Підвищення ефективності зварювального обладнання на основі дослідження імпульсних дій в системі подачі електродного дроту

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗВАРЮВАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ НА ОСНОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ІМПУЛЬСНИХ ДІЙ В СИСТЕМІ ПОДАЧІ ЕЛЕКТРОДНОГО ДРОТУ

Спеціальність - 05.03.06

“ Зварювання та споріднені процеси і технології”

Лебедєв Володимир Олександрович

Київ-2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий консультант: академік НАН України,

доктор технічних наук, професор,

Патон Борис Євгенович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович, Приазовський державний

технічний університет, професор кафедри “Обладнання та технологія зварювального виробництва”, м. Маріуполь;

доктор технічних наук, професор

Биковський Олег Григорович, Запорізський національний технічний університет, професор кафедри “Обладнання і технологія зварювального виробництва”, м. Запоріжжя;

доктор технічних наук Рижов Роман Миколайович, Національний технічний університет України “КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”, професор кафедри “Електрозварювальні установки”, м. Київ.

Захист відбудеться “24” березня 2010 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “22” лютого 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Кіреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

зварювання імпульсний напівавтомат дрот

Актуальність теми. Тривалий час дугове зварювання і наплавлення електродом, що плавиться, є одними з основних технологічних процесів у промисловості. Та сама тенденція за прогнозами збережеться в 21 столітті. Безупинно розширюється номенклатура виробів, які виготовлені з використанням зварювання, росте темп відновлення вузлів із застосуванням процесів наплавлення, ускладнюються їх форми і конструкції, одержує поширення електродугове різання електродом, що плавиться. За розповсюдженням в даний час механізоване зварювання вийшло на друге місце після ручного, а в деяких країнах випереджає останнє.

Аналіз технологій і устаткування показує, що, незважаючи на досягнуті успіхи, багато проблем, які пов'язані як з технологічними аспектами механізованих способів зварювання, наплавлення і різання суцільними і порошковими дротами, так і устаткуванням для їхнього здійснення, вимагають свого рішення. До таких проблем варто віднести подальше підвищення якості з'єднання при зварюванні в СО₂ і порошковими дротами сталей, зварювання сплавів алюмінію у аргоні з поліпшенням структури і форми шва, що веде до збільшення працездатності конструкції, зниженню втрат металу, економії енергетичних і матеріальних ресурсів, поліпшенню умов праці.

Рішення вищевказаних завдань, а також поширення різання сталей і сплавів алюмінію механізованим способом, можливе при оснащенні господарського комплексу напівавтоматами нового покоління з розширеними технічними і технологічними можливостями до зварювання сталей, сплавів алюмінію великого діапазону товщини, а також наплавлення і різання металів з поліпшеним комплексом показників. Особлива задача - поліпшення електротехнічних властивостей стиків струмоведучих алюмінієвих шин в енергетиці, у металургійній промисловості.

Один з основних напрямків, по якому розвивається устаткування для механізованого зварювання і наплавлення - усе більше впровадження в виробництво напівавтоматів із джерелами живлення з імпульсними алгоритмами керування переносом електродного металу. Але це не єдиний спосіб удосконалювання дугових механізованих процесів і відповідного устаткування. Існує спосіб керування процесом з використанням імпульсної подачі дроту. Імпульсна подача - ефективний і економічно більш вигідний спосіб, чим ті, які ґрунтуються на застосуванні інверторних джерел, але стримуваний недоліками існуючого устаткування.

Вищевказане висуває нові науково-технічні задачі розвитку системних методів побудови механізованого устаткування, створення засобів надійного функціонування його вузлів, вибір оптимальних параметрів на базі розробки теоретичних методів побудови систем подачі дроту як традиційних, так і нових, у тому числі імпульсних, вивчення їхнього впливу на формування і службові характеристики з'єднання, удосконалення існуючих методів і засобів керування процесами зварювання, наплавлення і різання. Рішення цих задач повинне враховувати особливості промислового виробництва нового механізованого устаткування в Україні для того, щоб максимально спростити проблему технічного переозброєння промисловості напівавтоматами для зварювання, наплавлення і різання. Цей комплекс науково-технічних задач визначає актуальність даної роботи, що є складовою частиною досліджень і розробок, які ведуться в ІЕЗ ім. Є.О. Патона.

Актуальність роботи обумовлюється її включенням у наступні програми:

Міждержавна науково - технічна програма “Створення конкурентноспроможних на світовому ринку зварних конструкцій, ресурсозберігаючих технологій, матеріалів і устаткування зварювального виробництва”, схвалених рішеннями Ради глав урядів від 9 жовтня 1997 р. і дорученням Кабінету міністрів України від 11 листопада 1997 р. № 22547/96. (Проект “Розробка зварювальних, наплавляючих та ріжучих напівавтоматів з використанням нових рішень, досягнень технології”)

Державна науково - технічна програма 0.4 05 “Нові технології зварювання і суміжних процесів” по постанові Кабінету міністрів і наказу Міннауки України № 102 від 23 квітня 1997 р. (Проект 04.05 / 004455 “Створити і освоїти промислове виробництво нового покоління високотехнологічного зварювального устаткування для виготовлення, ремонту і відновлення виробів сільськогосподарської, автотракторної й іншої техніки”).

Мета роботи.

Підвищити ефективність зварювального обладнання на основі досліджень технологічних особливостей механізованого зварювання, наплавлення і різання металів при імпульсному подаванні електродного дроту; умов їх реалізації, систем і вузлів апаратів, порівняльного аналізу відомого і розробки нового обладнання з створенням науково обґрунтованих способів і засобів вдосконалення напівавтоматів, що в сукупності забезпечує розв'язання значної прикладної проблеми переоснащення промисловості новим енерго і ресурсозберігаючим обладнанням.

