Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время разработаны плазмотроны с различными формами электрического разряда для генерации низкотемпературной плазмы. В соответствии с этим различают плазмотроны дугового и тлеющего разряда, высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, плазмотроны барьерного разряда и с жидкими электродами. Экспериментальные исследования свойств, характеристики плазмотронов и особенности их применения были обобщены в фундаментальных трудах научных коллективов, возглавляемых известными учеными: М.Ф.Жуковым, В.Д.Русановым, Л.С.Полаком, А.С. Каратеевым, Г.Ю.Даутовым, О.И.Ясько и др.
В настоящее время сложилось два направления в применении электродуговых плазменных технологий. Первое направление охватывает технологии, использующие плазму в традиционных отраслях промышленности: металлургия, металлообработка и энергетика. Вторая область объединяет все многообразие относительно новых плазмохимических технологий, используемых в химической и других отраслях промышленности.
Разработки новых технологических устройств для резки и сварки металлов плазмой электрической дуги требуют знания электрических, тепловых и газодинамических характеристик. Необходимость определения и анализа характеристик электрической дуги связана с тем, что в этих технологических процессах основную роль при обработке играют термическое и динамическое воздействия электрической дуги на твердые материалы. На характеристики электрической дуги оказывают влияние большое число параметров. Поэтому требуется детальное изучение процессов электрической дуги.
Несмотря на это, характеристики дугового разряда малой мощности при атмосферном давлении между твердыми электродами в паровоздушной среде и в струе электролита практически не изучены. Все это задерживает разработку электродуговых плазменных установок малой мощности и их внедрение в производство. Поэтому исследование характеристик дугового разряда малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита, разработка и создание плазменных установок с одновременной ионизацией разрядного промежутка являются актуальной задачей.
Цель работы - установление закономерностей физических процессов, протекающих в дуговом разряде малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении, создание математической модели для расчета дуги и разработка на этой основе плазменной установки с автоматическим поджигом электрической дуги для практического применения в плазменной технике и технологии.
Задачи исследования:
1. Создать экспериментальную установку с автоматическим поджигом электрической дуги для исследования дугового разряда малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита различного состава (технической воде, NaCl, CuSO4 в технической воде концентрации электролита от 5% до насыщения) при атмосферном давлении в диапазоне диаметров электродов d=2-15 мм, межэлектродных расстояний l=2-50 мм, тока разряда I=2-15 А и напряжении разряда U=16-65 В.
2. Экспериментально исследовать ВАХ разряда, распределение температуры в плазменном столбе электрической дуги.
3. Разработать математическую модель для исследования плазменного столба электрической дуги в приближении локального термодинамического равновесия.
4. Создать плазменную установку для сварки металлов и сплавов и исследовать ее характеристики.
Научная новизна исследований:
1. Экспериментально установлена возможность горения дугового разряда малой мощности в паровоздушной струе электролита при атмосферном давлении и малых токах (2 А) и напряжениях (16 В).
2. Получены, на базе экспериментальных исследований, характеристики дугового разряда малой мощности в паровоздушной среде и струе электролита различного состава (технической воде, NaCl, CuSO4 в концентрации от 5% до насыщения в технической воде) при атмосферном давлении и межэлектродном расстоянии до 50 мм.
3. Впервые установлен пробой дугового разряда в воздухе при атмосферном давлении на расстоянии 20 мм при напряжении 22 В и токе разряда 4 А.
Практическая ценность:
Результаты экспериментальных и теоретических исследований расширяют представление о физике электрических разрядов между металлическими электродами в паровоздушной среде и в струе электролита, а также способствуют дальнейшему систематическому изучению подобных систем с позиций применения плазмы этих разрядов для обработки материалов. Результаты исследовании позволили разработать и создать плазменную установку, с дуговым разрядом малой мощности, использование которой позволяет повысить производительность труда и качество сварки металлов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования: зажигания дугового разряда, ВАХ в воздушной, паровоздушной среде и в струе электролита различного состава в воздухе при атмосферном давлении.
2. Математическая модель плазменного столба дуги разряда малой мощности.
3. Устройство для сварки металлов (в том числе и цветных) с окисной пленкой при пониженных напряжениях и токах и его энергетические характеристики.
Степень достоверности научных результатов:
Определяется применением физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов, с известными опытными и теоретическими данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высшего класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей воспроизводимостью опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики, математические расчеты проводились с применением современных программ на ЭВМ.
Апробация работы:
Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: школа по плазмохимии №10 для молодых ученых России, Иваново, ИГХТУ, 2002 г.; Межвузовская научно-методическая конференция «Научно-исследовательская деятельность студентов – первый шаг в науку», г. Набережные Челны, КамПИ, 2004 г.; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», г. Тольятти, ТГУ, 2004 г.; Межвузовская научно-техническая конференция «Вузовская наука – России», г. Набережные Челны, 2005 г., научно-технические семинары ИНЭКА (КамПИ) г. Набережные Челны, КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань.
Личный вклад автора в работу:
Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены экспериментальные исследования, выполнены обработка, анализ и обобщение экспериментальных результатов, разработана математическая модель плазменного столба дуги разряда.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ (4 статьи, в том числе в ведущем рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК – 2 статьи, и 5 работ в материалах конференций).
Структура и объем работы:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 108 источников отечественных и зарубежных авторов.
Похожие диссертации на Дуговой разряд малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении
