авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МОЛДОВЫ

УДК 621.791

КИСЕЛЕВ ЮРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И

ОБОРУДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННО - ДУГОВОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ

НА ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Специальность 05.03.01 – Методы физико-технической

и механической обработки металлов

Диссертация

на соискание ученой степени доктора – хабилитат технических наук Автор Киселев Ю.Я._ КИШИНЕВ 2005 ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЕ............................................................................................................ 2 ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА...................................... 1.1. Историческое развитие плазменно - дуговой резки.................................. 1.2. Исследования образования полости реза.................................................. 1.3. Развитие режущих плазмотронов............................................................... 1.4. Анализ источников питания.......................................................................... 1.5. Основные задачи и постановка исследований............................................. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛОСТИ РЕЗА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ................................... 2.1. Физические явления, определяющие процесс плазменной резки металла.................................................................................................................... 2.2. Токораспределение и потокораспределение по длине полости реза........ 2.3. Тепловые потоки во фронтальную и боковые поверхности полости реза.......................................................................................................................... 2.4. Глубина прорезания металла плазменной дугой и ширина образующейся полости реза............................................................................................................ 2.5. Производительность образования полости реза.......................................... 2.6. Производительность выплавления металла из полости реза..................... 2.7. Затраты энергии на образование полости реза............................................ 2.8. Тепловой к.п.д. процесса образования полости реза.................................. 2.9. Анализ моделей и оптимизация процесса образования полости реза...... Выводы.................................................................................................................... ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕЖУЩЕГО ПЛАЗМОТРОНА.............................................................................. 3.1. Принцип и особенности работы режущего плазмотрона с медными электродами............................................................................................................ 3.2. Исследование электрических характеристик.............................................. 3.2.1. Мощность режущего плазмотрона......................................................... 3.2.2. Рабочее напряжение режущей дуги....................................................... 3.2.3. Ом - амперные характеристики.............................................................. 3.2.4. Удельная плотность мощности............................................................. 3.2.5. Напряженность электрического поля режущей дуги......................... 3.3. Исследование тепловых характеристик..................................................... 3.3.1. Тепловой к.п.д. режущего плазмотрона............................................ 3.3.2. Удельная энтальпия режущей дуги...................................................... 3.4. Исследование газодинамических характеристик.................................... 3.5. Геометрические параметры режущей дуги.............................................. 3.6. Исследование эрозионных характеристик................................................. 3.7. Двойное дугообразование в режущем плазмотроне................................. Выводы.................................................................................................................. ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ПИТАНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАЗМОТРОНОВ.................................................................................................. 4.1. Режущая дуга, как элемент электрической цепи питающей системы.... 4.2. Исследование процессов в питающей системе с конденсаторами.......... 4.2.1. Общие положения.................................................................................. 4.2.2. Анализ процессов по упрощенной схеме замещения......................... 4.2.3. Анализ процессов с учетом индуктивности в цепи выпрямленного тока..................................................................................................................... 4.2.4. Анализ процессов с учетом активных и индуктивных сопротивлений в фазных цепях и в цепи выпрямленного тока.............................................. 4.3. Исследование процессов в питающей системе с дросселями................. 4.3.1 Анализ процессов с учетом линейной индуктивности в фазных цепях.................................................................................................................. 4.3.2. Анализ процессов в питающей системе с дросселями насыщения.. Выводы.................................................................................................................. ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОПЫТНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВОК ВОЗДУШНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ.................................... 5.1. Разработка конструкций режущих плазмотронов с медными электродами.......................................................................................................... 5.1.1. Выбор основных параметров и рекомендации по конструированию режущих плазмотронов................................................. 5.1.2. Разработка плазмотронов с цилиндрическим электродом................ 5.1.3. Разработка плазмотрона с кольцевым электродом............................. 5.1.4. Разработка трехфазного плазмотрона.................................................. 5.1.5. Создание рационального ряда режущих плазмотронов с медными электродами...................................................................................................... 5.2. Разработка установок воздушной плазменной резки на базе дроссельного источника питания............................................................................................... 5.2.1. Блок-схема установки ПРОВ-2............................................................. 5.2.2. Принципиальная электрическая схема................................................ 5.2.3. Система водо - и воздухоснабжения.................................................... 5.2.4. Система вентиляции............................................................................... 5.3. Разработка установок с использованием конденсаторного источника питания.................................................................................................................. 5.3.1. Блок-схема установки ПРОВ-3........................................................... 5.3.2. Принципиальная электрическая схема................................................ 5.3.3. Компоновка оборудования.................................................................... Выводы.................................................................................................................. ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЖУЩИХ ПЛАЗМОТРОНОВ С МЕДНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ..................................................................................................... 6.1. Воздушная плазменная резка листового проката толщиной до 0,1 м..... 6.1.1. Оптимизация скорости разделительной резки.................................... 6.1.2. Сравнительные испытания режущих плазмотронов ПВ-47 и ПВР-402............................................................................................................. 6.1.3. Технология резки и особенности эксплуатации установки............... 6.2. Резка листового проката толщиной до 0,2 м............................................. 6.3. Плазменно-кислородная резка листовой стали......................................... 6.4. Плазменная резка труб................................................................................. 6.5. Плазменная резка круглого проката........................................................... Выводы.................................................................................................................. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................................. Литература............................................................................................................... Приложение……………………………………………………………………….. ВВЕДЕНИЕ Плазменно-дуговая разделительная резка металлов является в настоящее время одним из перспективных электротехнологических процессов, получающих все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства страны. Перспективность технологических процессов на основе этого способа обусловлена чрезвычайно высокими энергетическими параметрами плазменной режущей дуги. Объемная концентрация мощности достигает значений (100 – 150) кВт/см3, температура (10000 – 16000) К, скорость истечения потока плазмы до 5000 м/с, удельная плотность тепловой мощности (10 – 20) кВт/мм2.

Обладая такими свойствами, плазменная дуга являются одним из наиболее эффективных средств формирующего воздействия на металлы. Высокая концентрация мощности, возможность управления процессом за счет изменения величины рабочего тока или расхода плазмообразущего газа и, наконец, возможность резки практически любых металлов придают этому способу универсальные технологические возможности.

Наряду с отмеченными преимуществами современный процесс плазменно-дуговой резки металлов имеет существенные ограничения, обусловленные многими причинами. Во первых, использование аргона, азота, водорода и их смеси в качестве плазмообразующих газов связано с такими недостатками, как необходимость организации на предприятиях сложного баллонного хозяйства, требования высокой чистоты газов, взрывобезопасность (водород), относительно большая стоимость и др.

Во-вторых, выпускаемое серийно оборудование для плазменно-дуговой резки металлов плазмотронами с циркониевыми и гафниевыми катодами, разработанными в Институте электросварки им. Е.О. Патона /129/, во ВНИИЭСО /7/ и других организациях, также имеет ряд серьезных недостатков. Как показал опыт применения термохимических катодов, последние допускают ограниченное число включений и не могут эффективно использоваться при частых включениях плазмотрона в работу. Другим их недостатком является ограниченная токовая нагрузка и мощность, а, следовательно, и производитель ность резки. Кроме того, в термохимических катодах используются относительно дорогие и дефицитные металлы. Отмеченные ограничения и недостатки дают основание считать, что применяемый способ плазменно-дуговой резки и имеющееся оборудование в значительной мера исчерпали свои эксплуатационные возможности.

Дальнейшее повышение эффективности процесса, расширение его технологических возможностей требует качественно новых решений, как в области технологии, так и техники.

Очевидно, что решение этих задач может быть эффективно выполнено только при условии глубокого и всестороннего изучения физических явлений процесса и математического его описания с последующим анализом и исследованием полученных моделей. Причем подход к решению поставленных задач должны быть системным, охватывающим весь комплекс проблем процесса и оборудования.

Необходимо подчеркнуть сложность и многообразие протекающих процессов в полости реза, плазмотроне и источнике питания. Плазменная дуга находится во взаимодействии с газовым вихрем, электромагнитными полями, стенками электрода, соплового канала и полости реза. Протекающие процессы ионизации, теплообмена, электропроводности, излучения, турбулентности, массопереноса и многие другие усложняют анализ картины взаимодействующих процессов в плазмотроне и полости реза.

При построении математических моделей режущего плазмотрона и процесса резки исходная система дифференциальных уравнений может состоять из уравнений энергии, состояния, неразрывности, движения, теплопередачи и т.д., а также включать в себя законы Ома и Максвелла. Следует отметить, что система получается очень сложной и интегрируется с трудом. Уравнения, как правило, решаются раздельно при граничных условиях первого рода. Поэтому аналитическое получение математических моделей в данном случае представляет собой трудоемкую и сложную проблему.

Решение проблемы математического описания процессов, происходящих в плазмотроне и полости реза, наиболее просто осуществимо путем идентификации.

Идентификация позволяет по результатам наблюдений над входными и выходными параметрами исследуемого объекта или процесса построить их наиболее соответствующие модели, установить основные закономерности, взаимосвязь, значимость влияния внешних воздействий. В зависимости от решаемых практических задач целесообразно построить те или иные модели основных энергетических параметров плазмотрона и процесса разделительной резки. В построении многих сравнительно простых моделей, отражающих различные аспекты одного и того же объекта или процесса, выражается принцип декомпозиции, упрощающий формализацию влияния разных факторов и их взаимосвязь.

В работе применены полиномиальные модели, отображающие связь между входными и выходными параметрами процессов плазменно-дуговой резки металлов. При этом коэффициенты уравнений регрессии находятся с использованием статистических методов по экспериментальным наблюдениям, выполняемым в соответствии с методами матема тического планирования экспериментов /97, 1/. Полиномиальные модели являются очень удобными при решении технологических и конструкторских задач и, в первую очередь, при определении оптимальных конструктивных и режимных параметров оборудования и процессов.

При теоретическом исследовании процессов в питающей плазмотрон системе можно использовать дифференциальные уравнения электрических цепей.

Структура диссертации обусловлена комплексным подходом к исследованию, разработке и внедрению новой технологии и оборудования плазменно-дуговой резки металлов. После обобщения современного состояния вопроса и постановки задач иссле дования, рассматриваемых в первой главе, в следующих главах последовательно изучаются процессы в полости реза, плазмотроне и источнике питания, являющихся, по существу, тремя подсистемами общей системы процесса плазменной резки металлов. Далее приводятся результаты воплощения теоретических и экспериментальных исследований в широкий спектр разработанного оборудования и, наконец, в последующем рассматриваются техноло гические закономерности и эффективность применения новых разработок в различных технологиях.

На защиту выносятся:

1. Комплекс экспериментально установленных закономерностей и особенностей процессов в полости реза, плазмотроне и источнике питания.

2. Математические модели в виде полиномиальных и дифференциальных уравнений, описывающих процессы в полости реза, плазмотроне и источнике питания.

3. Новый принцип плазменной резки металлов на обратной полярности тока, позволяющий в полтора-два раза повысить эффективность процесса и улучшить его качество.

4. Новые типы режущих плазмотронов, обеспечивающих возможность работы на обратной полярности тока при увеличенной мощности до 250 кВт, кардинально расширяющие области применения плазменно-дуговой резки металлов в различных отраслях народного хозяйства.

По материалам диссертации опубликовано 3 монографии /47-49/, 33 статьи /6,22,34,48-77/, получено 16 авторских свидетельств /134-149/, шесть из которых внедрены в промышленность, 5 патентов ведущих западных стран, получена Государственная премия Молдавской ССР в области науки к техники (1985г) и звание "Заслуженный изобретатель Республики Молдова". Разработанное оборудование экспонировалось на ВДНХ MCCP, ВДНХ СССР (бронзовая медаль 1984г, серебряная медаль 1985г.), а также в Токио, Берлине, Белграде, Праге, Будапеште, Пхеньяне и др.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Технического университета Молдовы, республиканских конференциях "Достижения науки и практики в сварочном производстве" (1973г., 1976г., 1979г., 1983г), научном семинаре "Специализированные источники питания плазмотронов постоянного и переменного тока" в Киеве (1975г.), научно-техническом семинаре "Внедрение прогрессивных методов сборки и сварки аппаратуры и оборудования в химическом и нефтяном машиностроении" в Свердловске (1977г), международной школе по генераторам низкотемпературной плазмы в Минске (1976г.), конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы в Алма-Ате (1977г.), в Новосибирске (1980г.), во Фрунзе (1983г.), в Каунасе (1986г.).

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Историческое развитие плазменно - дуговой резки Резка металлов с помощью электрической дуги имеет свое историческое начало от патента, выданного русскому инженеру - изобретателю Н. Н. Бенардосу в 1885г. В этом патенте сущность изобретения изложена следующим образом: "Предмет изобретения составляет способ соединения и разъединения металлов действием электрического тока, названный "Электрогефест" и основанный на непосредственном образовании вольтовой дуги между местом обработки металла, составляющим один электрод, и подводимою к этому месту рукояткой, содержащей другой электрод, соединенный с соответственным полюсом электрического тока. C помощью этого способа могут быть выполнены следующие работы:

соединение частей между собой, разъединение или разрезывание металлов на части, сверление или производство отверстий и наплавление слоями" /120/.

Способы дуговой резки металлов угольными и металлическими электродами с конца 19 века получили широкое распространение и продолжают применяться в настоящее время.

Однако эти способы имеют существенные недостатки, основными из которых являются малая производительность процесса и плохое качество реза. Обусловлено это относительно малой концентрацией энергии на поверхности разрезаемого металла, а также отсутствием направленности движения потока плазмы свободно горящей электрической дуги.

Пожалуй, первым своего рода прообразом современных режущих плазмотронов является электроплавильный аппарат, запатентованный Д.А. Дульчевским в 1922r. /37/, принципиальная схема которого показана на рис.1.1.

Особенность этого аппарата заключается в выполнении графитового анода 1 в виде открытой с обеих сторон воронки, в широкой части которой коаксиально расположен стержневой катод 2 из графита. При зажигании электрической дуги 3 между стержневым и конусным электродами через узкое отверстие воронки выходит поток плазмы ("внеполюсное пламя") длиной до 0,5 м. Получение потока плазмы объясняется свойствами катодных электронов дуги двигаться к аноду с большой скоростью.

Рис.1.1. Электрический плавильный аппарат /37/: 1 - графитовая воронка;

2 стержневой катод;

3 - электрическая дуга;

4 - "внеполюсное пламя";

5 – рукоять Аналогичный эффект отмечен также акад. К.К. Хреновым /119/ при горении дуги между стержневым электродом и металлическим анодом с круглым отверстием или щелью (рис.1.2).

Однако полученные такими способами потоки плазмы из-за малой плотности мощности (отсутствие сжатия дуги) и малого газодинамического напора (отсутствие подачи плазмообразующего газа в замкнутый объем разрядной камеры) не могли быть использованы для эффективной резки металлов. Потребовалось интенсивное развитие в 40-е и 50-е годы прошлого века техники аргоно-дуговой сварки с подачей в горелку защитного аргона, а также физических исследований сжатых электрических дуг прежде, чем были впервые созданы эффективные устройства для плазменно-дуговой резки металлов.

Рис.1.2. Особая форма дуги /119/: 1- стержневой катод;

2 - лист металла с конусным отверстием или щелью;

3 - электрическая дуга;

4 - пламя дуги Развитие плазменно-дуговой резки металлов в историческом аспекте можно условно разделить на ряд этапов.

На первом этапе развития способа и оборудования плазменно-дуговой резки металлов, охватывающем конец пятидесятых и начало шестидесятых годов, велись работы по созданию первых образцов режущих плазмотронов с приспособлением, прежде всего сварочных генераторов и выпрямителей для их питания. В этот период отрабатывались технологические приемы резки металлов. В качестве плазмообразующей среды использовался главным образом аргон.

На следующем этапе, занимающем значительную часть шестидесятых годов, работы были направлены на дальнейшее улучшение конструкции режущих плазмотронов, повышение производительности резки за счет увеличения рабочего тока, разработку специализированных источников питания, применение кроме аргона других плазмо образующих газов: азота, водорода, различных смесей. На этом этапе начато усиленное внедрение плазменных установок на предприятиях, в основном для резки высоколеги рованных сталей и цветных металлов, а также их сплавов.

Третий период развития, охватывающий конец шестидесятых и семидесятые годы, характеризуется исследованием, разработкой и внедрением процесса и оборудования плазменно-дуговой резки не только труднообрабатываемых металлов, но и низколеги рованных сталей с использованием в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха. Для этого периода характерно внедрение в широком масштабе на предприятиях серийно выпускаемых установок плазменно-дуговой резки металлов плазмотронами с циркониевыми или гафниевыми электродами.

Четвертый этап развития - с восьмидесятых годов и до настоящего времени – отлича ется дальнейшим совершенствованием способа и оборудования плазменно-дуговой резки металлов, повышением эффективности процесса, расширением области его использования, разработкой новых технологических применений, улучшением санитарно-гигиенических условий при работе плазменно-дуговых установок и т.д.

У истоков создания способа плазменно-дуговой резки металлов и разработки первых конструкций режущих плазмотронов стояли коллективы ряда научно-исследовательских институтов: ВНИИавтогенмаш (Васильев К.В., Исаченко А.А., Никифоров Н.И.), ВНИИЭСО (Быховский Д. Г., Медведев А. Я., Богородский Ю. A.), ИЭС им. Патона (Эсибян Э. М., Данченко М. Е.), ЦНИИТС (Доброленский А. Л.) и др.

Значительный импульс интенсивному развитию и совершенствованию режущих плазмотронов придали научные и практические разработки генераторов низкотемпера турной плазмы, выполненные в СО АН СССР под руководством член-корр. АН СССР Жукова М. Ф., в институте металлургии им. Байкова (Кулагин И. Д., Николаев А. В.), в ИТМО АН БССР (Ясько О. И.), в Алма-атинском энергетическом институте (Болотов А. В.) и др.

Среди зарубежных фирм в области плазменно-дуговой резки металлов следует отметить Union Carbide (США), Messer Grissheim (ФРГ), British Oxigen, Plasma Equipment (Англия). Значительные работы в этой области проведены также институтами сварки Германии, Польши, Болгарии, Чехии и др.

В настоящее время существует обширная, в основном журнальная, литература по вопросам плазменно-дуговой резки металлов, что является следствием бурного развития этого прогрессивного процесса. Можно считать, что формирование науки о плазменно дуговых технологиях вступило в завершающую фазу своего многолетнего развития.

Наука о плазменно-дуговом процессе резки металлов формируется на стыке многих других наук: электрофизики и теплофизики, аэродинамики и тепломассопереноса, физики плазмы и физики твердого тела, электротехники и химии высоких энергий и т. д. Это обусловлено многообразием процессов, происходящих в полости реза, плазмотроне и источнике его питания.

1.2. Исследования образования полости реза Производительность образования полости реза в значительной мере зависит от тепловой эффективности взаимодействия потока плазмы с разрезаемым металлом.

Первые работы в этой области, выполненные А. В. Николаевым и др. /87 /, позволили установить закономерности изменения эффективной тепловой мощности плазменной струи, направленной перпендикулярно к нагреваемой поверхности металла, с использованием метода калориметрирования. Плазменная струя рассматривалась как нормальный круговой источник теплоты. Исследования были направлены, в основном, на определение характера изменения эффективной мощности в зависимости от режима работы плазмотрона.

Исследовалось также распределение тепловой мощности по поверхности и объему нагреваемого металла.

Следует отметить, что тепловой поток в центре пятна плазменных струй составляет лишь (2-5) кВт/cм2, что существенно меньше теплового потока в центре пятна сжатых, переходящих на металл плазменных дуг. Поэтому плазменные струи практически не получили промышленного применения для резки металлов.

В ряде работ /101,125/ исследовались тепловые потоки в пятнах плазменных режущих дуг при различных значениях рабочего тока, вида плазмообразующего газа и его расхода, конструктивных параметров плазмотрона. Установлены отдельные закономерности и особенности процессов в пятнах. Однако исследования проводились для сравнительно маломощных плазменных дуг при их малоинтенсивном сжатии в канале сопла.

На производительность и качество образования полости реза существенное влияние оказывает характер поведения дуги и ее опорного пятна внутри полости реза.

Непосредственное изучение дуги в полости реза весьма затруднительно, во-первых, из-за малой ее ширины. Наблюдение дуги возможно лишь со стороны врезки, куда выбрасывается поток расплавленных частиц и продукты сгорания металла. Во-вторых, определение местоположения дугового пятна по яркости свечения требует большой тщательности, поскольку в полости реза размещается часть столба дуги и не менее яркий поток плазмы после дугового пятна. И, наконец, дуговое пятно располагается в потоке расплавленных частиц металла, что также ограничивает возможности проведения измерений и изучения механизма перемещения пятна. В связи с изложенным, исследование характера поведения пятна проводилось на упрощенных физических моделях полости реза.

Н. И. Никифоров и др. /18/ рассматривали поведение дуговых пятен на открытой торцевой поверхности пластины. Скоростная киносъемка сбоку позволила в этом случае исследовать перемещение дугового пятна сверху вниз и образование шунтирующих перемычек между столбом дуги и пластинами.

Однако использование торцевых пластин не позволяет воспроизвести близкие к реальным условиям газодинамические воздействия потока плазмообразующего газа на электрическую дугу и её анодное пятно.

Более близкими к реальным условиям следует считать исследования перемещения дугового пятна внутри сквозного отверстия в пакете разделенных изоляционными прокладками пластин. Однако в этом случае тепло поступает в пластины не только с фронтальной кромки, но и с боковых и тыльной кромок.

Васильев К. В. и Никифоров И. И, /18/ установили экспериментально, что в каждый момент удельный тепловой поток по глубине реза распределен неравномерно. Наибольший поток поступает в металл в зоне опорного пятна дуги. Несколько меньше удельный поток во фронтальную кромку реза в зоне столба дуги. И, наконец, самый малый поток соответствует зоне фронтальной кромки реза за опорным пятном дуги. Причем последний поток уменьша ется по мере удаления от зоны опорного пятна. В соответствии с распределением удельного теплового потока по глубине реза формируется его конфигурация.

Перемещение дугового пятна вниз по фронтальной поверхности полости реза происходит под воздействием двух сил: газодинамической, обусловленной движением потока плазмы со сравнительно холодной оболочкой из недостаточно нагретого газа, движущегося вдоль стенок сопла и увлекаемого из окружающей плазмотрон среды, а также электродинамической или пондеромоторной, вызванной взаимодействием тока с собствен ным магнитным полем. Обе эти силы стремятся переместить дуговое пятно постепенно от верхних секций к нижним.

По мере перемещения вниз дугового пятна и удлинения дуги возрастает разность потенциалов между дугой и верхней частью фронтальной кромки. Как только разность потенциалов между верхней частью кромки и участком дуги, находящимся против неё достигнет значения большего, чем электрическая прочность этого промежутка, возникает новое дуговое пятно, а старое исчезает. Этот процесс получил название "шунтирование дуги" /40/.

Производительность плазменной резки металлов может быть выражена через соотношение эффективной мощности, идущей на расплавление металла, которую может обеспечить режущий плазмотрон, к величине удельной мощности, требующейся на расплавление единицы массы металла /17 / П = (·U·I· qm) / (Спл·Тпл Со·То + Cm), (1.1) где: U - напряжение дуги, В;

I - ток дуги, А;

- эффективный к.п.д. нагрева металла;

qm - теплоотвод в металл, Вт;

Спл - удельная теплоемкость металла при Тпл, Дж/(кг · К);

Со - удельная теплоемкость металла при начальной температуре заготовки, Дж /(кг · К), Тпл и То - соответственно температура плавления и начальная температура металла, К;

Cm теплота плавления металла, Дж /кг.

В знаменателе выражения (1.1) находятся параметры, характеризующие начальное состояние и теплофизические свойства разрезаемого металла. При кажущейся простоте выражение (1.1) не раскрывает влияние основных входных параметров процесса плазменной резки на производительность. По существу их влияние интегрально учитывает эффективный к.п.д. нагрева металла, который согласно /87/ возрастает при увеличении мощности плазмотрона.

Производительность процесса плазменной резки можно выразить также через механические параметры /11 / П=v·b··, (1.2) где v - скорость перемещения плазмотрона, м/с;

b - ширина реза, м;

- глубина реза, м;

- плотность металла, кг/м3.

Выражение (1.2) также не раскрывает процесс образования полости реза и влияние входных факторов.

Качество разделительной плазменной резки характеризуется шириной реза, величи ной неперпендикулярности боковых поверхностей полости реза, шероховатостью последних, наличием и размером грата и т.д. С позиции теплофизики разделительная резка металлов представляет собой процесс местного нагрева, расплавления и сдувания металла с фронтальной кромки реза при воздействии на нее высокотемпературного потока плазмы.

При этом тепловой поток в металл обусловлен лучистым и конвективным теплообменом от столба дуги, дугового пятна и струи плазмы за пятном дуги. По измерениям /40/ лучистый тепловой поток составляет лишь пять - десять процентов от общего потока. Поэтому вели чина и форма теплового потока в металл обусловлена формой и характером поведения дуги в полости реза, которые зависят от входных параметров процесса.

Важным показателем качества плазменно-дуговой резки металлов является сохранение исходных свойств металла в областях вблизи поверхности реза /14,117/. Мощная плазменная дуга, выплавляя металл из полости реза, вызывает появление температурного поля и в более удаленных в глубину слоях металла. Причем это поле перемещается по мере движения плазмотрона, и его параметры зависят от мощности плазменной дуги, толщины и вида разрезаемого металла, скорости перемещения плазмотрона, а также его конструктивных и режимных характеристик. Под воздействием возникающего температурного поля в металле, вблизи поверхности реза, образуется зона термического влияния, которая по глубине условно разбивается на два характерных участка. Первый участок, примыкающий к поверхности реза, представляет собой расплавленный и не удаленный потоком плазмы слой металла - это участок оплавления. Второй участок, нагреваемый до температуры меньше температуры плавления, имеет ту или иную, измененную под действием тепла, структуру металла или измененный химический состав.

1.3. Развитие режущих плазмотронов Плазмотроны или генераторы низкотемпературной плазмы, действие которых основано на нагреве газа электрической дугой в ограниченном пространстве, находят все более широкое использование в различных отраслях науки и производства: технике высоких температур, аэродинамике, металлообработке, металлургии, химии и др. Многообразие областей применения и функций, выполняемых плазмотронами, обусловливается их чрезвычайно высокой эффективностью при сравнительно простой конструкции и низкой стоимости.

Ведущую роль в разработку теории и практики плазмотронной техники и большой вклад в их развитие внесли Жуков М. Ф., Рыкалин Н. И., Полак Л. С., Коротеев А. С., Ясько О. И., Дресвин С. В., Болотов А. В., Николаев А. В., Аньшаков А. С., Рутберг Ф. Г., Новиков О. Я., Ямполъский В. М. и др. Вопросы создания и применения плазмотронов для различных технологических целей освещены в монографиях /21, 33, 35, 36, 38, 39, 40, 80, 85, 99, 100, 127, 133 / и многочисленных журнальных статьях.

Наибольшее распространение в промышленности получили плазмотроны для резки металлов. В настоящее время режущие плазмотроны успешно используются на многих предприятиях, и область их промышленного применения постоянно расширяется и углубляется. Плазменная аппаратура для резки металлов производится серийно как в СНГ, так и во многих других странах: США, Германии, Японии, Англии, Швеции, Румынии и т.д.

За сорокалетнюю историю развития плазморежущей техники были разработаны, исследованы и получили применение многочисленные разновидности режущих плазмо тронов, классификация которых представлена на рис. 1.3.

По назначению режущие плазмотроны подразделяются на два больших класса:

машинные и ручные. Ручные плазмотроны в целях обеспечения условий электробезопасно сти работают при напряжении холостого хода источника не более 300 В, величине рабочего тока до 250 А и мощности дуги до 50 кВт. Толщина разрезаемого металла обычно не превышает 50 мм. Применяются ручные плазмотроны на монтажных работах, при обработке отливок и малообъемной резке листового и других видов проката.

Плазмотроны для машинной резки работают от источников тока с напряжением холостого хода до 300 В, величине рабочего тока 250 -500 А и максимальной мощности дуги 100 кВт. Толщина разрезаемого металла до 100 мм.

По принципу работы режущие плазмотроны могут быть с дугой прямого действия, когда разрезаемый металл включается в цепь протекания рабочего тока и дуга горит между внутренними электродом и разрезаемым металлом, и с дугой косвенного действия, когда дуга горит внутри разрядной камеры, а резка металла осуществляется струей плазмы, вытекающей из плазмотрона.

Наибольшее применение получили плазмотроны c дугой прямого действия, так как переходящая на металл дуга интенсифицирует процесс резки, а сжатие ее при прохождении через узкое сопло повышает удельную концентрацию энергии и газодинамическое воздей ствие на расплавляемый металл.

По роду тока наибольшее распространение получили режущие плазмотроны постоянного тока, отличающиеся лучшей стабильностью горения дуги. Проведены исследования режущих плазмотронов на пульсирующем токе, показавшие интересные технологические возможности применения переменного тока при резке металлов.

По виду охлаждения плазмотроны выполняются с водяным и воздушным охлаждением. Наиболее эффективным и распространенным является водяное охлаждение.

Воздушное охлаждение применяется, в основном, в режущих ручных плазмотронах малой мощности, используемых на монтажных работах. Охлаждающий агент обычно проходит последовательно электродный и сопловой узлы плазмотрона. Однако имеются схемы с раздельным охлаждением катодного и соплового узлов.

По роду рабочей среды можно выделить три основных типа плазмотронов: с окислительным рабочим газом, с нейтральным рабочим газом и с использованием воды в качестве плазмообразующей среды. Из газов нейтральных по отношению к рабочему электроду наибольшее применение получили аргон, азот, водород и их смеси. В общем случае выбор состава плазмообразующей среды обусловливается технологическими требованиями. Для разделительной резки металлов экономично использовать плазмотроны, работающие на воздухе. Несомненный интерес представляют плазмотроны, работающие на воде, разработкой которых занимаются в СНГ и за рубежом, однако промышленного применения они пока не получили.

Рис.1.3. Классификация режущих плазмотронов По способу стабилизации режущие плазмотроны могут быть с вихревой, осевой и комбинированной системой стабилизации. Осевая стабилизация выполняется при исполь зовании катодов в виде заостренного стержня, обычно из вольфрама диаметром (2 - 6) мм и длиной до 15 мм. Подача потока плазмообразующего газа вдоль оси стержневого электрода обеспечивает большую направленность плазменной дуги и более спокойный режим ее горения, но меньшее сжатие дугового разряда. При вихревой стабилизации, т. е. танген циальном вводе рабочего газа в разрядную камеру, осуществляется более интенсивное сжатие дуги и более четкая ее фиксация по оси плазмотрона, а, следовательно, лучшая теп лоизоляция стенок от дуги. Однако осевая составляющая потока плазмы в этом случае значительно меньше. Иногда применяется более сложная комбинированная система стабилизации, сочетающая преимущества осевой и вихревой систем подачи газа в разрядную камеру.

По режиму работы электрода все многообразие режущих плазмотронов может быть подразделено на три основные группы: с раскаленным электродом, с электродом, работающим в "холодном" режиме и безэлектродные плазмотроны. Преобладающее распро странение получили плазмотроны с раскаленным внутренним электродом, являющимся катодом. Выполняются такие катоды либо стержневыми, либо гильзовыми, состоящими обычно из медного корпуса - гильзы, по оси которого впаивается или впрессовывается катодная вставка из вольфрама, циркония или гафния. Катодная вставка из вольфрама обычно выступает из торца медной гильзы, а вставки из циркония и гафния впрессовываются заподлицо с торцом гильзы. В последнем случае стабилизация дуги выполняется вихревой, обеспечивающей фиксированное положение катодного пятна строго по оси плазмотрона на поверхности катодной вставки. Формирование вихря в разрядной камере плазмотрона осуществляется специальными завихрительными устройствами, имеющими тангенциальные отверстия или пазы, или винтовые каналы. Стойкость гильзовых катодов особенно со вставками из циркония или гафния существенно зависит от интенсивности теплоотвода, поэтому они работают, как правило, с непосредственным водяным охлаждением нерабочей поверхности.

На первом этапе развития плазменной резки широкое применение получили плазмотроны, использующие в качестве плазмообразующего газа аргон. Это обусловли валось, прежде всего, малой эрозией раскаленного вольфрамового катода в аргоне, безопасностью применения аргона для обслуживающего персонала, стабильностью горения дуги и легкостью ее зажигания.

Однако применение аргона сопряжено с существенными недостатками: относительно высокой его стоимостью и дефицитностью, необходимостью содержать сложное баллонное хозяйство, повышенными требованиями к чистоте аргона, так как даже незначительные примеси кислорода приводят к интенсивному износу вольфрамового катода. Кроме того, являясь одноатомным газом, аргон характеризуется сравнительно малым теплосодержанием и теплопередачей, что снижает интенсивность процесса, а малая напряженность электрического поля аргоновой плазмы не позволяет получить высокую концентрацию энергии и выделить большую мощность в дуге при относительно малых рабочих токах.

С точки зрения увеличения тепловой эффективности плазменного потока целесообразно использовать двух - и многоатомные газы, в которых значительное коли чество энергии затрачивается на диссоциацию и ионизацию. Поэтому на первых этапах развития плазменной техники, наряду с аргоном, в качестве плазмообразующих газов получили применение азот, водород и их смеси. Это позволило увеличить мощность режущей дуги до 100 кВт и интенсифицировать процесс резки / 123 /. Но такие недостатки, как необходимость использования баллонов, требования высокой чистоты газа, а также его большая стоимость и дефицитность по-прежнему ограничивали область применения плазменной резки.

Кардинальным решением проблемы плазмообразующего газа, очевидно, является использование атмосферного воздуха, который отличается малой стоимостью и не дефицит ностъю, не требует специального баллонного хозяйства, имеет большое теплосодержание и высокий потенциал ионизации. Помимо того, наличие кислорода в воздухе позволяет интенсифицировать процесс резания окисляющихся металлов за счет химических реакций окисления.

Первоначально воздух получил применение в так называемых двухпоточных режущих плазмотронах. Один поток газа (рис. 1.4.б) нейтрального по отношению к катоду, например, азота, подается непосредственно в зону горения дуги и не допускает разрушения электрода. Второй поток газа (воздуха) подводится в зону дуги на некотором расстоянии от электрода таким образом, чтобы не соприкасаться с ним.

Использование двух различных газов, несомненно, усложняет установку. При этом недостатки, связанные с применением аргона, не устраняются полностью, а только несколько уменьшаются. Однако экономичность плазменной резки в этом случае возрастает.

а) б) в) Рис. 1.4. Схемы режущих плазмотронов, использующих сжатый воздух в качестве плазмообразующего газа Перспективными при использовании воздуха в качестве плазмообразующей среды являются катоды из материала, который обладает высокой эрозионной стойкостью в окислительной среде. К подобным материалам следует отнести, прежде всего, цирконий и гафний /9, 131/. Институт электросварки им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО и другие организации создали ряд режущих плазмотронов с циркониевыми и гафниевыми катодами, т.е. так называемыми термохимическими или пленочными катодами. Схема плазмотрона с термохимическим катодом представлена на рис. 1.4,а Характер физико-химических процессов, протекающих в таких электродах, еще не достаточно изучен, но выполненные исследования позволяют считать, что их стойкость в окислительной среде обусловлена образованием тугоплавкой защитной пленки окислов и нитридов / 8 /. Вещества, входящие в состав пленки, при обычных температурах имеют большое омическое сопротивление, а при температурах, близких к температуре плавления (3200о К) их сопротивление снижается до 100 Ом и менее. Катодное пятно образуется на поверхности расплавленной защитной пленки. Поэтому циркониевый или гафниевый электроды сравнительно хорошо работают в установившемся режиме. При зажиганиях дуги, когда на поверхности термохимического электрода еще не сформировалась защитная пленка, происходит интенсивное испарение материала электрода. В результате термохимические катоды допускают ограниченное число включений и не могут эффективно использоваться при частых включениях плазмотрона в работу. Кроме того, термохимические катоды допускают ограниченную токовую нагрузку, как правило, не более 300 А.

ВНИИавтогенмашем проводились исследования зависимости износа циркониевых и гафниевых катодов от величины тока и числа включения плазмотрона в работу (рис.1.5).

Глубина износа гафниевой вставки после n включений на 30 - 40% меньше чем циркониевой.

Интенсивность износа термохимического катода резко возрастает при увеличении токa более 200-250 А /15/. Следует отметить, что термохимические электроды не могут работать на переменном токе или на обратной полярности постоянного тока. При включении такого электрода в режиме анода циркониевая или гафниевая вставки практически мгновенно разрушается.

Ограничения по числу включений, мощности и роду используемого тока сужают область применения плазмотронов с термохимическими катодами.

Сотрудниками Казахского политехнического института разработан /135/ безэлектрод ный режущий плазмотрон, схема которого приведена на рис.1.4,в. Плазмотрон состоит из двух охлаждаемых водой сопловых головок, разделенных друг от друга изолятором завихрителем. Сопловые головки имеют по оси сопловые отверстия с расширяющейся внутрь разрядной камерой. Плазмотрон имеет диаметр 90 мм, а длину (25 - 60) мм.

Особенностями работы безэлектродного режущего плазмотрона являются: 1) распо ложение обоих опорных пятен дуги на разрезаемых элементах;

2) горизонтальное расположение столба дуги.

К достоинствам плазмотрона можно отнести: 1) малую электрическую эрозию элементов плазмотрона;

2) возможность применения для резки больших по величине токов без эрозионного износа обесточенного плазмотрона;

3) возможность работы на любых плазмообразующих газах, в том числе и чистом кислороде;

4) обработку одновременно двух заготовок.

Недостатками работы таких плазмотронов являются: 1) необходимость одновременной резки двух заготовок;

2) не одинаковая эффективность резки обеих заготовок.

Рис.1.5. Зависимость глубины износа гафниевой 1 и циркониевой 2 вставок после n зажиганий, а также интенсивности износа 3 от величины рабочего тока /17/ При работе безэлектродного режущего плазмотрона впервые было отмечено /135/, что заготовка, к которой подключен "минус" источника питания режется на 15% интенсивнее заготовки, подключенной к "плюсу" источника питания. Исследованиями установлено, что эффективный к.п.д. процесса резки различен и составляет соответственно для катода 35%, а для анода 29,7%, В силу этих особенностей две одинаковые заготовки не могли быть разрезаны одновременно. Поэтому безэлектродные плазмотроны не получили промышлен ного применения.

В первой половине шестидесятых годов Институтом электросварки им. Е.О. Патона и фирмой "Union Carbide Corporation" предпринимались попытки создания плазмотронов с медным полым катодом для резки металлов. Однако вследствие большой сложности и малой изученности процессов, протекающих в общей системе "полость реза – плазмотрон – источник питания", исследования не были доведены до успешного завершения, и не удалось получить работоспособную и надежную в эксплуатации конструкцию режущего плазмо трона с медным электродом /132/.

Вопросы теории и практики применения режущих плазмотронов широко освещаются в монографиях и журнальных статьях /7, 14, 129/. Исследования посвящены, в основном, плазмотронам с термохимическими катодами.

В работах Быховского Д. Г., Медведева А. Я. и др. исследованы тепловые процессы на термохимических катодах режущих плазмотронов /9, 11/, а также энергетические и эрозионные характеристики режущих плазмотронов с гафниевым катодом /7/. Вопросам исследования основных характеристик режущего плазмотрона с циркониевым катодом посвящены работы Эсибяна Э. М. и др. / 129/, а также Васильева К. В., Никифорова Н. И. и др. /15, 16/. Причем в последних работах построена математическая модель рабочего напря жения режущей дуги с использованием теории подобия /16 /.

Существенный интерес представляют работы /29, 86, 98, 118/, в которых рассма тривается один из наиболее важных для режущих плазмотронов процесс двойного дугообразования. Выполненные исследования позволили установить основные качественные и количественные показатели этого процесса. В ряде работ / 7, 98 / рассматриваются условия появления двойной дуги с позиции принципа минимума Штеенбека, когда напряжение при возникновении и горении двойной дуги меньше напряжения режущей дуги. Однако такой подход не раскрывает механизма и закономерностей возникновения двойного дуго образования.

Исследования В. З. Фролова и др. /118 /показали, что на двойное дугообразование существенное влияние оказывает качество поверхности канала сопла плазмотрона. При уменьшении высоты неровностей поверхности (сглаживании микронеровностей) ухудшаются условия образования двойной дуги.

Несмотря на большое внимание исследователей к вопросу двойного дугообразования, его сущность и закономерности раскрыты не достаточно полно.

В целом, вопросы теории и практики режущих плазмотронов еще находятся в стадии формирования научных основ и установления закономерностей их конструктивной разработки.

1.4. Анализ источников питания режущих плазмотронов На первых этапах развития плазменной резки металлов при использовании аргона в качестве плазмообразующего газа применялись стандартные сварочные выпрямители и генераторы /129/.

Переход на более эффективные многоатомные плазмообразущие газы: азот, водород, воздух и т. п., потребовал создания специализированных источников питания, отличающихся повышенными напряжением и мощностью.

Источники электропитания режущих плазмотронов могут быть классифицированы (рис.1.6) по назначению: для ручной плазменной резки при напряжении холостого хода до 180 B, для полуавтоматической резки при напряжении до 300 В и для машинной (автоматической) резки при напряжении 500 В и более /24 /.

Следует отметить, что сложившееся к настоящему времени ограничение напряжения холостого хода источников питания обусловлено ограничением толщины разрезаемого металла серийно выпускаемыми плазмотронами с термохимическими катодами. Дальнейшее развитие плазменной режущей техники неизбежно должно сопровождаться увеличением толщины разрезаемого металла и, как следствие, повышением напряжения холостого хода источников питания до (700 - 800) В. По роду тока источники питания могут быть выпол нены для работы плазмотронов: на постоянном, пульсирующем и переменном токах. Все серийно выпускаемые источники питания являются выпрямителями. Источники переменного и пульсирующего тока находятся в стадии разработки и поисковых исследований.


По принципу работы источники электропитания могут быть подразделены на два класса: с неуправляемыми и с управляемыми вентилями. Последние, в свою очередь, можно подразделить: на тиристорные, транзисторные и инверторные выпрямители / 43, 93, 106, 111, 114 /.

Рис. 1.6. Классификация источников питания Широкое применение получили тиристорные источники питания режущих плазмо тронов. По мере освоения выпуска промышленностью мощных силовых транзисторов будут созданы более простые в управлении транзисторные источники. Весьма перспективно использование источников, в которых после выпрямления ток инвертируется в переменный частотой 1 - 4 кГц. При таких частотах существенно снижаются масса и габариты раздели тельного силового трансформатора и дросселей, что позволяет значительно улучшить массогабаритные характеристики источников питания режущих плазмотронов Выпрямители с неуправляемыми вентилями можно подразделить на три группы:

источники питания, в которых крутопадающая вольт-амперная характеристика обеспечи вается за счет большого рассеяния магнитных потоков в разделительных трансформаторах;

параметрические или индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП) и источники питания с дросселями насыщения.

