Rezanie materiálov vodným lúčom v hazardnom prostredí
Obrábanie materiálov v hazardnom, t.j. vo výbušnom a toxickom prostredí je technicky, technologicky a z hľadiska bezpečnosti veľmi náročná činnosť. Existujú zvláštne požiadavky pri rezaní a čistení materiálov pod úrovňou terénu a v uzavretých nádobách (reaktoroch, kolónach, zásobníkoch). Rovnako zvýšené požiadavky sú pri rezaní potrubí a čistení vnútorného povrchu potrubí prepravujúcich ropu, plyn, benzín, naftu a pod. Tiež čistenie vnútorných priestorov, železničných a autocistreien prepravujúcich nebezpečné látky a aj čistenie vnútorného povrchu ľodí a tankerov prepravujúcich kvapalné a plynné palivá vyžadujú špecifické podmienky.
Z úvodu vyplýva, že existuje veľmi veľa aplikácií na obrábanie materiálov v tzv. hazardnom prostredí, ktoré sa vyznačuje veľmi špecifickými podmienkami na výkon prác. Nielen z hľadiska technologického a technického, ale najmä z hľadiska bezpečnosti. Či už z pohľadu ohrozenia pracovníkov alebo z hľadiska možnosti výbuchu, či požiaru pri realizácii prác v takomto nebezpečnom prostredí. Na tieto účely treba také technológie a postupy, ktoré nie sú založené na tepelných princípoch a postupoch. Technológie, ktoré nie sú elektricky vodivé, sú bez tvroby elektrostatického náboja a taktiež sú beziskrové. Vhodnou technologiou spĺňajúcou uvedené kritéria je obrábanie vodným lúčom.
Technológia vysokotlakového vodného lúča sa preto nazýva aj zlatá technológia. Ide o široko spektrálnu technológiu s mnohými aplikáciami a s množstvom mnohých modifikácií, takže použitie pojmu "obrábanie vodným lúčom" je primerané. Preto je podľa normy ISO pomenovaná ako WJM (Water Jet Machining). Široké aplikačné spektrum je dané najmä univerzálnosťou tejto technológie a ekologickými vlastnosťami, najmä studeným „rezom" s tým, že sa dá efektívne využiť aj v explozívnom, výbušnom či horľavom prostredí nasýtenom horľavými výparmi a inými uhľovodíkmi. Vysokotlakové zariadenia s multiplikátorom sú v súčasnosti vyrábané pre tlaky až 620 MPa a sú vhodné najmä na rezanie vodným lúčom. Pre aplikácie čistenia, hydrodemolácie, ale aj na rezanie materiálov sú vyrábané zariadenia s trojpiestovým hydrogenerátorom s tlakom až 320 MPa.
Univerzálnosť WJM spočíva v možnosti obrábania širokého sortimentu materiálov. V oblasti strojárskeho, automobilového a leteckého priemyslu je sortiment materiálov definovaný použitím a vlastnosťami a je "konečný". Naproti tomu v oblasti baníctva, stavebníctva, chémie a pod. je sortiment obrábaných materiálov s najrozličnejšími fyzikálnymi a pevnostnými vlastnosťami takmer "nekonečný". Existuje veľký počet druhov hornín (od sypkých, málo súdržných a dobre obrobiteľných cez plasticky málo pevné a obrobiteľné až po veľmi pevné a ťažko obrobiteľné), rôznych typov betónov (liate, vibrované, striekané, armované a nearmované, drátované atď.) s rôznou abrazívnosťou a odporom voči obrábaniu.
Vzhľadom k širokému sortimentu obrábaných materiálov s rôznymi fyzikálnymi a pevnostnými charakteristikami je potrebné, aby zariadenia generujúce vodný lúč mali vysoké výkony, t.j. boli univerzálnejšie, zahrňujúce možnosť použitia širokej kombinácie parametrov obrábania. Pri obrábaní materiálov v chemickom priemysle, v hutníctve a v stavebníctve sa stretávame s požiadavkou spracovať tieto materiály priamo na mieste - v teréne, čo je z pohľadu možností alebo hmotnosti „obrobku" jediná alternatíva. Aby sme dokázali vyhovieť aj týmto požiadavkám, hydraulické zariadenia na obrábanie vodným lúčom sa vyrábajú mobilné a vzhľadom k požiadavke vysokých výkonov (ale i možnosti regulácie parametrov, najmä tlaku) sú poháňané najmä dieselovými motormi (obr. 1a, b).
Obr. 1a Jet Power 125 kw otvorený
Obr. 1b Mobilný Jet Power 3000 bar
Hlavné výhody WJM technológie:
- studený rez, rezanie a čistenie bez tepelného či chemického ovplyvnenia obrábaného materiálu, naviac v materiáli nevznikajú tepelné napätia, túto výhodu neposkytuje žiadna iná technológia;
- možnosť použitia vo výbušnom, horľavom a toxickom prostredí (obr. 2),
- malá rezná medzera (čistý vodný lúč 0,1¸0,45 mm, abrazívny vodný lúč 0,8¸2 mm);
- možnosť použitia inej pracovnej kvapalina ako vody (mlieko, kakao, lieh a pod.);
- vysoká energetická účinnosť až 85 % (pričom účinnosť napr. plynového lasera je iba 10 %);
- možnosť obrábania takmer všetkých materiálov;
- v dôsledku minimálnych rezných síl nie je potrebné upínanie materiálu a prípravky na upínanie;
- do obrábaného materiálu nie sú vnášané dynamické rázy, je bez vibrácií, nevznikajú v ňom praskliny, trhliny nakoľko dynamické účinky sú minimálne;
- vysoká prevádzková spoľahlivosť a jednoduchosť;
- možnosť rezania vo všetkých smeroch, polohách a tvaroch bez obmedzenia (obr. 3 a,b);
- pri obrábaní nenastáva odparovanie obrábaného materiálu;
- bezprašnosť technológie;
- možnosť rezania pod vodou, čím sa dá tiež eliminovať hluk vodného lúča pri rezaní;
- možnosť použitia plne automatizovaného procesu obrábania s využitím softwaru pre programovanie pohybu nastroja, jeho optimalizácie s ohľadom na maximálne využitie materiálu;
- vysoká univerzálnosť;
- ekologické hľadisko a iné.
Obr. 2 Čistenie zásobníka pod úrovňou terénu s horľavými a výbušnými uhľovodíkmi.
V technickej praxi sa využívajú mnohé modifikácie vodného lúča: čistý vodný lúč, abrazívny vodným lúč s prísadami abrazíva (granátový piesok, olivín, kremičitý piesok, oceľová drť, sklenné gulôčky, ale aj ľad a či technická sóda).
V porovnaní s inými nekonvenčnými technológiami obrábania materiálov (napr. obrábanie laserom, plazmou či elektrónovým lúčom) možno vodným lúčom obrábať takmer všetky druhy materiálov v ľubovoľnom prostredí a najrozličnejšej polohe. Veľkú rolu zohráva pracovné prostredie, kde sa obrobok nachádza a tiež hrúbka obrábaného materiálu a tomu zodpovedajúca rýchlosť rezania s ohľadom na kvalitu reznej plochy.
Principiálne možno povedať, že na rezanie materiálov vysokotlakovým vodným lúčom treba vyššie tlaky a menšie prietokové množstvá a na čistenie nižšie tlaky a väčšie množstvá technologickej kvapaliny.
Vzhľadom k tomu, že požiadavky na rýchlosť a kvalitu obrábania materiálov neustále rastú, dochádza k prelínaniu technologických parametrov generovaných zariadeniami na rezanie a čistenie vodným lúčom, hoci oba druhy zariadení pracujú na odlišných princípoch generovania vysokých tlakov. Dominantnú úlohu pritom hrá množstvo dodávanej kvapaliny, najmä z pohľadu možnosti odtransportovania odobratého materiálu z miesta rezu a výkonu obrábania.
a)
b)
Obr. 3 a,b Hydrodemolácia a rezanie betónových blokov vodným lúčom nad nádržami s horľavými látkami
Pri obrábaní materiálov vysokorýchlostným vodným lúčom možno rozlišovať dva pracovné stupne; odrezanie a odtransportovanie materiálu z miesta rezu. Obidve požiadavky musia byť pri rezaní vodným lúčom splnené. Pri konštrukčne danom výkone zariadenia je výkon rezania vodným lúčom najvyšší pri použití vysokej rýchlosti lúča vL, kde [v=f(p)] a malom priemere dýzy. Účinné odtransportovanie od rezaného materiálu vyžaduje väčšie množstvo kvapaliny, pričom tlak zohráva relatívne malú úlohu. Obe tieto požiadavky sú protikladné, a tak musia byť pre každý konkrétny prípad osobitne posúdené.
