Электрический разряд, движущийся в собственном магнитном поле, в импульсном плазменном генераторе

Габдрахманов, Азат Талгатович

Электрический разряд, движущийся в собственном магнитном поле, в импульсном плазменном генераторе тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Габдрахманов, Азат Талгатович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Электрический разряд, движущийся в собственном магнитном поле, в импульсном плазменном генераторе»

Автореферат диссертации на тему "Электрический разряд, движущийся в собственном магнитном поле, в импульсном плазменном генераторе"

На правах рукописи

005538077

Габдрахманов Азат Талгатович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД, ДВИЖУЩИЙСЯ В СОБСТВЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ, В ИМПУЛЬСНОМ ПЛАЗМЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 пОЯ 2013

Казань 2013

005538077

Работа выполнена в «Набережночелнинском институте» ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», на кафедре «Высокоэнергетические процессы н агрегаты»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор,

Исрафилов Ирек Хуснемарданович

Официальные оппоненты: - Лясников Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Физическое материаловедение и технологии новых материалов»

- Галяутдинов Рафаэль Тагирович, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», доцент кафедры «Технической физики и энергетики»

-Ведущая организация: - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Воронежский государственный университет инженерных технологий"

Защита состоится «29» ноября 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, г. Казань, ул. Карла Маркса, 68 (зал заседаний ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан «ß-f » 1<У 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета ^ Герасимов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Область использования плазмотронов очень широка, они применяются при термической обработке материалов, получении покрытий со специфическими свойствами, сжигании отходов, в качестве двигателей космических аппаратов и т.п. Наиболее распространенным видом плазмотронов является электродуговой плазмотрон постоянного тока, где в качестве источника нагрева газа используется электрическая дуга. Характеристики дугового разряда - температура, напряжение, напряженность магнитного поля, плотность потока энергии и другие зависят от условий горения разряда в плазмотроне, силы тока, интенсивности обдува газом, давления окружающей среды, геометрических размеров канала и т.д.

Характеристики электрической дуги в линейных плазмотронах с вихревой стабилизацией разряда достаточно хорошо описаны в работах Даутова Г. Ю., Жукова М. Ф., Коротеева A.C., Ясько О.И., Урюкова Б.А. и др. Дуга, движущаяся под действием магнитного поля, менее изучена. В то же время использование таких дуг является одним из методов увеличения ресурса работы плазмотрона за счет снижения эрозии его элементов и, в частности, электродов, особенно в плазмотронах большой мощности.

При разработке и создании любого плазменного технологического процесса или плазменного устройства одной из задач, является умение с достаточной точностью определять свойства рабочего тела - плазмы: ее параметры, закономерности поведения и т.д.

Решение задачи заключается в исследовании движущегося дугового разряда при воздействии собственного магнитного поля в газовом потоке и рассмотрения актуального вопроса по созданию конструкции плазмотрона с увеличенным ресурсом работы и стабильными выходными параметрами, удовлетворяющими всем требованиям, предъявляемым к плазмотронам.

В настоящее время в литературе очень мало теоретических и экспериментальных данных, необходимых для подбора наиболее оптимальных теорий, описывающих характеристики исследуемого плазмотрона и движущейся в собственном магнитном поле электрической дуги.

Данная работа посвящена разработке и оптимизации параметров звеньев плазменной технологической установки и ее структуры для повышения эффективности технологического процесса на примере плазменной закалки металлов.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами Государственного контракта № П1925 от 29 октября 2009 г. «Измерение параметров плазмы в импульсном плазменном генераторе» и в рамках реализации мероприятия по лоту 1. «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в интересах развития

-з-

высокотехнологичных секторов экономики» шифр «2010-1.1-400-150», Государственного контракта №14.740.11.0823, от 01.12.2010г.

Целью данной работы является экспериментально-теоретические исследования характеристик движущейся в собственном магнитном поле электрической дуги импульсного плазменного генератора при ее взаимодействии с поверхностью электродов и газовым потоком.

Основным объектом исследования является импульсный плазменный генератор с движущейся электрической дугой.

Научная задача работы заключается в разработке экспериментальной установки на основе импульсного плазменного генератора с движущейся в собственном магнитном поле электрической дугой, расчета параметров плазменной технологической установки на основе нового подхода к моделированию взаимодействия плазмы с металлом.

Для достижения поставленной цели и научной задачи в работе необходимо решить следующие вопросы:

1. Разработать и создать экспериментальную установку на базе импульсного плазменного генератора с движущейся электрической дугой, которая основана на новом подходе к моделированию процесса взаимодействия плазмы с металлом.

2. Выявить закономерности зависимостей энергетических и газодинамических характеристик электрической дуги в плазмотроне с прямолинейными электродами из стали и меди на основе экспериментально-теоретических исследований процесса ее взаимодействия с поверхностью электродов, газовым потоком и металлов.

3. Получить обобщенную зависимость скорости движении электрической дуги V по стальным электродам в газовом потоке от тока дуги I, диаметра электродов с!э, межэлектродного промежутка Ь ) и расхода плазмообразующего газа б.

4. Выявить влияние параметров дуги на характер эрозийных следов, оставляемых на поверхности электродов, с целью определения основных факторов, влияющих на процесс эрозии металла.

5. Провести экспериментальные исследования зоны взаимодействия плазмы с металлами для решения задачи по разработке и расчету наиболее эффективных параметров плазменной технологической установки, с целью получения упрочненного слоя с заданными показателями качества.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена соответствием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна.

1. Импульсный плазменный генератор с движущейся электрической дугой по стальным электродам в плазмообразующем газовом потоке с повышенным ресурсом работы на относительно больших токах, позволяющая формировать требуемую плотность энергии плазмы для получения заданных показателей качества термоупрочнения металлов (Патент №128954 от 10.06.2013г.). Проведены экспериментальные исследования движущейся в собственном магнитном поле электрической дуги по стальным электродам в газовом потоке в диапазоне 1=60^500А, и=30+70В, С = 0-И55л/мин, (1Э=4-И4мм и Ь-}=2-:-20мм.

2. Обобщенная зависимость скорости движения дуги от ее тока, диаметра электродов, межэлектродного промежутка и расхода плазмообразующего газа (1=60-т-500А, О - 0-И55л/мин, с!э=4-И4мм, Ь-)=2-н20мм). Выявлены основные факторы, влияющие на характер движения дуги по электродам и их эрозию.

3. Предложено уравнение, описывающее температурные поля внутри образца при импульсном воздействии плазмы, учитывающее изменение теплофизических свойств материала в зависимости от температуры, которое позволяет определить параметры процесса термоупрочнения.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что результаты теоретических исследований по плазменному термоупрочнению металлов расширяют область знаний, используемых в учебном процессе вуза или при переподготовке специалистов.

Практическая ценность.

На основе экспериментальных, и теоретических исследований разработан импульсный плазменный генератор и предложена методика расчета параметров процесса термоупрочнения металлов при импульсном воздействии плазмы для обеспечения заданных показателей качества технологического процесса, что позволяет существенно снизить энергопотребление и повысить ресурс работы плазмотрона.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы на практике на заводе металлоконструкций ООО «Стальконструкция» (г. Наб. Челны), в Научно-техническом и Технологическом центре ОАО «КАМАЗ» (г. Наб. Челны) и в учебном процессе Набережночелнинского института КФУ (г. Наб. Челны).

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Результаты комплексных экспериментальных исследований энергетических и газодинамических характеристик движущейся в собственном магнитном поле электрической дуги по прямолинейным электродам изготовленных из стали и меди, при 1=60-ь500А, и=30-^70В, СМ)-И55л/мин, <1-)=4-Н4мм и Ьэ=24-20мм.

3. Уравнение зависимости скорости движения дуги от ее тока, диаметра электродов, межэлектродного промежутка и расхода плаз.мообразующего газа при I=6CM-500A, G=0-I55 л/мин, <Ь=4-И4мм, Ьэ=2-ь20мм.

4. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия движущейся электрической дуги с электродами, определяющие характер следов, оставляемых на их поверхности и основные параметры, существенно влияющие на процесс эрозии металла.

5. Уравнение, определяющее наиболее эффективные параметры плазменной технологической установки, для получения упрочненной зоны с заданными показателями качества. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия импульсного потока плазмы с поверхностью образцов, устанавливающие глубину и твердость упрочненной зоны.

