Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АКУСТИЧЕСКОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ
МЕТАЛЛОВ И СПЕЦИФИКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА
ПЛАЗМОТРОНОВ ...14
1.1. Перспективы использования и область применения плазменного оборудования в технологии обработки металлов 14
1.2. Причины возникновения и основные источники акустических загрязнений в «Системе человек-машина» 21
1.3. Медико-биологическая оценка акустических загрязнений при использовании плазменных технологий и их влияние на организм человека 28
1.4. Анализ методов исследований и путей борьбы с акустическими загрязнениями при плазменной обработке металлов 31
1.5. Постановка задачи исследования 36
2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ЭКСПЕРИМЕНТ АЛЬНЬК МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ 38
2.1. Методологический подход к исследованию аэродинамического шума плазменного оборудования. Требования к комплексу экспериментальных методов исследования 38
2.2. Методы исследования акустических характеристик плазменного оборудования в «Системе человек-машина» 43
2.2.1. Метод исследования акустических характеристик плазменного оборудования в режиме реального процесса 43
2.2.2. Метод исследования резонансных акустических явлений в условиях диффузного звукового поля 58
2.2.3. Метод исследования характеристик направленности излучения АШ плазмотрона в условиях свободного звукового поля 67
2.2.4. Метод исследования и сравнительной оценки эффективности защитных устройств в режиме реального процесса 79
2.3. Метод разделения источников аэродинамического шума
в «Системе плазмотрон-материал» и определение их энергетичес
кого соотношения 82
2.4. Медико-биологическая оценка воздействия спектральных характеристик аэродинамического шума при плазменной обработке металлов 92
Выводы по главе 96
3 .ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ШУМА ПЛАЗМОТРОНА 98
3.1. Основные источники аэродинамического шума струи плазмотрона, природа возникновения и распространения звуковых колебаний 98
3.2. Физическая модель генерации звука и расчет акустических характеристик плазмотрона в нормируемом диапазоне слышимых частот 106
3.3. Физическая модель генерации звука и расчет акустических характеристик плазмотронов в нормируемом диапазоне ультразвуковых частот 119
3.4. Экспериментальная проверка основных теоретических положений и методов расчета акустических характеристик аэродинамического шума плазмотрона 127
3.5. Влияние температуры на процесс шумообразования в плазмотроне 135
Выводы по главе 138
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ БОРЬБЫ С АЭРОДИНАМИ ЧЕСКИМ ШУМОМ ПЛАЗМОТРОНА В ИСТОЧНИКЕ ЕГО ОБРАЗОВ АНИЯ И ПРОВЕРКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ 140
4.1. Научные основы процесса возникновения и распространения звука в канале переменного сечения плазмотрона 140
4.2. Основные направления проектирования газовоздушных трактов плазмотронов 150
4.3. Проектирование газовоздушного тракта плазмотрона с постоянной площадью проходного сечения 157
4.4. Проектирование газовоздушного тракта с линейным изменением (уменьшением) площади проходного сечения 162
4.5. Комбинированная схема проектирования газовоздушного тракта плазмотрона 166
4.6. Исследование влияния формы и размеров катода на аэродинами ческий шум плазмотрона . 169
Выводы по главе 173
5. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ БОРЬБЫ С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ ШУМОМ ПЛАЗМОТРОНА НА ПУТИ ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ИСТОЧНИКА 174
5.1. Разработка средств снижения аэродинамического шума плазмо
трона методом звукопоглощения 174
5.1.1. Акустическая классификация плазмотронов и методика проектирования звукопоглощающих защитных устройств (ЗПЗУ) 174
5.1.2. Исследование эффективности звукопоглощающих элементов (ЗПЭл) для плазмотронов прямого действия 181
5.1.3. Исследование эффективности звукопоглощающих экранов (ЗПЭк) для плазмотронов косвенного действия .....185
5.2. Разработка средств снижения аэродинамического шума плазмотрона методом звукоизоляции 191
5.3. Исследование влияния положения защитного устройства на спектральные характеристики аэродинамического шума плазмотрона 206
Выводы по главе 212
6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В БОРЬБЕ С АКУСТИЧЕСКИМИ ЗАГРЯЗНЕНИЯМИ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ 213
6.1. Разработка и исследование конструкции плазмотрона с пониженной