So stúpajúcim prietokom sa adekvátne znižuje tlak (limitou je samozrejme príkon zariadenia). Účinok rezania sa znižuje, čiže rastie výkon - množstvo odtransportovaných častíc.
a)
b)
c)
Obr. 4 a, b, c Rezanie potrubí vodným lúčom prepravujúcich nebezpečné látky (nebezpečenstvo vznietenia a výbuchu pár horľavých a prchavých látok).
Konštrukcia vysokotlakových agregátov
Zariadenia pracujúce pri vysokých tlakoch a malými prietokmi sa nazývajú multiplikátory. Pracujú na princípe hydraulického zosilňovača tlaku. Nevýhodou týchto systémov je však relatívne „nízke" dodávané množstvo kvapaliny. Principiálna hydraulická schéma zariadenia s multiplikátorom je konštrukčne jednoduchá. Pri rezaní materiálov vodným lúčom sa používa max. pracovný tlak do 400 MPa pri prietoku vody ca. 4 l.min.-1. Paralelným zaradením multiplikátorov (tvoria sa systémy Dual, Triple až Kvatro) možno pri výkone do 75 kW dosiahnuť prietoky až 15 l.min.-1.
Na generovanie vysokých tlakov pri čistení sa používajú zariadenia na báze troj-piestových hydrogenerátorov. Súčasné svetové maximum z hľadiska týchto vysokotlakových zariadení je 3 200 bar, t.j. 320 MPa.
Takéto zariadenia už môžu úspešne konkurovať klasickým systémom na báze multiplikátorov. Samozrejme v oblastiach ako napr. stavebníctvo, kde je potreba používať tieto systémy outdoor (čiže stroj dopravovať k delenému materiálu) sa vyžaduje nezávislý pohon, získavajú tieto systémy prednosť, ktorá ich tiež vzhľadom na vyššie prietoky predurčuje na delenie veľmi hrubých, pevných materiálov, aké sa používajú najmä v stavebníctve pri podstatne väčších rezných rýchlostiach.
Na obrábanie materiálov tlakovou vodou v súčasnosti fy. URACA vyrába zariadenia s pracovnými tlakmi pre dlhodobú prevádzku 320 MPa, a to pri dodávanom množstve vody až 38,5 l.min-1, kde hydraulický výkon zariadenia dosahuje viac ako 185 kW. Uvedené zariadenia firmy URACA Pumpenfabrik GmbH & Co.KG. Nemecko sa s výhodou využívajú na sanáciu betónov, odstraňovanie náterov a pri použití abraziva na rezanie betónu, skál a pod., t.j. materiálov v stavebníctve a kameňopriemysle.
Konštrukcia vysokotlakového čerpadla URACA typ KD 627 s integrovaným prevodom do pomala (zaručuje nižšie stredné rýchlosti piesta), t.j. vyššiu životnosť je na obr. 5.
Obr. 5 Trojpiestové čerpadlo fy. URACA PUMPENFABRIK typ KD 627, s parametrami: tlak 2800 bar a prietok 38,5 l/min.
Vzhľadom k vysokým pracovným tlakom sa zvyšuje kvalita konštrukčných materiálov, používajú sa napr. kombinované tesnenia z PTFE, keramické povlaky piestov s kvalitou povrchu pod 0,2 mm a tvrdokovové sedlá ventilov. Na zabezpečenie dostatočnej kvality vody sa priamo na čerpadlách používajú tzv. spätné preplachovacie filtre s kovovou mriežkou a systémom indikácie zanesenia filtrov na zabránenie chodu naprázdno a následnej kavitácii čerpadla.
