Содержание к диссертации
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1.Технологические особенности производства крупногабаритных
распределенных сварных конструкций 8
1.2.Сварка в углекислом газе и условия существования короткой дуги 12
1.3.Механизмы подачи сварочной проволоки и источники питания для
полуавтоматической сварки 18
1.4.Этапы эволюции методов управления дуговыми способами сварки 24
Цель и задачи работы 32
Глава II. Основы методического подхода и разработка цифровой системы управления активными устройствами для полуавтоматической сварки короткой дугой
2.1.Построение информационно-измерительной системы управления
оборудованием и экспериментально-исследовательским стендом для
полуавтоматической сварки 33
2.2.Микропроцессорные регуляторы блоков управления активными
сварочными устройствами 40
2.3.Протокол работы для диспетчерского управления активными
сварочными устройствами 46
Выводы 57
Глава III. Разработка и совершенствование активных устройств для экспериментально-исследовательского стенда
3.1.Разработка мотор-редукторов с цифровым устройством управления 59
3.1.1.Конструктивные особенности отдельных узлов в существующих
механизмах подачи 60
3.1.2.Общие требования, исходные данные и проектирование мотор-
редуктора 70
3.2.Сварочные выпрямители с гибким программированием вольтамперных
характеристик 76
Выводы 88
Глава IV. Сварочное оборудование марки «ПАРС», оснащенное разработанными техническими средствами
4.1.Полуавтомат ПАРС Н-511 с цифровым устройством управления 90
4.1.1 .Оценка функциональных возможностей 90
4.1.2.0беспечение устойчивости дугового процесса при сварке короткой
дугой 94
4.1.3.Сравнительная оценка полуавтоматов 103
4.2.Специализированные установки с программным управлением для
наплавки 110
4.2.1 .Установка УНПБ-1 для восстановления изношенных поверхностей
подпятника надрессорной балки 111
4.2.2.Установка УНП-1 для восстановления мест износа подвески
тормозного башмака 119
4.2.3.Установка УНВ-1 для наплавки валков прокатных станов 124
Выводы 127
Общие выводы 129
Список литературы 131
Приложение 143
Введение к работе
При производстве крупногабаритных сварных конструкций приходится выполнять разнообразные виды сварных соединений в различных пространственных положениях с использованием полуавтоматической сварки в углекислом газе. Данный вид сварки успешно применяют в различных отраслях промышленности многие десятилетия, как процесс с естественными периодическими замыканиями дугового промежутка (< 120 замыканий в секунду).
Детальные исследования данного процесса в различные годы были выполнены во многих организациях (ЦНИИТМАШе, МВТУ им. Баумана, ИЭС им. Патона и др.). В многочисленных публикациях приведена масса сообщений, посвященных улучшению его технологических характеристик; образованного множеством других разнородных процессов - электрических, тепловых, физико-химических, гидравлических и т.д. Которые составляют собственно процесс сварки, такие как каплеперенос, колебания сварочной ванны и др.; характеризуются не только существенной нелинейностью, но и очень разными характерными временами протекания событий.
Сварка короткой дугой характеризуется хаотическим изменением параметров режима, что порождает пространственную неустойчивость дуги в виде ее микродвижений с характерными частотами. В настоящее время исследования, основанные на определенном опыте научных школ предшественников (Акулова А.И., Дюргерова Н.Г., Новожилова Н.Н., Патона Б.Е., Лебедева В.К. и др.), дают предпосылки не только для решения отдельных вопросов, но и ставят новые, т.к. не всегда обеспечивают полноту ответа на все вопросы, интересующие производство. В частности, связанные с решением вопросов по обеспечению устойчивости сварки короткой дугой при использовании стандартных тиристорных источников питания.
На протекание данного процесса в пространственных положениях отличных от нижнего (на токах <80А) существенное влияние оказывают возмущения по скорости подачи электродной проволоки (до 15%), изменения
напряжения питающей сети (+/-10 %), высокочастотные помехи и др. При этом текущие изменения тока и напряжения имеют хаотический характер и их мгновенными значениями управлять сложно. Необходимо не только снизить высокий уровень указанных неконтролируемых возмущений, но и обеспечить управление данным процессом.
Таким образом, для сварки короткой дугой, являющейся результатом взаимодействия множества физических процессов, в том числе и сварщика, необходимы меры для обеспечения устойчивости сварочной ванны во всех пространственных положениях, особенно на малых токах (<80 А). Компенсация нестабильностей, накопленных от контролируемых и неконтролируемых возмущений, путем адекватных изменений параметров режима сварки, затруднительна.
Учитывая вышеизложенное, была выполнена настоящая работа, целью которой явилось: обеспечить устойчивость сварки короткой дугой в углекислом газе в различных пространственных положениях и стадиях процесса.
На основании проведенного в первой главе анализа по состоянию вопроса были сформулированы задачи для ее реализации.
Во второй главе изложены основы методологического подхода и разработки распределенной системы управления активными устройствами для полуавтоматической сварки короткой дугой. Это вызвано тем, что обычно с целью повышения качества шва при разработке сварочного оборудования и систем автоматического регулирования все усилия направляют на обеспечение стабильности параметров режима сварки, но для токов свыше 80А. Резкое уменьшение габаритов современных электронных устройств при одновременном повышении их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования электросварочного оборудования, оснащаемого цифровой системой управления.
Третья глава посвящена решению задач по обеспечению устойчивости процесса сварки короткой дугой в углекислом газе за счет повышения устойчивости скорости подачи проволоки (разработки мотор-редуктора) и формирования внешней вольт - амперной характеристики для каждого из этапов процесса (разработки блока цифрового управления для стандартного источника питания типа ВДУ-506).
В четвертой главе приведены результаты практической реализации полученных технических решений. Переходу от частного (конкретного) проектирования полуавтоматов для сварки в защитных газах к блочно-модульному (системному) построению специализированного сварочного оборудования марки «ПАРС», оснащенного цифровой системой управления.
В заключении диссертационной работы приведены общие выводы.
Новое решение актуальной научной задачи, выносимой автором на защиту, заключается в следующем:
1. Разработаны элементы сварочного оборудования, обеспечивающие
устойчивое существование короткой дуги за счет:
повышения стабильности подачи проволоки (± 1.. .2%)
задания статических и управления динамическими характеристиками тиристорного источника питания
организации структуры информационного взаимодействия элементов.
2. Расширена область естественного устойчивого саморегулирования
процесса сварки короткой дугой на малых (< 80А) токах для тиристорного
источника питания за счет отработки в цикле управления только части
величины рассогласования по напряжению и формирования
управляющего воздействия с учетом динамических характеристик
различных условий и стадий процесса.
Динамические характеристики процесса учитываются коэффициентом усиления Ку величины рассогласования по напряжению, значение которой изменяется от 15 до 100 град/В*с.
Практическая ценность работ заключается в реализации полученных технических решений: распределений информационно-измерительной системы дистанционного управления взаимодействием между блоками периферийных устройств, разработанного универсального мотор-редуктора и сварочного источника питания типа ВДУ-516. Разработки доведены до промышленного применения и привязаны к определенному технологическому процессу.
Освоен мелкосерийный выпуск специализированного сварочного оборудования марки «ПАРС».
Работа является итоговым результатом выполненния ряда договоров с заказчиками отдельных отраслей промышленности.
Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научно-технической конференциях: «Экспо-сварка» (Москва, 2000г.), «Сварка Урала-2001» (юбилейная 20-я конференция сварщиков Урала, г.Нижний Тагил, 2001г.), «Современные проблемы и достижения в области сварки» (Петербург, 2002, 2004 и 2006гг.), «Сварка и сопутствующие технологии» (Москва, 2003 и 2005гг.), «Сварка в нефтегазовом комплексе» (Москва, РГУНГ, 2005), «Сварка в энергетике» (г. Иваново, ИГЭУ, 2005г.).
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 128 наименований; содержит 170 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 12 таблиц и 1 приложение.
По материалам диссертации опубликовано 6 статей.
Диссертацнт выражает глубокую признательность за постоянное внимание и поддержку научному руководителю к.т.н. Труху С.Ф. и научному консультанту к.т.н. Сасу А.В., а также коллективу сотрудников ЦНИИТМАШа.
