«Підвищення продуктивності гідроабразивного різання шляхом оптимізації довжини фокусуючої трубки»

Холошін, Віталій Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9426

Title:	«Підвищення продуктивності гідроабразивного різання шляхом оптимізації довжини фокусуючої трубки»
Authors:	Мацепа, Сергій Михайлович Холошін, Віталій Володимирович
Keywords:	Гідроабразивне різання
Issue Date:	2023
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Підвищення продуктивності гідроабразивного різання шляхом оптимізації довжини фокусуючої трубки» Виконавець: здобувач групи мНТ-81 Холошін Віталій Володимирович. Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович Кваліфікаційна робота містить 91 сторінка формату А4, 55 рисунків, 20 таблиць, 65 літературних джерел. Актуальність теми обумовлена тим, що Процес гідроабразивного різання складний, маловивчений, на результат якого впливає безліч технологічних параметрів, таких як тиск ріжучої струменя, подача сопла, зернистість, твердість, витрата абразиву, відстань від сопла до оброблюваної поверхні, фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу. У першому розділі розглядаються можливі напрями вдосконалення технологій ГАО-ГАР. Подано хронологію розвитку технології ГАО-ГАР. Розглянуто сфери застосування гідроабразивного ультраструменю та його фізикоенергетичні можливості. Вивчено методи отримання цього «специфічного інструменту» різання та його оптимізація за фізико-технологічними параметрами. Поставлені цілі та завдання роботи. Другий розділ присвячено: моделюванню руху високошвидкісного струменя рідини та абразиву по внутрішньому каналу ФТ, виконані для визначення значення швидкісних показників потоку в залежності від його довжини. Зроблено висновки, що вирішення питань оптимізації довжини каналу ФТ має найбільший потенціал для дослідження, причому за таким критерієм порівняння як «можливість підвищення продуктивності» і «простота реалізації» цей напрямок значно перевищує інші розглянуті варіанти. У третьому розділі: представлені результати досліджень, підтверджують феноменологічну модель процесу ГАО-ГАР і, безумовно, корелюється з розрахунками швидкості на виході. Побудовано залежність глибини ГАР від довжини ФТ в результаті виконання теоретичних, розрахункових та експериментальних даних. Четвертий розділ присвячено Охороні праці та безпеці в надзвичайних ситуаціях.; вибрана система очищення води для гідроабразивного різання.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9426
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Холошін.pdf Restricted Access		3.71 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Підвищення продуктивності гідроабразивного різання шляхом
оптимізації довжини фокусуючої трубки»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-81
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Холошін Віталій Володимирович
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій
Михайлович
Рецензент: головний конструктор ТОВ МНВК
«Станко-Груп» м.Черкаси
Лахно Ігор Олексійович

Черкаси 2023 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2023р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Холошіну Віталію Володимировичу _
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Підвищення продуктивності гідроабразивного різання шляхом
оптимізації довжини фокусуючої трубки».
Керівник роботи Мацепа Сергій Михайлович, ст. викладач
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«10» жовтня 2023р. №271/04
2. Термін подання здобувачем роботи 05. 12. 2023 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія гідроабразивного різання, фокусуюча
трубка
4. Зміст пояснювальної записки: Шляхи вдосконалення технології
гідроабразивної обробки та різання матеріалів; Методи та засоби для вирішення
поставлених завдань; Модель формування гідроабразивного ультраструменю;
Дослідження фізико-технологічних особливостей формування гідроабразивного
ультраструменю; Інженерно-технологічна методика визначення оптимальної
довжини фокусуючої трубки Системи очищення води для гідроабразивного
різання.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо) Тема КРМ; Схема формування ГАУС;
Технологічна оснастка; Вимірювальне обладнання; Схема формування ГАУС;
Визначення швидкості частинок на різних довжинах; Результати
математичного моделювання; Каверни на різній відстані від зрізу ФТ;
Порівняльний аналіз результатів; ОП та ЦЗ; Висновки.

6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 2 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 3 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 04.09.2023 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 04.09-01.10.2023
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2023
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2023
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2023
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2023
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2023
7 Оформлення графічної документації 30.11 – 04.12.2023
8 Захист роботи ___.12.2023р.

Здобувач ___________ __Віталій ХОЛОШІН__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ ___Сергій МАЦЕПА__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Підвищення продуктивності
гідроабразивного різання шляхом оптимізації довжини фокусуючої трубки»
Виконавець: здобувач групи мНТ-81 Холошін Віталій Володимирович.
Керівник: старший викладач Мацепа Сергій Михайлович
Кваліфікаційна робота містить 91 сторінка формату А4, 55 рисунків, 20
таблиць, 65 літературних джерел.
Актуальність теми обумовлена тим, що Процес гідроабразивного різання
складний, маловивчений, на результат якого впливає безліч технологічних
параметрів, таких як тиск ріжучої струменя, подача сопла, зернистість, твердість,
витрата абразиву, відстань від сопла до оброблюваної поверхні, фізико-механічні
характеристики оброблюваного матеріалу.
У першому розділі розглядаються можливі напрями вдосконалення
технологій ГАО-ГАР. Подано хронологію розвитку технології ГАО-ГАР.
Розглянуто сфери застосування гідроабразивного ультраструменю та його фізико-
енергетичні можливості. Вивчено методи отримання цього «специфічного
інструменту» різання та його оптимізація за фізико-технологічними параметрами.
Поставлені цілі та завдання роботи.
Другий розділ присвячено: моделюванню руху високошвидкісного струменя
рідини та абразиву по внутрішньому каналу ФТ, виконані для визначення значення
швидкісних показників потоку в залежності від його довжини. Зроблено висновки,
що вирішення питань оптимізації довжини каналу ФТ має найбільший потенціал
для дослідження, причому за таким критерієм порівняння як «можливість
підвищення продуктивності» і «простота реалізації» цей напрямок значно
перевищує інші розглянуті варіанти.
У третьому розділі: представлені результати досліджень, підтверджують
феноменологічну модель процесу ГАО-ГАР і, безумовно, корелюється з
розрахунками швидкості на виході. Побудовано залежність глибини ГАР від
довжини ФТ в результаті виконання теоретичних, розрахункових та
експериментальних даних.
Четвертий розділ присвячено Охороні праці та безпеці в надзвичайних
ситуаціях.; вибрана система очищення води для гідроабразивного різання.

5
ABSTRACT
The topic of the master's qualification work: " Increasing the productivity of
waterjet cutting by optimization of the length of the focusing tube "
Performer: winner of the mNT-81 group Vitaly Kholoshin
Leader: senior teacher Serhiy Matsepа
The qualification work contains 91 pages of A4 format, 55 figures, 20 tables, 65
literary sources
The topicality of the topic is due to the fact that the process of hydroabrasive cutting
is complex, poorly studied, the result of which is affected by many technological
parameters, such as the pressure of the cutting jet, nozzle feed, granularity, hardness,
abrasive consumption, the distance from the nozzle to the processed surface, physical and
mechanical characteristics of the processed material .
In the first section, possible areas of improvement of GAO-GAR technologies are
considered. The chronology of the development of GAO-GAR technology is given. The
spheres of application of hydroabrasive ultrajet and its physical and energetic possibilities
are considered. The methods of obtaining this "specific tool" of cutting and its
optimization according to physical and technological parameters were studied. Set goals
and tasks of the work.
The second section is devoted to: modeling of the movement of a high-speed jet of
liquid and abrasive along the internal channel of the FT, performed to determine the value
of the speed indicators of the flow depending on its length. It was concluded that solving
the optimization of the FT channel length has the greatest potential for research, and
according to such comparison criteria as "the possibility of increasing productivity" and
"ease of implementation", this direction significantly exceeds the other considered
options.
In the third chapter: the research results are presented, which confirm the
phenomenological model of the GAO-GAR process and, of course, are correlated with
the calculations of the output speed. The dependence of the depth of the GAR on the
length of the FT was constructed as a result of theoretical, calculated and experimental
data.
The fourth chapter is devoted to labor protection and safety in emergency
situations.; selected water treatment system for waterjet cutting.

6
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 8
Розділ 1. Шляхи вдосконалення технології гідроабразивної обробки та різання
матеріалів ....................................................................................................................... 10
1.1 Вирішені науково-технологічні завдання ...................................................... 10
1.2 Особливості формування гідроабразивного ультраструменю ..................... 13
1.3 Аналіз впливу фокусуючої трубки на гідрофізичну картину формування
гідродинамічного потоку. ............................................................................................. 18
1.4 Технологічне забезпечення експериментів .................................................... 20
1.5 Вимірювальне обладнання, яке застосовується ............................................ 27
1.6 Мета та задачі дослідження ............................................................................. 30
Висновки до першого розділу .................................................................................. 31
Розділ 2. Дослідження впливу конструктивно-технологічних параметрів
фокусуючої трубки на формування гідроабразивного різання та обробки матеріалів
......................................................................................................................................... 32
2.1 Модель формування гідроабразивного ультраструменю ............................. 32
2.3 Визначення швидкісних параметрів гідроабразивного ультраструменю в
залежності від конструктивно-технологічних параметрів ........................................ 40
Висновок до розділу 2............................................................................................... 43
Розділ 3. Дослідження фізико-технологічних особливостей формування
гідроабразивного ультраструменю .............................................................................. 44
3.1 Випробування фокусуючої трубки в умовах варіювання технологічних
параметрів ...................................................................................................................... 44
3.2 Порівняльний аналіз результатів теорії, розрахунків та експериментальних
даних досліджень .......................................................................................................... 59
3.3 Інженерно-технологічна методика визначення оптимальної довжини
фокусуючої трубки ........................................................................................................ 61
3.4 Технологічні рекомендації щодо стандартизації довжини фокусуючої трубки
......................................................................................................................................... 64

7
3.5 Економічні перспективи ..................................................................................... 66
Висновок до розділу 3............................................................................................... 68
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях ............................ 69
4.1 Системи очищення води для гідроабразивного різання ............................... 69
4.2 Дотримання безпеки праці при використанні абразивних гранул .............. 70
4.3 Основні заходи з підвищення стійкості підприємств до надзвичайних
ситуацій .......................................................................................................................... 71
4.4 План локалізації та ліквідації аварійних ситуацій і аварій .......................... 78
Загальні висновки ...................................................................................................... 83
Список використаної літератури ................................................................................. 85

8
Вступ
В даний час технологія гідроабразивної обробки та різання (ГАО-ГАР)
знайшла широке застосування в різних галузях машинобудування для виконання
низки технологічних операцій, зокрема, розкрою листового матеріалу, точіння,
очищення та зміцнення поверхонь, утворення отворів та ін [33]. Причини активного
впровадження цієї технології пов'язані з значною кількістю її переваг, причому за
низкою критеріїв, наприклад, пожежо- вибухобезпеки, у неї практично немає
альтернатив. Серед переваг технології ГАО-ГАР, перш за все слід відзначити
універсальність технологічного обладнання, що застосовується, можливість
різання різних, у тому числі комбінованих, шаруватих матеріалів, відсутність
температурного впливу на оброблювані матеріали. До недоліків ГАО-ГАР
найчастіше відносять високу собівартість обробки та вартість витратного матеріалу
– абразивного піску. Сьогодні в процесі ГАО-ГАР у більшості випадків
використовується зарубіжний абразив, вартість якого зростає пропорційно до
зростання курсу валют, що серйозно позначається на конкурентних перевагах даної
технології. Перехід на використання вітчизняної сировини для отримання
абразивного порошку зміг би вирішити зазначені проблеми технології, проте це
призведе до необхідності аналізу конструкторсько-технологічних рішень та оцінки
ефективності ряду параметрів, оптимізованих під витратний матеріал, що
використовується раніше і рекомендований виробником обладнання. Йдеться про
елементи струмеформуючого тракту і фокусуючої трубки (ФТ), безпосередньо
пов'язаної з формуванням та розгоном абразивно-рідинного струменя.
Незважаючи на те, що інтерес до досліджень процесу ГАО-ГАР та пов'язаних
із цією технологією питаннями постійно зростає, питанням оптимізації параметрів
струмеформуючого тракту в науковій літературі приділялася вкрай мала увага.
Разом з тим було вирішено низку оптимізаційних завдань технології ГАО-ГАР,
таких як вибір кутів взаємодії ріжучого струменя та матеріалу, вибір концентрації
абразиву за вартісними показниками обробки, визначення швидкостей подачі
соплового блоку за інформаційними параметрами сигналу акустичної емісії та ін.

9
Очевидно, що перехід на використання вітчизняного абразиву в рамках
програми імпортозаміщення вимагатиме вирішення актуального завдання, а саме
розробки інженерної методики, спрямованої на пошук раціональних довжин
фокусуючої трубки в залежності від мас-геометричних характеристик тієї чи іншої
марки абразиву. Таким чином, тема роботи, пов'язана з вирішенням питань
забезпечення продуктивності ГАО-ГАР матеріалів є актуальною та практично
значущою [48,49].

10
Розділ 1. Шляхи вдосконалення технології гідроабразивної обробки та
різання матеріалів
У розділі розглядаються можливі напрями вдосконалення технологій ГАО-
ГАР. Подано хронологію розвитку технології ГАО-ГАР. Розглянуто сфери
застосування гідроабразивного ультраструменю та його фізико-енергетичні
можливості. Вивчено методи отримання цього «специфічного інструменту»
різання та його оптимізація за фізико-технологічними параметрами. Поставлені
цілі та завдання роботи.
1.1 Вирішені науково-технологічні завдання
У сучасну галузь машинобудування активно впроваджуються технології,
пов'язані з гідроабразивною обробкою та гідроабразивним різанням матеріалів.
Технологія ГАО-ГАР є перспективною та конкурентоспроможною порівняно з
лазерною, плазмовою, механічною та іншими видами високотехнологічного
різання матеріалів. Гідроабразивний струмінь дозволяє швидко, з високою
точністю обробляти та різати конструкційну кераміку, гуму, бронескло, тугоплавкі,
жароміцні сплави та інші матеріали [21, 51].
Зародження технології гідроабразивного різання розпочалося у 50-ті роки
минулого сторіччя. Інтенсивні дослідження та експерименти в цій галузі велися як
у США, так і в СРСР. У 1947 році вперше було зареєстровано авторське свідоцтво
щодо використання водяного струменя високого тиску для різання твердих
матеріалів. У 1972 році Норман Франц спільно з компанією McCartney
Manufacturing розробив першу промислову установку для гідроструминного
різання. Незабаром вчені здогадалися, що якщо включити в струмінь високого
тиску частинки абразивного піску, то ріжучі властивості ультраструменю
багаторазово збільшаться. У 1979 році провідний інженер компанії Flow Мохаммед
Хашиш запатентував цей винахід. В результаті, в 1980 році, були спроектовані та
запущені в серійне виробництво верстати та комплектуючі для гідроабразивного
різання. Гідроультраструмінь (ГУС) став використовуватися також для різання
скла та бетону. А вже 1983 року технологія активно використовувалася в авіаційній
та космічній промисловостях. З того часу технологія ГАО-ГАР здобула світову

11
популярність і є універсальним та передовим методом фізико-технічної обробки
матеріалів. На рисунку 1.1 представлена типова установка для процесів ГАО-ГАР.

Рисунок 1.1. Гідроабразивна установка
Використання даної технології є актуальним не тільки на повітрі, а й під
водою. Існує широкий спектр завдань, вирішення яких неможливе без
використання нової виробничої технології ГАО-ГАР матеріалів. Число
трубопровідних систем морського закладення з кожним днем тільки зростає,
активно інвестується будівництво нафтових платформ для нафтовидобутку з
морських нафтових свердловин. Однак все частіше постає питання відставання
науково-методичного забезпечення процесів підтримки активної експлуатації та
подальшої утилізації цих систем. ГАО-ГАР технології дозволять в автоматичному
режимі проводити ремонтні роботи, дефрагментацію, очищення відкладів та іржі
на будь-якій глибині.
Ультраструминеві технології (УСТ) справляються із завданнями різання та
обробки легкозаймистих матеріалів. А також, перспективні в авіаційних та
космічних галузях промисловості, у машинобудівному виробництві та
автомобілебудуванні. УСТ дозволяє діагностувати стан поверхневого шару виробів
та складати загальну картину фізико-механічного вигляду об'єкта. Активно
використовується при листовому розкроюванні матеріалу та для обробки поверхні
перед фарбуванням, видалення задирок, зняття іржі, зняття чорноти та інших
дефектів, виготовлення деталей складної форми.
Технологічні можливості, і навіть, перспектива використання ГАО-ГАР було
розглянуто в роботах як вітчизняних, і зарубіжних учених [18]. Багато дослідників

12
та науковців підтвердили конкурентоспроможність технології ГАО-ГАР порівняно
з іншими та відобразили це своїх роботах.
Згідно з дослідженням, проведеним групою вчених Mohammad S. Alsoufi, Dhia
K. Suker, Abdulaziz S. Alsabban, Sufyan Azam гідроабразивне різання показало
хороші результати порівняно з лазерними технологіями [50].
Розглянемо можливі напрями для вдосконалення технології та проведемо
аналіз робіт дослідників та науковців цієї галузі.
Напрямків для вдосконалення технології ГАО-ГАР безліч: використання
різних видів абразивних пісків (металевий, кварцовий, гранатовий, корундовий та
інші), варіювання розміром абразивних частинок (mesh size), розмір ФТ, форма
внутрішнього каналу ФТ, довжина ФТ, кут нахилу ФТ до поверхні оброблюваного
об'єкта та інші. Усі ці та інші параметри суттєво впливають на ефективність
гідроабразивного різання матеріалів.
У роботах авторів: Я. Ю. Яблуновський, І.В. Петко, Р. А. Тихомиров, Ю. Є.
Єрхімович, В. А. Тарасов, В. М. Єлфімов, В. І. Колпаков проводилися аналітичні
та експериментальні дослідження по вибору дисперсності та концентрації
абразивного матеріалу [4,45]. Швидкість подачі ріжучої головки відносно
оброблюваного виробу описується в роботах Г. В. Барсуков, В. В. Кузін [44, 55,58].
Безумовно, важливим фактором, що впливає на ефективність різання є відстані до
оброблюваного об'єкта. Описом впливу відстані та варіювання цього параметра
займалися І. В. Добровольський, В. В. Шпілєв, М. К. Решетніков. Одним з
актуальних способів контролю та оптимізації технології ГАО-ГАР є оптимізація
процесу сигналу акустичної емісії (АЕ). Зміною кута атаки гідроабразивного
струменя займалися як наші співвітчизники, так і зарубіжні вчені. Яскравими
представниками є Р. П. Черепанов, А. А. Штерцер [7].
Завдяки вченим, В.А. Тарасов, Л. А. Тищенко, А. Л. Галиновський, проведено
оцінку стійкості фокусуючої трубки та виявлено основні фактори, що впливають
на термін служби ФТ [3, 47,]. Безумовно, термін служби ФТ є найважливішим
параметром, що впливає на собівартість всього процесу ГАО-ГАР. Пошуком

13
альтернативних варіантів, а також аналізом собівартості процесу гідроабразивного
різання займалися В. А. Тарасов, В. М. Єлфімов, А. Л. Галиновський [10,60]
Однак, процес ГАО-ГАР малодосліджений, а багато показників, що впливають
на ефективність та якість різання, зовсім ніколи не розглядалися. Науково-
методичне забезпечення та техніко-економічна оптимізація параметрів – досі є
відкритою темою для дискусій багатьох вчених та дослідників [46, 58, 39, 47].
1.2 Особливості формування гідроабразивного ультраструменю
Струменеві технології набули широкого поширення набагато раніше, ніж
гідроабразивні технології. У 30-х роках ХХ століття в СРСР установки для
формування водяного струменя активно використовувалися в гірничодобувній
промисловості. Цьому обладнанню присвоєно термін – гідромонітори [47, 52].
Лише через три десятки років з'явилися необхідні системи для створення
ультраструменю високого тиску, швидкість якого була б порівнянна зі швидкістю
звуку. Гальмування розвитку даної технології обумовлювалося відсутністю
необхідних агрегатів і систем, які мають необхідні фізико-технологічні можливості
[27,45].
Колосальним кроком для подальшого розвитку даної технології стала ідея
додавання абразиву в гідроультраструмінь. Завдяки цьому гідроабразивна
технологія отримала широкий діапазон можливостей, а відповідно і грандіозний
інтерес на світовому ринку. Все це послужило відкриттю можливостей для
дослідження всіх компонентів, необхідних для проектування та реалізації
гідроабразивної установки в серійному виробництві. В даний час існує безліч
систем для створення високошвидкісного гідроабразивного ультраструменю
(ГАУС). Розглянемо загальну принципову схему утворення ГАУС, представлену
на Рисунку 1.2.

14

Рисунок 1.2. Принципова схема роботи гідроабразивної установки
Для створення високошвидкісного гідроабразивного струменя
використовуються насоси високого тиску. Насос є одним з головних елементів
установки, який потребує регулярного обслуговування та постійного контролю.
Розглянемо алгоритм роботи насосної системи на рисунку.

15
При включенні джерела живлення подається сигнал на електродвигун.
Одночасно вмикається система подачі води. Для забезпечення працездатності та
збільшення терміну експлуатації обладнання передбачена система очищення води.
Вона встановлюється перед робочою камерою насосної системи та не дозволяє
проникати великим частинкам, важким металам, піску та іншим домішкам у робочу
камеру насосної системи. Робоча камера є замкнутим простором, в якій
знаходяться поршневі елементи. Саме поршневі елементи створюють необхідний
тиск води. За рахунок виштовхувальної системи, ГУС надходить у трубопровід і
проходячи через сопло і фокусуючу трубку - перетворюється на ГАУС, тобто на
різальний інструмент.
Усі насосні системи можна класифікувати за формою поршня:
1. Поршневі насоси – поршень має форму диска
2. Плунжерні насоси – поршень циліндричної форми
3. Діафрагмові насоси – поршень із спеціальною діафрагмою
4. інші
А також насоси можна розділити за такими групами:
1. Залежно від способу дії
1) одинарної дії
2) подвійної дії
3) диференціальні насоси
2. За рухом головної ланки
1) прямої дії
2) вальні
Вальні насоси можуть бути як кулачковими, так і занурювальними
3. За типом приводу
1) ручний привід
2) механічний привід
4. За кількістю поршнів
1) один поршень
2) два поршні

16
3) три поршні
4) чотири і більше поршнів
5. За розміром поршнів
Незважаючи на все різноманіття насосних систем, їх ряд функціональних
особливостей і спектр можливостей, весь механізм утворення ГАУС, у будь-якому
випадку, закінчується фокусуючою трубкою. Розглянемо, що відбувається з ГУС
після потрапляння в трубопровід [53, 43]. На рисунку 1.3 представлена схема
формування ГАУС від подачі струменя води високого тиску до утворення
гідроабразивної суспензії на виході з фокусуючої трубки.

Рисунок 1.3. Схема формування ГАУС
Отже, після підвищення тиску струменя води за допомогою насосної системи
вона проходить через сопло в напрямку оброблюваного об'єкта. Сопло є
циліндричною поверхнею зі змінним діаметром внутрішнього каналу. Менший
діаметр внутрішнього каналу може досягати значення 0,08 мм. Всі сопла
піддаються колосальному навантаженню в процесі здійснення гідроабразивного
різання і частина внутрішнього каналу сопла виготовляється з міцних, надійних
дорогоцінних металів: рубіну, сапфіру або алмазу [43, 54]. На рисунку 1.4 показано
пристрій внутрішнього каналу сопел для гідроабразивного різання.

17

Рисунок 1.4. Внутрішній канал сопла
Внутрішній канал являє собою набір конічних і циліндричних поверхонь. На
вході внутрішній канал сопла являє собою набір із двох усічених циліндрів –
забірна та прискорююча частини. Далі виготовляється циліндрична частина, яка, у
свою чергу, виконує струменеформуючу функцію. Сопла можуть мати різну
зовнішню конфігурацію, яка залежить від виробника використовуваної установки,
а також варіюється діаметр внутрішньої циліндричної частини. На рисунку 1.5
представлені варіанти сопел.

Рисунок 1.5. Види сопів
Струмінь виривається через вузький внутрішній канал сопла з ще більшою
швидкістю і потрапляє в змішувальну камеру. Перед тим як використовувати той
чи інший вид абразивного матеріалу, необхідно здійснити просіювання через сито
для поділу на фракції і видалення великих частинок. Зазвичай це обладнання
входить до стандартної комплектації гідроабразивного обладнання та встановлено
безпосередньо на вході в абразивний бак. Просіяний абразивний матеріал
надходить у змішувальну камеру з умовно нульовою швидкістю, тим самим
знижуючи набуту раніше швидкість потоку. Далі, гідроабразивна суспензія
проходить через фокусуючу трубку, що розганяє абразивні частинки і формує на
виході різальний інструмент-ГАУС. Швидкість утвореного струменя

18
безпосередньо залежить від довжини фокусуючої трубки. У наступних розділах
буде вивчено можливі фактори та виявлено залежності, що впливають на вихідну
швидкість ультраструменю [42].
1.3 Аналіз впливу фокусуючої трубки на гідрофізичну картину
формування гідродинамічного потоку.
Специфіка фізико-енергетичної картини формування ГАУС у каналі ФТ
полягає у протікаючих паралельно-послідовно надінтенсивних процесах
перетворення вихідної кінетичної енергії ГУС на інші, у тому числі дисипативні
види енергії. Ці вкрай негативні початкові втрати енергії ГУС знижують
технологічну результативність ГАУС і, як наслідок, техніко-економічну
ефективність конкретної операції з ультраструминевої обробки матеріалів і рідин.
До основних енергетичних втрат слід віднести:
1) Інтенсивне тертя гідропотоку та його твердофазну складову об стінки
робочого каналу ФТ з урахуванням турбулізації, у тому числі газової
2) Генерація широкосмугового, динамічного збурення матеріалу ФТ та
структури ГАУС, яке зрештою дисоціює у тепло
3) Енергетичні втрати, пов'язані із процесами утворення нових поверхонь,
зокрема при гідроабразивній ерозії поверхонь робочого каналу ФТ,
утворенні мікрокрапель тощо.
Саме ці втрати знижують енергетичні параметри ГАУС, головним чином їхню
домінантно-технологічну твердофазну складову частинок абразивного матеріалу
[44].
Якщо мінімізація «динамічних» втрат вимагає ряд спеціального аналізу
хвильових характеристик ФТ та розробки відповідних раціональних
конструкторсько-технологічних рішень (КТР), а втрати на ерозію робочого каналу
ФТ, пов'язані з ними, припускають використання особливих зносостійких
матеріалів, то управління процесами тертя в початковому, але вельми
результативному наближенні можливо в першу чергу шляхом варіювання площею
контактної взаємодії формований ГАУС і стінкою робочого каналу ФТ [10].

19
Справді, якщо довжина каналу ФТ надмірна, тобто швидкість частки абразиву,
що розганяється, вже зрівнялася зі швидкістю ГУС і радіальний градієнт
двофазного потоку (ГДП), за винятком прикордонного пристінкового шару у ФТ
близько до нуля, то рух ГАУС на цій градієнтно-нульовій ділянці супроводжується
прямими енергетичними диссипативними втратами. Як наслідок – зменшується
фізико-технологічна ефективність твердофазних частинок ГАУС.
В іншому випадку, коли швидкість ГУС на виході з ФТ значно перевищує
швидкість абразивних частинок, тобто процес їх розгону не завершено, то і фізико-
технологічна результативність таких градієнтно «ненульових» у радіальному
напрямку. ГАУС буде далеким від свого потенційно-максимального значення.
Таким чином, при надмірно довгих робочих каналах ФТ швидкість абразивних
частинок не досягає своєї фізико-технологічної межі через невиправдані
енергетичні втрати потоку ГАУС у різному каналі ФТ, а при використанні відносно
коротких ФТ відбувається "недорозгін" частинок абразиву, в їх робочих каналах,
що також енергетично негативно позначається на їх фізико-технічних можливостях
при здійсненні конкретних операцій з ГАО матеріалів.
У зв'язку з цим можна стверджувати наявність оптимальної довжини робочого
каналу ФТ, що забезпечує найбільш ефективну реалізацію енергетичних
можливостей вихідного ГУС за критерієм максимальної швидкості абразивної
складової твердофазних частинок ГАУС [45].
Зауважимо, що цей найважливіший конструктивно-технологічний параметр
ФТ дуже чутливий до вібрацій практично всіх фізико-технологічних характеристик
ГАО: робочого тиску (швидкості) ГУС, її діаметр, співвідношення між діаметрами
частинок абразиву, робочого (розгінного) каналу ФТ та діаметром ГУС, а також
конкретика фрикційної взаємодії ГДП із контактною поверхнею ФТ, її мікро та
макрогеометрією тощо. Тому теоретичне забезпечення наявності функціонально-
оптимальної, за критерієм енергетично-швидкісної ефективності твердофазної
складової (компоненти) ГАУС, довжини робочого каналу ФТ представляє важливе
науково-прикладне завдання у розробці теоретичних основ УСТ, рішення якої має
очевидні практичні значення.