V každom prípade v dôsledku vysokých pracovných tlakov a extrémneho zaťaženia treba počítať pri exploatácii aj s určitým opotrebením a spotrebou najmä spotrebného materiálu ako napr. vodné či abrazívne trysky. Vyrábané zariadenia pracujú s kontinuálnym lúčom, ktorý je charakteristický stálou energetickou hladinou počas rezania. Z toho dôvodu sú potrebné relatívne nízke upínacie sily na fixné uchytenie obrobku. Veľakrát postačuje iba vlastná hmotnosť výrobku.
Ako už bolo uvedené na čistenie a rezanie materiálov v teréne sa používajú mobilné čistiace agregáty URACA poháňané dieselovými motormi (obr. 1b).
Všeobecne je známe, že statické pôsobenie vodného lúča nevyvoláva v základnom materiáli nežiadúce trhliny, t.j. pôsobí staticky bez dynamických rázov, čím technológia vodného lúča získava neoceniteľné prednosti pred inými technológiami na úpravu povrchu betónu. Betón je po čistení vodným lúčom navyše dostatočne drsný a porézny pre ďalšie ošetrenie. Taktiež kvalita reznej plochy deleného materiálu abrazívnym vodným lúčom býva výbornej kvality. Kvalita závisí najmä od veľkosti pracovného tlaku, rýchlosti posuvu a tiež druhu, množstva a kvality použitého abraziva.
Abrazívny vodný lúč
Abrazívny vodný lúč je kontinuálny vodný lúč, do ktorého sa pridávajú tuhé častice malého priemeru (abrazív). Primiešaním abrazívnych častíc (jemný oxid hlinitý, granát, olivín, triedený kremičitý piesok, alebo oceľová drť) do vysokotlakového prúdu vody vzrastie výkon rezania.
Abrazívny vodný lúč je trojfázový (obsahuje častice v pevnom, kvapalnom a plynnom skupenstve). Primiešanie abrazíva sa uskutočňuje v zmiešavacej komore. Vzhľadom k abrazívnemu účinku lúča sa musí aj samotná hlavica, resp. abrazívna zmiešavacia tryska vyrábať z kvalitného materiálu, aby bola zabezpečená požadovaná životnosť celej hlavice trysiek.
Abrazívny rezací systém používa vodu s abrazívom na rezanie najmä ťažkoobrobiteľných materiálov. Táto technológia je výborná na rezanie rôznych tvarov.
Záver
Veľkým problémom je rezanie materiálov, ktoré sa pri obrábaní lepia na nástroj, resp. kde tepelná deformácia výrobku môže spôsobiť znehodnotenie výrobku. Takouto problematickou skupinou sú materiály bežne používané v automobilovom a leteckom priemysle na báze plastov, gumy a iných sendvičových a kompozitných štruktúr, ale aj nerezové materiály. Tieto materiály vyvolávajú problémy pri mechanickom obrábaní aj zo zdravotného hľadiska, vírenie malých častí vo vzduchu (napr. chrómu) spôsobuje zdravotné problémy nielen obsluhe. Preto sú hľadané postupy, ako progresívna technológia vodného lúča. Samozrejmosťou je, že vysokotlakové zariadenia a ich základné technické vybavenie (príslušenstvo) sú neustále zlepšované a vyvíjané tak, že dnes prakticky nemôžu chýbať pri žiadnej významnejšej práci.
Vysokotlakový vodný lúč a práce ním vykonávané sú vysoko efektívne a navyše ekologické. V súčasnosti vzhľadom k vysokým generovaným pracovným tlakom ho možno efektívne tiež využiť aj na rezanie všetkých známych technických materiálov. S prísadou abraziva možno bez problémov deliť ocele, mramor, žulu, sklo či iné materiály. Množstvo aplikácií technológie prispieva k lepšiemu ekonomickému využitiu.
Zariadenia na WJM, t.j. na rezanie čistým vodným lúčom a abrazívnym vodným lúčom, či na čistenie vodným lúčom sú vysoko efektívne, konkurencieschopné a ekologické zariadenia a postupy chrániace životné a pracovné prostredie s výborným efektom na práce v tzv. hazardnom prostredí.
Text: Ing. Zdenko KRAJNÝ, PhD.,
AQUACLEAN, s. r. o. Bratislava,
www.aquaclean.sk
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax