Full Text

Обширность применения плазменных устройств ставит задачу проектирования плазмотронов, специфичных для каждой технологии [1-3]. Современные плазмотроны способны работать на мощностях энергопотребления от единиц до сотен мегаватт [4, 5], обеспечивая (с разным термическим коэффициентом полезного действия) преобразование электрической энергии в тепловую и кинетическую и производя тем самым термокинетическое воздействие на обрабатываемые материалы [6, 7]. Обеспечение эффективности подобного воздействия в соответствии с заданными параметрами качества - главный критерий выбора потребителем соответствующего устройства или технологии [8], а следовательно, и результативности их проектирования [9]. При проектировании плазмотронов для воздушно-плазменной резки металлов [10] в качестве основных критериев эффективности, как правило, выбираются производительность, качество реза и надежность работы плазменного оборудования [11]. Высокие значения этих показателей зависят в первую очередь от эффективности системы газодинамической стабилизации [12, 13], определяющей высокую степень тепловложения и кинетические свойства плазменной дуги (струи), надежность работы катодного и соплового узлов плазмотрона [14]. В современных плазмотронах для резки металлов, как правило, применяется газовихревой способ стабилизации с тангенциальной подачей плазмообразующего газа (ПОГ) в сопловой узел и дополнительным обжатием плазменной дуги (струи) как самим соплом, так и на выходе из сопла вихревым потоком стабилизирующего газа (в технологии узкоструйной плазмы) [15, 16]. Тангенциально закрученный поток газа формируется в вихревых камерах (завихрителях), количество, конструкция и расположение которых в плазмотроне существенным образом определяет эффективность резки металлов [17]. Проведенные ранее авторами исследования [18] показали, что известный способ газовихревой стабилизации с применением однопоточной схемы подачи ПОГ в сопловой узел через единственный завихритель не обеспечивает равномерность распределения газового потока по сечению газовоздушного тракта (ГВТ) и в сопловом канале плазмотрона. Данная проблема возникает из-за асимметрии подачи газа в расширительную камеру, расположенную перед завихрителем, и ограниченных размеров самой камеры. Для повышения коэффициента равномерности распределения газового потока можно увеличить размеры камеры или использовать систему газодинамических фильтров в виде дополнительных препятствий в расширительной камере [19]. Однако при этом возрастает трудоемкость изготовления и стоимость плазмотрона. В этой связи следует исследовать и другие возможности конструктивного улучшения системы газовихревой стабилизации металлорежущих плазмотронов. В качестве моделей для исследования были взяты два разработанных в авторском коллективе плазмотрона для резки металлов производства ООО НПО «Полигон» (г. Екатеринбург) (рис. 1): • ПМВР-5.3 - из серии однопоточных плазмотронов ПМВР-5 [20] со встроенным ступенчатым газодинамическим фильтром повышенной производительности для работы на токах до 200 А; • ПМВР-9.1 - из серии двухпоточных плазмотронов ПМВР-9 со встроенным газодинамическим фильтром и системой двойного обжатия плазменной дуги (технология узкоструйной плазмы) [21]. а б Рис. 1. Плазмотроны: а - ПМВР-5.3; б - ПМВР-9.1 Конструкция ГВТ плазмотрона ПМВР-5.3 построена по принципу ступенчатого выравнивания скорости потока ПОГ по сечению канала (т.е. газ поступает из одного канала в два, потом из двух в четыре и т.д.). Заключительным звеном в данной цепочке является основной завихритель. В конструкции плазмотрона применены серийно выпускаемые катод А-141 и серия сопел к А-141 с выходным отверстием диаметром от 1,4 до 1,9 мм. Изначально при испытаниях плазмотрона был применен серийный завихритель, устанавливаемый на катод А-141 (рис. 2, а). Особенность конструкции данного завихрителя такова, что поток ПОГ, проходя через него, подается по касательной относительно поверхности катода в плоскости, перпендикулярной катоду. Таким образом, поток ПОГ на выходе из данного завихрителя имеет только радиальную составляющую скорости потока. На втором этапе испытаний конструкции плазмотрона вместо серийного завихрителя был использован модернизированный завихритель (рис. 2, б). Отличительной особенностью нового завихрителя стало изменение количества отверстий в соответствии с описанным выше принципом и добавление наклона отверстий по отношению к оси плазмотрона. Поток ПОГ на выходе из такого завихрителя обладал не только радиальной, но и осевой составляющей скорости потока. а б Рис. 2. Завихрители для плазмотрона ПМВР-5.3: а - серийный; б - модернизированный Конструкция плазмотрона ПМВР-9.1 построена на разделении потока ПОГ на два - плазмообразующий и стабилизирующий - с раздельной подачей газа в сопловой узел. При этом сформированная в основном вихревом плазмообразующем потоке плазменная дуга дополнительно обжимается (стабилизируется) за счет дополнительно закрученного вторичного газа на выходе из основного сопла плазмотрона (рис. 3). Для оценки влияния различных способов газовихревой стабилизации на эффективность работы плазмотронов были проведены расчеты кинематических свойств (локальной скорости) плазменной струи. Исследования были основаны на моделировании течения потока газа по каналам плазмотрона и в области его истечения, выполненном в среде SolidWorks в приложении Flow simulation [22, 23]. В качестве исходных данных были использованы паспортные данные плазмотронов подобного типа по массовому расходу газа (общеупотребимое значение - 0,011 кг/с). На выходе из сопла плазмотрона использовались параметры окружающей среды с нормальным атмосферным давлением. В целях абстрагирования от термодинамических эффектов расчет производился на холодной струе газа в пренебрежении нагревом плазменной дугой и теплообменом между потоком ПОГ и стенками каналов ГВТ плазмотрона. Расчет параметров скорости производился на разном удалении от оси соплового канала и среза катода плазмотрона по параллельным оси линиям, в пределах цилиндрической области, ограниченной диаметром соплового канала (рис. 4). Рис. 3. Схема ГВТ плазмотрона ПМВР-9.1 Рис. 4. Расчетная схема определения кинематических характеристик струи плазмотрона ПМВР-5.3 Для анализа распределения скоростей газового потока V были использованы три статистических параметра: 1. Размах вариации R = Vmax - Vmin. 2. Отношение вариации L = Vmax/Vmin. 3. Коэффициент вариации F = S/ где S - дисперсия V, - средняя скорость. Совокупность данных параметров позволяет сравнивать характеристики потоков как с точки зрения кинетических свойств струи, так и с учетом равномерности распределения скоростей в сечении газового потока. Результаты расчетов скоростей в исследуемом режиме подачи ПОГ для различных способов газовихревой стабилизации в одно- и двухпоточных плазмотронах представлены на рис. 5. Анализ представленных изображений позволяет сделать вывод об имеющихся различиях в распределении скоростей, определяющем форму, протяженность, кинематические и энергетические параметры плазменной струи. На рис. 6-8 показаны результаты расчета значений скорости, выполненные в соответствии со схемой, представленной на рис. 4 (для верхней осесимметричной части расчетной области). Следует обратить внимание на геометрию соплового узла, определяющую расстояние от плоскости катода до среза сопла величиной порядка 7 мм. Анализ представленных на рис. 6 и 7 распределений значений скорости позволяет сделать вывод о влиянии примененного в плазмотроне ПМВР-5.3 нового завихрителя на кинематические свойства струи. Имеющаяся на срезе сопла неравномерность распределения скоростей по сечению канала по мере удаления от плоскости истечения струи становится существенно менее выраженной. При этом на максимальном расчетном удалении в струе плазмотрона ПМВР-5.3 с новым завихрителем наблюдается меньший разброс значений скорости при сопоставимых максимальных и более высоком значении средних по сечению показателей по сравнению со струей, формируемой плазмотроном ПМВР-5.3 с серийным завихрителем. Фактически это свидетельствует о сохранении более высоких энергетических свойств на более значительном диапазоне длины плазменной струи, что, в свою очередь, должно положительно повлиять на вольт-амперные характеристики дуги и ее способность к резке металла большей толщины с повышенной скоростью. Скорость а б в Рис. 5. Распределение скоростей в плазменной струе плазмотронов: а - ПМВР-5.3 с серийным завихрителем; б - ПМВР-5.3 с новым завихрителем; в - ПМВР-9.1 (двойное сопло) Рис. 6. Распределение скоростей в струе плазмотрона ПМВР-5.3 с серийным завихрителем Рис. 7. Распределение скоростей в струе плазмотрона ПМВР-5.3 с новым завихрителем Рис. 8. Распределение скоростей в струе плазмотрона ПМВР-9.1 Данные расчетов для двухпоточного плазмотрона ПМВР-9.1, представленные на рис. 8, свидетельствуют о существенно более равномерном распределении скоростей в потоке струи, как в плоскости истечения, так и на удалении от нее. При этом, однако, очевидно, что кинематические и энергетические свойства струи, определяемые максимальными и средними значениями скорости, сохраняются на более коротком (менее 25 мм) расстоянии, чем в струях, генерируемых однопоточным плазмотроном ПМВР-5.3. Об этом же свидетельствуют сравнительные графики, представленные на рис. 9. Последний фактор определяет не только технологические условия резки данным плазмотроном, но и влияет на акустические свойства струи. Как известно [24], размер акустического ядра струи с максимальными скоростями определяет уровень шумоизлучения, поэтому снижение его протяженности должно иметь положительный эффект с точки зрения акустической безопасности данной технологии. а б в Рис. 9. Распределение скоростей по сечению струи (расчетная схема - см. рис. 4) в зависимости от удаления от среза сопла плазмотронов (ПМВР-5.3 с серийным и новым завихрителями и двухконтурного ПМВР-9.1) а б в Рис. 10. Распределение скоростей в струе (полное расчетное сечение) в зависимости от удаления от среза сопла плазмотронов (ПМВР-5.3 с серийным и новым завихрителями и двухконтурного ПМВР-9.1) На рис. 10 показаны распределения скоростей по всему расчетному сечению струи, которые в целом подтверждают сделанные ранее выводы. Применение дополнительного обжатия основного плазмообразующего потока в плазмотроне ПМВР-9.1 позволяет существенно снизить характерные для плазмотрона ПМВР-5.3 неоднородности распределения скоростей, возникающие на срезе сопла из-за срыва резко расширяющегося потока. Кроме того, струя плазмотрона ПМВР-9.1 обладает более а б в Рис. 11. Статистические распределения кинематических характеристик в зависимости от удаления от среза сопла плазмотронов (ПМВР-5.3 с серийным и новым завихрителями и двухконтурного ПМВР-9.1) высокими кинетическими свойствами (имеет более высокие максимальные скорости), чем струя плазмотрона ПМВР-5.3. Однако подобные преимущества наблюдаются лишь в пределах удаления на 15-20 мм от среза катода. На больших расстояниях наиболее высокие показатели равномерности распределения и кинетических свойств имеет плазмотрон ПМВР-5.3 с новым завихрителем, что подтверждается графиками статистических распределений кинематических характеристик, представленных на рис. 11. Рост данных показателей, в свою очередь, должен сказаться на увеличении производительности и улучшении качества резки. Последний вывод подтверждается данными, полученными в процессе резки плазмотроном ПМВР-5.3. При резке пластины из стали 09Г2С толщиной 10 мм на токе в 90 А максимальная скорость резки была не более 1,1-1,2 м/мин. В результате применения модернизированного завихрителя максимальная скорость резки увеличилась до 1,5-1,6 м/мин. Представленные результаты показывают, что угол ввода ПОГ в сопловой узел влияет на кинематические и кинетические свойства плазменной струи, а следовательно, на параметры резки. Это дает основание провести дальнейшие исследования по определению оптимального угла ввода ПОГ и его влиянию на производительность, качество резки и надежность работы плазмотрона. При резке тонколистовых металлов предпочтительнее использовать технологию узкоструйной плазмы [25].

About the authors

S. V Anakhov

Russian State Vocational-Professional University

Yu. A Pyckin

Ural State Forest Engineering University

A. V Matushkin

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Eltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 70

PDF (Russian) - 40

Refbacks

• There are currently no refbacks.