Введение к работе
Актуальность работы. В сварочном производстве при изготовлении сварных изделий широко применяется сварка с использованием в качестве источника энергии конденсаторов. Конденсатор относится к накопителям энергии, в которых происходит накопление энергии электрического ноля и преобразование её в процессе разряда в другие виды энергии. При сварке энергия, накопленная в конденсаторе, преобразуется в тепловую энергию формирования сварного соединения.
Конденсаторы обеспечивают одинаковую энергию импульсов в процессе импульсной сварки, ч(о обеспечивает стабильность качества сварных соединений. Конденсаторную сварку используют для соединения деталей малых толщин и диаметров. На конденсаторных машинах сваривают изделия, не допускающие коробление вследствие нагрева или содержащие элементы, температура нагрева которых ограничена, а также сваривают материалы с высокой температуро- и электропроводностью, с различными физико-химическими свойствами. Конденсаторные машины, по сути дела, являются одним из основных видов оборудования для сварки в электронике и приборостроении.
К недостаткам электрических конденсаторов относятся чрезмерная «жёсткость» импульсов сварочного тока, трудности управления током в процессе сварки, ограниченная производительность, связанная с низким темпом циклирования электролитических конденсаторов, низкий срок службы конденсатов из-за больших токов и электродинамических нагрузок.
В электротехнике также применяют магнитные накопители энергии, которые имеют более высокие энергетические показатели и с помощью которых могут быть устранены недостатки конденсаторных машин. Накопление магнитной энергии происходит в рабочих зазорах электромагнитных устройств. В электрических двигателях и трансформаторах накопление энергии может осуществляться импульсами от источника питания при большом магнитном сопротивлении рабочих зазорах. В электрических генераторах накопление энергии может осуществляться в результате преобразования механической энергии в магнитную энергию при короткозамк-нутой обмотке, а передача энергии нагрузке осуществляться импульсами при большом магнитном сопротивлении рабочих зазоров. Электрические машины, в которых передача энергии осуществляется импульсами при большом магнитном сопротивлении, названы импульсными магнитного сопротивления (ИМС) электрическими машинами. В таких Машинах зарядка, разрядка магнитного накопителя и магнитомеханическое преобразование энергии разделены во времени, поэтому в ИМС электрических машинах используется только одна совмещённая обмотка. Для расширения параметров управления могут использоваться две обмотки.
РОС ~ТТ^МАя"
гоор>.
ИМС электрические машины ещё мало исследованы и привлекают новыми свойствами и высокими энергетическими показателями, такими как высокая удельная мощность на единицу массы, повышенный КПД, надёжность в работе.
Получаемые на выходе импульсы от генераторов и трансформаторов, как от источников с магнитным накопителем, имеют энергию независимую от параметров нагрузки. Параметры импульсов, в отличие от ёмкостных накопителей как бы «приспосабливаются» к параметрам дуги. С повышением активного сопротивления увеличиваются амплитуда напряжения и мощности и уменьшаются с понижением активного сопротивления. Это способствует повышению стабильности дуги, снижению вероятности прожигания деталей. Поэтому разработка и исследование ИМС электрических машин является актуальной.
Цель работы. Целью работы является улучшение энергетических параметров ИМС электрических машин и расширение технологических возможностей электрической дуги при импульсной сварке, а также формирование оптимального по мощности импульса накопителя магнитной энергии.
Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, заключаются в следующем:
исследовать реакцию ёмкостных и магнитных накопителей энергии на изменение активного сопротивления дугового промежутка, которое происходит в процессе сварки;
усовершенствовать ИМС электрические машины, содержащие в своей основе магнитные накопители энергии, применительно к процессам сварки и устройствам электромеханики;
исследовать свойства и технологические возможности ИМС электрические машины;
применить ИМС электрические машины в технологии сварки и устройствах электромеханики;
определить оптимальные режимы сварки ИМС электрическими машинами;
- экспериментальное исследование структуры металла и свойств
сварного соединения.
Методы исследования Для исследования работы ИМС электрических машин используются (^дифференциальных уравнений механики и электродинамики. В дифференциальных уравнениях содержаться более полные и всесторонние свойства объекта. Вначале модель предельно упрощалась. Это даёт возможность получать в большинстве случаев, решение дифференциальных уравнений в аналитическом виде. Более полная информация об ИМС электрических машинах получена решением дифференциальных уравнений с минимальными упрощениями в численном виде с помощью компьютерных пакетов программ MathCAD.
Описаны тепловые воздействия в сварочном процессе использованием дифференциального уравнения теплопроводности. Решение задачи оптимизации тепловых процессов осуществлялось с помощью плоских, распределённых во времени, тепловых источников, с использованием вариационных методов. Для определения качества сварки проводились исследования микроструктуры и испытания на разрыв.
Исследование сварочного процесса проводилось с помощью специально изготовленной сварочной установки.
Экспериментальные исследования ИМС электрических проводились на специально разработанном стенде и специально разработанных датчиков положения.
Для определения преимуществ ИМС электрических машин проводились сравнительные теореіические и экспериментальные исследования энергетических показателей при импульсном и непрерывном режиме питания.
Научная новизна работы.
Впервые разработаны элементы теории ИМС электрических машин с магнитным накопителем энергии, включающие анализ цикла работы и энергетических преобразований.
Для технологии сварочных процессов предложен импульсный сварочный источник, разработанный на основе импульсной электрической машины магнитного сопротивления.
Для расчёта тепловою процесса сварки разработана одномерная математическая модель с учётом изменения мощности источника во времени.
Для определения оптимального режима сварочного импульса поставлена и решена задача оптимизации теплового процесса сварки с использованием схемы плоского источника.
Практическая ценность
ИМС электрические машины применены для сварки.
ИМС электрические двигатели применены в качестве линейных шаговых двигателей и имеются акты о внедрении и испытаниях.
ИМС электрические машины могут найти применение для отбойных молотков, прессов и штамповочном оборудовании, в производстве шаговых двигателей, в мощных электрофизических установках, в новых видах сварки и др.
Результаты исследований могут быть использованы при проектировании таких машин и в учебном процессе преподавания специальных разделов электрических машин. Применяемые методы могуі бьль, так же, использованы для исследования переходных процессов в электромеханических системах
На защиту выносятся.
Сравнительные характеристики импульсных конденсаторных и магнитных накопителей.
ИМС электрические машины и их системы управления, работающие с помощью управляемых ключей по сигналам датчиков положения, датчиков фазы, датчиков тока, датчиков скорости изменения электрического тока и датчиков максимального тока.
Импульсный сварочный источник, разработанный на основе ИМС электрического трансформатора.
Математическая модечь теплового процесса с учётом изменения мощности источника во времени.
Методика оптимизации теплового режима сварки с использованием схемы плоского источника.
Результаты экспериментальных исследований структуры металла и свойств сварных соединений, выполненных ИМС сварочным источником при оптимальных режимах
Апробация и реализация результатов работы. Резулыаты исследований и элементы теории ИМС электрических машин опубликованы в печати.
Работа докладывалась на научно-технических советах СКБ МТ и общезаводских научно-технических советах ОАО «Кирово-Чспецкий химический комбинат им. Б.П Константинова» в 1983, 1994, 1998 годах, на Всероссийских ежегодных научно-технических конференциях в ВятГУ в 2001, 2002 и 2003 годах, на региональной с международным участием конференции «Сварка Урала - 2003».
Принципы ИМС электрических преобразователей применялись ОАО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова» и Московским медицинским институтом НИИ трансплантологии и искусственных органов в разработанных, под научно - техническим руководством автора, линейных шаговых двигателях (ЛШД) для системы управления искусственным сердцем, которое применялось в медицинских исследованиях. Имеются акты об испытании и внедрении. На том же предприятии под руководством автора разработаны и изготовлены ИМС ЛЇІІД для перемещения заслонки регулятора потока химического вещества.
Автором разработан и изготовлен действующий макет сварочной установки с накопителем магнитной энергии, с помощью которой проведены экспериментальные исследования.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 29 опубликованных научных работах, в гом числе монографии, 9 изобретени|*Гйа три из которых выданы патенты, а на остальные авторские свидетельства.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, библиографического перечня и приложений.
