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

Були розраховані показники складності для ряду відомих напівавтоматів ( зварювання в СО₂, зварювання і наплавлення порошковими дротами. Результати приведені до показника складності напівавтомата А547Рм, прийнятому за одиницю, представлені в табл.1 і відповідають експертним висновкам.

З урахуванням вищевикладеного, оптимальним методом, конструювання, виробництва і впровадження устаткування для механізованих способів зварювання, наплавлення і різання металів, може бути метод блочно-модульного конструювання з використанням базової моделі, що успішно використовується в ІЕЗ ім. Є.О.Патона при створенні гами напівавтоматів різного призначення. Цей метод забезпечує рішення задачі створення нового покоління напівавтоматів різного функціонального призначення, при цьому основним завданням стає вибір базової моделі, як основи подальшої побудови всієї наступної гами напівавтоматів. Така задача вирішувалась на основі ряду попередніх досліджень і аналізу напівавтомата ПШ107В, що призначений для реалізації найбільш простого по циклу процесу - зварювання і наплавлення самозахисними порошковими дротами. У розробці концепції ПШ 107В вирішена складна задача - створення апарата, який би міг експлуатуватися в монтажних умовах без застосування додаткових джерел живлення електропривода, систем керування циклом роботи і регулювання з використанням теоретичних посилок і розробок по темі дисертації. У напівавтоматі виконана розробка змішувача (об'єднувача) зворотних зв'язків з узгодженням їхніх рівнів і регулюванням ступеня їхнього впливу на електропривод. Дослідження технологічних властивостей ПШ 107 В відносилося до оцінки типу зворотного зв'язку (по струму зварювання - ОС _i; по частоті обертання вала електродвигуна ОС _n; комбінований зворотний зв'язок по струму і частоті обертання ОС _in). У табл.2 зведені дані про коефіцієнти варіації показників дугового процесу k_vⁱ k_v^u, форми шва звареного з'єднання k_v^b k_v^b, а також втратах електродного металу ц_n. Значком “*” відзначені кращі показники. Обґрунтовані рекомендації з вибору структури автоматичного регулювання дугового процесу з використанням порошкових дротів при різних збуреннях.

Одним з найважливіших показників зварювання в захисних газах з короткими замиканнями дугового проміжку є їх частота. Якість робіт, стабільність процесу при мінімальних втратах металу на чад і розбризкування досягається при визначеному співвідношенні часу короткого замикання і циклу переносу краплі. Показано, що шпаруватість, як характеристика переносу, може бути використана як параметр, який необхідно підтримувати у визначених значеннях. Синтезовано структуру регулятора стабілізації шпаруватості, у якій деякі передатні функції ланок одержані експериментальним шляхом. Визначені оптимальні параметри ланок.

У запропонованому нами способі регулювання процесу здійснюється за рахунок стабілізації інтегральної тривалості коротких замикань шляхом введення в електропривод зворотного зв'язку по шпаруватості напруги і для цього розроблений простий і практичний регулятор. Напівавтомат з регулятором випробувався при зварюванні тонколистових металоконструкцій (до 0,8 мм) дротами СВ08Г2с діаметрами 0,8 і 1,0 мм. Зварювання велося у висячому положенні на струмах до 60 А. Отримано шви з формою посилення і зворотного формування без пропалів і з малими (3...4 %) втратами металу.

Досліджений спосіб регулювання механізованого зварювання з підтримкою оптимального співвідношення струму і напруги U_д= ѓ(I_д), що забезпечує мінімальні втрати електродного металу на розбризкування і дозволяє спростити настроювання режимів. Ці залежності, для різних режимів зварювання в СО₂ дротами різних діаметрів можна визначити рівнянням

U_д=U_до+k_н I_д (19)

де U_до, k_н - початкове значення напруги зварювання; коефіцієнт пропорційності.

Виявлена важлива особливість, що ще не була сформульована: принаймні для зварювання в СО₂ є фіксоване значення U_до ? 15 В.

Складена структурна схема регулятора з представленням деяких ланок у вигляді емпіричних залежностей і на її підставі розглянуто умови побудови регулятора з зворотним зв'язком по напрузі дуги. Запропоновано схеми регуляторів, що знайшли застосування і при використанні яких можливе керування режимами напівавтомата одним регулятором. Такі системи забезпечують малі втрати електродного металу на чад і розбризкування, легке настроювання режимів і їх підтримку.

На ряді прикладів показана дієвість методу блочно - модульного конструювання різних напівавтоматів з використанням базової моделі і застосуванням нових техніко-технологічних рішень.

Напівавтомати з модуляцією режимів. Важливо, щоб система подачі дроту мала мінімальну інерційність, від якої залежить діапазон модульованих режимів. Базова модель напівавтомата ПШ107В максимально відповідає цій вимозі, а усі вищерозглянуті розробки, послужили основою розробки модульного вузла - плати, що дозволяє створити модель напівавтомата ПШ107 А з реалізацією модульованих режимів роботи. Основні труднощі, вирішені при створенні систем керування такими напівавтоматами - забезпечення синхронності зміни параметрів дуги.

Напівавтомати для зварювання алюмінію і його сплавів. Складність конструкторської задачі обумовлюється необхідністю розробки універсального напівавтомата зі здатністю здійснювати зварювання з використанням твердих типу СвАМг, і м'яких дротів типу СвА5 з діаметрами в широкому діапазон (1,2…3,15мм). У підсумку дослідницьких робіт розроблена на основі напівавтомата ПШ107В нова модель, у якій електропривод забезпечує високі вимоги до стабільності подачі алюмінієвих дротів, що не допускають відхилень у величині струму зварювання більше 2...3%.

Розроблений шланговий держак пістолетного типу є новим для промисловості України. У ньому пророблені питання захисту фторопластових каналів від деформації перегріву через термічний вплив дуги. Але фторопластовий канал не завжди виявляється вдалим при роботі напівавтомата в навантажених умовах, при тривалому зварюванні дротами діаметром до 3,15 мм, а також при імпульсній подачі. Нами запропоноване просте рішення, що дозволяє з малими витратами отримати канал для алюмінієвих дротів. Канал виконується із сталевого дроту, на який попередньо нанесений шар міді і забезпечує вимоги ДСТ18130-79 по надійності.

Як показують дослідження, профілювання гладких роликів не дає повного ефекту при подачі алюмінієвих дротів різних типів і діаметрів. Нами запропонований і реалізований новий оригінальний роликовий механізм, що забезпечує надійну подачу. В ньому перша по ходу пара роликів виконана шестерними і може деформувати дріт для одержання максимального зусилля подачі, а друга пара роликів виконана з каліброваними канавками, що додає зусилля подачі і забезпечує прокатне пластично деформуюче відновлення поверхні дроту.

Устаткування для механізованого різання металів порошковими дротами. Проблема різання металів здобуває все більше значення і зв'язане з конверсією, проблемами утилізації металу при демонтажі застарілих металоконструкцій. Привабливість механізованого різання спеціальними порошковими дротами полягає у нескладності устаткування і низькій вартості спеціальних дротів, а також високої маневреності, керованості, безпеки, надійності.

Виконано ряд дослідницьких робіт, метою яких був вибір оптимальної конструкції напівавтомата для різання. За всіма показниками був обраний напівавтомат ПШ107В як базова модель при розробці цілеспрямованої конструкції для різання металів з особливостями: спеціальний подовжений струмопідвід, засоби захисту різьб'яра, вибрані структури зворотних зв'язків. Проаналізовано економічні і технічні аспекти результатів різання сталей напівавтоматом, що ріже, ПШ107Р. Виміри енерговитрат при різанні показали, що приведені до маси порошкового дроту витрати складають 2,6 квт год. /кг. Досвід механізованого різання сталей в різних умовах і на різних режимах дозволяє узагальнити показники швидкості різання за залежностями v_p = ѓ(д,I_p), де д,I_p- товщина сталі, що розрізається; струм дуги

Напівавтомати різноманітного використання. Спеціальні напівавтомати. Одною з перших модифікацій для гірничодобувної промисловості і ремонтних підприємств енергетичного комплексу була розробка напівавтомата для наплавлення робочих вузлів машин і механізмів порошковими дротами. У цій розробці (ПШ107П) використовувалися вузли і системи ПШ 107 В, а модернізувалася система керування і живлення для роботи з джерелами постійного струму, і з трансформаторами для ручного зварювання.

Ще одна модель напівавтомата, основою для якого була базова модель ПШ107В - це універсальний напівавтомат для зварювання і наплавлення порошковими дротами діаметрами в діапазоні 1,6...3…3,5мм, і для зварювання тонкими (діаметр 0,8…1,6мм) дротами в середовищі захисного газу.

До розробок на основі ПШ107В відноситься напівавтомати: для ванного зварювання арматури порошковими дротами, для зварювання нержавіючими дротами, зварювання чавуна й інших. Є досвід використання напівавтоматів блочно-модульної конструкції як локальних систем для зварювальних і наплавочних установок.

Весь відомий і необхідний спектр напівавтоматів блочно - модульної конструкції систематизований у вигляді таблиць з вказівкою тих вузлів і блоків, якими комплектується кожна з моделей. Вузли і блоки для оснащення кожної з моделей, розроблені раніше

Розроблено напівавтомати для роботи в польових умовах з відсутністю мереж промислового енергопостачання і живленням систем ПШ107В від акумуляторів.

В шостому розділі приділена увага проблемам надійності механізованого дугового устаткування і його найбільш масовому особливому типу - малогабаритним напівавтоматам з живленням від однофазної мережі 220 В. Характеристики надійності більшості цих вузлів відомі і повинні відповідати показникам у ДСТ18130-79. Оцінку, як існуючих конструкцій, так і знову розроблених необхідно завершити аналізом надійності одного з основних специфічних, показових і найбільш складних вузлів - механізму подачі дроту.

Механізм подачі з погляду теорії надійності являє послідовне з'єднання вузлів і може бути розглянутий як система з незалежними елементами, при цьому нами показано, що дріт часто є чинником раптового відмовлення механізму, внаслідок відхилення його параметрів від заданих. Це впливає на надійність роботи механізмів з однобічними захватами і із планетарними роликами. При визначенні надійності механізмів подачі, дріт повинен бути елементом його структури.

На основі врахування особливостей взаємодії механізму подачі з дротом запропонована методика розрахунку і порівняльного аналізу показників надійності усіх відомих типів і систем подачі. Визначено наробіток на відмовлення всього механізму подачі і кожного з вхідних у нього вузлів

1/У ⁱ₁(1/T_i); T_i ? T_н /К_i (20)

де і, К_i число вузлів у механізмі подачі; коефіцієнти вагомості кожного вузла механізму; T_н, T_i - напрацювання на відмову вузла і деталі відповідно.

Значення коефіцієнтів вагомості визначаються в наступному виді

K=N_д/ N (21)

де N_д, N - кількість деталей у вузлі і загальна кількість деталей у механізмі подачі.

Коефіцієнти вагомості можна узагальнити за допомогою введення експертних оцінок. При аналізі існуючих і розробці нових механізмів подачі ми прийняли й апробували з позитивним результатом методику визначення коефіцієнтів вагомості по (20), але з урахуванням специфічних особливостей ряду нових механізмів. Запропоновано до складу зазначених механізмів подачі умовно ввести деякі фіктивні вузли, еквівалентні сукупності дефектів дроту.

Проведено порівняльну оцінку надійності вузлів механізмів подачі напівавтоматів типу А825 і ПДГ -516, що мають різні концепції в конструюванні (плавно-східчасте і плавне регулювання швидкості подачі дроту відповідно); ПШ107В с планетарним редуктором; його модифікації ПШ107 И с КХП, а також окремих механізмів подачі - ТД100 із планетарними роликами, А1790 з однобічними захватами. Розрахунки показують, що механізми - ТД100 і А1790 по показниках надійності уступають звичайним роликовим конструкціям. Найбільш вдалі механізми подачі в напівавтоматів ПШ107 ВИ с КХП. Розроблені розрахунково-аналітичні методи вибору вузлів і систем напівавтомата підтверджені випробуваннями на надійність.

Для малогабаритних напівавтоматів задача забезпечення високих показників надійності одна з основних, тому, що це найбільш масовий вид устаткування для зварювання, експлуатується в різноманітних умовах без ремонтного персоналу, часто малокваліфікованими фахівцями.

Першим таким напівавтоматом, конструктивно оформленим в ІЕЗ ім. Є.О. Патона був напівавтомат ПШ125. Іншим оригінальним типом напівавтомата, що, випускався серійно й одержав широке поширення є ТОР-100

Найбільш складною задачею розробки таких напівавтоматів є вибір конструкції джерела зварювального струму з живленням від однофазної мережі 220 В. По більшості техніко-економічних показників нами для джерела був запропонований трансформатор зі стрічковим тороїдним сердечником. Як схему випрямлення запропоноване рішення (рис.16), де конденсатор включений на знижену напругу. Розроблено методику розрахунку і вибору ємності конденсатора, яка визначається

1 wL_д

С=?---[----- +v (S/R_д/K)²- (R_д/ z²)²] (22)

w z

де w - частота живильної мережі; z -модуль повного опору; К- відношення амплітудного до середньої спрямленої напруги; коефіцієнт S- згладжування; R_д, L_д- активний опір та індуктивність зварювального ланцюга.

На основі схеми розроблено ряд технічних рішень з різними удосконаленнями. Це зажадало методики простого аналізу електричних процесів, що відбуваються в подібних джерелах при зварюванні в СО₂ з короткими замиканнями.

Методика ґрунтується на дослідженні перехідних процесів в однофазних джерелах, з виділенням трьох характерних інтервалів: наростання струму короткого замикання; руйнування рідкої перемички і повторного збудження дуги з зменшенням струму; подальше зменшення струму до сталого значення. Аналіз перехідних процесів у нових однофазних випрямлячах для зварювання в СО₂ теоретично показав їхню перевагу перед традиційними джерелами. Проаналізовано результати роботи з практичної оцінки впливу конденсаторів на зварювання в СО₂ з використанням напівавтоматів типу КП 002, з чого випливає, що конденсатор з його способом включення і величина індуктивності дроселя є додатковими і діючими факторами, що впливають на якість зварювального процесу.

У сьомому розділі аналізуються нові розробки, а також розглядаються приклади впроваджень механізованого дугового устаткування блочно-модульної конструкції. Новий надійний регульований механізм імпульсної подачі з КХП дозволив в експериментальних дослідженнях виявити нові особливості зварювання з імпульсною подачею і визначити реальні можливості механізмів і процесів. Дослідження велися шляхом аналізу осцилограм швидкості подачі на вході в канал і на виході, струму зварювання, а також аналізу механічних і хімічних властивостей з'єднання. Зроблено висновки: при відносно невеликих прискореннях дроту в імпульсі подачі (6...12 м/с²) спостерігається чітка відповідність імпульсу подачі V_е з коротким замиканням і переносом у цей момент електродного металу. Цей тип переносу запропоновано віднести до типу крупнокрапельного з керованими короткими замиканнями; при значеннях прискорень в імпульсі подачі більш 30 м/с² в усіх випадках спостерігається перенос з керованими короткими замиканнями крапель середнього і дрібного розміру. Характер переносу не міняється в широкому діапазоні напруги дуги і при змінах вильоту дроту; при великих значеннях прискорень (більш 60...70 м/с²) реєструвався процес переносу електродного металу без коротких замикань. Такий процес у технічній літературі, наскільки нам відомо, не описувався і його можна віднести до цілком керованого. Отримане зниження в 3...4 рази втрат електродного металу.

З'ясовано, що і прискорення дроту в імпульсі впливає на розміри шва і глибину проплавлення Результати дослідження механічних і хімічних властивостей металу шва при зварюванні з імпульсним подаванням дроту СВ-08Г2с діаметром 1,2 мм приведені в табл.3 і відповідають ДСТ6996-66. Макроструктурний аналіз показав відсутність дефектів у металі усіх швів.

Позначення М _о, М _ш, М _оз відповідають механічним характеристикам металу зразка, шва й біляшовної зони. Аналіз показує, що імпульсний рух дроту впливає на механічні властивості і хімічний склад металу шва й біляшовной зони. Виявлені впливи імпульсної подачі на властивості зварених з'єднань з визначальним ефектом дії прискорень подачі, що також раніше не відзначалося.

Розроблено новий тип устаткування названий “Триплет” і його відмінність від існуючих, крім використання трьох незалежних систем подачі дротів по трьох каналах, що сходиться в один (загальний) струмопідвід, складається в використанні загальних джерела живлення і системи керування, що функціонують по певних алгоритмах. “Триплет” дозволяє: періодично змінювати швидкість подачі одного чи кількох дротів (елементи модулювання); здійснювати подачу кожного наступного дроту з зупинкою чи уповільненням попереднього (аналог обертання дуги) і ін. Отримано аналітичні вирази, що дозволяють оцінити переваги застосування “Триплет”. Експериментально підтверджена висока продуктивність, поліпшення якості і форми звареного з'єднання при зниженні витрат електроенергії.

У роботі досліджені можливості способу керування процесом переносу електродного металу при одночасному впливі двох імпульсних складових - джерела зварювального струму і механізму імпульсної подачі з різними параметрами й алгоритмами роботи. Форма швидкості подачі дроту разом з фазою напруги живлення представлена на осцилограмі рис.20. Найбільший ефект (керований перенос електродного металу) досягався, коли імпульс струму діяв з відставанням від імпульсу подачі, при цьому на підставі експериментів з'ясована величина відставання. Керування здійснюється в більш межах і при досить невеликих значеннях прискорень і енергії імпульсів струму.

В даний час практично всі основні модифікації напівавтоматів уже знайшли застосування в промисловості і були впроваджені. Основним принципом впровадження було обрано комплексне застосування напівавтоматів різного призначення на одному підприємстві. Таке впровадження здійснене на Таджицькому алюмінієвому заводі (ТадАЗ) і ОАО “АВІСМА” (виробництво магнію і титану в м. Березники, Росія.). Основне використання напівавтоматів блочно-модульної конструкції на зазначених підприємствах це ремонт і реконструкція потужних алюмінієвих шинопроводів електролизерів алюмінію і магнію. Основні задачі, які треба вирішувати при роботі із шинопроводами, це висока продуктивність, мобільність, забезпечення необхідних механічних характеристик з'єднання і його високих електропровідних властивостей. У порівнянні з раніше використовуваними методами зварювання вдалося знизити перехідні електричні опори на 10...15%, що дає істотну економію електроенергії при електролізі. Інші модифікації напівавтоматів забезпечували ремонтне зварювання, відновлення і різання вузлів і деталей зі сталі і чавуна. Концепція схемних рішень з незалежністю функціонування систем керування і регулювання напівавтомата від типу джерела зварювального струму дозволила використовувати практично кожне з наявних джерел.

Дано результати практичного застосування механізованого дугового наплавлення і зварювання з імпульсною подачею дроту напівавтоматом ПШ107І і механізмами з КХП типу ЛМ-50 і ЛМ-78 з передатними відносинами 50 і 78 відповідно, наприклад отримання високоякісного відновленого шару металу при використанні порошкового дроту на режимах менших ніж при використанні стаціонарної подачі (зменшення струму в 1,5 рази при забезпеченні стійкості процесу). Ефективним виявилося застосування напівавтоматів ПШ107В при відновленні наплавленням великогабаритних вузлів гірничопереробної техніки, наприклад наплавлення конусних дробарок (можливість роботи з ПВ = 100% із забезпеченням стабільності горіння дуги в положеннях, відмінних від нижнього, тому що в розглянутій технології наплавлення відбувається накладення горизонтальних валиків на вертикальну площину; високий ступінь надійності; робота, як у цехових умовах, так і в умовах практично відкритих площадок зі значним перепадом температур навколишнього середовища (-20…+40⁰С).

Висока якість з'єднання, зокрема при зварюванні з імпульсною подачею дроту з щільним швом, мінімальною кількістю шпар, порожнеч і включень, одержанням однорідного складу металу шва підтверджується металографічними дослідженнями шва й біляшовної зони, а також виміром електричних характеристик контактного з'єднання.

ВИСНОВКИ

Показано, що механізоване устаткування для зварювання і наплавлення - одне з найпоширеніших, постійно удосконалюється з розширенням можливостей, зниженням енерго і ресурсозатрат, підвищенням якості технології, спрощенням роботи операторів; його вдосконалення пов'язане з керованими імпульсними режимами роботи систем управління і регулювання, імпульсної подачі дроту.

Розроблена математична модель механізованого зварювання для визначення параметрів плавлення дроту з імпульсною подачею правильно відображає вплив характеристик дроту, дуги, джерела зварювального струму і форми імпульсу на час утворення краплі металу заданого розміру. Імпульсна подача дроту впливає на швидкість його плавлення і струм зварювання, викликаючи їх коливання у вигляді аперіодичного перехідного процесу. Суть зварювання з керованими короткими замиканнями і без них при імпульсній подачі полягає у виборі параметрів імпульсів, які забезпечать регулярне формування і перенесення крапель заданих розмірів.

Визначено, що канал системи подачі впливає на характер руху дроту - при постійній подачі викликає її автоколивання, а при імпульсній - знижує амплітуду імпульсів (в каналі завдовжки 2 м на 30…40 %), при цьому запропонований математичний опис системи дріт - канал з істотними нелінійностями, обумовленими тертям, з достатньою для практичних виводів точністю відображає явища в системі, описує перехідні процеси при проходженні імпульсів.

Показано, що введення в систему регулювання зворотних зв'язків по струму і напрузі дуги, що діють на подачу дроту, надає ефективний вплив на стабільність процесу, формування з'єднання, втрати електродного металу, при цьому виявлено, що зварювання в СО₂ з короткими замиканнями має дієвий інформативний показник - шпаруватість, який можна ефективно використовувати як зворотний зв'язок для поліпшення показників зварювання.

Розроблені принципи вибору і розрахунку параметрів електродвигунів для механізмів подачі, що враховують імпульсний характер навантажень, оптимізують їх потужність (зниження в 1,2...1,5 разу дії імпульсної складової). Перевагу мають електроприводи з низькою номінальною частотою обертання валу двигуна, негативним зворотним зв'язком по струму і форсуючими ланками. Розроблений ряд простих електроприводів з діапазоном регулювання не гірше1:10 і не критичністю до якості напруги живлення: можуть бути підключені до джерела зварювального струму.

Вироблені концепція, методики розрахунку і синтезу механізмів імпульсної подачі на основі КХП (квазіхвильових перетворювачів) стосовно конкретних завдань зварювання і наплавлення, показують, що для досягнення максимального ефекту по величинах прискорення (8…10 разів) і діапазону регулювання раціональним слід вважати механізм з двома модуляторами.

Обгрунтований і реалізований новий підхід до конструювання роликів, не обмежуючи діаметру і не встановлюючи їх безпосередньо на вихідному валу, дозволяє понизити питомий тиск на дріт, збільшити зусилля подачі і ресурс (у 2…3 рази). Запропоновані методики вибору подаючих роликів і раціонального використання механізмів з однобічними захватами дозволяють оптимізувати їх характеристики і запропонувати їх нові надійні конструкції.

Застосування методів системного підходу до вибору механізованого устаткування для зварювання наплавлення та різання дали критерії, що дозволяють оцінити міру складності і ефективності технічних рішень відносно ряду серійних напівавтоматів. Напівавтомат ПШ107В по критеріях системного аналізу повністю відповідає завданням раціонального конструювання. Запропонована методика оцінки надійності напівавтоматів на основі системи подачі дроту, як найбільш специфічної і важливої системи, дає достовірні результати при введенні в її склад умовної деталі - дроту.

На основі технічного аналізу вибрана раціональна конструкція джерела живлення дуги для зварювальних напівавтоматів з живленням від однофазної мережі 220 В з тороїдальним силовим трансформатором і конденсатором з різними рівнями напруги його живлення. Запропонована методика розрахунку цих джерел. Розроблений ряд схемних вирішень джерел з конденсаторами і дроселями з розділеними обмотками, які реалізовані в напівавтоматах, що серійно випускаються, які в 2…3 рази дешевші за зарубіжні аналоги і є енерго і ресурсозберігаючими (при зварюванні в середовищі СО2 втрати електродного металу не більше 3…4%, практично виключені витрати на додання швам товарного вигляду).

Запропонована концепція розробки, виготовлення і впровадження напівавтоматів для зварювання, наплавлення і різання, що ґрунтується на блоково-модульному принципі конструювання з використанням базової моделі і незалежності від типу джерела живлення дуги. В якості базової моделі прийнята модель - ПШ107В, оснащена електроприводом з можливістю введення в нього зворотних зв'язків, що діють окремо і в регульованій пропорції, дозволила отримати гамму напівавтоматів різного призначення, скоротити час (у 3...4 разу) і витрати (1,5...2 разу) на розробку, виготовлення, наладку, впровадження і обслуговування напівавтоматів, які можуть бути запропоновані промисловості як основний напрям для виробництва і впровадження. Нові оригінальні технічні рішення стали основою напівавтоматів ПШ107ВА для зварювання сплавів алюмінію дротами діаметрами 1,2…3,5 мм, ПШ107Р для механізованого різання (швидкість різання 10 м / год. при товщині 25 мм) і ряду інших типів напівавтоматів.

Визначено, що напівавтомати для зварювання і наплавлення з використанням нових механізмів подачі на основі КВП з визначальним впливом прискорення в імпульсі дозволяють поліпшити формування і структуру металу шва, в 2…3 разу понизити втрати електродного металу, розширити зону оптимальних режимів, спростити техніку зварювання і наплавлення в положеннях відмінних від нижнього. При цьому такі напівавтомати є енерго - і ресурсозберігаючими (знижуються в 1,2…1,8 рази витрати електроенергії).

Як нові напрями у вдосконаленні механізованого устаткування для зварювання і суміжних технологій запропоновано, досліджено і розроблено декілька видів апаратів: - система “Тріплет”з одночасною або почерговою (по певному алгоритму) подачею трьох електродних дротів, з використанням одного джерела зварювального струму і загального струмопідводу, що дозволяє в 1,3...1,7 збільшити коефіцієнт розплавлення дроту; - з комбінованим управлінням перенесенням електродного металу при одночасній (по вибраному алгоритму) дії імпульсного джерела струму і механізму імпульсної подачі. При цьому використовуються достоїнства обох способів при виключенні недоліків кожного з них.

Запропонований доповнений метод комплексного впровадження блоково-модульного механізованого устаткування різного функційного призначення на одному підприємстві додатково дозволяє в 2...3 рази понизити номенклатуру запасних частин і вузлів і в 1,5…2,0 рази - число нормогодин на обслуговування устаткування.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Анализ технических и технологических возможностей импульсной подачи электродной проволоки в процессах дуговой сварки и наплавки / Б.Е. Патон, В.А. Лебедев, В.Г. Пичак [и др.] // Сварочное производство. - 2002. - № 2. - С. 24 - 31

Автору належить розробка методик експериментального визначення характеристик зварювання з новими механізмами імпульсного подавання.

Восстановление крупногабаритных деталей оборудования горнообогатительных комбинатов механизированной дуговой наплавки / Ю.М. Кусков, В.А. Лебедев, И.А. Рябцев [та ін.] //Автомат сварка. - 2005. - №. 10. - С. 60 - 62.

Автору належить розробка комплексу обладнання та практичне його впровадження.

Выбор конструкции одностороннего захвата для импульсной подачи электродной проволоки / В.А. Лебедев, В.Ф. Мошкин, В.Г. Пичак и др. //Сварочное производство. - 2001. - № 4. - С.19 - 24.

Автору належить розробка нової конструкції захвату і механізму з ним, а також методики математичного обгрунтування вибору параметрів захвату.

4. Лебедев В.А. Автоколебательные транзисторные электроприводы постоянного тока для сварочного оборудования / В.А. Лебедев, В. Г. Новгородский // Сварочное производство 2003. - № 8. - С. 26 - 31.

Автору належать методика розрахунку простих автоколивальних транзисторних електроприводів.

5. Лебедев В.А. Влияние направляющего канала сварочного полуавтомата на параметры импульсной подачи электродной проволоки // Автомат. сварка. - 1999. - № 2. - С. 45 - 48.

Автору належить розробка і аналіз математичної моделі подавання дроту по довгому каналу.

6. Лебедев В.А. Зависимость между скоростями импульсной подачи проволоки и её плавлением при сварке с короткими замыканиями / В.А. Лебедев //Автомат сварка.-2007. - №. 4. - С. 19 - 22.

Автор розробив та дослідив математичну моделі зварювання з короткими замиканнями.

7. Лебедев В.А. Использование обратных связей в дуговом механизированном оборудовании (Обзор) // Сварочное производство. - 2001. - № 6.- С. 48 - 57.

Автору належить методика систематизації та виявлення різних структур зворотних з'вязків.

8. Лебедев В.А. Классификация аппаратов для дуговых механизированных способов сварки, наплавки и резки плавящимся электродом / В.А. Лебедев, В.Ф. Мошкин, В.Г. Пичак // Сварочное производство. - 1997. - № 10. - С. 39 - 42.

Автору належить методика класифікації обладнання для зварювання і суміжних технологій, яка базується на технічних рішеннях для різноманітного застосування

Лебедев В.А. Математическая модель формирования капель электродного металла при механизированной дуговой сварке с импульсной подачей электродной проволоки / В.А. Лебедев // Сварочное производство. - 2008. - №. 7. - С. 10 - 14.

Автору належить розробка та дослідження математичної моделі формування крапель електродного металу при імпульсному подаванні електродного дроту.

Лебедев В.А. Методики выбора параметров импульсной подачи электродной проволоки / В.А. Лебедев // Автомат. сварка. - 2004. - № 6. - С 50 - 54.

Автору належить розробка математичного опису алгоритму вибору характеристик імпульсної подачі, яка забезпечує перенос електродного металу.

Лебедев В.А. Механизированная дуговая сварка в СО2 с регулируемой импульсной подачей электродной проволоки /В.А.Лебедев, В.Г.Пичак //Сварочное производство.-1998.-№ 5. - С. 30-33.

Автору належить розробка техніки та методології використання імпульсної подачі з елементами керування їх параметрами

Лебедев В.А. Механизированная резка металлов с применением полуавтомата ПШ107Р / В.А. Лебедев // Автомат. сварка. - 2005. - №. 5. - С. 44 - 46.

Автору належить розробка техніки та методології використання напівавтоматів для механізованого різання з визначенням їх ефективності.

Лебедев В.А. Механизмы импульсной подачи электродной проволоки с регулированием параметров импульсов / В.А. Лебедев, В.Г. Пичак, В.Б. Смолярко // Автомат. сварка. - 2001. - № 5. - С. 31 - 37.

Автору належить розробка нових механізмів імпульсного подавання з двома модуляторами і регулюванням параметрів імпульсів, а також математичний опис кінематики механізму.

Лебедев В.А. Механизмы подачи для дугового механизированного оборудования с двумя парами роликов / В.А. Лебедев // Технология машиностроения. - 2005. - №. 7. - С. 43 - 46.

Автору належить математичний опис та обґрунтування оптимального застосування механізмів подачі з двома парами роликів

Лебедев В.А. Новые механизмы подачи электродной проволоки / В.А. Лебедев, В.Ф. Мошкин, В.Г. Пичак // Автомат. сварка. - 1996. - № 5. - С. 39 - 44.

Автору належать розробка нових механізмів, а також математичний опис кінематичних зв'язків.

Лебедев В.А. О выборе оборудования для механизированной резки порошковыми проволоками /В.А. Лебедев, В.Ф. Мошкин, В.Г. Пичак //Автомат. сварка. - 1995. - №6. - С. 53 - 58.

Автору належить розробка елементів систем подавання дроту і регулювання, а також методик розрахунку ефективності нового напівавтомату.

Лебедев В.А. Однофазные источники питания для дуговой механизированной сварки: Элементы анализа схемных решений / В.А. Лебедев, Г.Н. Москович В.С. Романюк // Автоматизация и современные технологии. - 2006. - №. 1.- С.3 - 6.

Автору належить математичний опис та аналіз процесів в однофазному джерелі струму при зварюванні з короткими замиканнями.

Лебедев В.А. Однофазные источники сварочного тока для механизированной сварки в углекислом газе / В.А. Лебедев, В.С. Романюк // Сварочное производство 2004 .-№ 1.- С. 38-43.

Автору належить розробка ряду конструкцій джерел живлення з накопичувальними конденсаторами, а також обгрунтування їх ефективного застосування.

Лебедев В.А. Определение параметров импульсной подачи электродной проволоки при механизированной дуговой сварке и наплавке / В.А. Лебедев // Сварочное производство. - 2008. - №. 8. - С.11 - 15.

Автору належить визначення параметрів імпульсної подачі електродного дроту.

Лебедев В.А. Определение силовых параметров приводных электродвигателей в системах с импульсной подачей электродной проволоки / В.А. Лебедев // Автомат. сварка. - 1997.- № 10.-С. 50 - 55.

Автор розробив методики оптимізації параметрів електродвигунів при імпульсних навантаженнях.

Лебедев В.А. Оптимизация конструкции подающих роликов в оборудовании для автоматической и механизированной дуговой сварки / В.А. Лебедев, С.И. Полосков // Сварочное производство. - 2003. - № 7. - С. 26 - 29.

Автору належать методика розрахунку конструктивних параметрів роликів, які забезпечують оптимальні режими параметри подачі дроту.

Лебедев В.А. Особенности сварки сталей с импульсной подачей электродной проволоки / В.А. Лебедев // Сварочное производство. - 2007. - №. 8. - С.30 - 35.

Автору належать виявлення нових особливостей дії імпульсної подачі при зварюванні сталей.

Лебедев В.А. Оценка влияния возмущений в работе электроприводов на надёжность оборудования для механизированной и автоматической сварки / В.А. Лебедев, С.И. Полосков, С.Д. Братчук // Сварочное производство. - 2002. - № 9. - С. 9 - 15.

Автору належать розрахунки систем регулювання для оптимізації дії пульсуючих навантажень

Лебедев В.А. Переходные процессы при подаче электродной проволоки по гибкому направляющему каналу / В.А. Лебедев // Сварочное производство. - 2000. - № 6. - С. 24 - 28.

Автору належить розробка і аналіз математичної моделі подавання дроту по каналу.

Лебедев В.А. Полуавтомат блочно-модульной конструкции для сварки, наплавки и резки / В.А. Лебедев, В.Г. Пичак, В.С. Романюк [и др.] // Сварочное производство. - 2007. - №. 4. - С. 28 - 30.

Автору належить розробка базової моделі напівавтомату з поліпшеними характеристиками.

26. Лебедев В.А. Регулирование дугового механизированного процесса сварки плавящимся электродом при оптимальном соотношении параметров режимов / В.А. Лебедев, И.С. Кузьмин, В.Г. Новгородский // Технология металлов. - 2002. - № 1. - С. 12 - 17.

Автору належить обґрунтування можливості використання параметрів шпаруватості на регулювання процесу зварювання, а також розрахунок і розробка регулятора.

Лебедев В.А. Совершенствование направляющего канала и роликового узла подачи полуавтоматов для сварки алюминия и его сплавов /В.А.Лебедев //Автомат. сварка.- 2003.- № 6.-С. 51 - 54.

Автору належить вдосконалення каналу та роликів в обладнанні для зварювання алюмінію.

Лебедев В.А. Схема питания систем управления полуавтомата от напряжения источника сварочного тока / В.А. Лебедев // Автомат. сварка. - 2003. - №7. - С. 52 - 53.

Автору належить розробка технічного засобу захисту системи.

Лебедев В.А. Функциональные особенности электроприводов постоянного тока для сварочного оборудования / В.А. Лебедев, С.И. Полосков, С.Д. Братчук // Сварочное производство. - 2002. - № 6. - С. 34 - 41.

Автору належить ряд конструкцій електроприводів з оригінальними технічними рішеннями і обґрунтуванням їх ефективного застосування в зварюваному обладнанні.

Лебедев В.А., Пичак В.Г. Новый подход к конструированию механизма подачи электродных проволок / В.А. Лебедев, В.Г. Пичак // Автомат. сварка. - 2000.- № 4. - С.35 - 38

Автору належить розробка і аналіз концепції нового механізму подачі з роликом , який вільно встановлюється на приводному валу.

Надёжность механизмов подачи электродной проволоки в аппаратах для механизированной сварки и наплавки / В.А. Лебедев, В.Ф. Мошкин, В.Г. Пичак В.А. [и др.] // Автомат. сварка. - 1998. - № 1. - С.34 - 39.

Автору належать розробка методик визначення і розрахунку параметрів надійності механізмів подавання з урахуванням дроту як деталі механізму, що дає достовірні результати.

Оборудование для дуговых механизированных процессов сварки и наплавки / Б.Е. Патон, В.А. Лебедев, В.Г. Пичак [и др.] // Автоматизация и современные технологии. - 2002. - №8. - С. 33 - 41.

Автору належить обґрунтування ефективності зварювання і наплавлення з одночасною та почерговою подачею трьох електродних дротів

Пат. 23504 А Україна, МКІ В 23 К 9/06. Зварювальний напівавтомат /О.І. Заєц, В.О. Лебедєв.- № 97062641; заявл. 05.06.97; опубл. 02.06.98, бюл. № 4

Автору належить розробка ряду ефективних конструкцій однофазних джерел зварювального струму з живленням від мережі 220 В.

Пат. 24384 А Україна, МКІ В 23 К 9/12. Напівавтомат для зварювання алюмінію та його сплавів / В.О. Лебедев, В.Г. Пічак, О.О. Рогаткін та ін. - 97020664; заявл. 17.02.97; опубл. 17.07.98, бюл. № 5.

Автору належить розробка нових рішень по роликовому вузлу подачі та спеціальному держаку.

Пат. 24385 А Україна, МКІ В 23 К 9/12. Універсальний зварювальний напівавтомат / В.О. Лебедев, В.Г. Пічак. - 97020663; заявл. 17.02.97; опубл. 17.07.98, бюл. № 5.

Автору належить конструкція напівавтомату багатофункційного призначення з розробкою оригінальних вузлів та систем для нього.

Патон Б.Е. Способ комбинированного управления процессом переноса электродного металла при механизированной дуговой сварке / Б.Е. Патон, В.А. Лебедев, Я.И. Микитин // Сварочное производство. - 2006. - №. 8. - С. 27 - 32.

Автору належить обґрунтування ефективності зварювання з комбінацією імпульсного впливу струму і подавання електродного дроту, а також розробка алгоритму функціонування обладнання.

Полуавтомат для дуговой сварки плавящимся электродом алюминия и его сплавов / В.А. Лебедев, В.Г. Пичак, А.А. Рогаткин [и др.] / Автомат. сварка. - 1997. - № 11. - С.51 - 56.

Автору належать розробка елементів систем подавання дроту (оригінальні технічні рішення по роликовому механізму, держаку) і регулюванню.

Практическое применение дуговой наплавки с импульсной подачей электродной проволоки / Лебедев В.А., Коротынский А,Е., Мозок В.М. [и др.] //Автомат. сварка. - 2001. - № 2. - С. 37 - 41.

Автору належить обґрунтування і вибір параметрів механізмів імпульсної подачі порошкового дроту для певних технологічних завдань по наплавленню.

Применение полуавтоматов блочно-модульной конструкции типа ПШ107 для сварки, наплавки и резки сталей и алюминия / Б.Е. Патон, В.А. Лебедев, В.Г. Пичак [и др.] // Автомат. сварка. - 2004. - № 4. - С. 32 - 3 7.

Автору належить розробка технологій зварювання, наплавлення та різання з застосуванням напівавтоматів блочно-модульної конструкції стосовно до металургійних виробництв.

Управление процессом механизированной сварки в углекислом газе с использованием параметров переноса электродного металла / В.А. Лебедев, И.С. Кузьмин, В.Г. Новгородский [и др.] // Сварочное производство - 2002 . - № 5. - С. 6 - 14.

Автор запропонував використовувати шпаруватість дугового процесу для регулювання стабільності зварювання.

Устойчивость процессов дуговой сварки и наплавки с импульсной подачей электродной проволоки / Д.А. Дудко, В.А. Лебедев, В.Ф Мошкин и др.//Сварочное производство. - 2000. - № 1. - С. 12 - 15.

Автору належить методика оцінки стійкості процесу з імпульсною подачею електродного дроту.

Устройство для однокнопочного регулирования режимов работы сварочного полуавтомата / В.А. Лебедев, И.С. Кузьмин, В.Г. Новгородский [и др.] //Автомат. сварка. - 2004. - № 5. - С 50 - 53.

Автору належить обгрунтування способу регулювання режиму механізованого зварювання і наплавлення з використанням одного органу управління.

АНОТАЦІЯ

Лебедєв В. А. Підвищення ефективності зварювального обладнання на основі дослідження імпульсних дій в системі подачі електродного дроту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2010. Дисертація присвячена дослідженню і розробці нового високоефективного механізованого дугового устаткування для зварювання, наплавлення і різання металів. Приведено детальні теоретичні дослідження і математичне моделювання механізованих дугових процесів з імпульсними змінами параметрів, систем подачі електродного дроту по гнучким направляючим каналам, систем керування і регулювання. Визначено умови керованого переносу при імпульсній подачі електродного дроту. Установлено закономірності подачі дроту по гнучким направляючим каналам з математичним описом умов загасання амплітуд і затримок імпульсів подачі в каналі. На основі системного аналізу сформульовані критерії вибору конструкцій сучасного механізованого дугового устаткування для високоефективного рішення задач по зварюванню, наплавленню і різанню сталей і алюмінію і його сплавів. Розроблено принципи блочно-модульного конструювання з використанням базової моделі напівавтоматів різного функціонального призначення з вибором критеріїв оцінки характеристик надійності. Виконано розробки великого числа окремих важливих вузлів і систем напівавтоматів: оригінальних механізмів подачі, простих регульованих електроприводів, систем регулювання механізованих дугових процесів зі створенням методик їхнього розрахунку і застосування в сучасному устаткуванні. Досліджено і технологічні можливості нових технічних рішень. Розроблено ряд напівавтоматів для зварювання, наплавлення і різання з використанням результатів дослідження і нових конструкцій вузлів. Виконано експериментальні дослідження ефективності гами напівавтоматів блочно-модульної конструкції. Результати роботи - напівавтомати різного технологічного призначення успішно впроваджені.

Ключові слова: зварювання, наплавлення, різання, електродний дріт, напівавтомат, механізм подачі, електропривод, система керування.

АННОТАЦИЯ

Лебедев В. А. Повышение эффективности сварочного оборудования на основе исследования импульсных воздействий в системе подачи электродной проволоки. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии и процессы. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена исследованию и разработке нового высокоэффективного механизированного дугового оборудования - полуавтоматов для сварки, наплавки и резки металлов. Выполнен анализ существующих систем и способов повышения эффективности полуавтоматов для сварки и родственных технологий, известных до настоящего времени. Рассмотрен ряд моделей полуавтоматов, которые выпускались и выпускаются в настоящее время. Определены их достоинства и недостатки с учётом цикла: разработка, изготовление, использование. Показано, что одним из наиболее действенных способов улучшения технических характеристик и технологических возможностей является применение в их системах управляемых импульсных режимов работы.

Приведены детальные теоретические исследования и математическое моделирование механизированных дуговых процессов с импульсными изменениями параметров движения электродной проволоки. Исходя из результатов моделирования предложена методика выбора параметров импульсов (частота, форма, ускорение), которые позволяют получить управляемый перенос электродного металла при сварке с короткими замыканиями. Определены условия управляемого переноса электродного металла при импульсной подаче электродной проволоки. Процесс реализован при механизированной сварке стальными и алюминиевыми электродными проволоками в среде защитных газов.

Рассмотрена в комплексном виде система подачи проволоки по гибким направляющим каналам с разработкой математической модели, позволившая рассмотреть и проанализировать динамические явления в системе и на этой основе описать переходные процессы при перемещении проволоки по каналу. Установлены закономерности подачи проволоки по гибким направляющим каналам с математическим описанием условий затухания амплитуд и задержек импульсов подачи в канале. Этот цикл исследований позволяет уточнить параметры импульсной подачи при использовании различных конструкций систем подачи.

Проанализирован ряд систем управления и регулирования в механизированном оборудовании. Уточнено их влияние на качество получаемых сварных швов и валиков наплавленного металла. На основе анализа предложены новые варианты оптимального управления и регулирования сварочным процессом для механизированного оборудования.

Рассмотрены важные проблемы эффективности использования движителей электродной проволоки в полуавтоматах различного назначения. Определены оптимальные варианты конструкций роликовых узлов подачи и предложены методики их выбора и расчёта. Разработаны новые конструкции роликовых механизмов подачи, в том числе с подающим роликом неограниченного диаметра. Предложены оптимизированные по показателям надёжности и эффективности новые конструкции движителей проволоки на основе односторонних захватов.

Предложены методика выбора и расчёта механизмов импульсной подачи на основе квазиволнового преобразователя (КВП), позволяющих получить импульсное движение электродной проволоки с управляемыми параметрами импульсов (частота, форма, ускорение) для реализации импульсных алгоритмов переноса электродного металла при сварке в защитных газах и при использовании порошковых самозащитных проволок (впервые).

Разработаны основы целенаправленного выбора приводного электродвигателя для системы подачи электродной проволоки, в том числе с учётом импульсной составляющей момента. Выполнены разработки простых по конструкции специфичных электроприводов, учитывающих особенности механизированного оборудования для сварки, наплавки и резки.

На основе системного анализа сформулированы эффективные критерии выбора конструкций современного механизированного дугового оборудования для высокоэффективного решения задач по сварке, наплавке и резке сталей и алюминия и его сплавов. Разработаны принципы блочно-модульного конструирования с использованием базовой модели полуавтоматов различного функционального назначения с выбором критериев оценки характеристик надёжности.

Выполнены разработки большого числа отдельных важных узлов и систем полуавтоматов: оригинальных механизмов, простых регулируемых электроприводов, систем регулирования механизированных дуговых процессов с созданием методик их расчёта и применения в современном оборудовании. Исследованы и технологические возможности новых технических решений. Разработан ряд полуавтоматов для сварки, наплавки и резки с использованием результатов исследования и новых конструкций узлов. В их числе механизированное оборудование для сварки алюминия, резки металлов и ряд других. Рассмотрены разработки полуавтоматов с импульсной подачей сплошной и порошковой электродной проволоки.

Особое внимание уделено разработкам малогабаритных полуавтоматов с источниками сварочного тока, питающихся от сети однофазного тока 220 В как оборудованию с высокими требованиями надёжности. Предложен ряд технических решений и методика оценки их эффективности.

Рассмотрены новые технико-технологические решения по совершенствованию процессов механизированной сварки и наплавки, которые связаны с использованием нескольких электродных проволок, а также нескольких импульсных воздействий: импульсный механизм подачи и импульсный источник сварочного тока.

Проанализированы экспериментальные исследования эффективности гаммы полуавтоматов блочно-модульной конструкции различного функционального назначения. Результаты работы - полуавтоматы различного назначения успешно внедрены, в том числе с использованием методологии комплексного внедрения.

Ключевые слова: сварка, наплавка, резка, электродная проволока, полуавтомат, механизм подачи, электропривод, система управления

ANNOTATION

V.A. Lebedjev. Increase of efficiency of welding equipment on the basis of research of impulsive influences in the system of serve of electrode wire. - Manuscript.

Dissertation to achieve the degree of the Doctor of technical sciences with the subject 05.03.06 - Welding and congenerous processes and technologies. - Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2008. Dissertation is devoted to the investigation and working out of new high-performance mechanized arc equipment for welding, surfacing, and cutting of metals. The detailed theoretic investigations and mathematic modeling of the mechanized arc processes with the impulse influences, systems of electrode feeding on the flexible guide channels, control and regulation systems are involved. The conditions of the controlled transfer of the electrode metal during the impulse influences, especially during the impulse electrode wire feeding, are defined. The regularities of wire feeding on the flexible guide channels with the mathematic description of the conditions of the amplitude damping and the delays of the feeding impulses in the channel are set up. The criteria of the selection of constructions of the modern mechanized arc equipment for high-performance solution of the tasks on welding, surfacing, and cutting of steel, aluminium and its alloys are formulated on the basis of the systemic analysis. The principles of block work engineering with the use of the basic model of semi-automatic machines of different functional purpose with the selection of the criteria of evaluation of reliability characteristics are worked out.   The developments of the great number of separate important nodes and systems of semi-automatic machines: original mechanisms, simple controlled electric drives, control systems of mechanized arc processes with the invention of their design procedures and application in modern equipment are fulfilled. The technological possibilities of new technical solutions are examined. The certain number of semi-automatic machines for welding, surfacing and cutting with the use of investigation results and new node constructions are worked out. The experimental investigations of the effectiveness of a number of semi-automatic machines of block work construction are fulfilled. The results of the work - semi-automatic machines of different technological purpose are successfully applied, including the complex method.

...