Вопросами разработки источников питания режущих плазмотронов занимались многие годы ИЭС им. E.О. Патона, ВНИИЭСО, НИКИМТ, ЛЭТИ и др.

Одним из первых и, пожалуй, наиболее простых источников электропитания режущих плазмотронов с циркониевым катодом разработан ИЭС им. Е.О. Патона / 132 / на основе трех стандартных сварочных трансформаторов (рис.1.7). Выполненные по этой схеме аппараты АВПР-1 и АВПР-2 для плазменно-дуговой резки металлов получили в шестидесятые и семидесятые годы некоторое промышленное использование. Однако вследствие недоста точно оптимальных их статических и динамических характеристик устойчивая работа плазмотрона обеспечивалась лишь при малых толщинах разрезаемого металла.

Рис. 1.7. Схема источника питания с использованием сварочных трансформа торов: Т 1, Т 2, Т 3 – сварочные трансформаторы, VD – выпрямитель В параметрических источниках питания используется свойство резонансных схем поддерживать неизменным ток нагрузки в цепях синусоидального тока /130/. Из множества возможных схем наибольший интерес представляет схема с "плавающим нулем" в трехфаз ном исполнении / 94 /. Она включает в себя (рис. 1.8) шестиплечный индуктивно-емкостной мост, в три плеча которого включены батареи конденсаторов, а в остальные три индуктивные катушки. Первичные обмотки согласующего трансформатора от разных фаз питающей сети подключены к трем узловым точкам индуктивно-емкостного моста, а остальные три узловые точки непосредственно соединены с фазами питающей сети.

Рис. 1.8. Схема параметрического источника питания ТС - силовой согласующий трансформатор, L - катушки индуктивности, С - конденсаторы, VD- выпрямитель Причем соединение осуществлено таким образом, что если первичная обмотка согласующего трансформатора подключена к одной фазе, то индуктивность и емкость, имеющие соединение с этой обмоткой, двумя другими концами подключены к остальным двум фазам.

Таким образом, каждая первичная обмотка трансформатора с присоединенными к ней индуктивностью и емкостью представляет собой звезду, подключенную к питающей сети так, чтобы обеспечивалась прямая последовательность чередования фаз. Узловая точка этой звезды является нулевой точкой, потенциал которой изменяется (плавает) при изменении сопротивления нагрузки.

Вторичные обмотки согласующего трансформатора соединяются между собой в звезду, как это показано на рис.1.8, или в треугольник и подключаются к выпрямительному мосту /32 /.

Параметрический источник питания с согласующим трансформатором, собранный по симметричной схеме индуктивно-емкостного преобразователя, обладает свойством изменять фазовый угол смешанной нагрузки на противоположный. При малых токах нагрузки преобразователь работает в индуктивном режиме. С увеличением нагрузки фазовый угол уменьшается, затем коэффициент мощности становится равным единице и при достижении номинальных значений рабочего тока источник питания работает в емкостном режиме, т.е.

генерирует в питающую сеть реактивную мощность.

Учитывая, что на промышленных предприятиях обычно имеется недостаток реактивной мощности, такая особенность параметрического источника питания облегчает условия эксплуатации всей системы электроснабжения и потому является его существенным достоинством.

Институт электросварки им. Е. О. Патона совместно с Институтом электродинамики АН УССР разработали источник электропитания "Киев- 4" для воздушной плазменной резки металлов по комбинированной схеме, содержащей два канала передачи мощности в нагрузку. Один из них имеет ИЕП и согласующий трансформатор, другой - обычный транс форматор с жесткой внешней характеристикой. Такое решение позволяет уменьшить массогабаритные параметры источника питания. Однако его статические и динамические характеристики не являются оптимальными.

Более широкое использование получают индуктивно-емкостные преобразователи для питания мощных плазмотронов технологических установок и плазменно-дуговых плавильных печей / 31 /.

Применение ИЕП для питания плазмотронов позволяет повысить устойчивость горения дуги и обеспечить стабильность рабочего тока. Однако его схема и конструкция остаются относительно сложными, а регулирование рабочего тока является затрудни тельным.

В компенсационном источнике питания /2, 26, 121/ создание крутопадающей внешней характеристики обеспечивается за счет включения конденсаторов в рассечку фазных проводов на вторичной стороне разделительного трансформатора (рис.1.9). Для установок плазменной резки металлов компенсационный источник впервые применен в Техническом университете Молдовы /61/. Преимуществами такого источника питания являются простота схемы, высокая надежность и к.п.д., а также емкостной характер коэффициента мощности.

Одними из первых источников питания с дросселями насыщения являлись выпрями тели ИПГ-300 и ИПГ-500, входившие в комплект установок плазменной резки металлов УГЭР-300 и УГЭР-500, разработанных ВНИИЭСО и предназначенных для ручной и механизированной резки цветных металлов и нержавеющих сталей / 7 /. Эти источники Рис. 1.9. Схема компенсационного источника питания: ТС - силовой трансформатор;

С - конденсаторы;

VD - силовой выпрямитель выполнены по схеме без внутренней обратной связи при напряжении холостого хода соответственно 180 В и 300 В.

Принципиальная схема источника с дросселями насыщения представлена на рис. 1.10.

Она содержит шесть дросселей насыщения, включенных попарно и встречно последовательно в каждую фазу на вторичной стороне разделительного трансформатора.

Магнитопроводы всех шести дросселей охватываются единой обмоткой управления, питающейся от независимого источника выпрямленного тока. Для улучшения динамических свойств в источниках питания типа ИПГ-500 совместно с обмоткой управления уложены насколько витков силовой обмотки, по которой протекает рабочий ток дуги, что, обеспечивает отрицательную обратную связь по току/ 43/.

Рис.1.10. Схема источника питания с дросселем насыщения: ТС – силовой трансформатор;

LL - дроссель насыщения;

VD1 - силовой выпрямитель;

ОУ обмотка управления;

VD2 - выпрямитель в цепи управления;

T1 - трансформа тор;

Т2 – автотрансформатор В дроссельном источнике питания ИПР-120/600, разработанном НИКИМТ для установки плазменной резки металлов ОПР-6 с использованием азота в качестве плазмообразующего газа, применена схема с внутренней отрицательной обратной связью по току и положительной обратной связью по напряжению /124/. Такая схема позволяет получить внешние характеристики источника питания с большой крутизной в широком диапазоне регулирования тока режущей дуги.

Источники электропитания с дросселями насыщения использовались в серийно выпускаемых установках воздушной плазменной резки металлов типа АПР- 401 и АПР 403, разработанных ВНИИЭСО / 114/.

Достоинствами дроссельных источников питания являются: высокая надежность, легкость регулирования рабочего тока в широком диапазоне, простота обслуживания.

Однако дроссельным источникам присущи и недостатки: относительно большая масса активных материалов, большие габариты, низкий коэффициент мощности, возникновение бросков тока при запуске плазмотрона. Последний недостаток способствует возникновению двойного дугообразования, для предотвращения которого необходимо устанавливать балластное сопротивление в силовой цепи постоянного тока или применять другие способы и схемные решения.

В этой связи перспективно использование тиристорных источников питания, отличающихся лучшими массогабаритными параметрами. Исследованием и разработкой таких источников питания занимались ЛЭТИ, а также ИЭС им. Е. О. Патона в сотрудничестве с заводом "Преобразователь" / 129/ и ВНИИЭСО / 7,88 /.

Тиристорные источники питания использовались в серийно выпускаемых установках АПР - 402, АПР - 404 и АПР – 405 для механизированной и АПР-201 для ручной воздушной плазменной резки металлов. Принципиальная схема тиристорного источника питания установки АПР - 402 представлена на рис.1.11.

Формирование крутопадающей внешней характеристики в этих источниках осуществляется с помощью обратной связи по току нагрузки. Получаемые характеристики отличаются большой крутизной. Источник обеспечивает плавность регулирования рабочего тока дуги.

Наряду с большими достоинствами тиристорные источники имеют ряд недостатков. В частности, при запуске плазмотрона в работу имеют место значительные броски тока из-за запаздывания сигнала обратной связи, в течение которого источник является фактически неуправляемым. Пульсации выпрямленного тока, особенно при глубоком регулировании имеют значительную величину, что требует включения в силовую цепь выпрямленного тока сглаживающих дросселей.


И, наконец, схема источника отличается сложностью, и для его эксплуатации требуется обслуживающий персонал высокой квалификации. Кроме того, вследствие высокого уровня высших гармоник в кривой тока, работа тиристорного источника питания оказывает отрицательное влияние на питающую трехфазную сеть.

Инверторные источники питания режущих плазмотронов в настоящее время находят все более широкое применение, что обусловлено их более лучшими массогабаритными показателями.

Следует подчеркнуть, что все выпускаемые серийно источники питания режущих плазмотронов имеют, как правило, напряжение холостого хода 300 В. Они обеспечивают устойчивую работу плазмотронов при напряжении режущей дуги в пределах 150-200 В.

Плазмотроны с медным электродом отличаются повышенным до 250-350 В рабочим напряжением, что не позволяет использовать для их питания серийно выпускаемые источники.

Рис. 1.11. Принципиальная электрическая схема тиристорного источника питания АПР-402: ТС - силовой трансформатор;

VS - выпрямительный мост;

ТА трансформаторы тока, СУ - система управления тиристорами, LL – дроссель Несмотря на то, что к настоящему времени накоплен существенный опыт по созданию и промышленному использованию источников питания режущих плазмотронов, математическое описание процессов, протекающих в источнике, остается мало изученным.

В большинстве публикаций /7, 16, 17, 129/ авторы ограничиваются описанием схем источников, их основных параметров и общих характеристик.

Более глубоко рассматривается теория процессов в источниках питания дуговой нагрузки других технологических установок: сварочных, дуговых печей и т.д. /13, 31, 41/. И, наконец, обширнейшие аналитические исследования проводятся в области вообще преобразователей переменного тока в постоянный /5, 23, 104, 107, 113/. Причем, при исследованиях широко применяются вычислительные машины /12, 121/ и комплексы.

Поскольку преобразователи могут кроме выпрямителей содержать в схеме и другие нелинейные и линейные сопротивления: дроссели насыщения, конденсаторы, активные сопротивления, то математическое описание, протекающих в них процессов сопряжено со значительными трудностями и особенностями. Этим и обусловлено большое многообразие существующих методов анализа: метод кусочно-линейной аппроксимации, метод эквивалентных источников, метод фазовой плоскости, метод разностных уравнений, метод основной гармоники, метод гармонического баланса /3/, метод переключающих функций /121/.

Наиболее точным и часто используемым является метод кусочно-линейной аппроксимации, предложенный впервые академиком Папалекси И. Д. Существо этого метода заключается в том, что реальные характеристики нелинейных элементов аппроксимируются некоторой линией, состоящей из отдельных участков, на которых справедливы линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами. Решив эти уравнения, т.е.

определив характеристики на отдельных участках, после стыковки участков получается общая характеристика процесса. Метод можно использовать для расчета как установив шегося, так и переходного процессов.

В последующем метод кусочно-линейной аппроксимации получил развитие и широкое применение для анализа процессов в преобразовательной технике благодаря работам Круга К. А. /84/, Костенко M. П., Неймана Л. Р. и Бладзевича Г. Н. /81/, Каганова И. Л. /44/, Размадзе Ш. М. /103, 104/, Глинтерника С. Р. /23/, Толстова Ю. Г. /112/, Здрока А.Г. /41/ и других ученых.

К недостаткам метода кусочно-линейной аппроксимации следует отнести громозд кость вычислений, обусловленную решением трансцендентных уравнений при определении границ отдельных участков, а также нахождением постоянных интегрирования. Однако этот недостаток практически снимается при использовании современной вычислительной техники.

1.5. Основные задачи и постановка исследований Выполненный анализ развития и современного состояния теории и практики плазменно-дуговой резки металлов позволяет отметить следующее:

1. В настоящее время по существу отсутствует математическое описание процесса плазменно-дуговой резки металлов и оборудования, обеспечивающего этот процесс.

Создание математических моделей процесса и оборудования плазменно-дуговой резки металлов, пригодных для инженерного применения, является довольно трудной задачей, так как ее решение находится на стыке многих научных проблем, касающихся вопросов теплопередачи и теплообмена, газовой динамики и электродинамики, дугового разряда и нелинейных электрических цепей, теории устойчивости и др.

Трудность математического описания процесса и оборудования плазменно-дуговой резки металлов обусловлена, во-первых, сложностью теплового, электрического, газодина мического и химического взаимодействия в полости реза между разрезаемым металлом и потоком ионизированного газа с электрической дугой, имеющего большую скорость и высокие энергетические параметры. Причем, электрическая дуга беспрестанно меняет свою длину, а плазмотрон находится в поступательном движении. Расплавление металла в полости реза осуществляется под действием трех разных по принципу и параметрам источ ников нагрева: столба электрической дуги, опорного пятна дуги и потока плазмы.

Во-вторых, затруднения в создании математической модели процесса и оборудования связаны также со сложностью нагрева плазмообразующего газа электрической дугой в режущем плазмотроне. В малом объеме разрядной камеры плазмотрона происходит сложное движение плазмообразующего газа и опорного участка дуги. В сопловом канале столб дуги интенсивно обжимается охлаждаемыми стенками, а также вихрем холодного газа, движущегося вдоль стенки сопла. Причем часть плазмообразующего газа "продувается" через дугу или соприкасается с дугой, нагреваясь до высокой температуры. Различные условия горения дуги в разрядной камере, канале сопла, на выходе из плазмотрона и в полости реза затрудняют аналитическое описание процессов.

И, наконец, в-третьих, следует отметить сложность, хотя и в меньшей степени, процессов, протекающих в источнике питания, имеющего, как правило, нелинейные элементы электрической цепи, и работающего во взаимодействии с нелинейной нагрузкой, каковой является сжатая режущая дуга.

Учитывая отмеченные особенности, математическое описание процессов в полости реза и режущем плазмотроне целесообразно выполнить по результатам экспериментальных исследований нормально функционирующей установки плазменно-дуговой резки металлов.

И только описание процессов в источнике электропитания может быть выполнено аналити чески с использованием дифференциальных уравнений электрических цепей.

2. Эффективность и качество воздушной плазменной резки при использовании серийно выпускаемого оборудования не удовлетворяет современным требованиям научно технического прогресса. Относительно малая производительность резки обусловлена, прежде всего, ограничением рабочей мощности режущего плазмотрона с термохимическим катодом, а также малой контрагированностью и подвижностью анодного пятна дуги в полости реза. Последнее обстоятельство является также причиной, снижающей качество плазменной резки: большая конусность боковых кромок реза, образование расширяющейся полости в зоне привязки анодного пятна и т.д. Поэтому ошибочно общепринято, что плазменно-дуговая резка малоуглеродистых сталей экономична по сравнению с газовой резкой только при толщинах разрезаемого металла до 0,1 м, и что такой же является максимальная толщина разрезаемого металла.

Следует отметить также, что при некоторой изученности процессов в полости реза на прямой полярности горения дуги совершенно не изучены процессы образования полости реза при воздушной плазменной резки на обратной полярности, когда внутри разрезаемого металла размещается более контрагированное и подвижное катодное пятно. Это обусловлено невозможностью работы режущего плазмотрона с термохимическим катодом на обратной полярности тока.

3. Применяемые в промышленности режущие плазмотроны с термохимическими катодами, кроме ограничения по мощности и невозможности работы на обратной полярности тока, характеризуются малым ресурсом работы по числу включений. Катодные вставки из гафния или циркония после 200 - 300 включений полностью изнашиваются, что требует замены электродного узла. В современных поточных технологиях остановка оборудования для замены плазмотронов часто является неприемлемой, что также снижает эффективность плазменно-дуговой резки металлов и ограничивает область ее применения.

Решение отмеченных проблем возможно лишь путем исследования и разработки принципиально новых режущих плазмотронов, не имеющих отмеченных недостатков.

4. Существующие источники электропитания рассчитаны на обеспечение работы плазмотронов с термохимическим катодом для резки металла относительно небольшой толщины, имеющих рабочее напряжение дуги 150 - 200В. Напряжение холостого хода таких источников составляет 300 В. Этого напряжения не достаточно для обеспечения устойчивой работы режущих плазмотронов, работающих на обратной полярности тока, особенно при резке металлов больших толщин. Поэтому необходимо исследование и разработка новых питающих систем.

Таким образом, основными задачами диссертационной работы являются.

1. Исследование процессов образования полости реза с целью выявления их основных закономерностей и особенностей для установления новых, более эффективных техно логических решений, повышающих производительность и качество резки металлов.

2. Исследование процессов в режущих плазмотронах с целью существенного повышения их мощности и производительности, а также расширения возможной области применения, при надежном обеспечении новых технологических решений.

3. Исследование процессов в источниках питания режущих плазмотронов с целью выявления основных закономерностей и особенностей этих процессов для обеспечения устойчивой и надежной работы режущих плазмотронов.

4. Разработка на основе выполненных исследований новых видов электрообору дования для плазменно-дуговой резки металлов.

5. Экспериментальное и теоретическое исследование технологических операций при применении нового оборудования и процесса в промышленных условиях и эффективности их использования в народном хозяйстве страны.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛОСТИ РЕЗА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ 2.1. Физические явления, определяющие процесс плазменно-дуговой резки металла В полости реза, образующейся под воздействием плазменной дуги, имеют место сложные тепловые, газодинамические, электромагнитные и химические процессы, обычно взаимодействующие между собой. Поток тепловой энергии и плазмообразующего газа, истекающего через сопловое отверстие плазмотрона в полость реза, создает поле градиентов температур в металле, вызывает интенсивный нагрев и расплавление металла, а затем удаление расплавленного слоя из полости реза. Проникающая в полость реза дуга также является источником тепловой энергии, выделяющейся как в разрядном столбе, так и в опорном пятне дуги, соприкасающемся с металлом. Одновременно дуга создает электро магнитное поле в полости реза. Поток плазмообразующего газа, воздействуя на расплав, вызывает перенос массы металла. Последний, в свою очередь, взаимодействуя с поверх ностью не расплавленного металла, увеличивает теплопередачу в неё.

Теплопроводность металла обусловливает не только полезный нагрев его поверхностного слоя, но и потери тепла в глубину. Наличие в плазмообразующем газе кислорода приводит к возникновению химических реакций окисления металла.

Рассмотренные процессы переноса тепла и массы, механического перемещения расплава металла, изменения состояния вещества и др. происходят по всему объему вблизи фронтальной стенки полости реза. Эти процессы, налагаясь друг на друга, вызывают образование поля градиентов температур, поля механических сил, электромагнитного поля и поля градиентов концентрации вещества, которые, в общем случае, являются не стацио нарными. И только в установившемся процессе плазменной резки их можно принять квазистационарными.

Схема полости реза с размещенной в ней дугой представлена на рис. 2.1. Можно отметить три характерные зоны по высоте полости реза. Первая зона I - зона углубления дуги. Она простирается от верхней плоскости разрезаемого металла до начала зоны посещения опорного пятна дуги. Нагрев и расплавление металла в этой зоне осуществляется от столба дугового разряда за счет конвективного и лучистого нагрева. Вторая зона II - это зона посещения фронтальной поверхности реза опорным пятном дуги. Здесь определяющим является тепловой поток в металл от опорного пятна дуги. И, наконец, третья зона III –харак теризуется, главным образом, теплообменом между плазменной струей и поверхностью металла. Эта зона простирается вниз от конца зоны посещения опорного пятна дуги до нижней поверхности разрезаемого металла. Следует подчеркнуть, что протяженность зон не является постоянной, а изменяется в широких пределах при изменении входных параметров.

Изменение входных параметров: электрической мощности, расхода плазмообра зующего воздуха, скорости перемещения плазмотрона, толщины металла и др. вызывает возникновение переходного процесса. Его продолжительность обусловливается величиной и характером возмущений, а также геометрическими параметрами полости реза и свойствами разрезаемого металла. Важно, чтобы после завершения переходного процесса режим резки металла достиг своего стационарного состояния.

Стационарность режима обеспечивается согласованностью между скоростью перемещения плазмотрона и скоростью образования полости реза. При малой скорости перемещения плазмотрона увеличивается ширина полости реза, снижается качество образующейся поверхности и ухудшается устойчивость горения дуги. Если скорость перемещения плазмотрона превышает скорость образования полости реза на полную глубину, то возникает непрорезание металла и брак продукции.

Эффективность процесса разделительной резки металла, характеризующаяся, прежде всего, производительностью и качеством, находится в сложной зависимости от режимных и конструктивных параметров: мощности режущей дуги, расхода плазмообразующего воздуха, диаметра и длины канала сопла, через который плазменная дуга переходит на разрезаемый металл, скорости перемещения плазмотрона относительно металла, расстояния от среза сопла до поверхности разрезаемого металла и других параметров. Причем влияние входных параметров на процессы в полости реза носят сложный характер.

Рис. 2.1. Схема полости реза: 1 - разрезаемый металл, 2 - режущая дуга, 3 – плазмотрон В общем виде, вся совокупность процессов в полости реза обусловливается преобра зованием в ней потоков вещества и энергии. Поскольку в образующейся полости реза не аккумулируется ни энергия, ни вещество, то схема ввода и отвода их потоков может быть представлена рис. 2.2. В полость реза вводятся потоки энергии и плазмообразующего газа.

Рис. 2.2. Схема потоков энергии и вещества в полости реза.

Причем последний проходит через полость реза, не изменяя своей массы. Под действием потоков энергии и плазмообразующего газа из полости реза удаляется расплавленный металл. Входящий в полость реза поток энергии частично расходуется на полезную работу расплавления металла, а частично уходит из полости реза с отработанными газами, а также теряется в глубине разрезаемого металла.

Геометрические параметры плазменной режущей дуги, величина и геометрия теплового потока, поступающего от неё в металл, определяют не только скорость образования разделительного реза, но и его форму, прежде всего, глубину прорезания и ширину реза. Эти параметры влияют также на затраты энергии, расходуемой на выплавление металла из полости реза и на образование разделительной поверхности реза.

Изучение столь сложных и многофакторных закономерностей протекания процессов в полости образующегося реза позволяет в конечном итоге оптимизировать процесс образования полости реза.

2.2. Токораспределение и потокораспределение тепла по длине полости реза Для исследования распределения тока и теплового потока по длине полости реза разработан секционированный калориметр (рис.2.3.), состоящий из 10 плоских цилиндри ческих секций диаметром 100 мм и толщиной 9,8 мм. Секции отделялись друг от друга прокладками из стекловолокна толщиной 0,2 мм, что обеспечивало их надежную электрическую и термическую изоляцию. От оси до внешней цилиндрической поверхности каждой секции прорезана щель шириной 8 мм. При сборке всех секций эти щели образуют модель полости реза. Каждая секция охлаждается проточной водой. Вода по шлангу подается к штуцеру, а затем по высверленным в медной секции каналам протекает к отводящему штуцеру и по шлангу отводится от секции. Для удобства подсоединения шлангов штуцера приварены к секциям со смещением относительно друг друга.

Эксперименты выполнялись на лабораторной установке (рис.2.4), состоящей из источника питания ИП, режущего плазмотрона РП, секционированного калориметра СК, устройства измерения тока, протекающего через каждую секцию, устройства измерения температуры охлаждающей воды на входе и выходе из каждой секции калориметра, изме рительных приборов и устройств управления работой плазмотрона.

Рис. 2.3. Схема секционированного калориметра: 1 - секция, 2 - щель, имити рующая полость реза;

3 - штуцера для подачи и отвода охлаждающей воды к секциям Рис. 2.4. Принципиальная схема измерения токов и тепловых потоков по длине полости реза: ИП - источник питания;

РП - режущий плазмотрон;

СК секционированный калориметр;

ПК - переключатель;

Rб - балластное соп ротивление;

КМ - контакт отключения цепи дежурной дуги;

Т – измеритель температуры Плазмотрон устанавливался неподвижно над калориметром строго соосно полости реза таким образом, чтобы при проецировании окружности соплового отверстия на полуокружность фронтальной кромки полости реза первая была удалена от второй на 1 мм.

Меньшее смещение, или совпадение, или тем более, наложение проецируемого соплового отверстия на фронтальную кромку полости реза приводит к интенсивному разрушению секционированного калориметра. При большем смещении возникают затруднения с зажиганием режущей дуги на калориметр.

Один из полюсов источника питания подключался к внутреннему электроду, а второй через балластное сопротивление Rб и силовые контакты КМ контактора дежурной цепи подсоединялся к сопловому электроду плазмотрона, а также через измерительные сопротивления Ru - к каждой из секций калориметра. В качестве измерительных сопро тивлений использовались одинаковые отрезки трубок из нержавеющей стали. Через эти тру бки подавалась охлаждающая вода к каждой секции. Охлаждение трубок обеспечивало ста бильность величины их сопротивления. Величина тока, проходящего через ту или иную сек цию, определялась по величине падения напряжения на измерительном сопротивлении Ru.

Для измерения этого напряжения использовался милливольтметр класса точности 0,5. С целью уменьшения ошибки, измерение осуществлялось одним и тем же прибором, поочередно подключаемым с помощью переключателя ПК к измерительным сопротив лениям секций.

Величины тепловых потоков по длине реза определялись по измеренным температурам воды на входе и выходе из секций и ее расхода через секции. Для определения температуры охлаждающей воды использовались транзисторные термодатчики Т.

Суммарный ток дуги и рабочее напряжение измерялись соответственно амперметром РА и вольтметром PV класса точности 0,5.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.