звуковой мощностью І 213
6.1.1. Исследование влияния конструкции ГВТ на эксплуатационные характеристики плазмотрона 213
6.1.2. Расчет интенсивности конвективного теплообмена при охлаждении катода. Методика расчета коэффициента теплоотдачи 218
6.1.3. Сравнительные испытания и исследования стойкости катодов 221
6.1.4. Пример расчета конструктивных элементов плазмотрона 224
6.2. Разработка и исследования конструкции защитного устройства 229
6.2.1. Исследование звукопоглощающих свойств материалов 229
6.2.2. Разработка устройства для создания гидродинамического кольцевого струйного экрана (ГКСЭ) 234
6.3. Разработка технического задания на проектирование системы обеспечения нормируемых параметров при плазменной резке металлов 236
6.4. Расчет ожидаемой социально-экономической эффективности от внедрения плазмотрона с пониженной звуковой мощностью и звукопоглощающего защитного устройства 252
Выводы по главе 261
Общие выводы и результаты работы 262
ЛИТЕРАТУРА 265
ПРИЛОЖЕНИЯ 275
- Перспективы использования и область применения плазменного оборудования в технологии обработки металлов
- Методологический подход к исследованию аэродинамического шума плазменного оборудования. Требования к комплексу экспериментальных методов исследования
- Основные источники аэродинамического шума струи плазмотрона, природа возникновения и распространения звуковых колебаний
Введение к работе
Одной из характерных тенденций научно-технического прогресса в создании новой техники и технологии является использование результатов фундаментальных и прикладных исследований, накопленных в области физики плазмы и газовой динамике.
Развитие на этой основе плазменной техники и технологии послужило с начала 1970-х годов интенсивному проникновению низкотемпературной плазмы (НТП) в технологию машиностроения, металлургию, химическую и другие отрасли промышленности. Благодаря возможности регулирования в широких
пределах тепловых (Т~5 10 5010), энергетических (плотность энергии
2 Ю5...210бВт/см2) и газодинамических (Рпог -0,1». 0,6 МПа, Re = 102...106) параметров низкотемпературная плазма в настоящее время используется в таких процессах обработки материалов как резка, сварка, занесение покрытий, ллаз-менно-механическая обработка, нагрев, наплавка и др. [1, 2].
В «Основных направлениях экономического развития страны на период до 2000 года» было намечено расширить в 1,5-2 раза применение прогрессивных базовых технологий и обеспечить широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новой плазменной техники и технологии, сократив в 3-4 раза сроки их разработки и освоения...
Дополнительно предполагалось увеличить выпуск деталей машин и сварных металлоконструкций с газотермическим покрытием в 10 раз, а количество наплавляемого металла в 4,8 раза. Широкое использование методов высокотемпературного распыления для получения покрытий обусловлено сокращением запасов многих материалов, их удорожанием и связанное с этим повышение роли ремонта и восстановления деталей, изготовление изделий из дорогих и дефицитных материалов, а также достижениями в развитии и совершенствовании технологии нанесения покрытий и оборудования [3, 4].
В настоящее время признано, что приоритетным направлением в области технической политики, связанной с повышением долговечности и надежности машин и механизмов в условиях высоких и низких температур, агрессивных сред, повышенного давления и других, приводящих к интенсивному износу и выходу изделия из строя, является использование плазменных технологических методов. В отношении машин и деталей, где в основном работает поверхность такой технологической обработкой является плазменное напыление и плазмен-
7 пая наплавка. Эти технологические процессы позволяют увеличить ресурс работы оборудования путем восстановления его функциональных свойств и придания наиболее нагруженным поверхностям деталей более высоких эксплуатационных качеств.
Современный технологический уровень восстановления и упрочнения поверхности деталей плазменными методами позволяет получить значительный технико-экономический эффект за счет увеличения жаропрочности, коррозионной и износостойкости, ресурса работы деталей, машин, механизмов, инструмента, оснастки, экономии сырья, материалов и трудовых ресурсов. Высокая технологическая гибкость и универсальность нанесения плазменных покрытий на различные обрабатываемые изделия и материалы позволяют получить поверхность разного функционального назначения толщиной от 1-5 микрометров до нескольких миллиметров.