20
1.4 Технологічне забезпечення експериментів
У процесі проведення експериментів використовувалися різні установки для
гідроабразивного різання та обробки. Розглянемо обладнання, надане для
проведення експериментів докладно.
Перше обладнання - це установка для гідроабразивного різання, виробник
FLOW, верстат Mach3(M3), серії 1313b 50 iS (4150 bar) представлений на Рисунку
1.6.

Рисунок 1.6. Установка гідроабразивного різання Flow Mach 3 1313b
Для зручності сприйняття всі характеристики цієї установки зведені в
Таблицю 1.1
Таблиця 1.1. Характеристики установки гідроабразивного різання Flow Mach
3 1313b
Довжина 2250
Габаритні розміри, мм Ширина 1900
Висота 1590

21
Робочий стіл (зона різання), мм Вісь х 1300
Вісь у 1300
Максимальна висота заготовки, мм 150
Швидкість різання, мм/хв 7600
Швидкість переміщення , мм/хв 12700
Максимальний робочий 415
Насос високого тиску тиск, мПа
Пропускна здатність, л/хв 3,8
Для системи зберігання та подачі абразивного матеріалу передбачений бак з
габаритами 800*900*1300 мм, вага порожнього бака становить 85 кг. На рисунку
1.7 представлені фотографії бака з абразивним матеріалом.

Рисунок 1.7. Система зберігання абразивного матеріалу
Під час проведення більшості експериментів використовувався гранатовий
абразив Mesh#80, показаний на Рисунку 1.8. Абразив замовляється великою
партією, паллетою від 2 тонн, а вага одного мішка становить 25 кг. Зберігати
абразивний матеріал обов'язково у сухому приміщенні. Розглянемо характеристики
цього абразивного матеріалу докладно для детального аналізу його форми, розміру
частинок, твердості тощо [12, 32, 35].

22

Рисунок 1.8. Гранатовий абразив у закритій упаковці
Таблиця 1.2. Склад, у відсотках, гранатового абразивного піску
Всього SiO2 31%
Вільний SiO2 0,03%
Cl 0,55%
S04 1,84%
Al2O3 7,40%
Fe2O3 0,01%-0,13%
TiO2 0,01%
CaO 31%
MgO 0,03%
Na2O 0,55%
K2O 1,84%
MnO2 7,40%
P2O5 0,01%-0,13%
Таблиця 1.3 Фізичні параметри гранатового абразиву:
Питома маса 4,10
Твердість(Mohs) 7,5-8
Точка плавлення 1260 оС
Форма гранул угловаті

23
Розглянемо, із яких мінералів складається гранатовий абразивний матеріал:
- Гранат - 95,6-97,8%
- Ільменіт - 1,1-3,4%
- Кварц (вільні силікати) – 0,4-0,7%
- Ін - 0,3% - 0,4%
Наступна установка, що використовується, - установка для гідроабразивного
різання виробник STM/MaximatorJet Gmbh, спільне виробництво Австрії та
Німеччини. На рисунку 1.9 представлений зовнішній вигляд установки.

Рисунок 1.9. Комплекс гідроабразивного різання STM Watersonic Standard
Технічні характеристики цієї установки зведені у Таблиці 1.4
Таблиця 1.4. Параметри установки STM/MaximatorJet Gmbh
Довжина 3900
Габаритні размір, мм Ширина 2950
Висота 2700
Рабочий стіл (зона різання), мм Ось х 3002
Ось у 2002
Максимальна вага деталі, кг/м2 600
Швидкість переміщення , мм/хв 20000
Насос високого тиску Максимальний робочий 380
тиск, мПа
Пропускна здатність, л/хв 3,8

24
Для зміни концентрації абразивного матеріалу використовувалися різні
діаметри отвору діафрагми, дозуюча насадка гідроабразивної головки представлені
на рисунку 1.10.

Рисунок 1.10. Варіанти дозуючої насадки гідроабразивної головки
Для експериментів використовувалися ФТ зарубіжного виробництва марки
Roctec 100, 7,14x0.75x76 мм, представлена на рисунку 1.11.

Рисунок 1.11. Фокусуюча трубка Roctec 100, 7,14x0.75x76 мм
З використанням технології електроерозійного різання ФТ була поділена на
дві рівні частини. Завдяки цьому з'явилася можливість створити чотири різні
довжини ФТ, як показано на рисунку 1.12. Якщо умовно прийняти, що довжина
стандартної ФТ складає значення L, то в експерименті взяли участь ФТ чотирьох
розмірів: L, 2L, 1,5L 0,5L.

25

Рисунок 1.12. Варіанти довжин фокусуючих трубок, що використовуються
для оцінки ефективності формування ультраструменю рідини
Для того, щоб з'єднати дві ФТ, було розроблено технологічне оснащення,
показане на Рисунку 1.13.

Рисунок 1.13. Втулка для з'єднання ФТ між собою
З використанням розробленої технологічної оснастки та двох затискних
гвинтів забезпечувалася співвісність тандемного з'єднання та здійснювалося
фіксування ФТ різної довжини між собою. На рисунку 21.14 представлена
тривимірна схема складання і доповнена реальною фотографією з'єднання ФТ.

26

Рисунок 1.14. Технологічна оснастка для з'єднання ФТ
Усі експерименти проводилися на дюралюмінієвій пластині (сплав Д16Т) 6 мм
завтовшки та 120*60. Вибір даного матеріалу був пов'язаний з його високою
пластичністю та гарною оброблюваністю різанням. Щоб не переплутати між собою
експериментальні пластини, у верхньому лівому кутку були видавлені їх порядкові
номери. Більше того, щоб процес обробки утворених каверн займав мінімальний
час, різи при різних параметрах не були переплутані між собою і не перетиналися
один з одним, були створені спеціальні намітки на всій довжині пластини і
подальшого різу. Приклад такої пластини можна побачити на рисунку 1.15.

Рисунок 1.15. Робочі пластини для проведення експериментів
При гідроабразивному різанні на об'єкт діє дуже великий тиск і необхідно було
передбачити сильну фіксацію пластини, щоб уникнути її нахилу або вильоту під
натиском гідроабразивного струменя. Для цього пластина фіксувалася за
допомогою гвинтів до дошки або в лещат, Рисунок 1.16, які кріпилися до дерев'яної
основи.

27

Рисунок 1.16. Закріплення дослідного зразка
1.5 Вимірювальне обладнання, яке застосовується
Для запису осцилограми під час гідроабразивного різання пластини
використовується осцилограф АКИП-4110/1 компанії Pico Technology,
Великобританія. В таблиці 1.5 представлені основні технічні характеристики
осцилографа АКИП-4110/1.
Таблиця 1.5. Основні технічні характеристики АКІП-4110/1
Смуга пропускания, МГц 0..20
Час наростання перехідної
характеристики, нс 17,5
Кількість каналів 4
Діапазон коефіцієнтів відхилення, 10-20
мВ/дел-В/дел
Межі допустимої відносної похибки ±1%
установки
Максимальна вхідна напруга, В 100
Межі допустимої відносної похибки ±1%
вимірювання напруги постійного струму
Діапазон коефіцієнта розгортки (Кр), 100-200
нс/дел-с/дел
Межі допустимої відносної похибки ±0,005%
установки Кр
Межі допустимої абсолютної похибки
вимірювання періоду (частоти), Гц 500

28
Максимальна частота дискретизації, 80
МГц
Довжина запису, Мбайт 32
Вхідний опір, МОм 1
Споживаний струм, мА (не більше) 200
довжина 200
Габаритні розміри, мм ширина 140
висота 35
Маса, кг 0,5
У комплекті до осцилографа додається компакт-диск із програмним
забезпеченням, USB-кабель, пристрій писання та посібник з експлуатації.
Осцилограф за допомогою USB-кабелю підключається безпосередньо до ПК, на
який заздалегідь встановлюється спеціальна програма, що дозволяє записувати та
аналізувати сигнал акустичної емісії, як показано на рисунку 1.17.

Рисунок 1.17. Осцилограф АКІП-4110/1 компанії «Pico Technology»
Зчитування сигналу забезпечується датчиком - перетворювачем акустичної
емісії, який кріпиться безпосередньо на пластину, як показано на рисунку 1.16.
Перетворювачі акустичної емісії, виконані на базі високоякісної п'єзокераміки
фірми APC International [13, 29,30].
Вивчення гідрокаверн, що утворилися під час експериментів, проводилося з
використанням лазерного скануючого конфокального мікроскопа моделі Carl Zeiss
LSM700, виробництво Німеччина, зображений на рисунку 1.18 [31, 22].

29

Рисунок 1.18. Мікроскоп Carl Zeiss LSM700
Габаритні розміри та огляд системи представлені на рисунку 1.19.

Рисунок 1.19. Огляд системи конфокального мікроскопа моделі Carl Zeiss
LSM700
Інші параметри цієї системи представлені як Таблиці 6.
Таблиця 1.6. Основні параметри Carl Zeiss LSM700
Швидкість сканування зображення, кадрів/секунду ≤13
Роздільна здатність, пікселі 512*512
Паралельне багатоканальне отримання зображення
до 140нм латерально
Роздільна здатність
до 400 нм аксіально

30
Показник заломлення 1,38
УФ-лазер,нм 355;405
Роздільна здатність сканування, пікселі 4*1-8192*8192
Швидкість сканування, кадров/сек ≤13
Поворот скануючої рамки, градуси ≤360
Модуль 3D VisArt, швидка
3D-реконструкція об’єктів
Частота змінного струму, Гц 50…60
Відносна вологість ≤ 60% при 30°С
Експлуатація системи, необхідні умови T = 22 °C ± 3 °C
Експлуатація системи, допустимі умови T = 15 °C - 35 °C
1.6 Мета та задачі дослідження
Метою роботи є забезпечення підвищення продуктивності процесу ГАО -
ГАР за рахунок оптимізації довжини ФТ за критерієм формованого абразивно-
рідинного струменя певного складу та його швидкісних параметрів на виході з
струменеформуючого тракту.
Задачі дослідження:
1. З аналізу сучасних тенденцій вдосконалення технологічних операцій
ГАО-ГАР експертно-аналітичним шляхом обгрунтувати перспективність
розв'язання задач оптимізації довжини ФТ.
2. Проаналізувати інженерну експрес-методику визначення довжини ФТ
залежно від складу абразивно-рідинного струменя за критерієм забезпечення
максимальної глибини каверни.
3. Проаналізувати прикладний апарат моделювання процесу формування
швидкісних параметрів ежектованих у каналі ФТ твердофазних абразивних
частинок у конкретних технологічних умовах обробки.
4. Провести дослідження впливу довжини ФТ на продуктивність ГАО-
ГАР, провести оцінку адекватності одержаних розрахункових значень.
5. Проаналізувати актуальність визначення довжини ФТ залежно від
складу абразивно-рідинного струменя.

31
Об’єкт дослідження – процес формування абразивно-рідинного струменя в
фокусуючій трубці
Предмет дослідження – оптимальний вибір довжини фокусуючої трубки з
врахуванням характеристик робочої суспензії для забезпечення підвищення
продуктивності різання

Висновки до першого розділу
У першому розділі відображено актуальність теми, а також, підкреслено
практичну значущість роботи. Розглядаються різні шляхи вдосконалення
технології ГАО-ГАР та складається принципова схема роботи гідроабразивної
установки. На основі аналізу та вивчення витратних матеріалів та комплектуючих
показано, що значний внесок у собівартість технології ГАО-ГАР вносить заміна
фокусуючих трубок [49, 32, 55]. Проаналізовано вплив ФТ на формування
високошвидкісного гідроабразивного потоку. В результаті виконаних досліджень
було виявлено наукову суперечність, яка полягає у необхідності переходу
технологій ГАО-ГАР на вітчизняні витратні матеріали та відсутність наукових
досліджень, пов'язаних з оптимізацією геометричних параметрів ФТ, що
забезпечують продуктивність та відповідну техніко-економічну ефективність
процесу обробки. Переваги переходу на імпортозамінні витратні матеріали
мінімізують економічний ефект від їх застосування через зниження продуктивності
обробки. Вибрано технологічне обладнання для проведення досліджень.
Сформульовано цілі та науково-технологічні завдання дослідження.

