Резак
Изобретение относится к сварочному оборудованию, а именно к устройствам для газокислородной резки металлоконструкций. Резак содержит головку, на которой закреплены соосно расположенные наружный и внутренний мундштуки, смеситель, ствол со штуцерами подвода подогревающего и режущего кислорода и горючего газа с вентилями регулирования давления подогревающего кислорода и горючего газа и со средством регулирования давления режущего кислорода, трубки подачи режущего и подогревающего кислорода и горючего газа. Смеситель выполнен в головке в виде цилиндрической инжекторной полости с двумя входами и выходом. В головке выполнено расположенное над смесителем и соосное с ним калиброванное отверстие. Отверстие для подачи подогревающего кислорода сообщено с одним входом в инжекторную полость через калиброванное отверстие, а отверстие подачи горючего газа сообщено с другим входом в инжекторную полость. Диаметр калиброванного отверстия в 2,16÷2,4 раза меньше диаметра инжекторной полости и в 2,5÷3 раза меньше диаметра отверстия подачи горючего газа. Между мундштуками образован кольцевой зазор, имеющий входной цилиндрический участок и выходной участок в виде сопла. Площадь сечения выходного участка кольцевого зазора в 4,5÷5,7 раз больше площади сечения калиброванного отверстия, а суммарная величина осевых длин инжекторной полости и кольцевого зазора в 30÷60 раз больше диаметра калиброванного отверстия. Это позволит повысить надежность и долговечность работы резака, увеличить скорость резания и улучшить качество горючей смеси. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к сварочному оборудованию и может быть использовано в машиностроении для газокислородной резки металлоконструкций.
Известны резаки, содержащие ствол со штуцерами подачи горючего газа и кислорода и с каналами подачи горючего газа, режущего и подогревающего кислорода, на каждом из которых установлен регулировочный вентиль, трубки подачи горючего газа, режущего и подогревающего кислорода. Головка предназначена для крепления составных мундштуков и связана со стволом соответствующими трубками подачи газов. В головке расположен смеситель, входы которого сообщены с выходами трубок подачи подогревающего кислорода и горючего газа через расположенные в головке соответствующие отверстия, кольцевые полости и каналы, а выход смесителя сообщен с кольцевым зазором, образованным наружным и внутренним мундштуками. Канал подачи режущего кислорода проходит через головку и через центральный канал внутреннего мундштука (см., например, пат. RU №2149085, опубл 2000 г. или №2196667, опубл 2003 г.) В устройстве по пат. №2149085 повышения надежности добиваются выполнением прямоугольных углублений на поверхности внутреннего мундштука, а в пат. №2196667 горючую смесь пропускают через каналы сложной формы, образованные углублениями, выполненными в отверстии внешнего и на наружной поверхности внутреннего мундштуков.
Однако в этих устройствах при обратных ударах вследствие неполного сгорания горючей смеси смесительная камера и зазор между мундштуками забиваются сажей, что усложняет эксплуатацию, ведет к необходимости частой чистки, ремонта и снижает надежность работы. Выполнение углублений с эвольвентным и др. профилями, предложенными в пат №2196667, не обеспечивает ламинарных потоков горючей смеси на выходе мундштука, снижает скорость, качество и точность реза при неоправданном усложнении технологии изготовления и увеличении стоимости устройства. В этих устройствах не решен вопрос повышения качества горючей смеси и устойчивости горения пламени.
Известен резак для ручной резки, в котором для повышения качества горючей смеси используют инжекцию газов при их смешении. В этом устройстве инжекторное устройство установлено на выходе из монолитного ствола, его входы сообщены с расположенными в стволе каналами подачи горючего газа и подогревающего кислорода, а выход - со смесителем, выход которого через отверстие подачи горючей смеси в головке сообщен с кольцевым зазором составного мундштука (см. пат. RU №2110377, 1998 г.).
Однако в устройстве для каждого горючего газа требуется свой инжектор. Кроме того, при обратных ударах пламени расположение инжекторного узла в стволе приводит к выгоранию всей системы, разрыву трубы смесителя и к опасности аварийной ситуации.
Известен машинный резак для газокислородной резки металлов, в котором стойкость против обратных ударов предлагают получить смешением горючего газа и подогревающего кислорода непосредственно в кольцевом зазоре между наружным и внутреннем мундштуками. В кольцевой зазор подогревающий кислород и горючий газ подают через выполненные в головке соответствующие калиброванные отверстия. Предложено параметры кольцевого зазора подбирать в соответствии с диаметром калиброванного отверстия подачи горючего газа (см. пат. RU №2113949, Кл. В 23 К 7/00, 1998 г.).
Однако в устройстве не предложено оптимальное соотношение параметров калиброванных отверстий подачи соответственно подогревающего кислорода и горючего газа, что ведет к снижению качества получаемой горючей смеси, к недостаточному нагреву металла перед резкой и может послужить причиной дефектов на поверхности реза.
К тому же на практике малейшее нарушение центровки составных мундштуков приводит к искажению кольцевой формы зазора, к увеличению его ширины с одной из сторон, к нарушениям ламинарных потоков подачи горючей смеси и режимов резания, а при обратных ударах - к возможности проскоков пламени внутрь кольцевого зазора мундштука, к быстрому прогоранию и выходу мундштука из строя.
Дополнительно к этому при наличии чередующихся калиброванных отверстий подачи подогревающего кислорода и горючего газа при возникновении в одном из отверстий противотока (что связано с точностью изготовления поверхностей отверстий) на входе в смеситель образуется горючая смесь, что ведет к аварийной ситуации.
Наиболее близким аналогом является резак, содержащий соосно расположенные наружный и внутренний мундштуки, образующие кольцевой зазор, имеющий входной цилиндрический участок и выходное сопло, головку, на которой закреплены мундштуки, смеситель, ствол со штуцерами подвода кислорода и горючего газа, с вентилями регулирования давления подогревающего кислорода и горючего газа и со средством регулирования давления режущего кислорода, установленные на соответствующих выходах ствола трубки подачи режущего и подогревающего кислорода и горючего газа, причем выходы трубок подачи подогревающего кислорода и горючего газа сообщены с расположенными в головке соответствующими отверстиями, а трубка подачи режущего кислорода сообщена через отверстие в головке с центральным каналом внутреннего мундштука (см. пат. RU №2095209, фиг.3, кл. В 23 К 7/ 06, опубл. 1998 г.).
Устройство недостаточно надежно. Смеситель в нем выполнен в виде расположенной между головкой и мундштуком отдельной детали кольцевой формы и имеет значительный объем, заполненный горючей смесью, что при нарушениях горения и обратных ударах пламени является причиной прогорания мундштука и головки и ведет к повышенной опасности аварийных ситуаций.
Кроме того, при резке металла толщиной от 100 до 250 мм и более резак имеет недостаточную скорость резки и качество реза.
Задачей предложенного технического решения является повышение надежности и долговечности путем исключения прогаров мундштука при обратных ударах пламени и опасности аварийной ситуации при одновременном увеличении устойчивости горения пламени, повышении скорости резания, улучшении качества горючей смеси и качества реза.
Для решения поставленной задачи в предложенном резаке, содержащем соосно расположенные наружный и внутренний мундштуки, образующие кольцевой зазор, имеющий входной цилиндрический участок и выходной участок в виде сопла, головку, на которой закреплены мундштуки, ствол со штуцерами подвода кислорода и горючего газа и с вентилями регулирования давления подогревающего кислорода и горючего газа и со средством регулирования давления режущего кислорода, установленные на соответствующих выходах ствола трубки подачи режущего и подогревающего кислорода и горючего газа, причем выходы трубок подачи подогревающего кислорода и горючего газа сообщены с расположенными в головке соответствующими отверстиями, а трубка подачи режущего кислорода сообщена через отверстие в головке с центральным каналом внутреннего мундштука, согласно изобретению в головке выполнены цилиндрическая инжекторная полость, выполняющая роль смесителя, и соосно размещенное над ней калиброванное отверстие, которые расположены параллельно оси мундштука, причем выполненное в головке отверстие подачи подогревающего кислорода сообщено с одним входом в инжекторную полостью через калиброванное отверстие, а отверстие подачи горючего газа сообщено с другим входом в инжекторную полость, выход которой сообщен с цилиндрическим участком кольцевого зазора мундштуков, при этом диаметр калиброванного отверстия в 2,16-2,4 раза меньше диаметра инжекторной полости и в 2,5-3 раза меньше диаметра отверстия подачи горючего газа, а ширина цилиндрического участка кольцевого зазора между мундштуками и диаметр калиброванного отверстия выдержаны в соотношении (0,35÷0,4)d<h<d, где h - ширина входного цилиндрического участка кольцевого зазора между мундштуками; d - диаметр калиброванного отверстия, причем площадь сечения выходного сопла кольцевого зазора в 4,5-5,7 раз больше площади сечения калиброванного отверстия, а суммарная величина осевых длин инжекторной полости и кольцевого зазора мундштука в 30-60 раз больше диаметра калиброванного отверстия.
Кроме того, решение поставленной задачи достигается тем, что наружный и внутренний мундштуки связаны с головкой резьбовым соединением с образованием между головкой и внутренним мундштуком кольцевой полости, через которую инжекторная полость выходным торцом сообщена с цилиндрическим участком кольцевого зазора между мундштуками, причем на участке перехода кольцевого зазора от цилиндрического участка к выходному участку выполнена дополнительная кольцевая полость.
Технический результат предложенного устройства состоит в выборе параметров резака и взаимного расположения его компонентов, позволяющих реализовать оптимальные условия смешения подогревающего кислорода и горючего газа, в том числе объемов смешения, скорости движения горючей смеси по кольцевому зазору, образованному наружным и внутренним мундштуками, а при обратном ударе - позволяющих ограничить пик волны горения, обеспечить оптимальную скорость распространения волны горения в полостях мундштука и головки и ограничить ход пламени, предотвратить прогорание мундштука, а также увеличить время нагрева головки и мундштука в несколько раз.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема предложенного устройства.
На фиг.2 приведено сечение по А-А.
Предложенное устройство содержит составной мундштук в виде соосно расположенных наружного и внутреннего мундштуков 1, 2, образующих кольцевой зазор 3 подачи горючей смеси, головку 4, на которой закреплены с помощью резьбы наружный и внутренний мундштуки и ствол 5 с вентилями 6, 7 регулирования давления подогревающего кислорода и горючего газа и со средством регулирования давления режущего кислорода, которое образовано клапаном 8 с рукояткой 8'. Устройство также содержит трубки 9, 10 подачи подогревающего и режущего кислорода и трубку 11 подачи горючего газа, сообщенные с соответствующими выходами 13, 12, 14 ствола 5. В головке 4 параллельно оси составного мундштука расположены инжекторная полость 15, имеющая цилиндрическую форму диаметром D, предназначенная для смешения газов, и размещенное над ней калиброванное отверстие 16 диаметром d, а также выполнены отверстия 17, 18 подачи подогревающего кислорода и горючего газа и отверстие 19 подачи режущего кислорода. Отверстие 17 подачи подогревающего кислорода сообщено с одним входом в инжекторную полость 15 через калиброванное отверстие 16, а отверстие 18 подачи горючего газа (диаметром dl) непосредственно сообщено с другим входом в инжекторную полость 15. Кольцевой зазор 3 между мундштуками имеет входной цилиндрический участок 20 шириной h и выходной участок 21. Выходной торец инжекторной полости 15 сообщен с цилиндрическим участком 20 кольцевого зазора 3. Суммарная величина осевых длин (L) инжекторной полости и кольцевого зазора в 30-60 раз больше диаметра калиброванного отверстия.
Трубка 10 подачи режущего кислорода сообщена с центральным каналом 22 внутреннего мундштука 2 через расположенное в головке 4 отверстие 19.
Наружный и внутренний мундштуки 1, 2 связаны с головкой 4 резьбовым соединением с образованием между головкой 4 и внутренним мундштуком 2 кольцевой полости 23, через которую инжекторная полость 15 может быть выходным торцом сообщена с цилиндрическим участком 20 кольцевого зазора 3 между мундштуками. В части перехода от цилиндрического участка 20 к участку 21 кольцевого зазора 3 может быть выполнена дополнительная кольцевая полость 24. В участке 21 на конической наружной поверхности внутреннего мундштука выполнены прямоугольные пазы 25 (см. фиг.2). Подвод горючего газа и кислорода выполняют через скрепленные со стволом штуцера подвода 26, 27.
Работа устройства.
В процессе работы горючий газ и кислород подаются от штуцеров подвода 26, 27 ствола 5. Режущий кислород с выхода 12 ствола 5 поступает через трубку 10 подачи режущего кислорода в отверстие 19 головки 4 и в центральный канал 22 внутреннего мундштука 2. Подогревающий кислород и горючий газ подаются в трубки 9, 11 с соответствующих выходов 13, 14 ствола 5.
Далее с выходов 13, 14 трубок 9, 11 ствола 5 подогревающий кислород и горючий газ попадают в соответствующее в отверстие 17, 18 головки 4 и далее в выполненную в головке 4 инжекторную полость 15, которая имеет цилиндрическую форму диаметром D. При этом подогревающий кислород попадает в инжекторную полость 15 через калиброванное отверстие 16 диаметром d. Горючий газ попадает в инжекторную полость 15 непосредственно из отверстия 18 (диаметром dl) головки. В инжекторной полости, выполняющей роль смесителя, инжектирующий подогревающий кислород смешивается с инжектируемым горючим газом.
В устройстве предложен диаметр d калиброванного отверстия 16 в 2,5-3 раза меньше диаметра dl отверстия 18 подачи горючего газа. Выбранное соотношение входных отверстий 16, 18 подачи подогревающего кислорода и горючего газа на входе в инжекторную полость 15 позволяет понизить скорость и давление подачи подогревающего кислорода. Этим обеспечивается оптимальный подсос горючего газа и наилучшее перемешивание составляющих компонентов, повышается качество горючей смеси с получением на выходе составного мундштука ламинарного потока горючей смеси и обеспечением ускоренного нагрева кромки металла и улучшенного качества реза. Это также расширяет универсальность резака и позволит ему работать на различных горючих газах.
Далее горючая смесь от инжекторной полости 15 через входной цилиндрический участок 20 и выходной участок 21 кольцевого зазора 3, образованного наружным и внутренним мундштуками 1, 2, поступает в атмосферу и при сгорании смеси происходит подогрев разрезаемого металла до температуры воспламенения, а режущий кислород, поступающий к нагретой поверхности из центрального канала 22 внутреннего мундштука 2, обеспечивает интенсивное сгорание металла, образуя рез. Выполнение в выходном участке 21 на внешней поверхности внутреннего мундштука 2 прямоугольных пазов 25 (фиг.2) приводит к разделению выходного потока горючей смеси на равные части, к увеличению ламинарности потока и к улучшению качества реза.
Предложена площадь сечения выходного участка 21 кольцевого зазора 3 в 4,5-5,7 раз больше, чем площадь сечения калиброванного отверстия 16, что позволяет получить разрежение и дополнительный подсос горючего газа в инжекторную полость 15 и позволяет использовать различные источники питания.
При нарушениях процесса горения и возникновении обратных ударов пламя через участок 21 и цилиндрический участок 20 кольцевого зазора 3 между мундштуками 1, 2 может проникнуть в расположенную в головке цилиндрическую инжекторную полость 15, заполненную горючей смесью. Это может привести к повышенной концентрации термического напряжения в мундштуке и головке и к опасности их прогорания и выхода резака из строя. Оператор поворотами вентилей 6, 7 регулирования давления подогревающеего кислорода и горючего газа и рукояткой 8' клапана 8 регулирования давления режущего кислорода может обеспечить требуемый состав пламени для резки металлов и необходимую форму и длину факела и устранить обратный удар. Однако это не всегда удается выполнить своевременно.
Для гарантированного устранения обратного удара пламени в устройстве предложена цилиндрическая форма инжекторной полости с минимально возможным объемом горючей смеси, что обеспечивает локализацию пламени в ней при обратном ударе. Предложен диаметр (d) калиброванного отверстия 16, в 2,16÷2,4 раза меньший диаметра D инжекторной полости, что позволяет оптимизировать объем горючей смеси в этой полости. Кроме того, ширину входного цилиндрического участка 20 кольцевого зазора 3 между мундштуками 1, 2 и диаметр калиброванного отверстия 16 выбирают в виде следующего соотношения: (0,35÷0,4)d<h<d, где h - ширина цилиндрического участка кольцевого зазора между мундштуками; d - диаметр калиброванного отверстия. А площадь сечения выходного участка 21 кольцевого зазора 3 выбирают в 4,5÷5,7 раз больше, чем площадь сечения калиброванного отверстия 16. Это оптимизирует объем кольцевого зазора, препятствует распространению пламени при обратных ударах и снижает активность горения.
