Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время среди актуальна проблем исследования и рационального использования электродуговой плазмі выделяются проблемы изучения динамики дуги, создания эф-$ективно работающей плазменной техники и технологии и их ускоренного внедрения в народное хозяйство страны о составе систем автоматического регулирования (САР). Ведущее звено этих систем -электродуговой плазмотрон управления высоноэнтальпийнш потоком газа (ЭДН) является чрезвычайно гибхим инструментом для научно-технических целей и может быть применен в одних системах как рабочий орган, в других - как чувствительный элемент4 в третьих -как регулятор параметров объекта управления САР. В работах М.Ф.Жу-кова, Б.Й.Девятова, О.Я.Новикова и др. отмечается, что полностю удовлетворить требованиям, предъявляемым к ЭДП, не удается без рассмотрения электрической дуги в его канале как системы о распределенными параметрами (CFH), Это определяется тем, что в динамике плазма необходимость учета пространственной распределенности процессов диктуется не только стремлением к повышению точности (в количественном смысле), но и необходимостью качественно правильной характеристики условий взаимодействия в дуге двух видов исключительной сложности процессов-злектродинамического И гидродинамического. При этом, как отмечено в работах А.Г.Бутков-ского, Л;М^Пустыльникова, Т.К.Сяразетдинова и др., за одиночны»» исключениями, СРП не могут быть, без потери существенных качественных сторон, аппроксимированы системам!! с сосредоточенными параметрами (СОТ), т.е. близость в каком-либо смысле соответствующих операторов, например, оператора в частных производных и оператора-матрицы, ЕНрзаащого коночную систему в обыкновенных производных» оператора в частных производных и оператора в конечных разностях и др. совершенно необязательно влечет "близость" таких фундаментальных свойств, как управляемость, наблюдаемость, устойчивость и т.п. Качественшо методы исследования устойчивости и других динаі8йеских*<;войств СРП, основанные на второй методе Ляпунова, развиты в работах В.М.Зубова, А.А.Мовчана, В.М.Матросова, Т.К.Сиразетднноэа и др. Следуя /2У, в данной работе рассматриваются задачи устойчивости дуги при постоянно действующих возмущениях, которые не могут быть решены спектральным методом.
При учете втих возмущений возникай1 новые, не реаешше до настоящего времени актуальные задачи исследования устойчивости
I. Сираэетдинов Т.К. Устойчивость системе распределенными параметрами. Новосибирск, Наука. Сиб.отд-ие, 1967, 231 с.
дуги как СРП в общей проблеме тзрмо-гидроакустической устойчивости плазмы дуги, которая все еще далека от своего завершения, особенно в нелинейной постановке. Решение этих актуальных вопросов имеет большое научное значение при изучении как ламинарных, так и турбулентных режимов горения дуги в канале к практическую значимость. Так в процессах плазменного электродугового напыления сравнительно малогабаритных деталей использование "узкой" истекающей из плазмотрона постоянного тока ламинарной струи плазмы оказывается более технологичным и экономически выгодным по сравнению с использованием "широкой" турбулентной струи, при которой практически неизбежны, во-первых, перерасход напыляемого материала, во-вторых, нарушение равномерности покрытия напыляемым мате- . риалом подложки, и, в-третьих, высокий уровень щука на плазменном участке цеха. Понятно, что практическая задача построения и внедрения прецезионных САР с ламинарным плазмотроном может оказаться невыполнииой, если не определен конкретно допустимый вклад, вносимый действием начальных и дополнительных обьемных и граничных возмущений в режим горения дуги.
Цель работы состоит в исследовании устойчивости как СРП ламинарной дуги в канале с учетом действия импульсных и постоянно действующих, распределенных по объему и границе столба дуги возмущений и выработке соответствующих практических рекомендаций.
Задача работы заключается в том, чтобы с помощью метода.раз-витого для CPU в монографии /I/, провести анализ устойчивости решений простейшей модели - модели безрасходной осесинметри^кой дуги с учетом действия начальных, обьемных, граничных и параметрических возмущений, а затем экспериментально проверить теоретические выводы. Эта задача решалась в следующих направлениях:
получение точных решений уравнений сохранения : энергии, описзаящих отклонения от тривиального решения тепловых процессов в режиме горения дуги, возмущенной действием только начальных, а также начальных и обьемных, начальных и граничных, и, наконец, начальных и параметрических возмущений;
анализ устойчивости безрасходной дуги как СРП по интегральным оценкам - мерам с учетом вышеуказанных возмущений;
разработка и создание экспериментальной установки для стендовых испытаний ЭДП в невозцущенных условиях, а также в специальных условиях наложения на дугу постоянного тока низкочастотных электрические возмущений;
экспериментальные исследования невозмущенных и возмущенных характеристик дуги в канале и определение границ гашения разряда, ;
2 . -. Л'.:. _
а такие управляемости й устойчивости ламинарной дуги кпк СРП, обобщение полученных опытных данных и сравнение их с результатами расчетных теоретических оценок;
- применение полученных результатов к решению конкретных практических задач.
Научная новизна и практическая ценность диссертации заключается в теоретической анализе не рассмотренных до настоящего времени задач устойчивости как СРП нестационарного (комбиниро-ванного) разряда при действии начальных возмущений, а также стационарного разряда при действии начальных и объемных, начальных и граничных и, наконец, начальных и параметрических возмущений. При этой получены достаточные условия устойчивости ламинарной дуги в канале при действии указанных возмущений. Проведен анализ устойчивости решения системі уравнений, содержащей сосредоточенные и распределенные параметры и описываюцейэлект-рическую цепь "источник питания - стационарная дуга". Сделан вывод, что нарушение условий устойчивости при действии начальных возмущений не означает гашение дуги, а определяет смену тепловой структуры дуги на новую, отличную от первоначальной структуру. Получены экспериментальные данные, подтверждающие результаты анализа устойчивости ламинарной дуги как СРП. Найдены экспериментально границы управляемости ламинарной дугой, определяющие границы корректного применения полученных расчетных формул. Экспериментально показана зависимость границ гашения дуги от частоты и амплитуды низкочастотных электрических возмущений.
Полупенные формулы удовлетворительно согласуются с результатами работ Меккера, Стайна-Ватсона, Даутова F.D., Нрижанско-го СМ., Кукекова Г.А., Левитана Ю.С., Артемова В.И., Руткеви-ча И.М., Синкевича Q.A. и др. и дополняют их новыми сведениями об устойчивости дуги в канале.
Практическая ценность результатов работы, а такке приведенных в диссертации практических рекомендаций заключается в том, что они могут быть использованы при оценочных расчетах характеристик ЭДП, а также при математической описании САР с ЭДП на этапе эскизного проектирования различных вариантов системы для расчетов ее динамических характеристик с выбором значений параметров, отвечающих устойчивым режимам работы, а также для корректировки эксплуатационных характеристик при проверке уотойчи-
вости работы конкретных систем управления с сосредоточенными и распределенными параметрами, значения которых заранее известны.
Реализация в промышленности. Результаты работы были использованы: Казанским НИИ "ВакууммацГ при расчетах, проектировании и создании установок для плазменной алектродуговой обработки де-талей и узлов вакуумного оборудования, Казанским моторостроительным производственным объединением (КШЮ) при модернизации и доработке промышленных образцов плазмотрона для плазменной алектродуговой обработки деталей и узлов авиационных двигательных установок, Казанским авиационным институтом им. А.Н.Туполева при разработке и создании лабораторной установки "Плазма-І".
Соотьететвующие акты об использовании результатов диссертации в указанных организациях приложены к диссертации.
На заїциту выносятся:
результаты решений уравнений сохранения энергии для без-расходноВ цилиндрической дуги с учетом начальных, объемных, граничных и параметрических возмущений;
результаты анализа устойчивости полученного решения невозмущенного столба в приближении его предельного участка при действии начальных, объемных, граничных и параметрических возмущений;
результаты анализа устойчивости стационарной дуги как СРЛ с учетом сосредоточенных параметров цепи электропитания разряда постоянным током;
результаты экспериментального исследования влияния низкочастотного электрического сигнала на параметры и устойчивость дуги как СРП;
результаты проведенной экспериментальной проверки полученных теоретических оценок.
Апробация. Материалы диссертационной работы обсуждались на Всесоюзных конференциях: "Генераторы низкотемпературной плазмы" (Новосибирск, I960; Каунао, 1986), "Флуктуационные явления в физических системах" (Путино» Московская обл., 1985), "Аналитическая механика, устойчйвосгь и управление движением" (Казань, 1987), "Актуальные проблемы моделирования и управления системами с распределенными параметрами" (Одесса, 19й?); на УШ-оЙ научной сессии отдаления научного совета АН СССР "физика низкотемпературной плазмы" по теме "Динамика алектрической дуги" (Ленинград, 1987); на 1-ой республиканской конференции "Основные направления разви-
тия и применение низкотемпературной плозии в машиностроении и металлообработке" (Казань, 1979); на научно-технической конференции Казанского авиационного института (1985).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том число - два научно-технических отчета.
Обьем роботы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения я списка литературы, включающего 134 наименования, а таило приложения. Основная часть работа: седеряк? 120 страниц машинописного текста, 48 рисунков и графиков.
