Устройство для электровзрывной запрессовки труб

Изобретение относится к области обработки металлов давлением с использованием энергии электрического взрыва металлического проводника в конденсированных средах. Устройство содержит диэлектрическую втулку с передающей средой, гидроизолированную резиновыми пробками. В полости втулки размещены жесткий каркас в виде двух торцевых стенок, соединенных между собой металлическими шпильками, и взрывающийся металлический проводник. Последний разделен на две равные части, которые соединены электродом. Электрод опирается на диэлектрические звездочки и представляет собой тело вращения, форма которого описана функцией, определяющей длину и диаметры электрода в соответствии с линейными размерами деформируемого участка трубы. Отношение максимального диаметра центральной части электрода к внутреннему диаметру диэлектрической втулки составляет примерно 0,5-0,8. Криволинейные поверхности торцевых стенок взрывающихся проводников выполнены в виде параболоида. Крайние концы взрывающихся проводников расположены в фокусе параболоида. В результате обеспечивается более эффективное использование энергии электрического взрыва проводника, повышение качества и надежности запрессовки и коэффициента полезного действия устройства. 4 ил.

 

Изобретение относится к области обработки материалов давлением с использованием энергии электрического взрыва металлического проводника в конденсированных средах и касается, в частности, штамповки, резки, деформирования трубных заготовок, развальцовки концов и запрессовки труб в трубные решетки и другие корпусные детали.

На сегодняшний день известно большое количество способов электровзрывной обработки материалов и представлен обширный набор видов и типоразмеров электровзрывных устройств - патронов, применение которых позволяет решать многие технические проблемы и технологические задачи (Малюшевский П.П. Основы разрядно-импульсной технологии. - Киев: Наукова думка, 1983, - 342 с.) В общем случае электровзрывной патрон представляет собой диэлектрическую оболочку, заполненную передающей средой, в которой расположен взрывающийся металлический проводник. Существующие устройства просты, надежны и обладают широким диапазоном применения, тем не менее, представленные конструкции не позволяют достаточно эффективно использовать энергию электрического взрыва проводника и осуществлять однородную деформацию и качественную запрессовку труб в случаях, когда запрессовываемый участок трубы имеет протяженные линейные размеры.

Наиболее близким из известных технических решений является устройство для электровзрывной запрессовки труб, содержащее диэлектрическую втулку, заполненную рабочей передающей средой и гидроизолированную расположенными на ее торцах резиновыми пробками, а также размещенные в упомянутой диэлектрической втулке взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним посредством электрического контакта электроды, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения упомянутого проводника, и снабжено размещенным в полости диэлектрической втулки жестким каркасом в виде двух торцевых стенок, соединенных между собой металлическими шпильками и выполненных в форме плосковогнутых линз с центральным сквозным отверстием, обращенных криволинейными поверхностями одна навстречу другой, а также двумя диэлектрическими втулками с упорным фланцем, установленными в центральных сквозных отверстиях торцевых стенок, при этом диэлектрическая втулка выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода, размещенного со стороны упомянутого бурта, а электроды расположены в упомянутых диэлектрических втулках с упорным фланцем, причем каждый электрод выполнен с расположенным на одном его конце конусом, площадь основания которого превышает площадь поперечного сечения стержня (патент РФ №2186648, В 21 D 26/10, 39/06, опубл. БИ №22, 2002 г.).

Применение данного устройства не обеспечивает в полной мере возможность осуществлять однородное деформирование и качественную запрессовку, если деформируемый участок трубы имеет достаточно протяженные линейные размеры, вследствие того, что протяженность деформируемого, запрессовываемого участка трубы в представленных электровзрывных устройствах зависит и определяется длиной взрывающегося проводника. Энергетически выгодные режимы протекания электрического взрыва, обеспечивающие максимальную скорость ввода энергии, а соответственно, и наибольший КПД, осуществляются при наличии оптимальных соотношений линейных размеров взрывающегося проводника и электрических параметров энергетической установки. (Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986, - 205 с.). Иначе говоря, для определенной энергетической установки, имеющей собственные характеристические параметры, существует соответствующий набор параметров взрывающихся проводников, при использовании которых коэффициент полезного действия максимален. Поэтому простое увеличение длины взрывающегося проводника до величины линейных размеров деформируемого элемента трубы приводит к выходу режимов протекания электрического взрыва за рамки оптимальности и, соответственно, не обеспечивает решение поставленной задачи. Причинами этому являются всевозможные технологические дефекты и неоднородности взрывающегося проводника, увеличенная длина возникающего разрядного промежутка, активное влияние передающей среды на протекание электрического разряда и т.д. Перечисленные выше обстоятельства не позволяют сформировать мощную ударно-акустическую волну сжатия цилиндрического профиля волнового фронта имеющей протяженную длину, что в свою очередь сказывается на количественной величине деформации трубы и качественной стороне ее запрессовки. Использование поэтапного процесса запрессовки является энергетически и технологически не выгодно.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для электровзрывной запрессовки труб, которое позволит наиболее эффективно использовать энергию электрического взрыва проводника в конденсированной среде для осуществления однородного деформирования и качественной запрессовки участка трубы, имеющего протяженные линейные размеры, при этом повышается надежность, качество запрессовки и КПД.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для электровзрывной запрессовки труб, содержащее диэлектрическую втулку, заполненную рабочей передающей средой и гидроизолированную расположенными на ее торцах резиновыми пробками, а также размещенные в упомянутой диэлектрической втулке взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним посредством электрического контакта электроды, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения упомянутого проводника, и снабжено размещенным в полости диэлектрической втулки жестким каркасом в виде двух торцевых стенок, соединенных между собой металлическими шпильками и выполненных в форме плосковогнутых линз с центральным сквозным отверстием, обращенных криволинейными поверхностями одна навстречу другой, а также двумя диэлектрическими втулками с упорным фланцем, установленными в центральных сквозных отверстиях торцевых стенок, при этом диэлектрическая втулка выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода, размещенного со стороны упомянутого бурта, а электроды расположены в упомянутых диэлектрических втулках с упорным фланцем, причем каждый электрод выполнен с расположенным на одном его конце конусом, площадь основания которого превышает площадь поперечного сечения, взрывающийся металлический проводник разделен на две равные части, соединяемые друг с другом посредством электрода, опирающегося на диэлектрические звездочки и представляющего собой фигуру, выполненную из металла в виде тела вращения гладкой, непрерывной, симметричной функции где a, b, c, d - коэффициенты, определяющие геометрические размеры, так а - определяет вид и степень изгибов кривой, b - длину средней части между точками перегиба, с - максимальные диаметры середины и концов электрода, d - расположение кривой относительно оси ординат, т.е. определяет длину и диаметры электрода в соответствии с линейными размерами деформируемого участка трубы, при этом отношение максимального диаметра центральной части электрода к внутреннему диаметру диэлектрической втулки составляет ε≈0.5-0.8, а криволинейные поверхности торцевых стенок выполнены в виде параболоида, причем крайние концы взрывающихся проводников располагаются в фокусе параболоида.

Разделение взрывающегося металлического проводника на две равные части позволяет создать два источника электрогидродинамического возмущения, т.е. сформировать две ударно-акустических волны сжатия с волновым фронтом эллипсоидального вида, радиальные компоненты которых оказывают воздействие на участок трубы непосредственно в области месторасположения источников электрогидродинамического возмущения, а аксиальные компоненты - в области их взаимодействия. Равенство частей взрывающегося проводника и условие последовательного их соединения между собой обеспечивает идентичность протекающих в них процессов электрического взрыва, а следовательно, синхронность формирования и эквивалентность ударно-акустических волны сжатия.