32
Розділ 2. Дослідження впливу конструктивно-технологічних параметрів
фокусуючої трубки на формування гідроабразивного різання та обробки
матеріалів
2.1 Модель формування гідроабразивного ультраструменю
Аналіз гідрофізичної картини формування гідродинамічного потоку
Специфіка фізико-енергетичної картини формування ГАУС у каналі ФТ
полягає в протікаючих паралельно-послідовно надінтенсивних процесах
перетворення вихідної кінетичної енергії ГУС в інші, зокрема диссипативні види
енергії. Ці вкрай негативні початкові втрати енергії ГУС знижують технологічну
результативність ГАУС та, як наслідок, техніко-економічну ефективність
конкретної операції з ультраструйної обробки (УСД) матеріалів та рідин, як
показано на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1. Схема формування ГАУС
1 - вихідна ГУС діаметром (початковим) ������
2 – частинки (твердофазні) абразиву, ежектовані в забірну частину ФТ
3 - твердофазні частинки (абразиву), наповнювача гідроматриці
(високошвидкісної) ГАУС
4 -частинка, що вилетіла з ФТ і вільно рухається в трифазному потоці
сформованої у ФТ ГАУС
5 – корпус ФТ

33
������ – початковий діаметр ГУС
������(��) – поточний діаметр ГУС, як функція довжини L ФТ;
��к – діаметр внутрішнього (робочого) каналу ФТ, у якому відбувається
формування ГАУС;
���� – діаметр твердофазної (абразивної) частинки
А – зона імовірнісного аналізу ежекційного надходження твердофазних
частинок (абразиву) в зону та розгін ГУС
Б – зона квазідетермінованого опису закономірностей руху твердофазних
частинок (абразиву)
До основних енергетичних втрат слід віднести:
- інтенсивне тертя гідропотоку та його твердофазну складову об стінки
робочого каналу ФТ з урахуванням турбулізації, у тому числі газової
- Генерація широкосмугового, динамічного збурення матеріалу ФТ та
структури ГАУС, яке зрештою дисоціює у тепло.
- енергетичні втрати, пов'язані з процесами утворення нових поверхонь,
зокрема при гідроабразивній ерозії поверхонь робочого каналу ФТ, утворення
мікрокрапель тощо.
Саме ці втрати знижують енергетичні параметри ГАУС, головним чином їхню
домінантно-технологічну твердофазну складову частинок абразивного матеріалу.
Якщо мінімізація «динамічних» втрат вимагає ряд спеціального аналізу
хвильових характеристик ФТ та розробки відповідних раціональних
конструкторсько-технологічних рішень (КТР), а втрати на ерозію робочого каналу
ФТ, пов'язані з ними, передбачають використання особливих зносостійких
матеріалів, то управління процесами тертя в початковому, але вельми
результативному наближенні можливо в першу чергу шляхом варіювання площею
контактної взаємодії формованої ГАУС і стінкою робочого каналу ФТ [16,32].
Справді, якщо довжина каналу ФТ надмірна, тобто швидкість частки абразиву,
що розганяється, вже зрівнялася зі швидкістю ГУС і радіальний градієнт
двофазного потоку (ГДП), за винятком прикордонного пристінкового шару у ФТ

34
близько до нуля, то рух ГАУС на цій градієнтно-нульовій ділянці супроводжується
прямими енергетичними диссипативними втратами. Як наслідок – зменшується
фізико-технологічна ефективність твердофазних частинок ГАУС, рисунок 2.2.

Рисунок 2.2. Розрахункова схема для аналізу розгону частки абразиву
(твердофазної компоненти ГАУС) ГУС у каналі ФТ
���� - результуюча сила з боку ГУС (1), що розганяє твердофазну частинку (2)
абразивного матеріалу;
��т – результуюча сила опору (тертя) з боку стінки каналу (3) ФТ, що діє на (2);
N - сила притискання за нормаллю (2) до (3) у зоні (4)
- відповідно розподілені по кутах гідроконтакту �� і твердотільного
контакту ��тк з боку ГУС (1) та зони фрикційного контакту (4) на абразивну
частинку (2);
��тр – реактивна сила, що діє з боку (2) на стінку каналу ФТ у зоні (4)
В іншому випадку, коли швидкість ГУС на виході з ФТ значно перевищує
швидкість дисперсно-абразивних частинок, тобто процес їхнього розгону не
завершено, то і фізико-технологічна результативність таких градієнтно
«ненульових» у радіальному напрямку [5]. ГАУС буде далеким від свого
потенційно-максимального значення.

35
Таким чином, при надмірно довгих робочих каналах ФТ швидкість абразивних
частинок не досягає своєї фізико-технологічної межі через невиправдані
енергетичні втрати потоку ГАУС у різному каналі ФТ, а при використанні відносно
коротких ФТ відбувається "недорозгін" частинок абразиву, в їх робочих каналах,
що також енергетично негативно позначається на їх фізико-технічних можливостях
при здійсненні конкретних операцій з ГАО матеріалів.
У зв'язку з цим можна стверджувати наявність оптимальної довжини робочого
каналу ФТ, що забезпечує найбільш ефективну реалізацію енергетичних
можливостей вихідної ГУС за критерієм максимальної швидкості абразивної
складової твердофазних частинок ГАУС [21].
Зауважимо, що цей найважливіший конструктивно-технологічний параметр
ФТ дуже чутливий до вібрацій практично всіх фізико-технологічних характеристик
ГАО: робочого тиску (швидкості) ГУС, її діаметр, співвідношення між діаметрами
частинок абразиву, робочого каналу ФТ та діаметром ГУС.
3.3 Чисельне моделювання процесу формування гідроабразивної
ультраструї
Першим етапом чисельного моделювання є вибір моделі суцільного
середовища. Ідеалізована схема процесу гідроабразивного різання представлена на
рисунку 2.4.

36

Рисунок 2.3. Ідеалізована схема процесу гідроабразивного різання
Розв'язувана задача: визначення швидкості руху частинок на виході з
струмоформуючого тракту ФТ при різній довжині каналу.
Постановка завдання механіки суцільного середовища полягає у складанні
замкнутої системи рівнянь, яка описує рух і стан суцільного середовища з
урахуванням її фізико-механічних властивостей, зовнішніх силових факторів і
дозволяє знайти всі функції, що визначають рух та стан середовища в залежності
від координат та часу. Схема аналізованого процесу показано на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4. Схема формування ГАУС

Зона А – зона ежекційного надходження частинок абразиву до зони розгону
ГУС. Зона В – зона руху ГАУС
da – діаметр абразивної частинки
Dc – діаметр ГАУС

37
Doc - початковий діаметр ГУС
Dк – діаметр каналу
Для вирішення поставленої задачі вибираємо гідродинамічну модель
ідеального пружнопластичного середовища та використовуємо МКЕ (рішення в
SolidWorks Flow Simulation). Сформулюємо початкові та граничні умови, за
допомогою яких обчислюють значення функцій в початковий момент часу t = t0.
У початковий момент часу задавалася швидкість струменя та частинок
абразиву. В якості граничних умов:
- Тиск середовища
- Масова витрата абразивного матеріалу
- Шорсткість стінки ФТ
При реалізації чисельного моделювання вихідними даними були параметри,
наближені до реальних (експериментальних), а саме:
1. Гранатовий абразив mesh 80. 150-300 мкм
2. Діаметр струменя менший, ніж внутрішній діаметр фокусуючої трубки
3. Масова витрата абразиву 10%. Витрата води ≈ 2 л/хв або 0,033 кг/с
4. Швидкість води на вході у фокусуючу трубку Voc=833,66 м/с
5. Довжина фокусуючої трубки варіювалася від 0,5 L до 2 L. При L=76 мм
6. Щільність 1000 кг/м3.
При створенні моделі використовувалися такі припущення:
- ФТ є абсолютно жорстким тілом
- Ідеальне відбиття частинок абразиву від стінки
- Відсутність гравітації (для розрахунку потоку - гравітацію задавати не
потрібно, вона не дасть жодного ефекту, тільки значно збільшить час розрахунку).
Після моделювання процесу руху ГАУС по струменеформуючому тракту було
отримано результати, представлені на Рисунках 2.5-2.8. Рух гідроскладової потоку
не відображено на моделі, тому що його швидкісні характеристики залишаються
незмінними за будь-якої довжини каналу ФТ. Рух абразивних частинок задано

38
сферичними поверхнями. Колір сфер відповідає швидкості абразивних частинок
під час руху ФТ. Градієнт кольору був заданий широким діапазоном, для наочного
представлення швидкості абразиву на певній ділянці трубки, момент часу
відповідає швидкісній шкалі в верхньому лівому куті рисунків. У таблиці 2.1
представлені результати математичного моделювання процесу та розрахунків
швидкості на виході для чотирьох довжин ФТ.

Рисунок 2.5. Визначення швидкості частинок на довжині 0,5L

Рисунок 2.6. Визначення швидкості частинок на довжині L

39

Рисунок 2.7. Визначення швидкості частинок на довжині 1,5 L

Рисунок 2.8. Визначення швидкості частинок на довжині 2L
Таблиця 2.1 Результати математичного моделювання.
Довжина м Швидкість на виході м/c
0,038(0,5L) 185,2
0,076(L) 247,6
0,114(1,5L) 240,2
0,152(2L) 229,5
Результати розрахунку моделі фокусуючої трубки методом кінцевих
елементів свідчать:

40
1)Частини абразиву, маючи початкову швидкість Vo=0 м/с не встигають
розігнатися на довжині 0,5L;
2) Набравши максимальну швидкість, продовжуючи рухатися по трубці,
частинки ударяються і труться об стінку, у зв'язку з чим втрачають набрану
швидкість;
Висновок: Довжина фокусуючої трубки L є оптимальною, так як після набору
максимальної швидкості, частки відразу вилітають з каналу, не починаючи процес
гальмування. Використання трубок відмінної довжини призведе до зменшення
потужності і, як наслідок, збільшення часу роботи та зменшення ресурсу трубок.
2.3 Визначення швидкісних параметрів гідроабразивного
ультраструменю в залежності від конструктивно-технологічних
параметрів
На основі експертно-аналітичної оцінки було встановлено, що найбільш
перспективний напрямок вирішення питань оптимізації є питання пошуку
оптимальних довжин фокусуючих трубок, так як це істотно впливає на
продуктивність різання, якість обробки та інші параметри. Відповідно до
загального методичного плану дослідження було сформовано феноменологічні
уявлення про рух гідроабразивної суспензії через внутрішній канал фокусуючої
трубки, виявлено особливості та специфіку цього руху і т.д. [38, 44, 56].
Використовуючи таку формулу, розраховано теоретичне значення початкової
швидкості на вході у ФТ.
������ ~√2��⁄����
������- початкова швидкість ГУС на вході у ФТ,
�� – робочий гідростатичний тиск (Па),
����- щільність (кг/м3) робочої рідини,
Для цього розрахунку використовувалася програма Python. Щільність робочої
рідини дорівнює густині води - 1000 кг/м3. Використовуючи раніше наведену
формулу розрахунку початкової швидкості ГУС залежно від робочого тиску,
отримаємо результати, зведені до таблиці 2.2.

41
Таблиці 2.2. Розрахунок початкової швидкості ГУС при різному робочому
тиску
Робочий гідростатичний тиск, МПа Початкова швидкість ГУС на вході ФТ,
м/с
100 447,214
150 547,722
200 632,456
250 707,107
300 774,597
350 836,66
400 894,427
450 948,683
500 1000
Знаючи попередні співвідношення:

можна отримати швидкість на виході із ФТ.

Значення параметрів розрахунку використовувалися следующие:

Нагадаємо, що коефіцієнт є одним з найважливіших функціональних
параметрів ГАО-ГАР, - масовою концентрацією ДТЧ в ГУС.
Довжина побудови графіка, на якому відображена швидкість абразиву на
виході з ФТ залежно від довжини каналу в Python була використана функція

42
linspace, завдяки якому ми задаємо межі варіювання довжини фокусуючої трубки і
ділимо їх на 50 рівних елементів. Натомість, швидкість на виході представляється
у вигляді масиву, так як коефіцієнти kc і ka варіюються залежно від часу руху
абразивної частки каналом [18,39]. Екстремумом даної залежності при
використанні стандартних параметрів гідроабразивного різання є довжина 0,7653,
яка відрізняється від використовуваної менше, ніж на 1%. Дана графічна
залежність підтверджує теоретичне припущення про характер зміни швидкості
гідроскладової ГАУС, як функцій довжини каналу ФТ, відображена на рисунку 2.9.

Рисунок 2.9. Графічна залежність між параметром довжини ФТ та швидкості
на зрізі ФТ.
Другою частиною програми є рішення рівняння швидкості, залежно від
довжини фокусуючої трубки. Задання довжини є масивом їх шести значень: 0,5L;
1L; 1,25 L; 1,5 L; 1,75 L; 2L. Результати рішення наведено в Таблиці 2.3.
Таблиця 2.3. Зміна швидкості на зрізі ФТ
Довжина 0,5 L L 1,25 L 1,5 L 1,75 L 2 L
ФТ

43
Швидкість,
218,20 244,85 242,29 233,89 221,63 206,92
м/с

Таким чином, можна сказати, що проведений теоретичний аналіз вимагає
уточнення. На основі зіставлення моделювання, а також експериментальних та
теоретичних даних буде встановлено та уточнено модель кінетики ГАУС.
Висновок до розділу 2
Чисельними методами вирішено питання моделювання руху
високошвидкісного струменя рідини та абразиву по внутрішньому каналу ФТ,
виконані для визначення значення швидкісних показників потоку в залежності
від його довжини. Зроблено висновки, що вирішення питань оптимізації
довжини каналу ФТ має найбільший потенціал для дослідження, причому за
таким критерієм порівняння як «можливість підвищення продуктивності» і
«простота реалізації» цей напрямок значно перевищує інші розглянуті варіанти.
Достовірність результатів експертних оцінок підтверджено розрахованими
високими значеннями коефіцієнтів конкордації [26, 55].
На основі зіставлення моделювання, а також експериментальних та
теоретичних даних буде встановлено та уточнено модель кінетики ГАУС (в
наступному розділі).

44
Розділ 3. Дослідження фізико-технологічних особливостей формування
гідроабразивного ультраструменю
3.1 Випробування фокусуючої трубки в умовах варіювання
технологічних параметрів
На першому етапі робота проводилася на установці для гідроабразивного
різання виробника STM/MaximatorJet GmbH. Для того, щоб встановити відстані від
зрізу ФТ до досліджуваного об'єкта, проводився ряд експериментів, і було виявлено
оптимальну відстань до об'єкта - 5 мм [19]. Результат можна побачити на Рисунку
3.1.

Рисунок 3.1. Каверни на різній відстані від зрізу ФТ до пластини
Експериментальний об'єкт - дюралюмінієва пластина Д16Т. Швидкість
різання задавалася автоматично з урахуванням того, щоб отримати каверну, а не
прорізати пластину наскрізь і становила 17мм/с. Тиск на вході у ФТ у процесі
експериментів був незмінним, 350 МПа. В якості абразивного матеріалу
використовували «Гранатовий пісок» виробництво Австралія mesh 80.
Варіювання концентрацією абразивного матеріалу здійснювалося за
допомогою діаметра отвору діафрагми, що дозує насадкою гідроабразивної
головки. Одночасно з проведенням гідроабразивного різання проводився запис
сигналу АЕ. Перший різ на пластині був пробним, інші чотири – з використанням

45
різних довжин ФТ. Реальну картину каверн, що утворилися, можна побачити на
Рисунку 3.2.