Об'єкт дослідження - механізоване обладнання для дугового зварювання, наплавлення і різання як таке, що потребує суттєвого удосконалення.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити задачі:

- провести аналіз стану устаткування для механізованого дугового зварювання і споріднених технологій;

- виконати теоретичні дослідження і розробити математичні моделі процесів переносу електродного металу при імпульсній подачі електродного дроту по гнучкому направляючому каналу, а також функціонування механізмів імпульсної подачі;

- розробити й удосконалити способи і системи керування переносом електродного металу в процесі зварювання, наплавлення і різання з удосконаленням відомих і розробкою нових систем і типів механізмів імпульсної подачі дроту;

- створити методики вибору і розрахунку вузлів у системах імпульсної подачі дроту з урахуванням рішення задач підвищення характеристик надійності;

- застосувати методи системного підходу до вибору конструкцій напівавтоматів для рішення широкого комплексу задач зварювального і суміжного виробництв;

- обґрунтувати й удосконалити методи блочно-модульного конструювання напівавтоматів з використанням базової моделі;

- розробити й оптимізувати нові блочно-модульні конструкції напівавтоматів для різання, наплавлення і зварювання алюмінію з оцінкою ефективності використання;

- вишукати методики оптимального конструювання напівавтоматів з живленням від однофазної мережі 220 В як найбільш масового виду зварювального устаткування;

- провести дослідження техніко-технологічних характеристик нових рішень по напівавтоматах різного функціонального призначення з оцінкою результатів;

- виконати комплексне впровадження нових розробок механізованого устаткування для дугового зварювання, наплавлення і різання.

Методи дослідження.

Теоретичні дослідження проводилися на базі наукових основ теорії зварювальних процесів, автоматичного регулювання, математичної статистики, теоретичної механіки, теорії надійності, математичного моделювання, системного аналізу. Використовувалися методи операційного числення. Подавання дроту імпульсними механізмами, а також його плавлення вивчалося з використанням математичного і фізичного моделювання з виготовленням спеціальних вузлів і стендів для дослідження. У великому обсязі використовувалося осцилографування дугових процесів, а також процесів, що відбуваються в різних системах механізованого устаткування з застосуванням різних датчиків, у тому числі і спеціально розроблених. Використовувалася швидкісна кінозйомка, виконувався аналіз мікро і макроструктур з'єднань та дослідження їхніх фізико-хімічних властивостей.

Наукова новизна

1. Удосконалена математична модель переносу електродного металу при використанні імпульсної подачі дроту у механізованому обладнанні, яка дозволяє вибирати параметри руху електроду (частота, форма, прискорення) для здійснення зварювання в захисному газі на струмах 70…220 А з керованими короткими замиканнями дугового проміжку, які забезпечать перенесення крапель заданих розмірів, стабільність процесу та регулярне формування швів.

2. Розроблена вперше динамічна модель процесу подачі дроту по довгому гнучкому направляючому каналу напівавтомата, яка дозволяє врахувати вплив каналу на характеристики руху дроту з встановленими параметрами для формуванням якісних з'єднань в умовах постійно діючих конструктивно-технологічних збурень.

3. Запропоновані засади методології і теорії вирішення задач конструювання вузлів механізованого обладнання для зварювання і споріднених технологій, що дозволило синтезувати і практично реалізувати новий клас механізмів для регульованої імпульсної подачі дроту з квазихвильовими перетворювачами, розробити низку специфічних електроприводів для механізмів подачі, малогабаритних джерел живлення дуги з ємнісними накопичувачами.

4. Вперше застосовані і розвинуті системні аспекти розробки і конструювання напівавтоматів, що дозволило запропонувати нові оптимізовані конструкції блоково - модульного обладнання з використанням базової моделі для зварювання, наплавлення і різання сталей і сплавів алюмінію з дослідженням їх особливостей.

5. Визначена ефективність механізованого зварювання і наплавлення з регульованою імпульсною подачею електродного дроту, в тому числі, вперше з урахуванням впливу прискорення імпульсної складової руху.

6. Вперше формалізовано структури механізмів подачі з введенням в них характеристик дроту як деталей, що дозволило отримати реальні показники надійності механізмів подачі різних типів.

7. Розроблені принципи побудови та схемної реалізації нових систем для зварювання і наплавлення з використанням декількох електродних дротів та одночасного впливу двох імпульсних складових: від джерела струму і механізму подачі дроту.

Сукупність сформульованих наукових положень, розроблених методик розрахунку і вибору вузлів, блоків і конструкцій є основою для створення і застосування високоефективного устаткування для дугового механізованого зварювання, наплавлення і різання електродом, що плавиться, а також для розробки інших видів устаткування аналогічного призначення.

Практична цінність. Результати теоретичних, інженерних і експериментальних досліджень знайшли практичне застосування і стали основою для створення і впровадження напівавтоматів блочно-модульної конструкції з використанням базової моделі, призначених для реалізації механізованих дугових процесів різної функціональної спрямованості.

Розроблені системи керування, регульовані електроприводи, механізми подачі різних типів, шлангові держаки використовуються при модернізації діючого й у складі нового обладнання для зварювання, наплавлення і різання конструкцій зі сталі, алюмінію і його сплавів.

Створений у вигляді базової моделі і серійно випускається на АТ “Приладобудівник” (м. Овруч, Житомирської обл.) для зварювання і наплавлення порошковими дротами в монтажних умовах напівавтомат ПШ 107В, що має простий цикл роботи, але оснащений розробленим електроприводом механізму подачі з можливістю введення в нього зворотних зв'язків.

На основі проведених досліджень і оригінальних технічних рішень по вузлах і блоках напівавтомата, використовуючи ПШ 107В як конструктивну і технічну основу, виконана розробка гами високоефективного устаткування різного функціонального призначення, що дозволяє оснастити господарський комплекс повним набором технологічного інструмента для зварювання, наплавлення і різання сталі й алюмінію. Успішно здійснене комплексне впровадження напівавтоматів.

Розроблені методики розрахунку елементів і вузлів устаткування для зварювання і наплавлення металів ввійшли в конструкторську практику та навчання фахівців для зварювальних виробництв, зокрема в методичних посібниках Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Особистий внесок здобувача.

В дисертаційній роботі внесок автора складається в обґрунтуванні напрямку роботи і її концепцій, формулюванні цілей, визначенні і виборі підходів для математичного опису процесів подачі електродного дроту по довгим гнучким направляючим каналам, а також для розробки нових типів механізмів подачі, у тому числі імпульсної і систем регулювання для них. Автором запропоновані нові, до цього часу невідомі типи механізмів подачі електродного дроту й окремі вузли систем подачі, керування і регулювання, а також методики їхнього теоретичного опису і дослідження. Здобувачем розроблений системний підхід до розробки, конструювання і впровадження гами напівавтоматів різного призначення блочно-модульної конструкції з використанням базової моделі, а також методи оцінки показників надійності окремих вузлів напівавтоматів. Автор запропонував і взяв безпосередню участь у розробці, конструюванні і впровадженні ряду оригінальних технічних рішень по вузлах і системах напівавтоматів, у тому числі концепції впровадження напівавтоматів блочно-модульної конструкції для комплексного рішення виробничих задач по зварюванню, наплавленню і різанню сталей, чавунів і сплавів алюмінію.

Усі результати теоретичних досліджень, що викладені в дисертації, належать автору й отримані в результаті особистої наукової діяльності. Автору також належать висновки дисертаційної роботи та основні положення, що виносяться на захист:

результати досліджень процесів формування краплі електродного металу і її переносу в рідку ванну при керованому імпульсному впливі на подачу дроту;

закономірності руху дротів по гнучким направляючим каналам з розробленими моделями оптимальної побудови роликових рушіїв різних конструкцій, математична модель, що описує динамічні явища в системі подачі, як основи для аналізу перехідних процесів і впливу каналу на параметри імпульсної подачі, з методиками вибору параметрів подачі з керованими характеристиками;

концепції створення нових типів механізмів подачі дротів різних типів на основі роликових рушіїв, у тому числі керованих імпульсних механізмів із квазіхвильовими перетворювачами, вибору і розробки спеціальних регульованих електроприводів до них, а також методи їхнього розрахунку стосовно до конструкторської практики;

удосконалений спосіб побудови гами напівавтоматів різного призначення блочно-модульної конструкції з використанням базової моделі на основі системного підходу до аналізу і розробки устаткування для механізованого дугового зварювання, наплавлення і різання, з оцінкою надійності специфічного об'єкта - системи подачі дроту, вибором і методиками розрахунку систем регулювання дугового процесу;

методологічні основи розробки і конструювання напівавтоматів багатофункціонального призначення: для зварювання, наплавлення і різання сталей і чавуна, суцільними і порошковими дротами, у тому числі з модуляцією режимів і імпульсною подачею; для зварювання і різання алюмінію, у тому числі з імпульсною подачею; напівавтоматів з комплектним джерелом зварювального струму, що живиться від мережі однофазного змінного струму 220 В; способу механізованого дугового зварювання с одночасними імпульсними впливами на краплю електродного металу: у системі подачі дроту і джерела зварювального струму.

В дисертації також узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних автором разом зі співробітниками ІЕЗ і ДКТБ ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, а також у деяких інших організаціях на основі контрактів і особистих творчих зв'язків автора.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні проблеми і досягнення в області зварювання, споріднених технологій і устаткування” (Санкт-Петербург, 1995 р.), “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (Київ, 1998 р.), “Зварювання і споріднені технології - у 21 століття” (Київ, 1998 р.), 1-а Українська науково-технічної конференція “Сучасні технології й устаткування в газотермічних процесах відновлення й утилізації деталей машин і конструкцій” (Київ, 1999 р.), Міжнародна конференція “Зварені металоконструкції” (Жовтень 2000 р., Київ), Зварювання і суміжні технології. Всеросійська науково-технічна конференція. Москва, МЭИ (ТУ), 2000, 5-а міжнародна науково-технічна конференція “Зварювання, металургія і споріднені технології - у 21 століття”. Кутаїсі.-2001., Міжнародна конференція “Сучасні проблеми зварювання і ресурсу металоконструкцій” (Листопад 2003 р., Київ), Зварювання і контроль -2004. Всеросійська з міжнародною участю науково-технічна конференція, присвячена 150-річчю з дня народження Н.Г. Славянова (17-20 травня 2004, ПЕРМ, Росія)

Публікації

За темою дисертації опубліковано 39 статей та отримано 3 патенти України.

Структура й обсяг роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів і загальних висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації 327 сторінок машинописного тексту, які включають 154 малюнки, 33 таблиці, список літератури з 319 найменувань на 31 сторінці.

Комплекс різноманітних і різнохарактерних задач, які необхідно вирішити при дослідженні, розробці і впровадженні нового покоління високоефективного механізованого устаткування є об'єднуючим для даної роботи і робить дослідження цільним і закінченим.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначена і сформульована мета роботи, а також виявлені основні задачі, рішення яких забезпечить її досягнення. Розглянуто об'єкти і методи дослідження, визначена наукова новизна, а також практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконаний аналіз стану і тенденцій розвитку процесів та устаткування для механізованого зварювання і суміжних технологій. Показано, що напівавтомати для цих процесів у даний час динамічно розвиваються. Проведено порівняння переваг і недоліків зварювання і наплавлення з застосуванням напівавтоматів. Сформульовано основні і загальні для напівавтоматів різного призначення, вимоги до їхніх конструкцій. Розглянуто, як вирішуються ці задачі при створенні напівавтоматів різного призначення вітчизняними підприємствами і відомими закордонними фірмами. Приведено класифікацію устаткування для механізованого дугового зварювання, наплавлення і різання, що базується на урахуванні усіх відомих на сьогоднішній день рішень і можливих варіантів їх застосування.

Виконано аналіз технічних і технологічних рішень, застосування яких у механізованому устаткуванні дозволяють вирішувати технологічні задачі, що постійно ускладнюються. До їхнього числа відносяться імпульсні процеси, більшість з яких пов'язана з керуванням переносу електродного металу. Особлива увага приділена системам подачі з імпульсним рухом дроту як простого і ефективного способу керування переносом з аналізом відомих технічних рішень. Проаналізовані зворотні зв'язки, як засоби удосконалювання процесів і підвищення якості функціонування систем напівавтоматів. Визначено, що задачею розробки, конструювання й організації виробництва напівавтоматів різного в Україні є розширення можливостей устаткування при мінімальних витратах на це. Рішення цієї задачі варто шукати в нових конструкціях напівавтоматів, створених на основі блочно-модульного принципу конструювання з використанням базових моделей, де, у тому числі, реалізуються імпульсні алгоритми керування дуговими процесами, нові технічні рішення по системах подачі дроту й застосування напівавтоматів у будь-яких, запитуваних ринком, технологіях. Другий розділ присвячений теоретичному дослідженню і чисельному моделюванню керування переносом електродного металу при імпульсних впливах у вигляді швидкості, що змінюється. Формалізувавши швидкість імпульсної подачі і прийнявши, що плавлення електрода безінерційно випливає за струмом, використавши відоме рівняння, яке визначає залежність між швидкістю подавання дроту, теплофізичними характеристиками і властивостями зварювального ланцюгу (Попков А.М. Об устойчивости системы источник питания - дуга при сварке с систематическими короткими замыканиями дугового промежутка //Сварочное производство.-1980.-№3.-С.11-13),а також застосувавши методи операційного числення, одержали рівняння, що аналітично описує залежність між швидкостями подачі, що змінюється по гармонійному закону, і плавлення дроту v_пл

К 1

v_пл(t)= -- (-- +С) (1)

Р₁ 2

c

де К=k₁fhD/2, Р₁=Т₁v( д ²-с²)+4а²с²; С=[sin(ct -л)+-- e^-at sin(bt- м)]; k₁- коефіцієнт пропорційності; f,

c -частота і кутова частота імпульсної подачі; h - крок імпульсної подачі; D=E_c/(R_э+0,5s);

2ас -ab

Т₁=L/(R_э+0,5s); л=arctg-----; м = arctg----------; д²= a²+b²; s

д ²-с² a²-b²+c²

- коефіцієнт нахилу статичної характеристики дуги до осі струмів; L, R_э, - індуктивність та еквівалентний опір зварювального ланцюга відповідно E_c- напруженість електричного поля в стовпі дуги; а=1/Т₁; a²+b²= k/ Т₁;

b=(v4k Т₁-1)/2 Т₁; k₁=AHE_c/(R_э+0,5s); A=1/ рr²_эM; H=U_хх(0285-0,0052 U_хх),

где U_хх -напруга холостого ходу; M=С_nг_nT_n-С_oг_oT_o+r_nг_n, где С_n, С_o, г_n, T_o- теплоємність і щільність металу при температурах плавлення та навколишнього середовища відповідно; r_n -прихована теплота плавлення; T_n, T_o-температура плавлення електродного металу і температура навколишнього середовища відповідно. На підставі рівняння (2) розраховано параметри коливань струму зварювання при імпульсній подачі,

Зміни зварювального струму зумовлювані імпульсним рухом дроту і коливальним перехідним процесом системи: дуга - зварювальний ланцюг, що відбуваються не синхронно зі зміною швидкості подачі, а з зсувом від них на час, що залежить від характеристик системи.

Технології з керованим переносом за рахунок імпульсних алгоритмів джерел зварювального струму і з імпульсною подачею дроту вимагають визначення часу утворення краплі з оптимальними характеристиками.

Математичний опис формування краплі при зварюванні з імпульсною подачею побудовано на основі опису кінетики процесу зварювання, з залежністю v_пл(t)= ѓ(t). Приймаючи до уваги експонентний закон зміни швидкості плавлення дроту в початковий період і з огляду на те, що форма краплі на електроді близька до кулястої, найважливіший для рішення задач керованого переносу параметр - час t_ф формування краплі заданого діаметра буде

t_ф =r_k1/[Y(1/2+S₁+ne^-atф S₂)]-ф (2)

де r_k1=4k²r_k/3 (k -оптимальний параметр); Y - постійна складова швидкості подачі;

S₁= sin(ft -л); S₂ = sin(bt - м); ф =2T(б-3)(б -1)(б- в); v_{пл max}/v_{пл у} = б v_п/v_{пл у} = в; v_{пл max},v_{пл у}

- максимальна і стала швидкість плавлення.

Параметри v_{пл max}, v_п, r_k,Т₁, що є основними при формуванні краплі, можна деякою мірою регулювати, а, отже, активно керувати переносом - за допомогою імпульсної подачі.

При імпульсній подачі вводяться додаткові технологічні й обмежуючі обсяг обчислень по трансцендентному рівнянню умови, при яких формується крапля - t_a?T_и, де T_и- час дії імпульсу подачі, крім цього а<ѓ і а>b.

Після перетворень, отримане рівняння, що визначає в аналітичній формі параметри імпульсної подачі, необхідні для одержання крапель заданого розміру

(K₁-р-2фб+2)+ v(K₁- р-2фб+2)²-8 фб (р -2)

f= ------------------------------------------------- (3)

4ф(р -2)

де K₁ - коефіцієнт, що залежить від характеристик дроту і краплі електродного металу.

Приведені результати розрахунку по (3) необхідної частоти подачі дроту типу Св08Г2с діаметром 1,2 ·10^-3 м з утворенням краплі заданого розміру (r_k = 1,0·10^-3 м і 0,6·10^-3 м) при кроці імпульсу 10^-3 м 2,0 ·10^-3 м для Т₁= 0,005; 0,01; 0,02 с. В технічній літературі відсутні дані про вплив Т₁ на формування краплі.

Зварювання з імпульсною подачею повинне бути організовано так, щоб з ростом струму в імпульсі крапля формувалася, а при його спаді переходила у ванну. За час наростання струму необхідно сформувати краплю з розмірами, що максимально скорочують дуговий проміжок. Такий алгоритм враховує параметри дугового процесу, характеристики імпульсів і зварювального ланцюга. Перспективним є спосіб керування з відривом краплі без фази короткого замикання, при цьому інерційні сили в системі “ дріт - крапля” повинні перевищувати суму тих сил, що до визначеного часу утримують систему в нерозривному стані.

Розглянувши умови, при яких можливо примусове відділення крапель електродного металу за рахунок інерційних сил, використовуючи метод вибору швидкості і кроку імпульсної подачі дроту, для одержання умов стійкого дугового процесу, заснований на визначенні швидкості подачі, при якій струм у дузі не переходить нульового значення, а також приймаючи в увагу, що при механічному керуванні переносом величина кінетичної енергії, що надається краплі повинна бути не менше тієї, котра забезпечує природний переніс краплі, а також прийнявши ряд звичайних допущень, повна умова вибору швидкості імпульсної подачі v_{к. у}

k(k_дс-1/ k_пс)(I_м-I_з)e^-t/Tц -(U_хх-U_ка-k_д l_н) d_к.еkа

---------------------------------------------- >v_{к. у>}v------------------ , (4)

k_д(1-k_ф)l_н(1-coswt)[1-T_ц(1-e^-t/Tц)] е d³_э(1+vсd_к.еа

де k_д - градієнт потенціалу в стовпі дуги l_н - довжина дуги; k_пс - коефіцієнт нахилу вольт-амперної характеристики джерела живлення до осі струмів; k_дс - коефіцієнт динамічного опору дуги; U_ка - падіння напруги в катодно-анодній областях; I_м - максимальне значення струму; w- частота подачі; d_к.е - діаметр крапель, які переносяться природним шляхом; k,a,c- коефіцієнти; е =d_к.е/d_э- оптимальне співвідношення;

Вираз (4) є базовим для вибору параметрів імпульсної подачі.

Розрахунки по (4) (е =1…1,2;=1,2 і 1,6 мм) показали, що для дроту СвАМг6 в аргоні прискорення руху при зварюванні повинне складати 25...35 м / сІ; для Св08Г2с в аргоні - 40...60 м / сІ; для Св08Г2с в СО₂ - 80 м/сІ і більше.

В третьому розділі розглядаються питання подачі дроту по каналах і визначення умов реалізації імпульсної швидкості подачі в устаткуванні.

У механізованому устаткуванні найбільш поширені роликові рушії дроту, можливості яких не до кінця використані. Вибір оптимального діаметра ролика, що подає, повинний ґрунтуватися на визначенні моменту опору коченню M_f

M_f =A(D_р/D_э) - 0,015А(D_р/D_э)² (5)

де A=a_к 0,2³v4F_ND_эз/6р; (a_к -коефіцієнт гістерезисних втрат при каченні; F_N - зусилля взаємодії ролика і дроту; з- параметр, обумовлений коефіцієнтами Пуассона і модулями пружності ролика і дроту).

Мінімізація M_f при перемінній D_р/D_э дає оптимальне співвідношення 1/0,03, що використовується в конструкторській практиці при виборі роликів для подачі дротів D_э =0,8…1,2 мм. При подачі дроту роликами з гладкими клиноподібними канавками, основною задачею, є забезпечення його не деформованого стану. Умовою для надійної подачі, що не деформує дріт, є нерівність

f[у]S f²[у]²S² [у]²S²

б?arccos2{------ +v---------- - (f²+1)(------- - 1)} (6)

F_n F²_n F²_n

де f,[у] - фізичні постійні; S - величина контактної площадки

Проаналізовано явища, що супроводжують подачу дроту механізмами з двома парами роликів як переважної структури рушіїв при подачі м'яких дротів (алюміній, порошкові дроти). Виходячи зі значень зусиль від різницевих рухів (різниці між обертальними швидкостями пар роликів) відстань між осями пар l визначається

l <рvEJ/4У f_n F_пр (7)

де E,J - модуль пружності і момент інерції перетину дроту відповідно; У f_n F_пр - сумарне зусилля від різницевих рухів.

На систему подачі дроту впливають ряд факторів, основні з яких силові, режими дугового процесу, тертя т.д. Вони викликають відхилення від необхідного режиму зварювання, небажані процеси в електроприводі й у струмопідводі. Рівняння руху дроту в каналі має вигляд

d(v₁-v₂)

F_и =±m---------- = F- F_m- F_k (8)

dt

де F_и- F - F_m- F_k - сили інерції, подавання, тертя в струмопідводі і каналі відповідно; m - маса дроту; v₁,v₂ - швидкості дроту на вході і на виході системи подавання.

Розглянути взаємодію дроту з факторами, що супроводжують рух у каналі, дозволяє модель динаміки подачі, яка побудована на основі (8) і представлена на рис.3 у виді структурної схеми.

Ланки з передатними функціями k₁ k₂ k₃/p k₄ k₅ описують процеси, що відбуваються в електродвигуні, редукторі і механізмі подачі, а ланки 1/ p k₆ k₇,ц(F_n, v₂) - процеси в каналі.

Передатна функція направляючого каналу з дротом має вигляд

(к₆-к₇)к₈

W_к(р)=------------------------- при 0?v₂<b

р²-к₈ к₉ р + (к₆-к₇)к₈

(к₆-к₇)к₈ (9)

W_к(р)=---------------- при v₂>b

р² + (к₆-к₇)к₈

е b- швидкість переключення (початок ділянки швидкісного тертя).

У нелінійній системі дріт - канал маються стійкі автоколивання, що дозволять скористатися для її аналітичного дослідження методом гармонійної лінеаризації, одержавши передатну функцію

W_к(р)=(к/ар³)+а(bq+c) р²+(a²+abcq +dк₇)р+ dк₆ bq+са² (10)

де q, F⁰, коефіцієнти лінеаризації і функція зсуву центра коливань.

Порівнюючи параметри автоколивань по моделюванню на ЦОМ і по методу гармонійної лінеаризації відносно дроту (СВ08Г2с), одержуємо помилку по амплітуді Д А = 0,45% і по частоті Дw = 2,1%, що підтверджує правомочність використання методу гармонійної лінеаризації.

Виконані дослідження стійкості знайденого коливального процесу.

Автоколивання в системі приводять до згладжування нелінійної характеристики. Згладжену характеристику можна апроксимувати функцією ѓ(v₂)=const v₂ і система розглядається як лінійна. Важливе питання про змушені коливання в системі, що обумовлюються імпульсною подачею дроту і різними видами модуляції. На систему подачі дроту діють коливання у виді збурень. В одному випадку це коливання швидкості, що вводяться штучно (імпульсна подача). В другому - це шкідливі коливання сили опору подачі, наприклад у струмопідводі чи при маніпулюванні шланговим держаком.

Розглянуто вплив коливання сили опору на швидкість подачі. Коливання швидкості мають резонансний характер (для реальних умов подачі дроту СВ08Г2с діаметром 1,2 мм w_вр= 437 с^-1 (70 Гц). Якщо режими зварювання мають короткі замикання з частотою близької w_вр і викликають прихватування дроту в струмопідводі, то некеровані коливання швидкості зростають, що небажано.

Для забезпечення рівномірної подачі дроту необхідно: уникати режимів з частотами коротких замикань близькими до власної резонансної частоти каналу з дротом w_вр; для даного (заданого) діапазону режимів вибирати держак з параметрами, що забезпечують рух дроту з частотами w_вр поза діапазоном частот коротких замикань; по можливості використовувати імпульсні механізми подачі дроту, робота яких виключає появу некерованих резонансних явищ у системі подачі. показані осцилограми швидкості подачі дроту СВ08Г2с при зварюванні в СО₂. Очевидне збільшення амплітуди коливань при зварюванні з короткими замиканнями. У більшості випадків частота збільшення амплітуди швидкості подачі збігається з частотою переносу електродного металу в режимі короткого замикання.

На основі дослідження статичних і динамічних явищ при подаванні дроту по каналу, виконаний аналіз перехідних процесів, що виникають внаслідок зміни швидкості подачі. Створення нових високоефективних напівавтоматів неможливе без врахування перехідних процесів.

Система подачі може бути представлена як два послідовних вузла: електродвигун з редуктором і роликами -[W_n(p)], каналу з дротом -[W_к(p)] із передатною функцією

W(p)_nк= W_n(p) W_к(p)=1/рBDwк_д(Т₁р + Т₂р + Т₃р +1) , (11)

де Т₁=mТ_м (С-кѓ_ср), Т₂=m/(С-кѓ_ср), Т₃=Т_м, к_д, - коефіцієнт пропорційності;-Т_м, w, D - електромеханічна постійна; частота обертання вала електродвигуна; діаметр ролика.

Для аналітичного опису перехідного процесу по функції (11) застосовані методи теорії операційного числення з відшуканням зв'язку між зображеннями й оригіналами з перетворенням Карсона- Хевисайда. При цьому швидкість подачі дроту на виході з каналу є

vT_к t T_м

V₂(t)= V₂[1-e^t/Tm - ---- сos(-----)arctg-----] (12)

T_м vT_к vT_к

Канал істотно впливає на перехідний процес, що виражається в запізнюванні відпрацьовування збурень на вході. Спираючись на математичний опис каналу з дротом, а також те, що більшість механізмів імпульсної подачі здійснює рух дроту по близькому до гармонійного закону, використовуючи операційне числення можна описати характер швидкості дроту на виході з каналу з якого виходить, що імпульси подачі, проходячи по каналу, змінюють амплітуду. Необхідну амплітуду імпульсів A_вых на виході, що впливають на перенос металу, можна отримати якщо при правильно обраному каналу (довжина, внутрішній діаметр) забезпечується рух дроту з амплітудою A

A_вых sinwtv(1- T² w²)²+ ѓ₁T⁴ w²/m²

А= ---------------------------------------------------------------------------- (13)

sinwt сos arctg[ѓ₁ w/m((1/ T²) - w²))]- sin arctg[ѓ₁ w/m((1/ T²)- w²))](1+ сoswt)

де w - частота імпульсного впливу; ѓ₁ - величина швидкісного тертя; T²=(С- к₁ѓ_ср). Представлені форми імпульсів для декількох типів каналів, розрахованих по (13). За результатами експериментів можна вказати, що для зазначених умов зниження амплітуди імпульсів подачі дроту на виході з каналу стосовно їх амплітуди на вході складає величини порядку 30...50 %. Порівняння розрахованих залежностей з тими, котрі визначалися з використанням методу гармонійної лінеаризації, а також даними експериментів вказують, що запропонований спосіб визначення властивостей каналу при імпульсній подачі з достатньою для практики точністю описує зміни в параметрах подачі. Рівняння (12, 13) можуть бути використані при виборі і розрахунку механізмів імпульсної подачі, конструкції яких повинні містити регулятори параметрів імпульсів.

В четвертому розділі розглянутий ряд питань по теоретичних основах розробки нових способів подачі дроту, механізмів і систем для них.

Для активного впливу на зварювання (керування переносом при імпульсній подачі), необхідні відповідні механізми. Основними їхніми відмінностями від відомих механізмів повинні бути: наявність регулювання параметрів подачі; забезпечення високих показників надійності, простоти і відтворюваності при виробництві. Раціональною й ефективною для напівавтоматів виявилася конструкція на основі квазихвильового перетворювача (КХП) з роликовим вузлом подавання. Розроблено ряд модифікацій таких механізмів, що дозволяють істотно розширити їхні технічні і технологічні можливості. Кращим пристроєм притиску для таких механізмів можуть бути пристрої з розвантаженням вихідного вала механізму по розробленій нами концепції конструювання.

e e cos(ц₁ - б)

w_р=[---] ± --- --------------] w₁ (14)

R b cos(б)

де e, R, b, б, ц₁, w₁ відповідно ексцентриситет, радіус центральної шестірні, довжина опорного важеля, кут нахилу опорної площини, кут повороту ексцентрика, частота обертання вала електродвигуна.

Приведені графіки залежностей кутової частоти обертання ролика, що подає, від параметрів механізмів імпульсної подачі з одним і двома модуляторами. Механізми з двома модуляторами мають широкі можливості по регулюванню амплітуди швидкості і форми імпульсу. Розрахунки показують, що в таких механізмах можна одержати прискорення 100 м/с², що необхідно для керованого переносу електродного металу при зварюванні в захисному газі.

Важлива задача при виборі електродвигуна для механізмів з імпульсною подачею - це врахування імпульсних навантажень. Прийнявши, що характер зміни статичного моменту для більшості механізмів імпульсної подачі близький до гармонійного, оцінивши на основі кинетостатичного аналізу статичний момент таких механізмів, розклавши криву статичного моменту в ряд Фур'є можна, наприклад, для механізму з КХП визначити закон зміни моментів М_д електродвигуна механізму подачі в сталому режимі і зробити вибір потужності

1 (р-2)

М_д = F_n R_p e [--- + ----------------------- sin(wt-arctgwB_э)], (15)

R_ш bcosвv1+(wB_э)²

де B_э - електромеханічна постійна механізму подачі; F_n - опір подачі; R_ш, R_p, - радіуси центральної шестерні і ролика, що подає.

Для рішення задачі вибору електродвигуна системи подачі розроблені методики визначення силових співвідношень, характерних для системи імпульсної подачі.

При імпульсній подачі є зниження опору руху дроту враховуються зміни умов роботи роликів з-за прослизання дроту, при прискоренні в імпульсі. Уникнути цього можна збільшенням зусилля стиску до експериментально встановленої величини

F_сж.имп?6(F_к + F_m + F_n + F_c) (16)

де F_к, F_m, F_n, F_c - сили опору: в каналі, струмопідводі, роликах, змотуванню з касети.

У напівавтоматах, де є зворотні зв'язки для реалізації нових технологій, наприклад зварювання сплавів алюмінію, необхідні електродвигуни з мінімальною частотою обертання вала, що дозволяє знизити передаточне відношення редуктора і відповідно час на розгін і гальмування дроту. Приклад - електродвигун ДПУ87-75 з номінальною частотою обертання вала =1000 об/хв.

Особлива увага приділена електроприводам, живлення яких можна здійснити безпосередньо від джерела зварювального струму. Запропонована і реалізована концепція побудови простих транзисторних електроприводів, в яких відсутні генератори, як це звичайно прийнято виконувати в транзисторних електроприводах. Використовуються керовані автоколивальні процеси з характеристиками, обумовленими, у тому числі, і параметрами механізмів (електромеханічна постійна часу). На відміну від широтно-імпульсної модуляції при постійній частоті, не тільки шпаруватість, але і частота й у нових технічних рішеннях не постійні. Деякі з цих розробок увійшли до складу напівавтоматів, що серійно випускаються (ПШ107В). Відмінністю електропривода ПШ107В є можливість його роботи як зі зворотними зв'язками по параметрах електродвигуна і дугового процесу. Цей нескладний електропривод, з діапазоном регулювання - 1:30 при жорсткості механічних характеристик 5...8 % містить у своєму складі лише три активних елементи (два компаратори та транзистор).

З застосуванням методу гармонійної лінеаризації досліджені автоколивальні транзисторні електроприводи постійного струму для зварювального устаткування. На основі формалізованої структури регулятора розроблена методика вибору і розрахунку основних вузлів електроприводу. Розроблені по цій методиці електроприводи некритичні до якості напруги живлення.

Побудована система регулювання з зниженням впливу імпульсної складової моменту, яка, зокрема, реалізована в електроприводі ПШ107В. Електропривод досліджений у режимі збурювання по моменту навантаження для регуляторів швидкості: пропорційного та пропорційно - інтегрального як найбільш розповсюджених. Для них визначені передатні функції системи і на основі методів операційного числення визначена реакція електропривода на момент із перемінною складовою

M_c.a 1+T_я² w² K²

I_я (t)_u=-----v------------------------------- sin wt (17)

с_м [((K-(T_э T_рсw²)]²+ T ²_э w²

де I_я, T_я, T_э, с_м - струм, електрична, електромеханічна і конструктивна постійна електродвигуна; T_рс- постійна часу регулятора швидкості; К- інтегрований коефіцієнт підсилення електропривода; w - частота обертання вала електродвигуна; M_c.a - статичний момент опору.

З (18) очевидні дії розроблювача по зниженню коливань струму якоря. Експериментальні дослідження впливу імпульсних навантажень на струм дані на осцилограмах рис.8 при зварюванні в СО₂ дротом Св08Г2с діаметром 1,2 мм для трьох варіантів електроприводів. Теоретичні висновки підтверджуються.

Для сучасного механізованого устаткування запропоновано новий підхід до конструювання роликового механізму подачі, що передбачає поділ ролика, що подає, на два об'єкти: перший - у вигляді приводного ролика 1, установленого на вихідному валу редуктора; другий - у вигляді вільно встановленого ролика 2, який подає. Притискний ролик 3 притискає дріт до ролика 2. Швидкість подачі визначається частотою обертання і діаметром ролика 1 і не залежить від діаметра ролика 2. Розробка поліпшує технічні характеристики механізмів подачі: збільшує тягові характеристики; знижує втрати в роликових вузлах і потужність електродвигуна; збільшує ресурс роботи внаслідок подовження робочої поверхні ролика.

Механізм імпульсної подачі дроту на основі однобічних захватів також може бути конструктивно поліпшений до кондицій, що дозволять використовувати його в напівавтоматах для якісного зварювання. Запропоновано новий тип однобічних захватів і імпульсний механізм подачі на його основі. Розроблено методику розрахунку захватів з мінімальною залежністю кроку подачі від зусилля опору руху дроту. Як захватні елементи використані багатогранні твердосплавні пластини. Механізм забезпечує надійну подачу сталевого й алюмінієвого дроту діаметрами 0,8...1,2 мм з інтегральними швидкостями 80...450 м/г. Захват з пластинами в порівнянні з відомими конструкціями, має ресурс у 10...15 разів більше при точнішому відтворенні заданого кроку подачі. На фотографії рис.10 показаний напівавтомат для зварювання тонкими дротами (0,6…1,0мм) з використанням розглянутого механізму подачі.

П'ятий розділ присвячений блочно - модульному конструюванню устаткування для дугового механізованого зварювання, наплавлення і різання.

При розробці, виробництві і виборі устаткування використовуються різні критерії оцінок навіть для однотипного устаткування. Серед основних критеріїв можна виділити наступні: для розроблювачів: мінімальні час і витрати на вибір оптимальних рішень і конструювання; для виробників: швидке реагування на потребі ринку; для споживачів: мінімальна ціна, технологічні можливості й експлуатаційні характеристики при мінімальних витратах на ремонт і обслуговування; для особистості і навколишнього середовища: технічна й екологічна безпека. Вирішити таку задачу комплексно для зварювального обладнання можливо на основі вибору й обґрунтування загальних критеріїв оцінки напівавтоматів методами системного підходу.

У відношенні переваги при оцінці напівавтоматів пропонується скористатися представницькими і непрямими критеріями у вигляді співвідношень: для представницького критерію limм(е)=1; для непрямого критерію 0,5<limм(е)<1, де м(е) - довірча функція; д - величина, що характеризує конкретний критерій (надійність, вартість і ін.).

Визначити вид залежності м(е) можна, використовуючи різні підходи. У нашому випадку найбільш простим і досить точним є метод експертних оцінок.

Як приклад розглянутий вибір напівавтомата для зварювання в СО₂ тонкими дротами по перевазі з погляду підприємства - виготовлювача тонколистових металоконструкцій. Найбільш простими і відносно дешевими конструкціями такого типу напівавтоматів є А547 Ум, А825 М, А1230. Вони мають схожі технічні характеристики і близькі по технологічних можливостях. На підставі експертного опитування, що визначають довірчі функції як монотонно зростаючі, виділили два основних критерії оцінки: число використаних діаметрів дротів і надійність роботи. Представлені функції довіри, отримані шляхом експертного опитування для критеріїв: - для діаметрів дротів; - для надійності.

Цей спосіб оцінки простий і доступний, а його недоліком є необхідність одержання експертних даних, але більш точну, об'єктивну оцінку устаткування може дати критерій складності напівавтомата, що пов'язаний з його надійністю і вартістю, тобто є представницьким і його, на основі представлень системного підходу, можна розглядати як найбільш об'єктивний критерій. Розроблена методика оцінки зварювального устаткування за цим критерієм у загальному виді, що може бути представлений ієрархічно у виді дворівневої структури. При цьому показник складності С_s є

C_s=(1+L_в)[N+n^*yDk_b (L+1)]ln nг (18)

де: - ступінь лабільності системи, що враховує мінливість структури і її функцій; n^*- число компонентів; y - середнє число технологічних операцій, що припадає на один компонент (елемент, зв'язок, вузол і т.п.); D- ступінь диференціації системи, що враховує різноманітність елементів і зв'язків; k_b- постійна Больцмана; L - число ієрархічних рівнів; nг - середньогеометричний добуток числа компонент і зв'язків; N - параметр, що характеризує число можливих комбінацій, формуючих властивості компонентів устаткування.

...