Принципы и методы проектирования дуговых режущих плазмотронов постоянного тока

Появление на российском рынке большого числа дуговых плазмотронов зарубежных производителей для разделки листового и трубного проката, включая плазменную резку под сварку, а также новых технологий (например, «точной» или «сжатой» плазмы), ставит перед разработчиками плазмотронов вопросы, связанные с четкой формулировкой критериев, на которые они должны ориентироваться в процессе проектирования конкурентоспособного оборудования.

Обобщение большого личного и отечественного опыта разработки и производства электро-плазменного оборудования позволило обобщить основные факторы и сформулировать обобщенные принципы и методы проектирования дуговых плазмотронов постоянного тока [1], которые можно классифицировать по 3 основным группам (рис. 1). Среди общепринятых принципов проектирования следует обратить внимание на применение функционального принципа, подразумевающего достижение максимальных значений производительности, надежности и качества элек-троплазменных процессов, а также на возрастающую роль проблемы безопасного применения плазмотронов [2]. Большие электрические мощности, брызги расплавленного металла и опасность поражения плазменной дугой заставляют конструктора уже на стадии техзадания учитывать рег- ламентируемые ГОСТами и СНиПами параметры безопасности. Необходимо в большинстве случаев обращать внимание как на химические (газы, пыль, аэрозоли), так и на физические (шум, электромагнитное излучение различных видов) факторы, вредное воздействие которых может быть снижено в процессе проектирования их источника – плазмотрона, либо уменьшено путем применения методов и средств защиты.

В широком ряду взаимосвязанных факторов, которые следует учитывать в процессе проектирования плазмотронов, особого внимания заслуживает газодинамический фактор, подразумевающий учет при конструировании характера течения плазмообразующего газа (ПОГ) на всех участках газовоздушного тракта (ГВТ) плазмотрона (рис. 2). Вносимые при проектировании изменения в конструкцию отдельных участков ГВТ определяют не только функционально значимые параметры плазменной дуги (струи) в сопловом узле плазмотрона, но и влияют на степень и характер шумового воздействия, т. е. безопасность его работы.

В качестве основных принципов упомянутого газодинамического проектирования можно выделить: снижение газодинамических потерь и степени турбулентности потока ПОГ в ГВТ, повышение степени равномерности распределения потока по сечению ГВТ в сопловом узле, снижение радиаль-

Сварка, родственные процессы и технологии

Рис. 1. Принципы и факторы проектирования плазменного оборудования

Рис. 2. Схема газовоздушного тракта (ГВТ) плазмотрона с одноконтурной схемой подачи ПОГ: 1 – входной участок; 2 –расширительная камера;

3 – вихревая камера (завихритель); 4 – сопловой узел

ных и ос е в ых гра д ие н тов скорос ти и з оны т ур б улентно го см е шени я с тр у и, б орьбу с ре з онанс ными яв л е н и ями вн у три п л а з м отрона . При э том с л ед ует использовать ме тоды прое к тиров а н ия, ос нов а н ные на п рим е н е ни и оп тимиз иро в а н ных систем газодина ми чес к и х фил ь тров , ра зра ботке с х е м пода чи П ОГ, профилиров а н ии ГВТ, форм ы катодного и соп л ов ого уз л а , оп тим из ац ии ра с пре дел е н ия га зов ого потока по тра кт у пл а змотрон а.

П рим е ни те л ь но к отдел ьн ым уча с т ка м ГВТ (см. рис. 2), это означает:

• •    на участке 1 – с н иже н ие г а з оди на м и че ских потерь;

• •    на участке 2 – вы ра в ни в ан и е ра с пре де л е н ия

потока газа по сечению, уменьшение перепадов давления газа и возмущений в потоке ПОГ;

• •    на участке 3 – снижение газодинамических потерь, оптимизация геометрии завихрителя (длины, количества каналов, площади сечения, шага винта, формы входных и выходных сечений каналов), уменьшение степени турбулентности;

• •    на участке 4 – сопряженное (катод-сопло-завихритель) профилирование соплового узла для максимального обжатия и стабилизации электрической дуги, создания условий для перемещения приэлектродных участков дуги по поверхности электродов, снижения турбулентных пульсаций (вероятности шунтирования и резонансного аку-

  Анахов С.В.

  
  

Принципы и методы проектирования дуговых режущих плазмотронов постоянного тока стического излучения), формирования газодинамического и акустически безопасного профилей плазменной струи.

Обобщение опыта конструирования плазмотронов с учетом факторов безопасности позволило сформулировать основные принципы акустического («безопасного») проектирования, направленные на профилирование ГВТ в целях устранения условий для резонансного возбуждения тональных составляющих акустического спектра шумоизлучения плазмотрона и формирование условий истечения плазменной струи, обеспечивающих минимальный уровень аэродинамического шума. Применение данных принципов должно опираться на ряд методов, направленных на оптимизацию геометрии завихрителя (для минимизации размера акустического ядра плазменной струи) и соплового узла (для предотвращения генерации тональных составляющих шума); технологически возможное уменьшение диаметра сопла плазмотрона и скорости истечения струи; профилирование ГВТ плазмотрона в целях снижения степени турбулентности потока ПОГ.

Применение упомянутых принципов проектирования привело к созданию серии дуговых плазмотронов для резки металлов (ПМВР-М, ПМВР-2, ПМВР-2М) имеющих существенные преимущества по показателям эффективности и безопасности по сравнению с большинством однотипных плазмотронов постоянного тока.

В качестве другой универсальной (в первую очередь, по показателям качества и безопасности) технологии целесообразно использовать двухконтурные плазмотроны, работающие по принципам узкоструйной плазмы (УСП). В основе проектирования работающих по данной технологии плазмотронов лежит принцип двойного вихревого обжатия дуги за счет распределения плазмообразующего газа на 2 потока (формирующего струю и стабилизирующего дугу). Подобный принцип используется в плазмотронах ряда зарубежных производителей (Kjellberg, Hypertherm, MesserGreisheim), использующих технологию «сжатой» или «точной» плазмы. Применение плазмотронов подобного типа позволяет добиться повышенной точности и качества реза, уменьшения его ширины, снижения акустического и электромагнитного воздействие.

Применение упомянутых выше принципов к проектированию плазмотронов подобного типа означает:

• •    выбор различных вариантов подачи газа в плазмотрон при его примерно одинаковом разделении по контурам, применение 2 завихрителей для обжатия и стабилизации дуги, уменьшение длины и площадей проходных сечений каналов завихрителя контура ПОГ, снижение газодинамических потерь за счет профилирования ГВТ;

• •    существенное улучшение проблемы акустической (за счет применения эффекта двойного сопла, аналогичного применяемому в реактивных двигателях, снижения скоростей истечения струи) и электромагнитной безопасности (снижение энергетических потерь на излучение в сопловой части и на открытой дуге за счет эффекта экранирования и уменьшения объема и площади излучения);

• •    повышение плотности тока, напряжения и напряженности электрического поля дуги за счет её обжатия и стабилизации за пределами сопла (существенное улучшение качества реза), решение проблемы электроизоляции (устранение эффектов пробоя), электробезопасности и надежности (работа на меньших токах, наличие защитного колпака), снижение плотности излучения в оптическом и электромагнитном диапазоне (меньшие токи, площади и объемы излучения).

Результатом внедрения рассмотренных принципов стала разработка плазмотрона ПМВР-5, обладающего упомянутыми преимуществами по сравнению с одноконтурными режущими плазмотронами и имеющего схожие параметры эффективности и безопасности в сравнении с двухконтурными плазмотронами подобного типа зарубежных производителей.