Рисунок 3.2. Каверни під час використання різної довжини ФТ
Навіть без використання мікроскопа можна зробити висновок, що на об'єкті
утворилися каверни різної ширини та глибини. Однак, для того, щоб точно оцінити
глибину і ширину каверн, що утворилися, і розрахувати шорсткість отриманих
поверхонь, досліджуваний об'єкт був відданий в лабораторі, в якій був зроблений
точний аналіз каверн і представлений у результаті у вигляді 3D фото каверн та
текстового файлу. На рисунку 3.3. представлений один із прикладів отриманих
результатів у форматі текстового файлу. Показник по осі z відповідає за глибину
каверни, а Distance – за відстань (ця координата дозволяє визначити ширину
каверни, що утворилася)

46

Рисунок 3.3. Результати оцінки каверни за допомогою мікроскопа
Кілька 3D моделей каверн, що утворилися, зображені на рисунках 3.4 – 3.11.
Червона крива позначає місце, де знімалися показники по двох осях.

Рисунок 3.4. Каверна при використанні 0,5 L ФТ із концентрацією абразиву
10%

47

Рисунок 3.5. Каверна при використанні L ФТ з концентрацією абразиву 10%

Рисунок 3.6. Каверна при використанні 1,5 L ФТ із концентрацією абразиву
10%

48

Рисунок 3.7. Каверна при використанні 2 L ФТ з концентрацією абразиву 10%

Рисунок 3.8. Каверна при використанні 0,5 L ФТ з абразивною
концентрацією 8%

49

Рисунок 3.9. Каверна при використанні 1 L ФТ з концентрацією абразиву 8%

Рисунок 3.10. Каверна при використанні 1,5 L ФТ із концентрацією абразиву
8%

50

Рисунок 3.11. Каверна при використанні 2 L ФТ з концентрацією абразиву
8%
Знаючи характер зміни кривої по всій глибині каверни можна знайти середню
лінію профілю та розрахувати середнє арифметичне відхилення профілю, яке
визначається як середнє арифметичне абсолютних значень відхилень профілю від
середньої лінії в межах базової довжини [32].
Зведемо всю отриману інформацію про отримані результати Таблицю 3.1.
Таблиця 3.1. Зміна параметрів каверни в залежності від довжини ФТ
Довжина Концентрація Глибина Ширина Ra
ФТ, мм абразиву, % каверни, мм каверни, мм
38 10 1,239 1,85 3,45
38 8 1,22 1,92 6,382
76 10 2,812 1,25 9,274
76 8 2,371 1,29 9,996
114 10 2,422 1,2 2,163
114 8 2,008 1,23 3,438
152 10 1,926 1,1 2,028
152 8 1,736 1,11 2,147
Результати досліджень представлені на рисунках 3.12-3.13.

51

Рисунок 3.12. Глибина каверни при різній довжини ФТ, концентрація
абразиву 10% і 8%

Рисунок 3.13. Ширина каверни за різної довжини ФТ, концентрація абразиву
10% і 8%
В результаті експериментів було встановлено, що гідрокаверни відрізняються
як за глибиною, так і за шириною та якістю різу. В таблиці 2.5 представлені
чисельні дані, на яких видно, що найбільша глибина каверни становить 2,812 мм,
яка була отримана при використанні ФТ стандартної довжини. Таким чином можна

52
стверджувати, що існуючий розмір ФТ є оптимальним при використанні абразиву,
рекомендованого виробником марки гідротехнологічного обладнання, зокрема
GMA Garnet Mesh 80. Дані не суперечать вирішуваної задачі, оскільки очевидно,
що геометричні параметри ФТ стандартної довжини оптимізували під
використання стандартного абразивного матеріалу.
На основі отриманих даних, можна зробити такі висновки:
- зі збільшенням концентрації абразивного матеріалу, якість різання помітно
покращується: зменшується шорсткість поверхні та ширина різання, збільшується
глибина каверни
- залежно від довжини ФТ можна наочно побачити оптимальну довжину
каналу формування ГАУС, за якої буде максимальна ефективність різання
матеріалу.
Далі обробимо запис сигналу акустичної емісії (АЕ) [20, 11]. На Рисунках 3.14-
3.17 представлені записи сигналу при використанні чотирьох довжин ФТ, при
концентрації абразивного матеріалу 10%.

Рисунок 3.14. Сигнал АЕ під час використання 0,5L ФТ

53

Рисунок 3.15. Сигнал АЕ під час використання L ФТ

Рисунок 3.16. Сигнал АЕ під час використання 1,5 L ФТ

54

Рисунок 3.17. Сигнал АЕ при використанні 2L ФТ
На основі цих даних складемо Таблицю 3.2, в якій відображається залежність
значення АЕ та інших параметрів ГАР.
Таблиця 3.2. Взаємозв'язок властивостей ГАР з АЕ
Довжина Концентрація Глибина Ширина Сред. кв. значення АЕ,
ФТ, мм абразива, % каверни, мм каверни, мм В
38 10 1,238 1,85 342,2
38 8 1,22 1,92 327,4
76 10 2,812 1,25 519,9
76 8 2,371 1,29 503,7
114 10 2,422 1,2 514,9
114 8 2,008 1,3 463,8
152 10 1,926 1,1 387,9
152 8 1,736 1,11 346,7
Очевидно, що величина сигналу АЕ залежить від глибини каверни, що
утворилася.

55
Слід зазначити, що ФТ максимальної довжини 2L у тандемній схемі показала
найменшу ширину гідрокаверни та гарну якість. Очевидно, в результаті
проходження абразивних зерен за збільшеною удвічі довжиною ФТ помітно падає
їх радіальна складова швидкості, збільшується кут взаємодії з поверхнею
внутрішнього каналу. Це призводить до того, що зменшується ширина
гідрокаверни і підвищується якість торцевої поверхні через зниження
викрашування кромки різу. Крім того, на підтвердження даного положення можна
відзначити, що було встановлено зменшення глибини гідрокаверни на більшій
довжині ФТ.
На наступних Рисунка 3.18-3.21 виражена імовірна залежність між шириною
каверни та кутом розсіювання гідроабразивного потоку.

Рисунок 3.18. Розсіювання ГАУС при довжині ФТ 0,5 L

56

Рисунок 3.19. Рассеивание ГАУС при длине ФТ L

Рисунок 3.20. Розсіювання ГАУС при довжині ФТ 1,5 L

Рисунок 3.21. Рассеивание ГАУС при длине ФТ 2 L

57
Разом з тим, зауважимо, що у разі переходу на інші абразивні матеріали,
насамперед у рамках програми імпортозаміщення, буде потрібна повторна
реалізація процедури експериментальної методики розрахунку оптимальної
довжини ФТ.
Тому, на другому етапі експериментальних досліджень, робота проводилася
на установці для гідроабразивного різання виробника FLOW, верстат Mach3(M3),
серії 1313b 50 iS (4150 bar). Технічні характеристики верстата наведені раніше.
Дослідження проводилося за тих же вхідних параметрах, з використанням
стандартної довжини ФТ, при концентрації абразивного матеріалу 10%. Абразивні
матеріали, що використовуються, представлені на Рисунку 3.22.

Рисунок 3.22. Досліджувані абразивні матеріали
Безумовно, було цікаво подивитися цей ряд абразивного матеріалу на
мікроскопі та переконатися в заявленій дисперсності частинок, Рисунок 3.23.

Рисунок 3.23. Досліджувані абразивні матеріали під мікроскопом
В результаті проведення експерименту було отримано вісім різних каверн. У
додатку представлені докладні результати досліджень каверн, що утворилися, за
допомогою мікроскопа і запису сигналів АЕ [46, 59, 60]. Дані експериментів зведені
до загальної Таблиці 3.3.
Таблиця 3.3. Обробка експериментальних даних при використанні різних
абразивних матеріалів
Назва Min Max Сред. Довж Глибина Ширина
№ Твердість Концентрація
абразиву розмір розмір розмір ФТ каверни каверни

58
1 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 38 10 1,238 1,85
2 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 38 8 1,22 1,92
3 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 76 10 2,812 1,24
4 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 76 8 2,371 1,29
5 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 114 10 2,422 1,2
6 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 114 8 2,008 1,23
7 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 152 10 1,926 1,1
8 Австр.mesh 80 150 300 225 7,5 152 8 1,735 1,11
9 Австр.просіяний 38 100 69 7,5 76 10 0,853 1,4
10 Карбід зел 315 500 407,5 9,1 76 10 0,726 1,4
11 Карбід 500 750 625 9,1 76 10 1,074 1,7
12 13А Ел. Норм 80 120 100 8,5 76 10 0,743 1,55
13 Ел. Белый 63 75 69 9 76 10 0,928 1,45
14 Ел. Белый 100 125 112,5 9 76 10 1,778 1,25
15 Ел. Белый 80 100 90 9 76 10 0,766 1,35
16 Алмазна шихта 0 15 7,5 10 76 10 0,848 1,5
Для дослідження впливу розміру і твердості частинок на діаметр отвору, що
отримується в результаті, а також, при використанні пластин різного матеріалу, був
проведений експеримент з використанням однієї довжини ФТ. Результати
експерименту зведені в Таблицю 3.4 та відображені на Рисунку 3.24.

Рисунок 3.24. Отвори у дослідних зразках

59
Таблиця 3.4. Результати експерименту
Експ. Експ. Експ. Експ.
Експ. №1 Експ. №2
№1 №2 №1 №2
Абразивний Алюміній Д16 Сталь 45 Мідь М1
Фото отвору
матеріал Діаметр отвору
Діаметр отвору Діаметр отвору
D, мм
D, мм
D, мм
Вода без
1,28 1,27 1,35 1,34 1,29 1,31
абразива

Електрокорунд 1,71 1,67 1,69 1,73 1,72 1,69

Si C, зелений
1,70 1,69 1,73 1,73 1,71 1,72

Si C 1,81 1,85 1,89 1,87 1,85 1,83

«Гранатовий» 1,85 1,89 1,93 1,90 1,86 1,90

Ґрунтуючись на отриманих експериментальних даних, робимо висновок, що
гранатовий абразив показав найбільшу ефективність при створенні отвору в різних
матеріалах, що не суперечить результатам експериментів при створенні каверн
[22].
3.2 Порівняльний аналіз результатів теорії, розрахунків та

60
експериментальних даних досліджень
На основі проведених досліджень, при однакових вхідних параметрах, були
отримані наступні результати, подані нижче в Таблиці 3.5.
Таблиця 3.5 Порівняння результатів досліджень
Довжина фокусуючої трубки 0,038 0,076 0,114 0,152
трубки, м
Глибина утвореної каверны, мм
1,239 2,812 2,422 1,926
Швидкість Теоретичний
218,2 244,85 233,89 206,92
на виході з розрахунок
ФТ, м/с Моделювання 185,2 247,76 240,0 229,5
Відсоткова різниця, % 15,1376 1,2295 3,0043 11,165
Аналіз результатів дозволяє зробити висновок про високу кореляцію
результатів моделювання, експериментів та розрахунків, підтверджуючи
коректність математичної моделі процесу ГАО-ГАР. На рисунку 3.25
представлений взаємозв'язок швидкості на виході з ФТ та глибини каверни.

Рисунок 3.25. Порівняльний аналіз результатів дослідження
Отже, порівняльний аналіз результатів дослідження показав, що результати
узгоджуються.

61
3.3 Інженерно-технологічна методика визначення оптимальної довжини
фокусуючої трубки
Для формування інженерно-технологічної методики визначення оптимальної
довжини ФТ в залежності від параметрів абразивного матеріалу (дисперсність,
твердість і концентрація абразивного матеріалу) за допомогою високорівневої мови
програмування Python, була написана програма, що дозволяє розрахувати
оптимальну довжину ФТ. Структурну схему програми зображено на рисуноку 3.26.
Програма створена на основі результатів експериментів, представлених у
Таблиці 2.6, яка являє собою Data Set у розмірі шістнадцяти об'єктів. Далі
розглянемо безпосередньо саму програму. Першим етапом було імпортовано з
бібліотеки необхідне застосування алгоритму лінійної регресії, лінійної
класифікації разом із алгоритмом регуляризації, і також частина бібліотек,
необхідні оцінки роботи алгоритму, саме метрики якості.
Для прискорення роботи з даними, які безпосередньо були розміщені у
документі, була імпортована відповідна бібліотека. Надалі були реалізовані
алгоритми, що дозволяють перетворити наші ознаки на категорійні, за принципом
двійкових ознак (one-hot encoding). Також, була реалізована функція, що дозволяє
перетворити ці ознаки на їх індекси. Далі здійснюється підготовка даних до
навчання моделі, були проаналізовані та перетворені дані.

62

Рисунок 3.26. Структурна схема створення та роботи програми
Наступним кроком дані були оцінені за різноманіттям значень кожної ознаки.
Було виділено те, що кожна із запропонованих ознак є категорийною, оскільки

63
обмежена кількістю своїх значень, що сильно відрізняється від розміру цілого Data
Seta. Було прийнято рішення перетворити кожну з категорійних ознак відповідно
до правила двійкового коду. Далі, для адекватної побудови алгоритму навчання
було перемішано Data Set, і потім оцінено і виділено в окремий вектор цільову
змінну, яка в даному випадку є глибиною каверни (параметр оцінки ефективності
ГАО-ГАР).
Наступним кроком був вибір лінійної моделі роботи з даними. У даному
випадку регуляризація була відсіяна, тому що кожен з ознак був важливим і була
застосована звичайна лінійна регресія. Ця лінійна регресія була навчена на
запропонованих даних. Графік лінійної регресії, а також величини середньої
помилки відображені на рисунку 3.27. По осі х відкладаються реальні значення
глибин отриманих каверн, а осі у – значення глибини, розраховані самою
програмою.

Рисунок 3.27. Результат роботи програми
Метрика якості показала середню абсолютну помилку в розмірі 12% відносно
середнього значення цільової змінної (довжини фокусуючої трубки). Коефіцієнт
кореляції становив 0,926784.

64
У ході навчання даної регресії, були отримані відповідні коефіцієнти, що
дозволяють вивести поліном, що описує поведінку глибини каверни залежно від
перерахованих раніше ознак, розміщених у ознаковому просторі.
Зважаючи на те, що шукана цільова змінна, довжина фокусуючої трубки
безпосередньо залежить від глибини каверни, сміливо можна використовувати цю
функцію для пошуку оптимальної довжини фокусуючої трубки при використанні
різних абразивних матеріалів. На основі запропонованої методики визначення
раціональної довжини фокусуючої трубки при використанні різних параметрів
абразивного матеріалу були запропоновані оптимальні довжини фокусуючих
трубок на основі передбачуваної (розрахункової) максимальної глибини каверни і
розраховані за допомогою програми. Дані представлені у таблиці, а результати
роботи програми відображені у відповідних рядках для кожного з абразивних
матеріалів.
3.4 Технологічні рекомендації щодо стандартизації довжини фокусуючої
трубки
На основі запропонованої в параграфі 3.3 інженерно-технологічної методики
визначення раціональної довжини ФТ при використанні різних параметрів
абразивного матеріалу були запропоновані оптимальні довжини ФТ, розраховані за
допомогою програми та представлені в Таблиці 3.6, а результати роботи програми
зображені на Рисунку 3.28.

65

Рисунок 3.28. Результати роботи програми
Таблиця 3.6. Рекомендації щодо вибору раціональної довжини ФТ
Дисперсність Твердість
Концентрація Рекомендована
абразивних абразивних
абразивних частинок, довжина ФТ,
частинок, мкм частинок, Mohs
% мм
150-300 7,5 10 76
38-100 7,5 10 73,9
315-500 9,1 10 67,16
500-750 9,1 10 69,22
80-120 8,5 10 74,98
63-75 9 10 71,43
100-125 9 10 67,9
80-100 9 10 74,7
менше 15 10 10 74,76
Перспективою розвитку методики визначення оптимальної довжини
фокусуючої трубки за параметром найбільшої продуктивності ГАО-ГАР
(утворення найбільшої глибини каверни), є створення графічного інтерфейсу для

66
запропонованої програми, що дозволяє будь-якому користувачеві миттєво
розрахувати оптимальну довжину ФТ, задаючи на вході лише параметри
використовуваного абразиву. А також, використання методів збільшення
швидкості розгону частинок абразивного матеріалу всередині каналу фокусуючої
трубки за допомогою інноваційних методів впливу на апарат формування ГАУС,
наприклад, захолодження каналу ФТ, що дозволить знизити силу тертя частинки
об внутрішню поверхню ФТ, а, отже, збільшити швидкість абразиву на виході із
ФТ.
3.5 Економічні перспективи
Розрахуємо економічну ефективність процесу вибору оптимальної довжини
фокусуючої трубки. Розрахунок виконаємо на основі експериментальних даних для
чотирьох довжин ФТ із концентрацією абразивного матеріалу 10% [28].
Таблиця 3.7 Варіанти розрахунку

Довжина ФТ, Концентрація абразиву, % Глибина каверни, мм
мм
38 10 1,239
76 10 2,812
114 10 2,422
152 10 1,926
Візьмемо експериментальні умови ГАО-ГАР. Нехай швидкість різання
матеріалу складає,
��різ = 102 см/хв
Тоді, з розрахунку нормальної тривалості робочого часу для більшості
працівників - 40 годині на тиждень, при п'ятиденному робочому тижні
становитиме,
��тижд = 2,448 ∗ 105см
Виходить, що за один місяць можна прорізати матеріал завдовжки
��міс = 9,792 ∗ 105 см

67
А тепер ми подивимося продуктивність виходячи з глибини отриманих каверн
для кожної з чотирьох довжин ФТ і занесемо це до Таблиці 3.8
Таблиця 3.8. Винесення матеріалу залежно від довжини ФТ

Довжина ФТ, Концентрація абразиву, % Глибина каверни, мм Винесення
мм матеріалу, м3
38 10 1,239 12,132
76 10 2,812 27,54
114 10 2,422 23,72
152 10 1,926 18,86
Даний порівняльний аналіз показав, що при не раціональному виборі довжини
ФТ ми втрачаємо не менше 10% від глибини утвореної каверн. Порівняння
отриманих втрат віднесення матеріалу на місяць відображено в Таблиці 3.9.
Таблиця 3.9 Порівняння винесення матеріалу при використанні різних ФТ
Довжина ФТ Глибина каверни, мм Винесення
матеріалу, м3
Раціональна 2,812 27,54
Не раціональна 2,531 24,782
Різниця 0,281 276*103
Наступним, важливим аспектом оцінки економічної ефективності даної
роботи є порівняльний аналіз витрат на використання абразивного матеріалу в один
робочий місяць. На основі вивчення сучасного ринку абразивного матеріалу,
можна зробити висновок, що використання абразивного матеріалу на 20-30%
дешевше, ніж використання альтернатив зарубіжних компаній, а з тенденцією
зростання курсу долара та євро це різниця збільшиться.
Розрахуємо, скільки абразиву витрачається на місяць і порівняємо вартість
використання абразивного та зарубіжного абразивного матеріалу за тих же умов
роботу гідроабазивного обладнання.
За умови масової витрати абразиву 300 г/с за місяць ми витратимо 2,88 тонни
абразивного матеріалу. Округлимо дане значення для 3 тонн з урахуванням

68
непередбачених витрат матеріалу для зручності розрахунку та порівняємо отримані
значення вартості абразивного матеріалу різних виробництв, Таблиця 3.10.
Таблиця 3.10 Витрати на абразивний матеріал
Витрата абразивного Вартість зарубіжного Вартість вітчизняного
матеріалу на місяць, абразивного матеріалу, абразивного матеріалу,
тона тонна/грн тонна/грн
3 18055 14435
Итого: 54165 43305
Отже, використання вітчизняного абразивного матеріалу вигідніше більш ніж
на 30%, а використання ФТ не раціональної довжини тягне до втрати 2760 метрів
(276*103 сантиметрів) в утворенні глибини гідроабразивної каверни.
Висновок до розділу 3
Представлені в розділі результати експериментальних досліджень
підтверджують феноменологічну модель процесу ГАО-ГАР і, безумовно,
корелюється з розрахунками швидкості на виході. Побудовано залежність глибини
ГАР від довжини ФТ в результаті виконання теоретичних, розрахункових та
експериментальних даних.
На основі результатів дослідження, відтворено інженерно-технологічну
методику визначення оптимальної довжини ФТ залежно від параметрів
абразивного матеріалу. На основі цієї методики здійснюється вирішення
оптимізаційної задачі. Результатом роботи програми стали технологічні
рекомендації щодо стандартизації довжини фокусуючої трубки для вітчизняного
абразивного матеріалу. Економічно обґрунтовано перспективи використання
абразивного матеріалу.

69
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
4.1 Системи очищення води для гідроабразивного різання
Якість води для гідроабразивного різання
Першим найважливішим параметром води для гідроабразивного різання є
кількість в ній зважених речовин. Різні механічні частинки в воді здатні істотно
прискорювати процес зносу елементів ріжучої системи. Крім того, вони нерідко
налипають на внутрішні поверхні, утворюючи затори у вузьких місцях. В
результаті обладнання може дуже швидко вийти з ладу.
Другим найважливішим параметром води для гідроабразивного різання є
кількість і склад розчинених у ній речовин. Це можуть бути солі жорсткості
(кальцію і магнію), іони різних металів, хлориди, сульфіди, вільний хлор, органічні
сполуки і багато іншого. Вони сприяють утворенню жирних вапняних наростів на
внутрішніх поверхнях обладнання і насосів високого тиску, а також швидко
розвиваються корозії і локальні пошкодження елементів конструкції.
Устаткування системи очищення води для гідроабразивного різання
Щоб визначити необхідне обладнання для водопідготовки гідроабразивного
верстата важливо попередньо зробити аналіз води в акредитованій лабораторії.
До основного складу системи можуть входити:
фільтри для видалення заліза з води (усувають з води залізо і
марганець);
іонообмінні фільтри пом'якшувачі води (усувають з води солі
жорсткості);
фільтри комплексного очищення води (за рахунок багатокомпонентної
фільтруючого середовища, що підбирається індивідуально для кожного випадку,
усувають з води відразу кілька видів забруднень: солі жорсткості, залізо,
марганець, органіку, нітрати, коректують рівень рН води);
для усунення розчинених сполук застосовуються системи реагентної
обробки води. До їх складу можуть входити насоси-дозатори, статичні змішувачі,
накопичувальні ємності, насосні станції і т.п.

70
Найважливішою частиною системи очищення води для гідроабразивного
різання є фільтри тонкого очищення води. Вони усувають з води механічні частки,
нерозчинені домішки, колоїди і суспензії. Застосування стандартних установок зі
змінними картриджами ускладнюється необхідністю зупиняти подачу води для
систематичної заміни фільтруючих елементів в них. При цьому тонкість очищення
води становить всього 5 мкм.
Для виробничих процесів більш технологічним обладнанням є фільтри з
промивними титановими мембранами. Вони забезпечують тонкість очищення води
- 0,1 мкм. Крім того, всі домішки затримуються лише на поверхні мембран.
Промивання здійснюється автоматично протягом декількох секунд зворотним
гідроімпульсом очищеної води. Для цього не потрібно зупиняти подачу води і
розбирати корпус фільтра. Після промивання, всі накопичені забруднення
скидаються в каналізацію або дренаж. Титанові мембрани не піддаються зносу,
деформації, стійкі до високих температур і агресивних середовищ. Термін служби
- більше 10 років без заміни фільтруючих елементів.
4.2 Дотримання безпеки праці при використанні абразивних гранул
Безпека праці визначається такими характеристиками абразивних гранул як
відсутність хімічного і механічного впливу на шкірний покрив, очі і органи
дихання в умовах транспортування і роботи в віброполіровальних установках.
Абразивні гранули повинні бути хімічно нейтральні до шкіри людини, у них не
повинно бути гострих країв здатних викликати порізи. Абразивні гранули не
повинні утворювати пил при зберіганні і транспортуванні.
Дотримання екологічної безпеки при використанні абразивних гранул
У частині екологічної безпеки абразивні гранули повинні відповідати таким
критеріям:
процес виробництва абразивних гранул повинен бути безпечний для
навколишнього середовища;
процес утилізації абразивних гранул повинен бути безпечний;

71
після утилізації абразивні гранули не повинні надавати небезпечного
впливу на навколишнє середовище;
в процесі використання абразивні гранули не повинні утворювати
вибухонебезпечного пилу;
при контакті з технологічною рідиною абразивні гранули не повинні
утворювати токсичних сполук.
Умови дотримання екологічної безпеки
Шкідливою для навколишнього середовища є відпрацьована технологічна
рідина. Тому перед скиданням в каналізацію проводити механічну і хімічну
очистку технологічної рідини, або застосовувати систему рециркуляції
відпрацьованої технологічної рідини та використовувати її повторно.
Переваги використання системи рециркуляції технологічної рідини:
економія свіжих і стічних вод у порівнянні з проточним методом до
95%;
зниження витрат на компаунд, очищувач відпрацьованої води в
порівнянні з проточним методом приблизно на 95%;
жодного вживання чутливих для технічного обслуговування
фільтруючих елементів;
з часом не знижується фільтруюча прохідна здатність;
не використовуються фільтруючі матеріали, такі як папір,
фільтрувальна тканина, текстиль і т. ін.;
тривала служба інструментів, насосів, клапанів і т.д. внаслідок цього -
поділ найдрібніших фракцій з виробничої рідини;
відходи шламу в порівнянні з хіміко-фізичними очисними установками
знижені;
утворений шлам еластичний.
4.3 Основні заходи з підвищення стійкості підприємств до надзвичайних

72
ситуацій
Заходи з підвищення стійкості планують з урахуванням місцевих умов,
важливості об'єкта, його географічного положення, економічної доцільності
проведення заходів. На мирний час планують головним чином трудомісткі заходи,
які потребують значних матеріальних витрат і часу, а на період загрози нападу
противника - такі заходи, що не потребують багато часу чи проведення яких не є
доцільним у мирний час.
Заходи, що проводяться за мирного часу
Усі заходи з підвищення стійкості об'єкта поділяють на організаційні,
інженерно-технічні й технологічні (зміни технології виробництва на воєнний час).
У мирний час повинні проводитися тільки інженерно-технічні й організаційні
заходи. Вони включають такі напрямки:
- захист робітників, службовців та членів їх сімей;
- підвищення стійкості будівель і споруд;
- захист технологічного обладнання;
- підвищення надійності систем електро-, водо-, та газопостачання;
- захист сировини, напівфабрикатів і готової продукції від зараження
радіоактивними, сильнодіючими отруйними речовинами та бактеріальними
засобами;
- виключення або обмеження ураження вторинними факторами;
- забезпечення стійкого матеріально-технічного постачання;
- підвищення надійності керування;
- раціональне розміщення запасів матеріальних засобів;
- підготовка до відновлення зруйнованого виробництва.
Захист робітників, службовців та їх сімей
Для надійного захисту робітників, службовців та членів їх сімей проводять
такі заходи:
- завчасно будують захисні споруди на об'єкті (сховища) і в заміській зоні
(ПРУ);

73
- створюють і підтримують у готовності системи сповіщення та зв'язку;
- забезпечують робітників і службовців засобами індивідуального захисту;
- проводять підготовку до евакуації в заміську зону;
- здійснюють навчання робітників, службовців та населення засобами захисту
і діям за сигналами ЦЗ.
Підвищення стійкості будівель та споруд
Для підвищення стійкості будівель та споруд до дії вражаючих факторів
проводять наступні заходи:
- зміцнення несучих, огороджуючих та інших конструкцій будівель та споруд
(постановка додаткових колон, ферм, рам та ін);
- підсилення цокольного поверху прогонами, закладання віконних пройомів
цеглою, щитами та ін.;
- встановлення допоміжних перекрить, підкосів, розпірок тощо;
- підсилення конструкцій обкладкою лантухами з піском;
- встановлення додаткових зв'язків між окремими елементами споруди;
- закріплення відтяжками високих малостійких споруд;
- заглиблення споруд або створення захисних валів (обвалування споруд);
- заміна елементів конструкції, які згоряють, такими, що не займаються,
використання вогнезахисних покрить.
Захист технологічного обладнання
Захист технологічного обладнання входить до загального комплексу
інженерно-технічних заходів з підвищення стійкості роботи і передбачає:
- розміщення важкого обладнання на нижніх поверхах будівлі;
- міцне закріплення обладнання на фундаментах;
- встановлення контрфорсів, які підвищують стійкість обладнання щодо
перекидання його швидкісним напором ударної хвилі.
Підвищення стійкості роботи систем електро-, водо- та газопостачання

74
Стійкість постачання об'єкта електроенергією, газом і водою досягається
проведенням як загальноміських інженерно-технічних засобів, так і заходів на
об'єктах.
Загальними заходами для цих систем є:
- підключення об'єкта не менш як до двох джерел постачання;
- створення автономних резервних джерел (будівництво на об'єкті
артезіанських свердловин та резервного водопостачання, використання рухомих
електростанцій, підземних газосховищ);
- захист джерел постачання та їх розосередження на інтервалах безпеки;
- кільцювання систем постачання;
- пристосування об'єкта до роботи на різних видах палива (газ, вугілля, мазут)
і створення резервних запасів палива;
- заглиблення комунікацій систем постачання;
- встановлення приладів автономного відключення зруйнованих ділянок
систем постачання і переключення потоку постачання на діючі ділянки.
Захист запасів сировини, напівфабрикатів, готової продукції від забруднення
радіоактивними, сильнодіючими та отруйними речовинами і бактеріологічними
засобами
Виключення або обмеження ураження від вторинних вражаючих факторів
Основні заходи щодо захисту від дії вторинних факторів ураження, в тому
числі від дії сильнодіючих отруйних речовин (СДОР)), включає такі заходи. Для
об'єктів, які мають великі холодильники й подібні до них установки, захист від
СДОР має велике значення, оскільки в цих установках застосовуються летючі
речовини, наприклад аміак у великій кількості (декілька тонн або десятки тонн).
Основними заходами захисту від вторинних факторів є такі:
- вивіз наднормативних запасів паливно-мастильних матеріалів та СДОР на
безпечну відстань від об'єкта;

75
- заглиблення або обвалування ємкостей з паливно-мастильними матеріалами
та сильнодіючими речовинами, що підвищує стійкість ємкостей і виключає
розтікання речовин на ґрунті, внаслідок чого зменшується радіус їх вражаючої дії;
- зміна технологічного процесу з метою заміни паливної та вибухової
сировини;
- будівництво захисних дамб для запобігання затопленню території об'єкта;
- підготовка та раціональне розміщення засобів захисту, знезаражуван¬ня
території і обладнання від СДОР та ін.
Забезпечення стійкого матеріально-технічного постачання
Стійке постачання підприємства матеріально-технічними ресурсами
досягається:
- встановленням стійких зв'язків з підприємствами - постачальниками;
- створенням запасів палива, сировини, матеріалів та ін. на випадок
тимчасового руйнування зв'язків з постачальниками. Обсяг запасів встановлюють
з розрахунку можливості роботи підприємства впродовж встановленого терміну;
- будівництво за кордонами великих міст філіалів об'єкта;
- здійснення маневру матеріально-технічними засобами в межах виробничого
об'єднання чи галузі.
Підвищення стійкості системи керування
Підвищення стійкості керування досягається проведенням наступних заходів:
- завчасним обладнанням захисних пунктів керування (ПК);
- створенням двох груп керування, які, знаходячись на ПК об'єкта і в заміській
зоні, повинні забезпечити згідно з графіком роботи змін, керування виробничою
діяльністю та виконання заходів ЦЗ;
- забезпеченням надійного зв'язку з місцевими органами, штабами ЦЗ,
виробничими підрозділами та формуваннями ЦЗ (дублювання зв'язку,
використання підземних ліній зв'язку і радіомереж);
- розробкою і створенням надійної системи сповіщення посадових осіб та
всього виробничого персоналу об'єкта.

76
Підготовка до відновлення зруйнованого виробництва
З метою зменшення часу на ведення робіт з відновлення виробництва на
об'єкті виконують такі заходи:
- розробляють плани й проекти з відновлення інженерно-технічного
комплексу за різними варіантами можливих руйнувань;
- мікрофільмують основну технічну документацію і забезпечують її надійне
збереження;
- створюють і готують до проведення ремонтно-відновлювальних робіт
спеціальні бригади;
- створюють запаси матеріалів, конструкцій, обладнання, пристроїв, які
необхідні для проведення відновлювальних робіт, і забезпечують збереження цих
запасів.
Заходи, що проводяться на об'єкті під час загрози нападу противника
У період загрози нападу противника проводять ті заходи з підвищення
стійкості роботи об'єкта, які недоцільно здійснювати у мирний час. До таких
заходів належать:
- проведення згідно з особовим розпорядженням евакуаційних засобів;
- приведення в готовність системи сповіщення, захисних споруд та пунктів
керування;
- видача робітникам і службовцям засобів індивідуального захисту;
- будівництво швидко будованих захисних споруд;
- підготовка об'єкта до швидкої та безаварійної зупинки виробництва згідно з
сигналом "Повітряна тривога";
- проведення заходів з підвищення стійкості інженерно-технічного комплексу
(підсилення будівель та споруд, встановлення зонтів, навісів, захисних козирків над
цінним обладнанням, запасів паливно-мастильних матеріалів, сильнодіючих
отруйних речовин та вибухонебезпечної сировини, обваловка складів і т ін.);
- здійснення переведення об'єкта на режим роботи воєнного часу (двозмінна
праця) та перехід на випуск запланованої на воєнний час продукції;

77
- введення до дії графіка цілодобового чергування керуючого складу;
- підсилення охорони об'єкта і встановлення суворого пропускного режиму;
- здійснення світломаскування об'єкта.
На період загрози нападу противника згідно зі спеціальним розпорядженням
на всіх об'єктах у темний час доби здійснюють світломаскування за режимом
"часткове затемнення", при ньому обмежується зовнішнє освітлення до допустимої
норми, затемнюють світлові пройми, вікна і т.ін.
За сигналом "Повітряна тривога" в темний час здійснюють світломаскування
за режимом "повного затемнення". При цьому живлення електроенергією усіх
об'єктів і жилих районів припиняється за винятком тих об'єктів, на яких не можна
зупиняти виробничий процес, а також вузлів зв'язку, станцій переливання крові,
операційних і т.ін.
Для організованого й своєчасного проведення заходів з підвищення стійкості
роботи ОГД завчасно складають плани-графіки заходів з підвищення стійкості.
Питання підвищення стійкості відображають також у плані ЦЗ об'єкта. У плані-
графіку наводять перелік заходів на шкалі часу вказують початок і закінчення
виконання кожного заходу. Для начальника ЦЗ і штабу ЦЗ цей документ є керівним
під час вирішення одного з найважливіших завдань - підвищення стійкості роботи
об'єкта.
Під час раптового нападу, коли термін на організацію та виконання заходів ЦЗ
гранично обмежений, здійснюють виконання тільки першочергових завдань, які
направлені передусім на захист робітників, службовців та членів їх сімей, на
безаварійну зупинку виробництва та прийняття екстрених заходів, що дозволяють,
якоюсь мірою, зменшити ступінь ураження в надзвичайних ситуаціях. Під час
виконання заходів цивільного захисту особливе значення має надійність і
оперативність керування цивільним захистом об'єкта як одна з основних ланок
успішного вирішення завдань з підвищення стійкості роботи об'єкта господарської
діяльності.

78
Отже, розробка й планування заходів, що є економічно обґрунтованими, щодо
стійкості роботи об'єкта залежать від всебічного вивчення умов, які мають
скластися під час надзвичайних ситуацій. Вивчення ступеня їх впливу на
виробничу діяльність підприємства будь-якої форми приналежності й власності
дозволяє значно скоротити витрати на строки підвищення стійкості роботи в
надзвичайних ситуаціях, а це, в свою чергу, підвищує життєздатність як об'єкта,
так і всього господарства в цілому.
Усі фахівці ОГД повинні володіти методикою оцінки стійкості об'єкта і на
основі висновків визначати необхідні заходи з підвищення його стійкості.
4.4 План локалізації та ліквідації аварійних ситуацій і аварій
Цей нормативний акт поширюється на потенційно небезпечні
підприємства, потенційно небезпечні об'єкти, на яких можливі аварії із залповими
викидами вибухонебезпечних і токсичних продуктів, вибухами й загоряннями
(пожежами) в апаратурі, виробничих приміщеннях і зовнішніх спорудах, які
можуть призвести до зруйнування будинків, споруд, технологічного устаткування,
ураження людей, негативного впливу на довкілля.
Нормативний акт встановлює порядок розробки планів локалізації та
ліквідації аварійних ситуацій і аварій , вимоги до їх складу, змісту та форми,
процедуру затвердження й перегляду ПЛАС.
Вимоги цього нормативного акта обов'язкові для всіх міністерств,
відомств, підприємств, організацій, юридичних і фізичних осіб незалежно від
їхньої галузевої та/або відомчої належності й форми власності.
Вимоги даного нормативного акта не поширюються на:
- ядерні установки та підприємства з переробки радіоактивних
речовин, за винятком тих об'єктів на цих підприємствах, де є обіг
нерадіоактивних речовин;
- військові об'єкти;
- підприємства гірничодобувної промисловості (шахти);
- на всі види транспорту, крім трубопровідного.

79
Метою плану локалізації і ліквідації аварійних ситуацій і аварій є планування
дій (взаємодії) персоналу підприємства щодо локалізації і ліквідації аварій і
зм'якшення їхніх наслідків.
Аварія - раптова подія, така як викид небезпечних речовин, пожежа або вибух,
внаслідок порушення експлуатації підприємства (об'єкта), що приводить до
негайної або наступної погрози для життя і здоров'я людей, навколишнього
середовища, матеріальних цінностей на території підприємства або за його
межами.
Аварії залежно від їхнього масштабу можуть бути трьох рівнів: А, Б й В.
На рівні «А» аварія характеризується розвитком аварії в межах одного
виробництва (цеху , відділення, виробничої ділянки), що є структурним
підрозділом підприємства.
ПЛАС складається з:
- аналітичної частини, у якій проводиться аналіз небезпек, можливих аварій
їхніх наслідків;
- оперативної частини, що регламентує порядок взаємодії і дій персоналу,
спецпідрозділів і населення (при потребі) в умовах аварії.
Зміст оперативної частини міняється залежно від рівня аварії, на який вона
поширюється ;
ПЛАС ґрунтується:
- на прогнозуванні сценаріїв виникнення аварій;
- на постійному аналізі сценаріїв розвитку аварій і масштабів їхніх наслідків;
- на оцінці достатності існуючих мір , що перешкоджають виникненню і
розвитку аварії, а також технічних засобів локалізації аварій;
- на аналізі дій виробничого персоналу і спеціальних підрозділів щодо
локалізації аварійних ситуацій (аварій) на відповідних стадіях їхнього розвитку.
Для забезпечення ефективної боротьби з аварією на всіх рівнях її розвитку
наказом створюється штаб, функціями якого є :

80
- збір і реєстрація інформації про хід розвитку аварії й ужитих мір щодо
боротьби з нею;
- поточна оцінка інформації і прийняття рішень щодо оперативних дій у зоні
аварії і поза її межами;
- координація дій персоналу підприємства і всіх притягнутих підрозділів і
служб, що беруть участь у ліквідації аварії.
Загальне керівництво роботою штабу здійснює відповідальний керівник робіт
щодо локалізації і ліквідації аварій (далі - ВК).
Аналіз небезпеки підприємства
Аналіз небезпеки підприємства проводиться на підставі розгляду його стану
відповідно до вимог типового Положення, міжгалузевої і галузевої нормативної
документації, рекомендацій довідкової і науково-технічної літератури, а також з
урахуванням аварій і аварійних ситуацій, що відбувалися на аналогічних
підприємствах (об'єктах).
На підприємстві виконується остаточне складання і перевірка продукції з
застосуванням електромонтажних робіт з використанням комплектуючих,
протиральних і пакувальних матеріалів, контрольно-вимірювальної апаратури.
Основною небезпекою на підприємства може бути пожежа як наслідок
загоряння устаткування або матеріалів.
Оперативна частина ПЛАС
Оперативна частина ПЛАС розробляється для керівництва діями персоналу
підприємства, добровільних і спеціалізованих підрозділів з метою запобігання
аварійних ситуацій і аварій на відповідних стадіях їхнього розвитку або локалізації
їх з метою зведення до мінімуму наслідків аварії для людей, матеріальних
цінностей і навколишнього середовища, запобігання її поширення на підприємстві
і за його межі, рятування і виводу людей із зони поразки і потенційно небезпечних
зон.
Оперативна частина ПЛАС має :
- план підприємства;

81
- опис дій персоналу;
- список і схему оповіщення посадових осіб, що повинні бути терміново
сповіщені про аварійну ситуацію (аварію);
- список робітників, що залучаються до локалізації аварії, осіб, що дублюють
їхні дії при відсутності перших з будь-яких причин, із указівкою місць їхньої
постійної роботи, проживання і телефонів;
- перелік інструментів, матеріалів, засобів індивідуального захисту, що
повинні бути використані при локалізації аварії, із указівкою місць їхнього
зберігання (аварійних шаф);
- обов'язки відповідального керівника робіт, виконавців і інших посадових осіб
щодо локалізації аварії;
- інструкцію щодо аварійної зупинки .
Повноваження й обов'язки відповідального керівника робіт
Керівництво роботами по ліквідації аварії, рятуванню людей і зниженню
впливу небезпечних факторів аварії на майно (власність), людей і на навколишнє
середовище здійснює ВК. З метою полегшення виявлення ВК серед осіб , що
перебувають у місці розташування органа керівництва локалізацією аварії, він
повинен мати одяг (каску, куртку і т.д.) яскравого жовтогарячого кольору.
Забороняється іншим особам , крім ВК, носити одяг, що пофарбована в аналогічний
колір .
Забороняється вмішуватися в дії ВК. При явно невірних діях відповідального
керівника робіт, вищестояща керівна особа має право відсторонити його і прийняти
на себе керівництво ліквідацією аварії або призначити для цього іншу відповідну
особу.
Обов'язки ВК виконують:
на рівні розвитку аварії "А" - начальник виробництва . До його прибуття на
місце аварії обов'язку ВК виконує його заступник .
ВК зобов'язаний:
На рівні розвитку аварії "А":

82
- оцінити умови, виявити кількість і місцезнаходження людей, охоплених
аварією, ужити заходів щодо оповіщення робочих підприємства і населення (при
потребі) про аварію;
- ужити заходів щодо оточення району аварії і небезпечної зони;
- ужити негайних заходів щодо рятування людей, локалізації і ліквідації аварії;
- забезпечити вихід з небезпечної зони людей, що не беруть особистої участі в
ліквідації аварії;
- обмежити допуск людей і транспортних засобів до небезпечної зони;
- контролювати правильність дій персоналу, а у випадку потреби - дії
газорятувальних, пожежних, медичних підрозділів щодо рятування людей,
локалізації і ліквідації аварії на виробництві, і виконання своїх розпоряджень;
- інформувати безпосереднє керівництво, органи Держнагляд охорони праці ,
а при потребі територіальні органи МНС, органи місцевого самоврядування і
засоби масової інформації про хід і характер аварії, про потерпілих у ході
рятувальних робіт;
- уточнювати і прогнозувати хід розвитку аварії, при потребі вносити
корективи в оперативну частину плану.

