежутка, и начав работу без подачи воды в зону разряда, достигают того, что содержание примесей (т. е. частиц самого обрабатываемого материала) в зоне разряда по мере измельчения этого материала-будет все время возрастать и наконец достигнет такого предела, когда установленного напря­жения окажется уже недостаточно для пробоя, а искровая форма разряда перейдет в кистевую и процесс дробления прекра­тится. Однако стоит только начать подачу воды в зону разряда, как кистевые разряды сменятся искровыми и процесс дробления возобновится. Наблюдая на экране осциллографа возникающие при этом изменения формы кривых импульсов тока, можно уста­новить, что момент возобновления процесса дробления соответ­ствует появлению теоретически идеального и самого экономичного варианта — апериодической формы кривой импульса тока, а значит, и выходу устройства на оптимальный режим его работы.

Особое значение этот метод имеет для электрогидравлического бурения, дробления и других процессов [3, 5].

Метод автоматического распределения (вращения) разрядов.

Предложенный метод прямо вытекает из метода «грязного забоя» и позволяет вращать разряды по всем радиусам сечения рабочей камеры электрогидравлического устройства и обеспечивать макси­мально возможные размеры активной зоны воздействия с автома­тическим разрушением (или обработкой) сначала наиболее крупных, а затем уже мелких объектов [3, 4].

Сущность метода заключается в следующем. Поскольку про­бивное напряжение данного рабочего искрового промежутка за­висит от объемного содержания примесей, находящихся в жид­кости, заполняющей камеру обработки, то при данном рабочем напряжении и стабильной длине всех возможных искровых про­межутков разряд прежде всего пройдет там, где эти частицы крупнее, т. е. где объемное содержание обрабатываемого мате­риала (примеси) мало. Пройдя по этому пути, первый разряд разрушит вокруг себя материал, измельчит его, а следовательно, и автоматически повысит его объемное содержание в этой области, чем сделает практически невозможным прохождение по этому же пути следующего разряда, который направится теперь уже по другому пути, имеющему меньшее сопротивление, а значит, и наибольшую в данном случае крупность материала. Последую­щие разряды приведут к тому, что объемное содержание мате­риала в рабочей камере станет практически одинаковым. При этом если в дальнейшем не снизить объемное содержание избыточ­ного материала (например, подачей воды, удаляющей материал), то искровые разряды и работа устройства прекратятся.

На практике в электрогидравлические устройства, где материал по технологии обработки по мере измельчения должен быстро удаляться из зоны электрогидравлических ударов (например, в дробилках), вводят новые порции исходного материала в ко­личестве, пропорциональном удаленному продукту, для поддер­жания в устройстве необходимого оптимального объемного содер­жания примесей. В тех электрогидравлических устройствах, где материал выносится из зоны электрогидравлических ударов быстрее, чем он концентрируется в ней в нужных пределах (например, при электрогидравлическом бурении горйых пород), следует принудительно поддерживать в этой зоне необходимую степень объемного содержания примесей.

Таким образом, регулированием подачи воды в зону разряда достигается не только постоянство оптимального режима, но и ав­томатическое распределение разрядов по всем возможным для данного случая путям их возникновения, практически без повторе­ния следования их дважды по одному и тому же пути, что снижало бы эффективность работы электрогидравлических устройств.

Метод управления направленностью действий электрогидрав­лических ударов. Этот метод позволяет с помощью разного рода

Твердых или газовых отражателей получать самые разнообраз­ные искажения формы полости кавитации, приводящие в конечном счете к усилению действия электрогидравлических ударов в задан­ном направлении [5]. Известно, что при осуществлении электро - гидравлического удара в значительном объеме жидкости обра­зующаяся при разряде кавитационная полость обычно имеет пра­вильную форму, обусловленную спецификой самого процесса ее образования. Применяемые с целью изменения поведения возни­кающего при ее захлопывании кавитационного гидравлического удара различные отражатели представляют собой разной формы упругие пластины из материалов, стойкость которых к разруша­ющему действию электрогидравлических ударов возрастает в этом ряду слева направо (из резины, текстолита, полиэтилена, капрона, нейлона).

Ориентированная различным образом относительно разряда пластина отражателя вызывает действия, приводящие к искаже­нию возникшей кавитационной полости и внешне проявляющиеся в своеобразной «фокусировке» или отражении механических усилий, возникающих при электрогидравлических ударах. Очевидно, что при этом оказывается «сфокусированным» и ультра­звуковое излучение электрогидравлического эффекта, что дает повод в дальнейшем рассматривать этот метод как новый метод «фокусирования» ультразвука кумуляцией [98].

Некоторые процессы, происходящие при возникновении и раз­витии кавитационных полостей в различных условиях их возникно­вения, показаны на рис. 2.15, а—е. Кавитационная полость,

Развивающаяся в свободном объеме жидкости между электро­дами, имеет характерную резко очерченную границу (рис. 2.15, а). Если вблизи электродов поместить пластинчатый отражатель из эластичного материала, то полость кавитации исказится и ее граница займет положение, указанное на рис. 2.15, б. При даль­нейшем приближении отражателя к электродам (рис. 2.15, в) искажение полости кавитации будет еще более резко выраженным. Если отражателю придать специальную форму (рис. 2.15, г), то искажение полости станет максимальным. При размещении отражателя перпендикулярно к линии электродов (рис. 2.15, д) захлопывание полоски дает резко выраженную кумулятивную струю, направленную' в сторону отражателя. При расположении электродов вблизи свободной поверхности жидкости (рис. 2.15, е) также произойдет искажение полости кавитации. Кроме того, может произойти еще и выброс тонкого столба жидкости при сравнительно глубоком погружении либо выброс жидкости в виде «куста» вплоть до выброса всей «чашки» жидкости над элек­тродами.

Случай, приведенный на рис. 2.15, в, представляет большой интерес в отношении действия сил, возникающих при электро - гидравлическом ударе, на отражатель. Отражатель в момент воз­никновения основного удара испытывает силу, действующую на него в направлении от. полости. При захлопывании полости снова создается удар по отражателю, направленный в ту же сторо­ну, что и в первом случае. Таким образом, возникает явление, при котором действие и отраженное противодействие создают усилие, направленное в одну и ту же сторону, и протекают они не одновременно, а в два приема. Использование этого явления может найти применение в некоторых устройствах (например, в двигателях) [32].

Метод резонансного разрушения материалов. Резонансные явления возникают при электрогидравлической обработке матери­алов (например, при дроблении твердых пород) в случае совпаде­ния частот собственных колебаний частиц обрабатываемого ма­териала с частотой гидроакустического излучения расширяющего­ся канала разряда в жидкости [3, 42]. Опыты показали, что при работе электрогидравлических устройств можно охватить доста­точно большой диапазон частот одновременно и таким образом создать условия для интенсивного резонансного разрушения. Это достигается одновременной работой в одной разрушающей электрогидравлической установке (например, дробилке) трех или более рабочих искровых промежутков, работающих на разных режимах (например, от самого мягкого, когда работа ведется на больших емкостях и малых напряжениях, до самого жесткого, когда работа ведется на малых емкостях и больших напряжениях). При этом в конструкции дробилки предусматривают установ­ку нескольких пар электродов (вторым электродом является корпус дробилки), работающих одновременно, но питаемых каж­дый от самостоятельного разрядного контура (зарядные контуры питаются от общей силовой установки).

Предложенный метод резонансного разрушения материалов основан на том, что расширением спектра гидроакустических излучений при электрогидравлических ударах в результате одно­временной работы на разных режимах в одном электрогидрав - лическо’м устройстве обязательно произойдет совпадение частоты и амплитуды гидроакустических колебаний электрогидравлических ударов с собственными частотами колебаний какой-либо группы частиц обрабатываемого материала. Таким образом, для успеш­ного осуществления резонансного разрушения материала не­обходимо создать взаимные разнофазные резонансные колебания в материале сразу нескольких групп частиц с достаточными для расслаивания амплитудами колебаний.

Метод ступенчатой подачи энергии. Этот метод позволяет по­высить КПД электрогидравлической установки за счет исключе­ния цотерь в начальный период развития разряда и заключается в том, что канал искрового разряда необходимой длины создает­ся слабым импульсом высокого напряжения, а затем в образо­вавшийся канал разряжается основной накопитель генератора импульса тока. Для этого генератор импульсов тока электро­гидравлической установки выполняют с двумя разрядными конту­рами: в одном устанавливают маленькую емкость накопителя, рассчитанную на заряд от 30 до 70 кВ, в другом — большую емкость, рассчитанную на заряд от 5 до 20 кВ.

Формирование стримера между электродами достигается под­ключением к нему вначале накопителя с высоким потенциалом напряжения, а при замыкании стримером электродов автома­тически подключается накопитель с большой емкостью малого напряжения. В результате в жидкости возникает канал разряда достаточно большой протяженности и с высокой плотностью энергии, вследствие чего резко возрастает эффект механического действия электрогидравлического удара на обрабатываемый объект. Метод имеет большое практическое значение, так как для различных видов электрогидравлической обработки материалов (штамповки, развальцовки, взрывания негабаритов) применение высоких напряжений диктуется только необходимостью получе­ния достаточно длинного искрового разряда, обладающего высо­ким механическим действием.

Метод «воздушной кавитации». В 1953 г. было обнаружено явление, сопровождающее электрогидравлический удар, при условии его возникновения под небольшим слоем жидкости [43]. Как оказалось, достаточно мощный разряд вызывает два свое­образных явления; значительный объем жидкости над разрядом, получив ускорение вверх, отрывается от всей остальной массы жидкости и в виде крупных, все время дробящихся брызг с боль­шой скоростью устремляется вверх, такой же объем жидкости, но уже под разрядом, устремляется вниз и увлекает за собой воздух. Скорость движения при этом так велика, что воздух прорывается вглубь (в объем жидкости) в виде крупных пузырь­ков, которые, постепенно дробясь, всплывают, заполняя весь объем жидкости и делая ее как бы кипящей.

Для уяснения сущности происходящих при этом процессов на рис. 2.16,а—е приведена последовательность явлений, сопровождающих разряд. На рис. 2.16, а показан момент, когда в жидкости между электродами в искровом промежутке возни­кают искровой разряд и первый — основной — гидравлический удар. Зона высоких давлений имеет специфическую форму, а жидкость получает огромные ускорения во все стороны от линии разряда. Затем часть жидкости, расположенная над разрядом, под действием возникших сил вырывается из общего объема жидкости и в виде крупных брызг устремляется вверх, оставив в жидкости характерное углубление в виде чаши (рис. 2.16, б). Слои жидкости, расположенные под разрядом (т. е. у дна чаши), продолжают движение вниз и увлекают за собой окружающий воздух через углубляющуюся чашу. Вылетевшая вверх часть жидкости интенсивно дробится на мелкие капли. Вход в чашу начинает сжиматься под действием поверхностного натяжения жидкости (рис. 2.16, в). Воздух, двигающийся вниз, обгоняет жидкость, уже замедлившую свое перемещение, и в виде крупных пузырей прорывается внутрь нее. В жидкости появляются боковые и верх­ние перемещения, способствующие дальнейшему смыканию гор­ловины чаши. Вылетевшая вверх жидкость продолжает свое дви­жение, вс§ более измельчаясь (рис. 2.16, г). Удлиненная чаша захлопывается, образовав кумулятивный всплеск и волнообразные движения поверхности под влиянием внутренних сил бурно дви­гающейся жидкости. Весь объем сосуда заполняется многочислен­ными дробящимися на части и всплывающими вверх пузырьками воздуха разной величины. На поверхность жидкости падает по­терявшая скорость, раздробленная на капли жидкость, вылетев­шая ранее из сосуда (рис. 2.16, д). На этом процесс заканчи­вается. Объем жидкости в сосуде густо насыщен воздушными пузырьками средних и малых размеров. Поверхность жидкости относительно спокойна. Падение капель жидкости сверху прекра­тилось (рис. 2.16, е).

Совокупность явлений, происходящих при осуществлении раз­ряда под относительно небольшим слоем жидкости, и была на­звана «воздушной кавитацией». Возможности практического использования этого явления позволили предложить метод электрогидравлической обработки материалов при помощи воздушной кавитации, который может широко применяться для дробления и измельчения всякого рода эластичных и волокнистых материалов (бумаги, древесных остатков, резины, торфа, ас­беста, тряпья, органических субстратов), мытья, эмульгирова­ния, перемешивания, очистки мелкого литья, готовых изделий и т. п. [43, 75].

Повышение эффективности этого метода может быть достиг­нуто добавлением в состав жидкости песка, абразивных материа­лов (при очистке) или различных реактивов (при мойке).

Метод «пузырьковой кумуляции». Сущность метода «пузырь­ковой кумуляции» [5, 53] состоит в том, что в жидкость принуди­тельно вводятся пузырьки какого-либо газа или пара, которые в виде полусфер оседают на разрушаемом материале, распреде­ленном в жидкости. Под влиянием сверхвысоких давлений, воз­никающих в жидкости при электрогидра влических ударах, проис­ходит мгновенное захлопывание таких осевших пузырьков. При захлопывании в силу фокусирующего действия полусфер проис­ходит образование кумулятивных струй жидкости, направленных в стороку материала, и локальное его разрушение. Процесс этот осуществляется весьма интенсивно, охватывая активный объем, значительно превышающий объем зоны данного электрогидрав - лического удара. Однако пузырьки какого-либо газа или пара, вводимые в жидкость, могут быть различны по величине, а опыт показывает, что самые мелкие пузырьки практически не оседают на материале в виде необходимых нам полусфер, но держатся в жидкости вблизи материала, сохраняя свою шаровидную форму и медленно всплывая. Очень крупные пузырьки совсем не оседают на материале и быстро всплывают на поверхность. Не осевшие

Рис. 2.17. Схема процессов возникновения кумулятив­ной струи при «пузырьковой кумуляции»:

1 — материал; 2 — осевший пузырек до начала сжатия;

3 — искажение формы пузырька; 4 — кумулятивная струя;

5 — образование тороидного пузырька; 6 — пробитый край отверстия в материале

На материале пузырьки не только бесполезны для осуществления процесса измельчения, но и вредны, так как, захлопываясь при электрогидравлическом ударе, они непроизводительно поглощают энергию удара. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы в жидкости возникали пузырьки только оптимального (среднего) размера, хорошо оседающие на материале в виде слегка сплющен­ных полусфер. Оптимальный размер пузырьков зависит от типа жидкости, газа или пара, наполняющих полость пузырька, и свойств рабочей жидкости (температуры вязкости и т. п.). Подбор оптимальных размеров пузырьков, вводимых в данную жидкость, осуществляется, например, регулированием давления подачи газа или пара, вводимого в жидкость через сетчатую трубку с калиброванными отверстиями.

Последовательные стадии процесса образования жидкой куму­лятивной струи на осевшем пузырьке приведены на рис. 2.17. Пузырек, осевший на материале, под воздействием высоких давлений, возникших в жидкости от электрогидравлического удара, захлопывается, постепенно образуя жидкую кумулятив­ную струю, направленную в сторону материала и воздействую­щую на него.

Опыт показал, что пузырек воздуха объемом около 0,5 см3, рас­положенный под слоем воды толщиной 300—400 мм, при возникно­вении разряда с энергией в 500 Вт-с на расстоянии около 150 мм от него способен образуемой им кумулятивной струей пробить насквозь стальную пластинку толщиной 2—3 мм. Поскольку распадающиеся после срабатывания воздушные и газовые пузырь­ки в дальнейшем не могут быть использованы и, как мы уже указывали, только вредят эффективности процесса, следует вводить в жидкость не газ, а пар. При этом длительность существования пузырька пара должна быть равна времени его оседания и образования кумулятивной струи, вызывающей необ­ходимое разрушение, с тем, чтобы затем пузырек распался, немедленно конденсировался в жидкости и исчез без вреда для дальнейшего хода процесса.

Метод «пузырьковой кумуляции» охватывает активным раз­рушающим воздействием значительный объем жидкости с рас­сеянными в ней частицами материала и поэтому особенно целе­сообразен для измельчения всякого рода волокнистых и пластин­чатых материалов (целлюлозы, макулатуры, слюды и т. п.) [53, 75].

Отметим, что поскольку при осуществлении явления «воздуш­ной кавитации» в жидкость прорывается значительный объем воздуха, дробящегося затем на отдельные пузырьки, то при' этом также неизбежно возникают последствия, сопутствующие про­теканию изложенного выше явления «пузырьковой кумуляции». Устройства для измельчения способом «пузырьковой кумуляции» будут аналогичны всем измельчающим устройствам с той лишь разницей, что где-либо в нижней части рабочей камеры должен быть размещен трубопровод, имеющий выход в корпус устройства и закрытый сеткой с калиброванными отверстиями для регули­руемого Непрерывного подвода газа или пара внутрь объема жидкости, находящейся в рабочей камере. Этот метод может использоваться, например, для двусторонней электрогидравли - ческой очистки непрерывно движущегося проката в абразивной среде, очистки литья, очистки на плаву от обрастания днищ корпусов судов, бурения и т. д. [25, 41, 54, 97].