Выполнение среднего электрода из металла в виде тела вращения гладкой, непрерывной, симметричной функции где a, b, c, d - коэффициенты, определяющие геометрические размеры, так а - определяет вид и степень изгибов кривой, b - длину средней части между точками перегиба, с - максимальные диаметры середины и концов электрода, d - расположение кривой относительно оси ординат, т.е. определяет длину и диаметры электрода в соответствии с линейными размерами деформируемого участка трубы, подобной функции "Локон Аньези", позволяет сформировать гладкую поверхность объемного тела, плавная линия образующей которого обеспечивает минимальные энергетические потери при отражении аксиальных компонент волны, а также перераспределение направления распространения волнового фронта аксиальных компонент в область средней части деформируемой трубы. Представляемые форма и размеры тела вращения, определяемые отношением максимального диаметра центральной его части к внутреннему диаметру втулки как ε≈0.5-0.8, уменьшает объем передающей среды в области его расположения. Это влечет за собой увеличение плотности энергии ударно-акустической волны в данной области и, следовательно, способствует увеличение степени деформации элемента трубы.

Наличие диэлектрических звездочек, установленных на концах, позволяет расположить тело вращения соосно с деформируемой трубой, что обеспечивает однородность деформации трубы относительно азимутальной координаты.

Торцевые стенки предназначены для отражения аксиальной компоненты волны давления. Применение торцевых стенок с параболическими поверхностями и размещение в их фокусах крайних концов взрывающихся проводников позволяет трансформировать при отражении от стенок расходящиеся аксиальные компоненты волн в плоские ударно-акустические волны, которые будут распространяться навстречу друг другу. При осуществлении электрического взрыва радиальные компоненты генерируемых волн деформируют участок трубы в области расположения проводников, аксиальные бегущие и отраженные от стенок - в области их взаимодействия. Кроме того, отраженные от стенок аксиальные компоненты волны распространяются по рабочей среде, находящейся в возмущенном состоянии вследствие радиальной и бегущих аксиальной компонент. Взаимодействие отраженных аксиальных компонент происходит с запозданием по отношению к взаимодействию бегущих компонент, при этом общее время воздействия на элемент трубы увеличивается, тем самым повышается качество запрессовки. Зоны деформирования радиальными и взаимодействующими аксиальными компонентами ударно-акустической волны сжатия перекрывают друг друга, производя запрессовку участка трубы, имеющего протяженные линейные размеры.

Приведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства для электровзрывной запрессовки труб, на фиг.2 показана часть устройства с элементами, поясняющими их назначение и принцип действия, на фиг.3 рассмотрен механизм процесса деформирования участка трубы увеличенных линейных размеров, на фиг.4 представлен график функции тела вращения определяющей конкретные геометрические размеры электрода. Устройство (фиг.1) содержит диэлектрическую втулку 1, заполненную рабочей передающей средой 2. Для гидроизоляции на ее торцах установлены резиновые пробки 3. В полости диэлектрической втулки 1 расположен взрывающийся проводник 4, разделенный на две одинаковые части, которые соединены между собой посредством электрода 5. Электрод 5 представляет собой фигуру, выполненную из металла в виде тела вращения гладкой, непрерывной, симметричной функции подобной функции "Локон Аньези", где a, b, c, d - коэффициенты, определяющие геометрические размеры электрода 5, так а - определяет вид и степень изгибов кривой, b - длину средней части между точками перегиба, с - максимальные диаметры середины и концов электрода, d - расположение кривой относительно оси ординат, т.е. определяет длину и диаметры электрода в соответствии с линейными размерами деформируемого участка трубы. Отношение максимального диаметра центральной части электрода 5 к внутреннему диаметру диэлектрической втулки 1 составляет ε≈0.5-0.8. Данное отношение можно считать наиболее приемлемым. Уменьшение нижнего предела отношения диаметров приводит в конечном итоге к уменьшению плотности энергии волны в данной области более чем в n=2, что соответственно уменьшает величину деформации участка трубы в данной зоне. Увеличение верхнего предела данного отношения влечет за собой уменьшение степени воздействия на деформируемый участок трубы взаимодействующих аксиальных компонент ударно-акустических волн, что также отрицательно сказывается на величине деформации.

Крайние концы взрывающегося проводника 4 соединяются с электродами 6, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, превышающим площадь поперечного сечения взрывающегося проводника 4. Электроды 6 выполнены с конусом, расположенным на одном его конце, площадь основания которого превышает площадь поперечного сечения электрода. Электрод 6 в виде тела вращения опирается на диэлектрические звездочки 7. Кроме того, в полости диэлектрической втулки расположен жесткий каркас в виде двух торцевых стенок 8, соединенных между собой металлическими шпильками 9. Торцевые стенки 8 выполнены в форме плосковогнутых линз, обращенных криволинейными поверхностями одна навстречу другой, и имеют центральные сквозные отверстия. Криволинейные поверхности торцевых стенок 8 имеют форму параболоида, причем крайние концы взрывающегося проводника 4 располагаются в фокусе параболоида. В центральных сквозных отверстиях торцевых стенок 8 установлены диэлектрические втулки 10, которые выполнены с упорным фланцем. Электроды 6 размещены в диэлектрических втулках 10, при этом диэлектрическая втулка 1 выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода 6, размещенного со стороны упомянутого бурта.

Устройство работает следующим образом: при подаче высокого напряжения на электроды 6 по двум половинам взрывающегося проводника 4 за короткое время протекает ток большой плотности, приводящий к их взрыву. Вследствие того, что половины взрывающегося проводника 4 соединены между собой последовательно, протекание процессов взрыва каждого из них является идентичными. Сформированные при этом две ударно-акустические волны также будут идентичными. Волновой фронт волны представляет собой, в первом приближении, расширяющийся эллипсоид. Радиальные компоненты волны давления от каждой половины взрывающегося проводника 4 воздействуют на участки трубы, находящиеся в зоне их расположения. Длина деформированного участка трубы в этом случае сравнима с длиной каждой половины взрывающегося проводника 4. Ближние друг к другу аксиальные составляющие волн давления при взаимодействии в области середины электрода 5 деформируют данный участок трубы. Линиями АА показаны (фиг.2) волновые фронта бегущих аксиальных компонент, перемещающихся навстречу. Расходящиеся волновые фронты крайних аксиальных компонент, линия ВВ, при отражении от торцевых стенок 8 преобразуются в плоские волновые фронты. Это достигается за счет того, что криволинейные поверхности торцевых стенок 8 выполнены в виде параболоида, концы взрывающегося проводника 4 находятся в фокусе параболоида. Преобразование расходящегося волнового фронта аксиальных компонент при отражении в плоский фронт способствует распространению волны в соответствующую область без дополнительных энергетических потерь, возникающих вследствие отражений от элементов конструкции. Отраженные аксиальные составляющие волн также взаимодействуют в области середины электрода 5, при этом отраженные аксиальные компоненты распространяются в передающей среде 2, которая находится в возмущенном состоянии, создаваемой радиальной компонентой. Взаимодействие отраженных аксиальных компонент происходит по времени позже, чем взаимодействие бегущих аксиальных компонент, что приводит к увеличению времени воздействия, тем самым обеспечивается качественная запрессовка трубы. При взаимодействии ударно-акустических волн результирующая амплитуда превышает амплитуду бегущих волн более чем в два раза вследствие нелинейности уравнений гидродинамики (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. - Москва: Наука, 1986, - 736 с.) Бегущие и отраженные аксиальные компоненты взаимодействуют между собой, производя деформацию участка трубы в области расположения среднего электрода 5. Зоны деформирования (фиг.3) участков трубы, создаваемые радиальными компонентами и взаимодействующими аксиальными компонентами ударно-акустических волн перекрываются, образовывая деформированный участок трубы с увеличенными линейными размерами. Таким образом, создание условий суммарного воздействия взаимодействующих бегущих и отраженных аксиальных и радиальных компонент ударно-акустических волн позволяют наиболее эффективно использовать энергию электрического взрыва цилиндрического проводника в конденсированной среде для осуществления однородного деформирования и качественной запрессовки участка трубы, имеющего протяженные линейные размеры, при этом повысить надежность и качество запрессовки, а также увеличить КПД энергетической установки.

Пример.

Эксперименты проводились с помощью генератора импульсных токов подобного марки ГИТ 10-20/400-У4. Производилось деформирование стальной бесшовной трубы диаметром D=30 мм и толщиной стенки h₁=1 мм. Длина половинок взрывающегося проводника изменялась I=40-50 мм, диаметр d=0.7-1.0 мм. Средний электрод представляет собой фигуру из металла в виде тела вращения гладкой, непрерывной, симметричной функции подобной функции "Локон Аньези". На (фиг.4) представлен график предложенной функции, выполненный программой "Mathcad 2001", (функция является симметричной), где а=0.3, b=18, c=4, d=6 - коэффициенты, определяющие конкретные геометрические размеры тела. Длина тела вращения L_{тл. вр.}=60 мм. В качестве рабочей передающей среды бралась вода. Начальное напряжение на ГИТ варьировалось в пределах U₀=4,5-6 кВ. Длина участка деформации трубы порядка L≈160 мм. В результате проведенных экспериментов получены опытные образцы, которые свидетельствуют о возможности деформации и запрессовки участков трубы протяженных линейных размеров, повышенного качества и повышенной надежности запрессовки.

Устройство для электровзрывной запрессовки труб, содержащее диэлектрическую втулку, заполненную рабочей передающей средой и гидроизолированную расположенными на ее торцах резиновыми пробками, а также размещенные в упомянутой диэлектрической втулке взрывающийся металлический проводник и соединенные с ним посредством электрического контакта электроды, каждый из которых выполнен в виде стержня с поперечным сечением, площадь которого превышает площадь поперечного сечения упомянутого проводника, и снабжено размещенным в полости диэлектрической втулки жестким каркасом в виде двух торцевых стенок, соединенных между собой металлическими шпильками и выполненных в форме плосковогнутых линз с центральным сквозным отверстием, обращенных криволинейными поверхностями одна навстречу другой, а также двумя диэлектрическими втулками с упорным фланцем, установленными в центральных сквозных отверстиях торцевых стенок, при этом диэлектрическая втулка выполнена с буртом, длина которого меньше длины стержня электрода, размещенного со стороны упомянутого бурта, а электроды расположены в упомянутых диэлектрических втулках с упорным фланцем, причем каждый электрод выполнен с расположенным на одном его конце конусом, площадь основания которого превышает площадь поперечного сечения стержня, отличающееся тем, что взрывающийся металлический проводник разделен на две равные части, соединенные друг с другом посредством электрода, опирающегося на диэлектрические звездочки и представляющего собой фигуру, выполненную из металла в виде тела вращения гладкой, непрерывной, симметричной функции

где a, b, c, d - коэффициенты, определяющие геометрические размеры:

а - определяет вид и степень изгибов кривой;

b - длину средней части между точками перегиба;

с - максимальные диаметры середины и концов электрода;

d - расположение кривой относительно оси ординат;

которая определяет длину и диаметры электрода в соответствии с линейными размерами деформируемого участка трубы, при этом отношение ε максимального диаметра центральной части электрода к внутреннему диаметру диэлектрической втулки составляет ≈ 0,5-0,8, а криволинейные поверхности торцевых стенок выполнены в виде параболоида, причем крайние концы взрывающихся проводников расположены в фокусе параболоида.