Выбор суммарной величины осевых длин инжекторной полости и кольцевого зазора мундштука в 30-60 раз большим, чем диаметр калиброванного отверстия, позволяет уменьшить скорость распространения пламени при обратном ударе и сократить путь пламени от зоны горения далее кольцевого зазора. Расположение инжекторной полости непосредственно в головке параллельно оси мундштука позволяет повысить надежность и обеспечить равномерность ее нагрева.
Совокупность указанных параметров и взаимного расположения элементов обеспечит снижение активности горения пламени при обратном ударе с полным сгоранием горючей смеси в кольцевом зазоре, не доходя до инжекторной полости, позволит повысить безопасность и надежность работы резака.
Наличие кольцевой полости 23 между головкой и внутренним мундштуком и дополнительной кольцевой полости 24 в части перехода кольцевого зазора 3 от цилиндрического участка 20 к участку 21 увеличивает время нагрева головки и мундштука в несколько раз, а при обратных ударах приводит к разделению горящего объема горючей смеси на две части, к режиму горения в закрытом пространстве с равномерной отдачей части тепла на головку и предотвращает прогорание мундштуков.
Испытания подтвердили, что предложенное устройство позволяет получить оптимальное перемешивание составляющих компонентов горючей смеси, обеспечить при эксплуатации быстрый нагрев кромки металла, получить хорошее качество реза при одновременном повышении устойчивости горения в процессе резки и увеличении безопасности работы резака.
Технико-экономический эффект состоит в повышении надежности и долговечности работы резака, исключающих его прогары при обратных ударах пламени и опасность аварийных ситуаций при одновременном увеличении устойчивости горения пламени, повышении скорости резания, а также улучшении качества горючей смеси и качества реза.
1. Резак для газокислородной резки металлоконструкций, содержащий головку, на которой закреплены соосно расположенные наружный и внутренний мундштуки с образованием кольцевого зазора для подачи горючей смеси, имеющего входной цилиндрический участок и выходной сопловой участок, смеситель, ствол со штуцерами подвода подогревающего и режущего кислорода и горючего газа с вентилями регулирования давления подогревающего кислорода и горючего газа и со средством регулирования давления режущего кислорода, трубки подачи режущего и подогревающего кислорода и горючего газа, установленные на соответствующих выходах ствола, причем выходы трубок подачи подогревающего кислорода и горючего газа сообщены с расположенными в головке соответствующими отверстиями, а трубка подачи режущего кислорода сообщена через отверстие в головке с центральным каналом внутреннего мундштука, отличающийся тем, что смеситель выполнен в головке в виде цилиндрической инжекторной полости с двумя входами и выходом, а в головке выполнено расположенное над смесителем и соосное с ним калиброванное отверстие, причем смеситель и калиброванное отверстие расположены параллельно оси мундштуков, отверстие для подачи подогревающего кислорода сообщено с одним входом в инжекторную полость через калиброванное отверстие, а отверстие подачи горючего газа сообщено с другим входом в инжекторную полость, выход которой сообщен с входным цилиндрическим участком кольцевого зазора, при этом диаметр калиброванного отверстия в 2,16-2,4 раза меньше диаметра инжекторной полости и в 2,5-3 раза меньше диаметра отверстия подачи горючего газа, а ширина входного цилиндрического участка кольцевого зазора и диаметр калиброванного отверстия выбраны из соотношения (0,35-0,4)d≤h≤d, где h - ширина входного цилиндрического участка кольцевого зазора, d - диаметр калиброванного отверстия, причем площадь сечения выходного участка кольцевого зазора в 4,5-5,7 раз больше площади сечения калиброванного отверстия, а суммарная величина осевых длин инжекторной полости и кольцевого зазора в 3060 раз больше диаметра калиброванного отверстия.
2. Резак по п.1, отличающийся тем, что наружный и внутренний мундштуки связаны с головкой резьбовым соединением с образованием между головкой и внутренним мундштуком кольцевой полости, через которую инжекторная полость на выходе сообщена с входным цилиндрическим участком кольцевого зазора, причем на участке перехода кольцевого зазора от входного цилиндрического к выходному участку выполнена дополнительная кольцевая полость.