В настоящее время универсальность плазменного оборудования для нанесения покрытий может быть приближена к характеристикам лазерных установок при значительно меньших затратах энергопотребления, стоимости и габаритах. Установки для нанесения плазменных покрытий обладают широкими возможностями в оптимизации технологических процессов и выборе порошковых материалов, что позволяет использовать данную технологию в различных производствах.
Высокая концентрация энергии плазменной струи и значительная скорость ее истечения позволяют независимо от физико-механических свойств материала быстро расплавлять и удалять его из зоны обработки. Эти особенности низкотемпературной плазмы сделали ее незаменимой при резке высококачественных и композиционных материалов, цветных металлов и химически чистых веществ, обладающих высокой износостойкостью, жаропрочностью, жаро- и хладостойкостью, и др. совершенно новыми физическими свойствами. Так при резке алюминиевых сплавов плазменная разделка листа в 8 раз быстрее, чем та же операция, выполняемая механическим способом, а расходы на ее осуществление в 30-35 раз ниже. Переход от ручных машин к высокопроизводительным плазменным установкам с фото- и магнитокопировалъными устройствами и цифровым программным управлением позволил дополнительно увеличить скорость резки листового проката, труб и металлических заготовок в 3...5 раз и поднять коэффициент использования материала до 0,9...0,95 [5].
Разработка современных плазменных установок связана с решением комплекса проблем, охватывающих такие показатели, как надежность в работе, технологичность в изготовлении, экономичность и др. Наиболее сложной задачей в проектировании нового плазменного оборудования является сохранение этих показателей при обеспечении его безопасной эксплуатации. При создании новой конструкции плазмотронов должны учитываться все возможные отклонения параметров, способных изменить или повлиять на условия в системе «человек-машина».
В ходе разработки и ускоренного освоения новой плазменной технологии стратегическим направлением в ее развитии является создание и обеспечение благоприятных санитарно-гигиенических условий для высокопроизводительного труда операторов плазменных установок, внедрение совершенной техники, обеспечивающей снижение производственного травматизма, и устраняющей профессиональные заболевания.
Важное место в снижении заболеваемости и повышении трудоспособности работающих с низкотемпературными плазменными установками занимают вопросы борьбы с производственным шумом, интенсивность которого возрастает с повышением основных технических параметров технологического процесса; подводимой мощности, температуры, скорости обработки, давления ПОГ и др.
Характерной тенденцией в развитии плазменной техники и технологии является увеличение удельного веса аэродинамического шума и расширение спектра его излучения в область высоко- и ультразвукового частотного диапазонов [1,6]. Уровни звука в рабочей зоне оператора при выполнении ряда плазменных технологических процессов достигают 120... 130 дБА. Наибольшее отклонение (20...30 дБ) от допустимых значений наблюдается в диапазоне 1...20 кГц [6, 7].
Многочисленными исследованиями ученых Московского НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана под руководством А. В. Ильницкой, ВНИИАВТОГЕН-МАШа под руководством Н. И. Никифорова и института Охраны труда (г. Санкт-Петербург) под руководством И. С. Алексеевой установлено, что в условиях комбинированного воздействия опасных и вредных производственных факторов даже малое превышение высокочастотного шума и ультразвуковых колебаний оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние организма человека, что обуславливает высокую заболеваемость работающих, временную утрату их трудоспособности, снижает производительность
9 труда [8, 9, 10]. Разработанные ими основные направления по борьбе с шумом, методики оценки его воздействия на организм человека, технологические мероприятия по уменьшению его энергетических уровней актуальны и применяются в настоящее время. Одним из научных направлений в вопросах снижения шума плазменного технологического оборудования является выявление его основных источников и воздействие на них. Такой подход весьма эффективен, т.к. не требует значительных энергозатрат и дополнительных вложений на оборудование. Однако, его практическая реализация затруднена из-за недостаточного объема исследований в этой области, сложности проведения эксперимента с высокотемпературным энергетическим объектом — плазмотроном, а также из-за отсутствия комплексного подхода в экспериментальных исследованиях и оценки акустического воздействия в системе «человек-машина» (СЧМ).
Сравнительный анализ данных, полученных при исследовании шумового фактора плазменного оборудования в США, Германии, Японии, странах СНГ и др. показал, что проблема снижения аэродинамического шума в условиях интенсивного развития плазменной технологии и ужесточения санитарно-гигиенических требований по акустическому фактору является весьма актуальной задачей и требует проведения дополнительных исследований, что является основанием для выполнения представленной работы.
Соответствие акустических характеристик выпускаемого отечественной промышленностью плазменного оборудования требованиям норм по шуму является одним из важнейших эргономических критериев, по которым определяется техническое состояние, качество и его конкурентоспособность на международном рынке.
В настоящей работе изложены результаты исследования аэродинамического шума основных технологических процессов, полученные с помощью разработанного комплекса экспериментальных методов.
На основании экспериментальных и теоретических исследований определены основные источники шума для различных плазменных технологических процессов, установлены закономерности образования и распространения шума в системе «плазмотрон-материал» (СГГМ), что послужило основой для разработки принципов конструирования малошумных плазмотронов и защитных устройств, обеспечивающих снижение аэродинамического шума непосредственно в источнике его образования — плазмотроне и на пути распространения — в зоне плазме нно-дуговой обработки (ЗПДО).
10 Актуальность работы. Одним из основных направлений развития плазменных технологий в промышленности является непрерывное повышение основных технологических параметров оборудования и совершенствование процессов с целью их широкого внедрения в сборочно-сварочном производстве для раскроя металлопроката, в заготовительном для разделки объектов гражданского, военного и специального назначения, в ремонтных производствах для восстановления и упрочнения деталей. В связи с широким внедрением плазменных процессов возникает ряд проблем, связанных с исследованием взаимодействия низкотемпературной плазмы (НТП) с окружающей средой, обеспечением безопасной эксплуатации оборудования, анализом воздействия НТП на организм человека. Одним из неблагоприятных производственных факторов, возникающих при работе плазменного оборудования, является аэродинамический шум (АШ), уровни которого достигают, в ряде случаев 120-130 дБ А, приближаясь к болевому порогу. Наибольшее увеличение (20-30 дБ) уровней звукового давления (УЗД) от допустимых значений наблюдается в диапазоне высоких и ультразвуковых частот (1-20 кГц) и носит резонансный характер.
Анализ результатов медико-биологических исследований, проводимых в нашей стране и за рубежом, показал, что даже незначительное превышение шума оказывает неблагоприятное влияние на организм человека. Действию высоких уровней высокочастотного шума и ультразвуковых колебаний подвергаются тысячи людей, обслуживающих плазменное оборудование.
Учитывая масштабы использования и перспективы развития плазменных технологий в промышленности, очевидно, что снижение АШ плазменного оборудования является актуальной научно-технической проблемой, решение которой должно способствовать улучшению условий труда, повышению культуры производства, защите окружающей среды от акустических загрязнений. Поэтому задача акустических исследований таких малоизученных явлений как резонансные колебания в спектре АШ, их зависимость от конструктивных особенностей плазмотрона и технологических параметров процесса ( подводимой мощности, температуры, давления ПОГ и др. ) становится важной на этапе проектирования плазмотронов и разработки рекомендаций по снижению АШ, как одного из источников загрязнения окружающей среды.
Теоретические аспекты борьбы с шумом плазменного оборудования недостаточно исследованы, отсутствуют сведения о методах исследований АШ, механизме и закономерности его образования и распространения в пространст-
ве, нет необходимых основ для проектирования малошумных плазмотронов, а известные мероприятия по снижению шума не обладают необходимой эффективностью. Углубление знаний о закономерностях существующих и разработка новых путей в решении проблемы акустического загрязнения при работе плазменного оборудования позволит восполнить пробел в этой области и заменить существующие плазмотроны — на малошумные.
В практике промышленно-развитых стран накоплен опыт снижения производственного шума в других сферах деятельности, что не может быть механически перенесено на плазменные технологии, так как они имеют ряд специфических особенностей обусловленных высокой температурой и околозвуковыми скоростями истечения плазменной струи, широким частотным диапазоном генерируемого АШ, малыми габаритами источника и др.
Поэтому, хотя при решении ряда задач снижения шума плазменного оборудования использовались классические труды отечественных и зарубежных ученых в области акустики и сварки Е. Я. Юдин, А. Г. Мунин, В. И. Заборов, Г.Л. Осипов, Е. Скучик, Ф. Морз, Дж. Лайтхилл, А. В. Донской, В. С. Клуб-никин, К. В. Васильев и др., полученные в настоящей работе теоретические и экспериментальные результаты носят основополагающий характер.
Отдельные разделы работы, представленные в диссертации, проводились по планам важнейших научно-исследовательских работ в области сварочной технологии, охраны труда и защите окружающей среды.
Исследования выполнялись в соответствии с Программой работ, обеспечивающей решение научно-технической проблемы ГКНТ 0.72.01 подпрограммы Д задания 07.I0.H «Программа работ МНТК «Институт электросварки им. Е. О. Патона» АН Украины, приказом Министра оборонной промышленности № 880 от 01.12.89 г.
Цель работы - изучение закономерностей и научное обоснование процессов генерации и распространения АШ, разработка методологических основ расчета и проектирования малошумных плазмотронов и шумозащитных устройств, обеспечивающих улучшение условий труда при эксплуатации плазменных установок. Объектами исследований являются процессы плазменной резки, напыления, наплавки, плазменно-механической обработки металлов с полной информацией, адекватно отражающей параметры и режимы процессов и условия эксплуатации оборудования.
В качестве методологической основы работы использованы классические
труды отечественных и зарубежных ученых по общей акустике, аэродинамике, теории колебаний, сварочной технологии, патентные материалы и достижения в области борьбы с АШ в различных отраслях промышленности, теория и практика конструирования оборудования. Экспериментальные исследования выполнены в производственных (натурных) и лабораторных условиях, а теоретические модели проверялись экспериментально с помощью известных методов акустического анализа с использованием современной электроакустической аппаратуры и других средств измерений.
Научная новизна. Представленные в работе исследования, научно обоснованная методология комплексной оценки акустического фактора и научные основы создания малошумного оборудования для плазменной обработки металлов разработаны впервые и носят основополагающий характер. Они направлены на решение важной научно-технической проблемы снижения АШ плазменного оборудования, широко используемого в различных сферах производства.
Анализ результатов работы по исследованию шума на производстве позволил классифицировать плазменное технологическое оборудование по степени шумности и определить физическую природу шумообразования основных источников.
Выполнен синтез акустических моделей основных типов и конструкций плазмотронов, которые представлены как источники генерации АШ с внутренним резонансным возбуждением пульсаций турбулентного потока плазмообра-зующего газа (ПОГ) на собственных частотах газовоздушного тракта (ГВТ) плазмотрона. Показана возможность использования теории возникновения и распространения плоских звуковых волн в замкнутом пространстве — ГВТ плазмотрона и определены границы применения теории генерации звука для рассмотренных условий.
Разработана акустическая модель плазмотрона и установлены зависимости акустических характеристик от формы и размеров ГВТ плазмотрона и технологических параметров процесса. Определены характеристики направленности излучения звука в полярных координатах и установлена связь между пространственными и спектральными характеристиками АШ струи плазмотрона. На этой основе разработан комплекс экспериментальных методов исследований и конструктивно-технологические методы шумоглушения плазменного оборудования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований распро-
13 странения звука в пространстве позволяют проводить на стадии проектирования расчеты эффективности средств звукопоглощения и звукоизоляции для различных технологических процессов.
Совокупность разработанных автором методов теоретических и экспериментальных исследований, а также полученные на этой основе результаты являются научной базой в решении прикладных задач снижения АШ плазменного оборудования.
Практическая значимость работы. Предложен комплекс методов экспериментальных исследований в производственных и лабораторных условиях для определения спектральных, энергетических и пространственных характеристик АШ плазмотронов для различных плазменных технологических процессов.
Совокупность выполненных теоретических и экспериментальных исследований обеспечивает решение практических задач борьбы с акустическими загрязнениями на этапах проектирования и модернизации серийных конструкций плазмотронов. Выполнены массовые исследования акустических характеристик в цехах сборочно-сварочных, заготовительных и ремонтных производств, определены уровни звуковой мощности (УЗМ) для основных видов технологического оборудования, определены источники акустического загрязнения и дана классификация плазменного оборудования по степени шумности и природе его образования.
Разработана методология борьбы с АШ плазмотронов, включающая комплекс методов шумоглушения внутреннего и внешнего источников АШ в зависимости от конструктивных и технологических параметров.
Рекомендации по снижению акустических загрязнений и комплекс разработанных методов борьбы с АШ в источнике и на пути распространения применяются в проектных организациях и на действующих предприятиях при проектировании нового и модернизации действующего оборудования.
Предложенные на основе теоретико-экспериментальных исследований рекомендации по снижению АШ плазмотронов были проверены в производственных условиях и показали их достаточно высокую акустическую эффективность.
По результатам исследований разработаны конструкции ручных и механизированных малошумных плазмотронов и установок для плазменной резки, которые выпускаются по Техническим условиям и внедряются в действующие производства для раскроя металлопроката и разделки металлолома. Новизна ряда конструкций плазмотронов и шумозащитных устройств защищена авторскими свидетельствами, патентами, отмечена медалью ВДНХ.
class1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АКУСТИЧЕСКОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКЕ
МЕТАЛЛОВ И СПЕЦИФИКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА
ПЛАЗМОТРОНОВ class1
Перспективы использования и область применения плазменного оборудования в технологии обработки металлов
В настоящее время процессы плазменной обработки нашли широкое применение в промышленности во всех экономически развитых странах мира. Высокий уровень развития плазменной техники и технологии стал возможен благодаря результатам фундаментальных и прикладных исследований, достигнутых русскими и зарубежными учеными по механике сплошных сред. Как один из предметов фундаментальной науки низкотемпературная плазма (НТП) с температурой 5 10 ...50 10 К первоначально использовались в авиа- и ракетостроении для решения ряда «космических» задач, связанных с имитацией входа космических аппаратов в плотные слои атмосферы, для создания газовых потоков с заданными параметрами скоростей и температур в аэродинамических трубах [1] для ускорения протекания физико-химических процессов и т. п. [11,12].
Такие свойства НТП как высокая температура и концентрация энергии (до 100 кВт/см ) в практически неограниченных объемах, возможность создания контролируемой атмосферы, отсутствие ограничений на состав обрабатываемого материала, высокая производительность, сравнительная простота и другие свойства плазмы позволили осуществить массовое внедрение результатов фундаментальных исследований и создать на их основе уникальные технологии для обработки материалов.
Перечисленные достоинства позволяют использовать плазму для следующих целей [13, 14, 15, 16]:
1. Производство высоколегированных сталей и других материалов с высокими физико-механическими свойствами; 2 — прямое восстановление металлов и неметаллов из руд и концентратов; 3 — производство ферросплавов; 4 -повышение температуры в нагревательных печах, конверторах и т.д.; 5 — сфе-роидизация окислов и карбидов металлов и чистых металлов; 6 — обработка металлов и других материалов (резка, напыление, сварка, плазменно-механическая обработка и др.).
Применение НТП в металлургии при использовании плазменно-дуговых печей повышенной мощности позволил решить важнейшую для отечественной промышленности проблему — получение высокоазотных, аустенитных, легированных и жаропрочных сталей и их сплавов. Промышленное производство легирующих элементов, тугоплавких неорганических соединений и сверхчистых твердосплавных порошков, входящих в состав этих металлов также обеспечивается принципиально новым технологическим процессом, плазмохимиче-ским синтезом, основанным на применении НТП.
Низкотемпературная дуговая плазма как локальный легкоуправляемый источник нагрева широко применяется за рубежом: в Германии созданы печи для переплавки вольфрама; в США для переплавки шихты из прессованного титана: в Англии для рафинирования сплавов на основе никеля и кобальта, а бельгийская фирма «Аркос» разработала плазменную установку мощностью 12000 кВт с тремя плазмотронами для переплава медных, титановых и танталовых руд [14].
Накопленный опыт показывает, что применение плазменного нагрева в полунепрерывных плазменных процессах (переплав в водоохлаждаемый кристаллизатор и восстановление металлов) позволило не только повысить экономическую эффективность процесса, но и получить металлы принципиально нового состава и высоких физико-механических свойств, так необходимых современному производству [13,14,15].
Создание на основе НТП новых технологических процессов с замкнутыми циклами позволяет решать не только конкретные задачи, стоящие перед металлургическим, химическим и другими производствами, но и осуществить одну из глобальных проблем, стоящих перед человечеством — снизить уровень загрязнения окружающей среды [12].
Достижением в области прикладных исследований НТП является ее использование в развитии сварочной науки и техники. Основной характеристикой при определении технико-экономических показателей сварочного производства является объем выплавки стали, используемой в производстве сварных конструкций. Предполагается [15], что объем стали, используемой в нашей стране в сварочном производстве к 2000 году увеличится на 20%, а общемировой объем сварочных работ удвоится при росте выплавке стали по сравнению с существующим в 1,7-1,8 раза. Темпы развития сварочного производства в СССР по объему выработки сварочных конструкций за последние сорок лет возрос более, чем в 51 раз; в Польше к 1990 году выпуск сварочных конструкций по сравнению с 1979 годом возрос в 2,7 раза, в Венгрии в 3 раза, в Чехии - в 2,4 раза.
Темпы наращивания производства стали одновременно сочетаются с улучшением качества металла, путем придания ему особых физико-механических свойств, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики при одновременном снижении экономических затрат. Ускоренное развитие производства высококачественных сталей, химически чистых, композиционных и неметаллических материалов потребовало разработки и промышленного освоения новых конструктивно-технологических решений по их обработке.
Анализ развития основных способов обработки материалов показывает, что в различных странах уровень разработок и внедрения новых плазменных технологий настолько повысился, что в ряде случаев они вытеснили традиционные газокислородные и электродуговые способы обработки.
В настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности внедряются различные виды технологических процессов, основанных на плазм ен-но-дуговом нагреве: плазменная резка, напыление, сварка, наплавка, плазмен-но-механическая обработка и др.
Внедрение любого плазменного процесса в промышленность сопровождается значительным экономическим эффектом. Годовая экономия от применения лишь одного процесса — плазменной резки в среднем по стране составляет более 4 млн. руб. [17]; внедрение плазменной выборки дефектов в ПО «Кировский завод» обеспечило экономию высокопрочной стали до 72,5 т в год; а одновременное использование воздушно-плазменной резки с электронно-вычислительной техникой в технологических линиях с программным управлением позволило получить экономию листового проката на углеродистых и легированных сталей — 600 т в год [15], на ряде предприятий машиностроения внедрена технология для удаления дефектных и изношенных слоев при зачистке поверхности слябов и блюмов из высоколегированных сталей, что позволило увеличить производительность труда почти в 10 раз [17,19].
Методологический подход к исследованию аэродинамического шума плазменного оборудования. Требования к комплексу экспериментальных методов исследования
Развитие теоретических основ генерации шума и разработка принципов проектирования малошумных плазмотронов и защитных устройств (ЗУ), обеспечивающих снижение шума на пути его распространения, в значительной степени затруднено из-за отсутствия экспериментальных данных и общефизических представлений об источниках шума, природе и механизме его образования.
Согласно ГОСТ 21033-75 систему, состоящую из окружающей среды, в которой действуют человек-оператор и машина-плазмотрон, являющийся источником звука, можно обозначить как систему «человек-машина» (СЧМ) и представить ее в виде взаимодействующих между собой элементарных звеньев, состоящих из «источника», генерирующего звуковые колебания; «преобразователя», уменьшающего или увеличивающего амплитуду звуковых волн; «звуко-провода», обеспечивающего распространение звуковых волн в окружающее пространство и «приемника» звука, воспринимающего звуковые колебания.
На рис. 2.1 приведена схема взаимодействия и постоянного изменения элементов, входящих в СЧМ, чем и обусловлена совокупность происходящих в этой системе процессов. Ее равновесие зависит от технического состояния оборудования и технологических параметров процесса, санитарно-гигиенических условий окружающей среды и физиологических особенностей человека, обслуживающего установку. Поскольку первичным звеном - источником генерации звуковых колебаний является машина (плазмотрон), то ее акустическая характеристика (звуковая мощность, уровень звукового давления в полосах частот) и будет определять, в Рассматривая СЧМ применительно к плазменному процессу, следует отметить, что одним из источников генерации шума является зона плазменно-дуговой обработки (ЗДДО) или иначе система «плазмотрон-материал» (СПМ).
Основными источниками, генерирующими звуковую энергию в этой системе являются: плазмотрон; плазменная струя; столб электрической дуги; зона взаимодействия плазменной дуги с обрабатываемым материалом; факел плазмы, газов и других продуктов обработки.
Рассматривая эти источники как составляющие шума СПМ, можно предположить, что, воздействуя на каждый из источников в отдельности или комплексно, изменяются акустические характеристики этой системы и шумовой фактор в СЧМ. Решая проблему снижения шума, можно выделить две задачи: первая связана с источником шума — СПМ, вторая — с распространением шума в окружающей среде и его восприятием.
Известно [79-81], что наиболее эффективными методами борьбы с шумом являются воздействия на источник его образования. В системе «плазмотрон-материал» основным источником шума, определяющим ее акустические характеристики, является плазмотрон, шум которого зависит от технологических параметров и его конструкции. Природа шума носит как электромагнитный характер, так и аэродинамический и зависит от электрических параметров столба дуги, физико-химических параметров плазмообразующей среды и конструктивных параметров газовоздушного тракта (ГВТ) плазмотрона.
В связи с этим следует выделить две проблемы, связанные с шумом плазмотрона: первая касается решения «внутренней» задачи и предусматривает изучение влияния конструктивных параметров ГВТ (формы, размеров) и ряда технологических (давления и расхода ПОГ, тока и напряжения на дуге) на генерируемый плазмотроном «внутренний» аэродинамический шум; вторая «внешняя» задача решает вопросы, связанные с истечением плазменной дуги на выходе из сопла — «внешним» шумом плазмотрона. Задача, связанная с генерацией «внутреннего» аэродинамического шума плазмотрона, решается путем проектирования проточной части ГВТ и нахождения оптимальных значений газодинамических параметров ПОГ. Снижение «внешнего» шума плазмотрона достигается путем проектирования и разработки защитных устройств (ЗУ), обеспечивающих снижение шума непосредственно в ближней зоне его возникновения — ЗГЩО.
Основные источники аэродинамического шума струи плазмотрона, природа возникновения и распространения звуковых колебаний
Низкотемпературные плазменные процессы (Н11 ill) представляют собой новую технологию обработки металлов, в связи с чем возникли и новые проблемы, связанные с акустическим воздействием на окружающую среду. Шум плазменной струи достигает в настоящее время таких величин, что необходимо принимать специальные меры по его уменьшению. Для определения требуемых величин уменьшения шума плазмотрона и выбора его конструкции, а также рационального размещения рабочего места и плазменного оборудования на рабочей площадке необходимо знать акустические характеристики плазмотрона, т.е. его звуковую мощность, частотный состав и характеристики направленности шума.
При проектировании плазмотронов получить эти данные можно только расчетным путем. С этой целью была разработана теоретическая модель генерации звука и осуществлена экспериментальная проверка теоретического метода в условиях как модельных, так и натурных испытаний плазмотронов. Теоретическая модель, используемая для расчета генерации шума плазменной струи должна обеспечить адекватное описание газодинамических и акустических свойств плазмотрона.
Изучение акустических явлений потока начато Гутиным Л.Я., разработавшим теорию шума воздушного винта [114]. Однако более подробно теория аэродинамического шума струи была исследована Лайтхиллом [86, 93] и развита в работах Пауэлла [115, 116]. Авторы рассматривают потоки как сконцентрированные области завихренности, генерирующие пульсации давления и плотности не только в непосредственной близости от струи, но и на больших расстояниях, где, достигая наблюдателя, воспринимаются ими как звук.
Для выяснения природы АШ плазменной струи была рассмотрена теория шума турбулентной струи. Воздушная струя с большим числом Рейнольдса, истекающая из сужающего сопла в покоящуюся среду показана на рис. 3.1. После ее выхода из сопла между внешними границами движущегося потока и неподвижной окружающей средой образуется кольцевая зона смешения. Начиная отсреза сопла, поток становится турбулентным и линейно расширяется до тех пор, пока на расстоянии 4 -5 калибров не заполнит всю струю. Толщина кольцевой зоны смешения достигает величины (0,2 - 0,25) длины от среза сопла. Течение по оси струи, ограниченное турбулентным кольцевым потоком, остается ламинарным и характеризуется постоянной скоростью, равной скорости истечения потока. Эту часть струи принято называть ядром, а участок, в котором оно находится, называется начальным участком. Внешняя граница зоны смешения в действительности не происходит по прямой линии, как это показано на рис. 3.1, а имеет вид, показанный на рис. 3.2. На этом участке струи пограничный слой заполняет все поперечное сечение потока, расширяясь по периферии и размывая ядро, что сопровождается падением скорости по оси.