83
Загальні висновки
1. В результаті аналізу можливостей удосконалення технології ГАР
встановлено, що проблема визначення оптимальної довжини ФТ, яка є ключовим
складником процесу формування гідроабразивного струменя, є актуальною і дуже
важливою, що потребує комплексного вирішення.
2. В результаті теоретичних досліджень, результатів даних чисельного
моделювання відтворено інженерну методику оптимізації довжини ФТ, яка лягла в
основу розробки програмного забезпечення, що дозволяє визначити раціональну
довжину ФТ за критерієм максимальної глибини каверни залежно від
характеристик абразивного матеріалу та технологічних режимів ГАР.
3. З використанням можливостей кінцево-елементного чисельного
моделювання в середовищі Solidworks Flow Simulation розглянуто процес
збільшення швидкості руху ежектованих у розгінний канал ФТ абразивних
частинок під дією струменя рідини. Завдання моделювання реалізовано за заданих
технологічних умов та режимів роботи гідроустановки для ГАР. Результати
розрахунків відповідають даним феноменологічної моделі та досліджень.
4. На основі виконаних досліджень, аналізу енергетичного балансу ГАР
та специфіки зміни кількості руху абразивно-рідинного струменя отримані
залежності швидкості струменя та абразиву на виході з ФТ відповідної довжини із
введенням коефіцієнтів зв'язку між градієнтами зміни швидкостей, компонентів
струменя та твердофазних частинок абразиву.
5. В результаті порівняння досліджень ГАР з використанням вітчизняних
абразивних матеріалів встановлено їх ефективність, визначено значення
шорсткості поверхні.
6. Узагальнення наявних даних за вартісними показниками технології
ГАР показало, що застосування вітчизняних абразивних матеріалів у поєднанні з
оптимальною довжиною ФТ дає перевагу за вартісними показниками обробки
порівняно з імпортними аналогами приблизно 15%.

84
7. Показано високу фізико-технологічну ефективність експрес-
оптимізації довжини ФТ.

85

Список використаної літератури
1. Проволоцький А. Є. Струминно-абразивна обробка деталей машин.
Київ : Техніка, 1989. 279 с.
2. Базіло К. В., Хлівний В. В. Вплив робочих параметрів гідроабразивного
різання різноманітних матеріалів на точність дотримання ширини різу.
Advanced Manufacturing Processes. 2023. № 1. С. 37–45.
3. Бондаренко Ю. Ю., Базіло К. В., Хлівний В. В. Визначення залежностей
впливу робочого тиску на ефективність процесу гідроабразивного різання.
Матеріали МНТК «ДПС-2021». Черкаси, 2021. С. 142–145.
4. Дмитриченко М. Ф., Мнацаканов Р. Г., Шапошніков Б. В., Туриця Ю.
О. Механічна обробка. Режими різання : навч. посіб. Київ : НТУ, 2014. 220 с.
5. Козлов Р. І. Технологічні методи виготовлення деталей машин :
магістерська дисертація. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. 116 с.
6. Хлівний В. В. Побудова регресійних моделей впливу параметрів
гідроабразивного різання на ширину різу. Repository at ChSTU, 2023.
7. Hashish M. Milling with abrasive-waterjets: a preliminary investigation.
Journal of Engineering for Industry. 1987. Vol. 109, no. 4. P. 354–362.
8. Hashish M. A modeling study of metal cutting with abrasive waterjets.
Journal of Engineering Materials and Technology. 1984. Vol. 106, no. 1. P. 88–100.
9. Hashish M. Optimization factors in abrasive-waterjet machining. Journal of
Engineering for Industry. 1991. Vol. 113, no. 1. P. 29–37.
10. Hashish M. Abrasive waterjet machining. Proceedings of the Institution of
Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2024. Vol. 238.
P. 1–30.
11. Hashish M. Special AWJ nozzles. Proceedings of the 18th International
Conference on Water Jetting. 2006. P. 1–16.
12. Hashish M. Special AWJ nozzles. WJTA Conference Proceedings. 2009.
Paper I3. P. 1–19.
86

13. Momber A. W., Kovacevic R. Principles of Abrasive Water Jet Machining.
London : Springer, 1998. 394 p.
14. Summers D. A. Waterjetting Technology. London : E & FN Spon, 1995.
560 p.
15. Zeng J., Munoz J. P. Intelligent automation of AWJ cutting for efficient
production. Proceedings of the 12th International Symposium on Jet Cutting
Technology. Rouen, 1994. P. 401–408.
16. Kovacevic R., Mohan R., Zhang Y. M. Cutting force dynamics as a tool for
surface profile monitoring in AWJ. ASME Journal of Engineering for Industry.
1995. Vol. 117. P. 340–350.
17. Chung Y., Geskin E. S., Singh P. Prediction of geometry of the kerf created
in the course of abrasive waterjet machining of materials. Proceedings of Jet Cutting
Technology. 1992. P. 527–541.
18. Zhou G., Leu M. C., Geskin E. S. Investigation of topography of waterjet
generated surfaces. PED. 1992. Vol. 62. P. 191–202.
19. Arola D., Ramulu M. Abrasive waterjet machining of titanium alloy.
Proceedings of the 8th American Water Jet Conference. St. Louis, 1995. P. 389–408.
20. Arola D., Ramulu M. Material removal in abrasive waterjet machining of
metals. Wear. 1994. Vol. 190. P. 15–24.
21. Krenický T., Radvanská A., Pollák M., et al. Abrasive water jet cutting of
Hardox steels—quality investigation. Processes. 2020. Vol. 8, no. 12. Art. 1652.
22. Chen J., Hlaváč L. M., Hlaváčová I. Gaussian distribution-based modeling
of cutting depth and kerf geometry in abrasive waterjet cutting. International Journal
of Machine Tools and Manufacture. 2023. Vol. 190. Art. 104022.
23. Hwang H. J., Park T., Kim T. Semi-empirical model for abrasive particle
velocity considering focusing tube geometry in abrasive waterjet. Journal of
Manufacturing and Materials Processing. 2024. Vol. 8, no. 6. Art. 236.
87

24. Uhlmann E., Hohenstein N., Richarz S. Modelling of abrasive water jet
cutting with controlled nozzle oscillation. Procedia CIRP. 2019. Vol. 82. P. 417–
422.
25. Doreswamy D., Kumar S. P. Investigation of abrasive water jet machining
on aluminum and steel. Advances in Materials Science and Engineering. 2015. Art.
627218.
26. Mărguță D., Nagîț G., Biriș C. Researches regarding abrasive waterjet
cutting process parameters. Journal of Engineering Sciences and Innovation. 2021.
Vol. 6, no. 3. P. 231–244.
27. Hlaváč L. M., Hlaváčová I., Gembalová L., et al. Revised model of abrasive
water jet cutting for industrial use. Materials. 2021. Vol. 14, no. 15. Art. 4032.
28. Akkurt A. Surface properties in abrasive water jet cutting of mild steel.
Materials and Design. 2009. Vol. 30, no. 8. P. 3064–3068.
29. Akkurt A., Kulekci M. K., Seker U., Ercan F. Effects of feed rate on surface
roughness in abrasive waterjet cutting applications. Journal of Materials Processing
Technology. 2004. Vol. 147. P. 389–396.
30. Nanduri M., Taggart D. G., Kim T. J. The effects of system and geometric
parameters on abrasive water jet nozzle wear. International Journal of Machine
Tools and Manufacture. 2002. Vol. 42, no. 5. P. 615–623.
31. Liu H.-T., Wang J., Kelson N. L. Experimental investigation of abrasive
waterjet machining of stainless steel. Journal of Materials Processing Technology.
2004. Vol. 149. P. 1–7.
32. Wang J. Abrasive Waterjet Machining of Engineering Materials. Zurich :
Trans Tech Publications, 2003. 380 p.
33. Wang J., Wong W. C. A study of abrasive waterjet cutting of metallic
coated sheet steels. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1999.
Vol. 39. P. 855–870.
88

34. Wang J., Guo D. A predictive depth of penetration model for abrasive
waterjet cutting of polymer matrix composites. Journal of Materials Processing
Technology. 2002. Vol. 121. P. 390–394.
35. Fowler G., Pashby I. R. A review of controlled-depth abrasive waterjet
milling. Journal of Materials Processing Technology. 1999. Vol. 95. P. 111–120.
36. Hlaváčová I., Hlaváč L. M., Arleo F., Viganò F. Abrasive waterjet cutting
of rocks: relation between jet parameters and cutting depth. Rock Mechanics and
Rock Engineering. 2014. Vol. 47. P. 931–938.
37. Hlaváč L. M. Investigation of the abrasive waterjet factors influencing the
quality of cut surfaces. MM Science Journal. 2020. P. 3871–3877.
38. Akkurt A. The effect of nozzle wear on kerf quality in abrasive water jet
cutting. Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering. 2010. Vol. 56. P.
793–801.
39. Annoni M., Ghisi A., Molinari F., et al. A review of waterjet cutting
research towards microAWJ and precision applications. Materials. 2024. Vol. 17,
no. 6. Art. 1328.
40. Xue X., et al. A review of abrasive water jet cutting technology for
composite materials. Mechanics and Advanced Technologies. 2024. Vol. 8, no. 1.
P. 85–103.
41. Wu L., Han Z., Liu X. Parametric structure optimization design of high-
pressure abrasive waterjet nozzle based on particle kinetic energy and wear model.
Lubricants. 2025. Vol. 13, no. 2. Art. 91.
42. Li B., Zhang Z., Chen X. Experimental study on the influence of abrasive
water jet parameters on cutting performance. Ocean Engineering. 2025. Vol. 316.
Art. 118877.
43. Fard M. G., et al. Towards sustainable precision: a review of water jet meso-
and micro-machining. Results in Engineering. 2025. Vol. 26. Art. 103382.
89

44. Gryc R., Hlaváčová I., Hlaváč L. M. Correlation of pure and abrasive water
jet cutting of rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.
2014. Vol. 70. P. 480–487.
45. Wolfram M., et al. Monitoring equipment malfunctions in composite
material abrasive waterjet machining. Applied Sciences. 2024. Vol. 14, no. 11. Art.
4901.
46. Pietrow D. Developing a framework for mixing tube tool condition
monitoring in abrasive waterjet machining : PhD thesis. Sheffield : University of
Sheffield, 2024. 245 p.
47. Hlaváč L. M. Technological fundamentals for efficiency control of
hydroabrasive cutting. Procedia Engineering. 2016. Vol. 149. P. 146–154.
48. Kulekci M. K. Processes and apparatus developments in industrial waterjet
applications. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2002. Vol.
42. P. 1297–1306.
49. Akkurt A., Seker U. Effects of feed rate and material thickness on kerf
characteristics in abrasive waterjet cutting of stainless steel. Materials and Design.
2011. Vol. 32. P. 1100–1105.
50. Mayuet P. F., et al. Influence of abrasive mass flow and traverse rate on
abrasive waterjet cutting of steel. Journal of Manufacturing Processes. 2013. Vol.
15. P. 70–78.
51. Manu R., Babu N. R. An erosion-based model for abrasive waterjet turning
of ductile materials. Wear. 2008. Vol. 266. P. 1091–1097.
52. Siores E., Wong W. C., Chen L. Enhancing abrasive waterjet cutting
efficiency by geometry optimization of mixing tubes. Journal of Materials
Processing Technology. 1996. Vol. 62. P. 203–208.
53. Shanmugam D. K., Nguyen T., Wang J. A study of kerf characteristics in
abrasive waterjet cutting of steel. International Journal of Machine Tools and
Manufacture. 2008. Vol. 48. P. 879–886.
90

54. Hocheng H., Tsai H. Y. The path deviation in abrasive waterjet cutting of
alloy steel. Journal of Materials Processing Technology. 2006. Vol. 177. P. 534–
537.
55. Azmir M. A., Ahsan A. K. A review on abrasive water jet machining
process. Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. P. 6168–6173.
56. Hlaváč L. M., Vondra M., Hlaváčová I. Abrasive waterjet topography and
declination angle relation for technological optimization. Tehnicki Vjesnik. 2017.
Vol. 24. P. 1491–1498.
57. Krenický T., Pollák M., Urbanská M. Surface roughness and cut quality in
abrasive waterjet machining of steels. Manufacturing Technology. 2020. Vol. 20. P.
470–476.
58. Madić M., Radovanović M. Multi-objective optimization of abrasive
waterjet cutting process using Taguchi-grey relational analysis. Proceedings of the
Institution of Mechanical Engineers, Part B. 2013. Vol. 227. P. 1215–1221.
59. Baralić J., et al. Influence of abrasive waterjet parameters on cutting quality
and productivity. Proceedings of MMA 2024. Novi Sad, 2024. P. 13–19.
60. GMA Garnet Group. Waterjet Cutting Basics and Best Practices. Technical
Handbook. 2022. 24 p.
61. Mitskevych O., et al. Focusing tubes for abrasive waterjet cutting: wear
behavior and service life. Technical Gazette. 2021. Vol. 28. P. 1550–1557.
62. Stoić A., Kopač J. Abrasive water jet as a green machining technology.
Journal of Cleaner Production. 2010. Vol. 18. P. 64–72.
63. ДСТУ 8302:2015. Бібліографічне посилання. Загальні положення та
правила складання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016. 20 с.
64. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і
техніки. Структура та правила оформлення. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016. 31
с.
65. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
91

спеціальністю 131 – «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм
навчання [Електронне видання] / уклад. Г. В. Канашевич, О. О. Коваленко, Є.
В. Хижняк. Черкаси : ЧДТУ, 2023.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets