Full Text

В настоящее время внедрение автоматизированных комплексов резки металлов предусматривает, как правило, многофункциональное использование нескольких технологий [1] - плазменной и лазерной, а иногда и гидроабразивной и газовой резки [2, 3]. Подобная необходимость обусловлена спецификой упомянутых технологий, каждая из которых имеет свои преимущества - по качеству, эффективности, себестоимости и так далее [4], причем зачастую эти преимущества характерны только для определенных диапазонов применяемой технологии [5, 6]. В этой связи разработка универсальной или конкурентной в более широком диапазоне технологии может стать серьезным фактором при поиске оптимальной технологии резки металлов. На наш взгляд, подобной технологией могут стать современные технологии высокоточной плазменной резки, включающие в себя появившиеся в последние годы под названием «сжатая», «точная» или «узкоструйная» плазма разработки таких производителей, как Kjellberg, MesserGreisheim, HyperTherm. Применение данного способа позволяет достичь максимальных показателей эффективности и безопасности процесса, а также качества, эквивалентного уровню, достигаемому при лазерной резке [2, 7]. Аналогов подобной продукции в России нет, поэтому разработка и внедрение устройств высокоточной (прецизионной) плазменной резки должно стать высокоэффективной заменой конкурентным технологиям в рамках поддерживаемой государством политики импортозамещения. В этой связи следует отметить, что разработка, тестирование и комплексирование новых технологических решений для обеспечения глобальной конкурентоспособности отечественных компаний в высокотехнологичных отраслях промышленности и на рынках будущего - один из приоритетов дорожной карты принятого недавно к реализации направления «Технет» Национальной технологической инициативы РФ. В поисках инновационных решений в сфере плазменной резки необходимо обратить внимание на то, что фактически все производимые в России плазмотроны для резки используют однотипную систему однопоточной газовихревой стабилизации дугового разряда, разработанную в 70-80-е гг. ХХ в. [8-11]. Как показали исследования авторов [12], разработку технологий высокоточной плазменной резки необходимо проводить с учетом газодинамических особенностей течения плазмообразующего газа (ПОГ) [13], которые определяют эффективность, качество и безопасность работы плазмотрона. По результатам проведенного авторами анализа газодинамических особенностей протекания ПОГ по газовоздушному тракту (ГВТ) плазмотронов была разработана методика оценки эффективности систем газовихревой стабилизации плазменной дуги [14], опирающаяся на применение автоматизированных процедур для определения критерия равномерности распределения скоростей потока ПОГ по сечению каналов ГВТ. Данная методика позволяет выявлять недостатки конструкции ГВТ, влияющие на неравномерность распределения скоростей ПОГ по сечению ГВТ. Однако представленные ранее результаты применения данной методики [15] были получены с учетом минимального влияния нагрева плазменной дугой газодинамического потока в сопловом узле плазмотрона. Подобная гипотеза сформулирована в предположении, что нагрев газового потока происходит в основном в сопловом канале плазмотрона, где повлиять на равномерность распределения потока по сечению канала конструктивными методами практически невозможно, а равномерность распределения ПОГ должна быть обеспечена уже на входе в сопловую камеру. Однако определенное влияние плазменной дуги на скорости ПОГ в выбранном на входе в сопловой канал плазмотрона контрольном сечении должно присутствовать. В этой связи авторами была поставлена задача оценить степень данного влияния и применимость предложенной ранее методики. Дополнительной задачей стало уточнение критериев эффективности газовихревой стабилизации, полученных с использованием автоматизированных процедур газодинамического анализа. Как известно, типичная конструкция ГВТ дугового металлорежущего плазмотрона (рис. 1) включает в себя участок подачи газа в плазмотрон, успокоительную (расширительную) камеру и систему газовихревой стабилизации (ГВС), обеспечивающей тангенциальную подачу ПОГ из завихрителя (вихревой камеры) в сопловой узел (электродуговую камеру). В основе методики лежит определение равномерности распределения скоростей ПОГ по сечению ГВТ в электродуговой камере плазмотрона в качестве одного из главных факторов, влияющих на качество и надежность работы плазмотрона. Данное условие, как было показано ранее [12], определяется конструктивными особенностями ГВТ плазмотронов с однопоточной схемой течения ПОГ и, как правило, не выполняется из-за асимметричной и неравномерной подачи газа в расширительную камеру плазмотрона. Геометрия отдельных участков ГВТ в целом однотипна для большинства известных отечественных плазмотронов (ПВР-402, ВПР-410), включая и взятый в качестве базового для исследований плазмотрона ПМВР-М. Рис. 1. Схема газовоздушного тракта металлорежущего плазмотрона ПМВР-М. Участки ГВТ: 1 - ввод ПОГ в плазмотрон; 2 - расширительная камера; 3 - завихритель; 4 - сопловой узел; 5 - выход плазмы Для повышения равномерности распределения скоростей потока ПОГ авторами было предложено несколько конструктивных решений. Одно из них было реализовано в плазмотроне ПМВР-2М (рис. 2) за счет применения системы газодинамических фильтров (дополнительных сплошной и перфорированных стенок в расширительной камере) [16], а также оптимизированных по газодинамическим критериям геометрии расширительной камеры и завихрителя (рис. 3) [17]. Рис. 2. ПМВР-2М - новый одноконтурный плазмотрон для высокоточной резки металлов средних и больших толщин с улучшенной системой газовихревой стабилизации Другим эффективным решением стала разработка конструкции ГВТ с симметричной подачей ПОГ в расширительную камеру, 2 завихрителями (формирующим и стабилизирующим) и 2 расширительными камерами (рис. 4). Применение методов газодинамического анализа позволило найти оптимальные размеры и расположение камер расширения и завихрителей и показать эффективность газовихревой стабилизации при использовании данной конструкции на «холодном» (без учета нагрева плазменной дугой) потоке ПОГ. Подобный метод выравнивания скоростей может быть применен в плазмотронах как с двух-, так и с однопоточной схемой организации течения ПОГ. В 1-м случае рассматриваемая технология ГВС предполагает использование в формирующем струю канале плазмотрона, работающего по принципу двойного сопла и в отечественном исполнении получившего название «узкоструйная плазма». Во 2-м варианте она может быть использована в качестве дополнительной меры повышения эффективности ГВС в традиционных плазмотронах в целях обеспечения прецизионного качества резки металлов. Рис. 3. Схема газового тракта плазмотрона ПМВР-2М с системой выравнивающих фильтров (сплошной и перфорированной стенками в расширительной камере) Рис. 4. Конструктивная схема плазмотрона с 2 завихрителями в системе газовихревой стабилизации: 1 - предварительный завихритель; 2 - основной завихритель Для оценки равномерности распределения динамических характеристик газового потока авторами было предложено 2 способа, зависящих от аппаратных возможностей применения программного комплекса и требуемой точности вычислений. Упрощенный вариант оценки (при ограниченных ресурсах) подразумевает расчет скоростей потока ПОГ в 4 симметричных точках в выбранном сечении плазмотрона, причем одна из точек выбирается напротив точки ввода газа в расширительную камеру (рис. 5 и 6). В этом случае в качестве критерия степени неравномерности по сечению ГВТ плазмотрона можно ввести коэффициент отношения скоростей Хi = V1/V2 = V1/V3 = V1/V4 (cм. рис. 6) [15]. Однако при этом возникает погрешность оценки, обусловленная вероятностью пропустить максимальные и минимальные отклонения от средних значений скорости в данном сечении при ее вероятном неравномерном распределении. В этой связи более объективной представляется оценка неравномерности, сделанная расчетным путем по всему заданному периметру контрольной плоскости. Очевидно, что в этом случае для корректности сравнения необходимо производить расчет скоростей по кольцевой траектории на равноудаленном от оси плазмотрона расстоянии (по средней линии проходного сечения). При этом, однако, возникает проблема выбора критерия оценки неравномерности газового потока. Рис. 5. Схема расчета скоростей потока ПОГ в ГВТ плазмотрона: 1 - выход из сопла; 2 - ввод газа на участок; 3 - точка ввода газа; 4 - расширительная камера; 5 - завихритель а б Рис. 6. Расположение точек расчета скорости потока ПОГ по сечению каналов ГВТ (а) и расположение контрольной плоскости (б) В целях решения поставленных задач были проведены исследования распределения скоростей потока ПОГ в контрольных сечениях 3 плазмотронов - базового ПМВР-М, модернизированного однопоточного ПМВР-2М и плазмотрона ПМВР-5.3 с 2 завихрителями в системе газовихревой стабилизации. Расчеты производились при одинаковых технологических условиях (давление ПОГ на входе в плазмотрон P = 5 атм, расход ПОГ Q = 0,011 кг/с) в программной среде SolidWorks с приложением Flow Simulation. Расчет скоростей выполнялся по средней линии контрольного сечения, диаметр которой определялся размером выходного отверстия сопла плазмотрона. Количество расчетных точек по периметру зависело от параметров расчетной сетки, которые определялись автоматически программной средой (от 40 до 200 точек в зависимости от задач анализа). Для оценки влияния плазменной дуги на равномерность распределения потока ПОГ был выполнен сравнительный расчет скоростей в контрольной плоскости плазмотронов при отсутствии дуги и в условиях нагрева соплового канала плазменной дугой. Оценка температуры воздушной дуги была произведена по данным [18] и методике [19] (для воздушно-плазменной резки в расчетах была принята среднемассовая температура дуги ~7000 К при диаметре дуги 2 мм). Результаты расчетов скоростей в контрольных сечениях представлены на рис. 7-12. Они подтверждают сделанные ранее авторами выводы о влиянии конструкции ГВТ на газодинамические параметры потока ПОГ в электродуговой камере плазмотрона. При одинаковых условиях на входе в плазмотрон фиксируемые скорости в контрольном сечении у плазмотрона ПМВР-2М на 20 %, а у ПМВР-5.3 на 70 % ниже, чем у базового ПМВР-М. Подобный результат обусловлен, по всей видимости, 2 причинами. Первая связана с конструктивными различиями используемого сопла у рассматриваемых конструкций плазмотронов (величина выходного диаметра, длина цилиндрической части выходного канала сопла). Вторая причина - газодинамические потери по ГВТ плазмотрона, в которые наибольший вклад вносит завихритель (до 40 % от суммарного количества потерь давления [2]). Следует в этой связи заметить, что наиболее эффективная работа каждого из плазмотронов происходит при некоторых режимах, определяемых экспериментальным путем, а следовательно, представленные результаты должны свидетельствовать об объективных различиях диапазонов оптимальной работы для каждого из анализируемых плазмотронов. Рис. 7. Распределение скорости в контрольной плоскости плазмотрона ПМВР-М без нагрева плазменной дугой (64 точки с дискретизацией h = 0,15 мм) Рис. 8. Распределение скорости в контрольной плоскости плазмотрона ПМВР-М при нагреве плазменной дугой (41 точка, h = 0,2 мм) Рис. 9. Распределение скорости в контрольной плоскости плазмотрона ПМВР-2М без нагрева плазменной дугой (200 точек, h = 0,03 мм) Рис. 10. Распределение скорости в контрольной плоскости плазмотрона ПМВР-2М при нагреве плазменной дугой (200 точек, h = 0,03 мм) Рис. 11. Распределение скорости в контрольной плоскости плазмотрона ПМВР-5.3 без нагрева плазменной дугой (48 точек, h = 0,09 мм) Рис. 12. Распределение скорости в контрольной плоскости плазмотрона ПМВР-5.3 при нагреве плазменной дугой (123 точки, h = 0,03 мм) Другим важным следствием анализа полученных результатов является выявленное влияние плазменной дуги на скорости ПОГ в контрольном сечении. Очевидно, что при скорости 150-300 м/с в сопловом узле время пребывания газа на участке горения дуги от торца катода до входа в сопловой канал составляет от 10 до 100 мкс, что явно недостаточно для нагрева всего потока (данный эффект используется для защиты стенок канала от теплового воздействия). Тем не менее результаты свидетельствуют о небольшом нагреве газа на входе в канал и обусловленном этим нагревом увеличении скоростей в расчетных точках контрольного сечения (в плазмотроне ПМВР-М - примерно на 15 %, в ПМВР-2М - на 55 %, в ПМВР-5.3 - на 40 %). Подобные различия, очевидно, также обусловлены конструктивными особенностями сопловых узлов анализируемых плазмотронов, влияющими на характер взаимодействия ПОГ с плазменной дугой. Следует заметить, что представленные на рис. 13 результаты расчетов скоростей в сопловом канале и на выходе из плазмотрона ПМВР-5.3 свидетельствуют об эффективном нагреве газа в сопловом канале и получении на выходе высокоэнергетичного потока со скоростью 500-600 м/с для кинетического воздействия на разрезаемый металл. Рис. 13. Распределение скоростей по ГВТ и плазменной струе плазмотрона ПМВР-5.3 В целях поиска критерия оценки степени равномерности распределения потока при анализе большого числа контрольных точек статистическими методами [20] было проанализировано полученное распределение скоростей для различных плазмотронов. На рис. 14 представлены рассчитанные гистограммы значений частоты распределения скоростей в контрольных сечениях плазмотронов ПМВР-М и ПМВР-2М (объемы выборок равны числу контрольных точек, отмеченных на рис. 7-12). Была выдвинута статистическая гипотеза, что представленные зависимости скорости подчиняются либо нормальному, либо равномерному закону распределения случайных величин. Однако проверка гипотезы по критерию Пирсона c2 не дала ее статистически значимого подтверждения. Не подтвердилась она и при анализе другого распределения скоростей и при изменении интервалов расчета значений частоты. По этой причине при обработке представленных на рис. 7-12 результатов в качестве критериев были рассмотрены часто употребляемые при обработке больших массивов случайных величин параметры: 1. Размах вариации R = Vmax - Vmin. 2. Отношение вариации L = Vmax/Vmin. 3. Среднее линейное отклонение (СЛО) 4. Среднее квадратическое отклонение (СКО) 5. Коэффициент вариации При больших объемах выборки (в нашем случае n > 40) S » s, где s - дисперсия случайной величины. Результаты расчетов данных параметров представлены в таблице. Анализ представленных в таблице результатов статистической обработки распределения скоростей в контрольных сечениях плазмотронов свидетельствует о статистически значимом увеличении эффективности газовихревой стабилизации (равномерности распределения скорости), достигнутой в модернизированных плазмотронах ПМВР-2М и ПМВР-5.3 по сравнению с базовым плазмотроном ПМВР-М. Данный вывод подтверждается сравнением всех представленных для анализа параметров (R, L, a, S и F). При выборе единственного критерия эффективности ГВС, на взгляд авторов, следует остановиться на коэффициенте вариации F, дающем выраженное в процентах отношение СКО (дисперсии) скорости к ее среднему значению в анализируемой выборке. Данный параметр легко вычисляется, например, в Excel, где имеется встроенная функция расчета СКО. а - ПМВР-М без плазменной дуги б - ПМВР-М с плазменной дугой в - ПМВР-2М без плазменной дуги г - ПМВР-2М с плазменной дугой Рис. 14. Гистограммы частот распределения скоростей в контрольных сечениях плазмотронов ПМВР-М и ПМВР-2М Результаты статистической обработки распределения скоростей в контрольных сечениях плазмотронов Тип плазмотрона Условия нагрева Статистические параметры Vmax, м/с Vmin, м/с , м/с R = Vmax - Vmin, м/с L = Vmax/Vmin a (СЛО), м/с S (СКО), м/с F, % ПМВР-М Без дуги 323,4 319,6 330,0 10,4 1,03 2,3 2,8 0,9 С дугой 353,0 295,0 433,0 138,0 1,47 26 33 9,3 ПМВР-2М Без дуги 269,4 266,6 272,2 5,6 1,02 0,9 1,2 0,4 С дугой 425,0 389,0 457,0 68,0 1,02 17 19 4,5 ПМВР-5.3 Без дуги 220,5 218,2 223,6 5,4 1,18 1,2 1,4 0,6 С дугой 306,1 290,9 322,2 21,3 1,11 7,8 8,8 2,9 Анализ выбранного критерия F свидетельствует о повышении эффективности ГВС в 1,5-2 раза на «холодном» газе (без нагрева плазменной дугой) и в 2-3 раза при нагреве плазменной дугой в новых плазмотронах по сравнению с базовым (рис. 15). Представленные результаты расчетов показывают, помимо закономерного увеличения скорости, влияние температуры плазменной дуги на равномерность распределения потока ПОГ. У плазмотронов ПМВР-М и ПМВР-2М наблюдается увеличение коэффициента вариации примерно в 10 раз, а у ПМВР-5.3 - в 5 раз, что также свидетельствует о конструктивных преимуществах предложенной системы газовихревой стабилизации дуги для плазмотронов, работающих по технологии узкоструйной плазмы. Рис. 15. Коэффициенты вариации скорости в контрольном сечении плазмотронов

About the authors

S. V Anakhov

Russian State Vocational-Professional University; LLC “TERUS”

Yu. A Pyckin

Ural State Forest Engineering University; LLC NPO “Polygon”

A. V Matushkin

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

References

Statistics

Views

Abstract - 61

PDF (Russian) - 28

Refbacks

• There are currently no refbacks.