Личный вклад автора состоит в его определяющей роли при постановке цели и задач исследования, их теоретическом и экспериментальном выполнении, интерпретации и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на IX Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение в Республике Татарстан» (Казань 2008 г.), на XXXVI и XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2009, 2010 гг.), на 1, 2 и 3 межрегиональной научно-практической конференции «Камские чтения» (Набережные Челны 2009, 2010, 2011 гг.), на Международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука -производству» (Набережные Челны 2010 г.), на Республиканской научно-технической конференции « Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань 2010 г.), на Машиностроение и техносфера XXI века // Сборник трудов XVII и XVIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк 2010, 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ (3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК)

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок, 7 таблиц и списка литературы из 99 источников отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формируются задачи исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.

В первой главе проведен анализ известных конструкций плазменных аппаратов, в том числе устройств с движущейся электрической дугой. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований плазматронов с движущейся электрической дугой.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки, измерительной аппаратуры, методика проведения экспериментальных исследований и представлены их результаты.

Установка предназначена для исследования характеристик электрической дуги движущейся в собственном магнитном поле в диапазоне изменения

параметров: 1=60+500А,

и=30н-70В, <5=(Ы 55л/мин, с!э=44-14мм и Ьэ=2-!-20мм.

Экспериментальная установка состоит из импульсного плазменного

генератора, электрической и пневмогидравлической частей. Импульсный плазменный

генератор (рис. 1) состоит из водохлаждаемого корпуса 1, двух электродов анода и катода 2, выполненных одинакового размера и формы,

расположенных параллельно друг другу. В качестве материала электродов использовались медь и сталь. Поджиг дуги осуществляется при помощи высоковольтного маломощного плазмотрона 4 или с помощью искрового разряда получаемого от осциллятора. Подожжённая электрическая дуга, двигаясь по поверхности электродов в собственном магнитном поле под действием силы Ампера, нагревает плазмообразующий газ, на концах электродов происходит отрыв дуги с поверхности электродов, далее сжатая плазма дуги вместе с потоком нагретого газа выходит из сопла 3 и попадает на обрабатываемую деталь. Быстрое перемещение точки привязки дуги по электродам под действием электродинамических и газодинамических сил распределяет тепловую нагрузку от привязки по длине электрода, что дает возможность использовать воодоохлаждаемые электроды, выполненные из относительно легкоплавкого материала и увеличить их ресурс работы.

Пневмо-гидравлическая система установки (рис. 1) предназначена для подачи в разрядную камеру импульсного плазмотрона, плазмообразующего газа и охлаждающей жидкости (воды) для отвода теплоты от корпуса плазмотрона 1, электродов 2 и сопла 3. Состоит из двух частей:

1. Пневмосистема включает в себя компрессор, ресивер, пульт пневматический, регулирующую и запорную трубопроводную арматуру. Воздух из атмосферы нагнетается компрессором 5 в ресивер 6 до давления 0,8МГ1а. Для очистки воздуха используются блок подготовки рабочего газа 7. Воздух для питания плазмотрона подается через редуцирующий клапан на пневмопульт.

2. Гидросистема установки предназначена для охлаждения элементов электродугового нагревателя. Вода циркулирует по замкнутому контуру как

т..

Рис. I. Функциональная схема экспериментальной установки

показано на рис. 1 и с помощью насоса 8 под давлением 0,5МПа подается на гидропульты. На линии охлаждения на входе и выходе из плазменного генератора установлены термометры 9, необходимые для калориметрических исследований.

Система электроснабжения обеспечивает энергией электродуговой нагреватель, насос водяной системы, компрессор, пульт управления установкой, систему измерений и вспомогательное оборудование. Сетевое трехфазное напряжение 380В поступает на понижающий трансформатор, а затем подается на выпрямитель, собранный из 6 диодов, подключенных по мостовой схеме. Ток регулируется реостатом КБ. Данная схема источника питания позволяет регулировать ток в пределах 60-500А и напряжение 30-70В.

В импульсном генераторе низкотемпературной плазмы, в качестве источника ионизации, используется сильноточная электрическая дуга. Одной из наиболее важной интегральной характеристикой дуги является вольтамперная характеристика (ВАХ). Эта характеристика дает достаточно исчерпывающее представление о дуге в целом и позволяет определить границы ее устойчивости. Основными параметрами, влияющими на ВАХ, являются геометрические размеры электродов, межэлектродный зазор, расход и вид плазмообразующего газа, материал электродов.

ВАХ электрического разряда движущегося по прямолинейным электродам измерялось с помощью запоминающего цифрового осциллографа, мультиметра, шунта на 500А, датчика тока и делителя напряжения 1:10.

Характерная осциллограмма тока и напряжения представлена на рис. 2.

На рис. 3 представлены ВАХ движущейся электрической дуги, полученные в результате

экспериментальных исследований.

В результате проведенного анализа установлено, что для всего исследованного диапазона параметров ВАХ импульсного плазменного генератора является возрастающей, это обусловлено относительно большими токами, проходящими через дугу и способом

пространственной стабилизации дуги в разрядной камере.

Были проведены экспериментальные исследования зависимости скорости движения электрической дуги - V от параметров плазмотрона. Измерение скорости дуги проводилось с помощью 2-х одиночных зондов, которые регистрировали потенциал плазмы проходящей через них. Для определения характера движения дуги одновременно производилась скоростная видеосъемка (бООкад/с).

I. А

200 А 1

5 МС д

и. в Г. С

$я'в

Рис. 2. Осциллограмма тока и напряжения при 1^=0,35 Ом, (1=8мм, Ь=8мм материал электрода сталь 20

а)

б)

Рис. 3. ВАХ движущейся электрической дуги; а) <1=12мм; Ф-Ь=2 м; в-Ь=4 мм; А-Ь: мм; «-Ь=21 мм; б) с)=6мм, Ь=4мм; ♦-С=62л/мин; ш-0=93л/мин; А-С=124л/мин;

•-0=155л/мин;

Анализ экспериментальных исследований (рис. 4) показал, что на скорость движения дуги существенное влияние оказывают сила тока, диаметр электродов, межэлектродный зазор, расход плазмообразующего газа и материал электродов. На медных электродах скорость больше на 40%, чем на электродах, изготовленных из стали, при одинаковых условиях.

б)

' > '! МИН

8) Г)

Рис. 4. Зависимость скорости движения электрической дуги от внешних параметров: а) от межэлектродного расстояния при ё=6мм, 0=0л/мин; *-Кб=0,2$Ом; ш-Яе^ЗОм; А-Кб=0,350м; «-Кб=0,5250м; х-Ке=1,050м; б) от тока при различных диаметрах электродов А-с1=12мм, Ь=4мм; ■-ё=6мм, Ь=4мм; »-с1=4мм, Ь=4мм, 0=0л/мин; в) от расхода плазмообразующего газа при с!=6мм, Ь=5мм; ♦ -К.б=0,280м; м- Ке=0,30м; А -Яб=0,350м; •-Яб=0,525Ом; г) от тока при различных материалов электрода ё=4мм, Ь=4мм,С=0л/мин; «-медь; ♦-сталь.

В третьей главе разработана обобщенная зависимость параметров движущейся по стальным электродам электрической дуги в импульсном плазменном генераторе. Представлены результаты экспериментальных

исследований процессов взаимодействия движущейся дуги с электродами импульсного плазменного генератора. Приведены результаты исследования эрозии электродов под действием сильноточной движущейся дуги.

Для получения обобщенной зависимости параметров, дуга рассматривается как горячий цилиндр. При этом проводящий канал практически непроницаем для частиц окружающего холодного газа и движется, расталкивая его, подобно твердому телу. На границах проводящего канала происходит тепло - массообмен с окружающим холодным газом. За проводящим каналом остается след нагретого газа, имеющего температуру, существенно меньшую, чем в дуговом канале, и практически не проводящего тока. Такая модель подтверждается скоростной съемкой (рис. 5).

Электрическая дуга в импульсном плазменном генераторе движется в результате действия на нее электродинамических сил. Эти силы (сила Ампера Р) возникают в результате взаимодействия тока дуги с магнитным полем создаваемым электродами. На рисунке 6 представлен частный случай распределения силы Ампера в межэлектродном зазоре.

Рис. 6. Распределение силы Ампера в межэлектродном пространстве <1=8мм, Ь=Вмм, 1=300А

В результате расчета установлено, что сила Р оказывает на разные участки дуги неравномерное воздействие (рис. 6), подобно распределению магнитного поля в межэлектродном пространстве, и разные участки дуги будут перемещаться с различной скоростью. Это, возможно, является одной из причин появления шунтирования доги рис. 7. Подобная модель дуги используется в работах Ясько И.О., в которых предложена обобщенная зависимость характеристик для медных и латунных электродов в виде (1):

где В - магнитная индукция, Тл.

Рис. 7. Шунтирование дуги (время экспозиции 25мкс)

Рис. 5. Фотографии электрической дуги (время экспозиции 25мкс)

Важнейшим параметром влияющим на выходные характеристики плазмотрона, а следовательно и на качество термообработки является скорость движения электрической дуги. С помощью выражения (1) проведено теоретическое исследование влияния энергетических и газодинамических параметров на скорость движения дуги (рис. 8).

'« V. м с ч

60 Ч

' 50 «I

, 30 ' 20

■ 10 • 0

• 0 2

а> 6) Рис. 8. Зависимости скорости электрической дуги от внешних параметров: а) от диаметра электродов для 1_=4мм, Кб=О.ЗОм, материал электродов сталь; б) от тока, материал электродов медь с1=4мм, Ь=5мм, ♦ - экспериментальные значения; — - теоретические значения

Оценка расчетных значений скоростей при различных токах, межэлектродных зазорах, диаметров электродов и материалов электродов (рис. 8) показывает, что они отличаются от экспериментальных на 10-25%, что недопустимо для обеспечения высокого качества технологического процесса предъявляемого к плазменной обработке. Исключением являются только электроды изготовленные из меди (рис. 8. б), здесь разница не превышает 5%.

Стальные электроды обладают рядом преимуществ по сравнению с медными электродами: дешевизна и доступность материала, относительно высокая температура плавления, легкая свариваемость и т.д. Находим обобщенную зависимость параметров электрической дуги для стальных электродов (2):

где /.¡о - постоянная магнитная проницаемость ,«а=1.26- 10"бГн/м, ц - магнитная проницаемость среды, в данном случае электрическая дуга движется в воздухе ¿¿=1Гн/м, в результате получаем (3):

К = 0,00267--^/^¡¡^ (3),

и с учетом расхода плазмообразующего газа получается (4):

V = 0,00267--—/ + 9 -105 - С'7 (4).

Проведенный анализ теоретических расчетов по выражению (4) показал (рис. 9), погрешность составляет менее 5%.

V, №С

'•Л !„

ю го 10 120 170 220 270 320 о ¿с«-. •..«.•■ 9МН5 вое? о ли

а) б)

Рис. 9. Результаты теоретических расчетов по формуле (4) и экспериментальных данных; а) зависимость скорости движения дуги от тока для с!=6мм, Ь=4мм, материал электродов ст20, С=0л/мин; б) зависимость скорости движения дуги от расхода для <3=6мм, Ь=4мм,

А-1=296А, в -1=198А; в -экспериментальные данные; --,-•- -результаты расчета

Скорость движения дуги также является одним из основных параметров, оказывающих существенное влияние на взаимодействие дуги с электродами и соответственно на процесс их эрозии. В зависимости от величины скорости дуги реализуется один из механизмов движения: непрерывный или прерывистый с различными шагами перемещения. Для определения характера движения дуги проводились исследования следов, оставляемых движущейся дугой на поверхности электродов.

Экспериментальные исследования показали, что в зависимости от геометрических размеров электродов, межэлектродного зазора и режима горения дуги следы на электродах существенно отличаются (рис. 10). Например, для относительно больших токов (>150А) и скоростей (>20м/с) (рис. 10 б, в) следы на катоде представляют собой множество штрихов, приблизительно параллельных направлению движения дуги. Очевидно, что одновременно существует несколько пятен, которые обладают большой подвижностью и перемещаются вместе с дугой и при увеличении скорости и тока количество их растет. При своем перемещении многие пятна пробегают по следам других пятен. Пятна движутся в направлении движения дуги, одновременно разбегаются в стороны от оси симметрии и исчезают, достигнув края столба дуги. Кроме основных разветвлений, на поверхности катода видны мелкие разветвления. Образование этой мелкой структуры, по-видимому, связано с большой подвижностью микропятен. Имеется тенденция к образованию микропятен на краях оплавленных пятен, где из-за разрушения материала электрода образуются острые кромки и появляются повышенные градиенты напряженности электрического поля, что облегчает эмиссию электронов.

При малой скорости движения дуги до 10 м/с следы имеют непрерывный характер (рис. 10 а).

г) Ст20, с!=8мм, Ь=5мм, д) Медь, ¿=4мм, Ь=3мм е) Медь, с1=4мм, Ь=6мм

1=1500А, и=70В, У=130м/с

"Рис. 10. Фотографии следов на электродах (катод на изображениях сверху)

На аноде, при малых скоростях движения, также наблюдается неразрывность следа (рис. 10 а). При увеличении скорости дуги появляются разрывы между пятнами, которые имеют круглую (рис. 10 б, г) или форму капли, вытянутые в направлении движения (рис. 10 в). Число пятен растет с увеличением тока, а размер каждого пятна сильно уменьшается.

На медных электродах сохраняется такая же тенденция образования пятен (рис. 10 д, е).

Исследовано, также,

термическое влияние движущейся дуги на внутреннюю структуру материала электрода, для этого были приготовлены шлифы и исследована микроструктура

электродов (рис. 11).

Обнаружено, что под действием движущейся

электрической дуги в зоне её термического влияния происходит незначительное оплавление

электродов, глубина его не превышает 0,1 мм.

Процесс нагрева электродов зависит от " количества

поступающей теплоты, причем из-на электродах, на катод и анод Для измерения теплового потока поступающего на электроды использовались термопары. В результате

б)

Рис. 11. Микроструктура электродов после 1000 импульсов, материал электродов сталь 20 а=8мм, Ь=8мм, 1=3 60А, и=48В, У=22м/с; а) катод, б) анод.

за различных процессов, происходящих подается различное количество теплоты.

однократного пробегания дуги температура электрода повышалась на ЛТ. По повышению температуры определялось количество теплоты, поступающей на электрод. После достижения максимальной температуры показания термопары изменялись незначительно в течении нескольких секунд, что позволяло считать утечки теплоты малыми. Результаты экспериментально полученных данных представлены на рис. 12.

Количественная оценка эрозии электродов была проведена путем определения изменения массы электродов под воздействием движущейся электрической дуги. По данным исследования был оценен ресурс работы электродов импульсного плазменного генератора (рис. ¡3).

Рис. 13. Максимальное количество импульсов совершаемое электродами, материал электродов сталь 20 с1=8мм, Ь=8мм; »-анод, А-катод

В результате проведенного анализа установлено, что в указанных пределах при росте тока происходит увеличение количества импульсов, которые произведут электроды импульсного плазменного генератора до прихода их в негодность. Причиной этого является то, что при росте тока увеличивается скорость, меняется характер воздействия дуги на электроды и тем самым уменьшается эрозионное действие движущейся дуги. Общий ресурс электродов, например, при токе 360А составляет 50 часов.

В четвертой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия импульсного потока плазмы с поверхностью железоуглеродистых спл.авов. Определены основные параметры, влияющие на процесс термоупрочнения.

Для определения оптимальных параметров технологического процесса необходимо решить многокритериальную задачу. Однако, вследствие многофакторности целевой функции, сводим решение задачи в однокритериальную. В качестве основного параметра выбираем температуру зоны воздействия плазмы на металл.

Температура зоны воздействия определяется в предположении, что источник теплоты является одномерным и образец рассматривается как полубесконечное тело с адиабатической границей. За основу расчета берется уравнение теплопроводности с учетом импульсного ввода теплоты (5).

" ; Qn- Д*

iiO ¡'п Hit Jo.i tin ¡U'. i j.'

Рис. 12. Теплопотери на электроды, материал электродов сталь 20 с!=8мм, L=8mm; »-анод, А-катод

Количеств.' H.\mv тыгов

Т(х,г,т) = п-

в-п

2-Л-Г

Га {

--ехр -

■ехр|

4-а-г„

«Я

г 1

-егЛ

-2-г,

•ехр

4-йт,,

егА

-ег/

-2-г„

'4 а-т.

+ Г„

где Т(х,г, г)-температурные поля в образце, »-число импульсов, ^-количество энергии в импульсе Дж/м2, г}-кпд установки, а-коэффициент температуропроводности м2/с, А-коэффициент теплопроводности Вт/м-К, является функцией температуры (6), т/гдлительность воздействия плазмы на образец с, т/7-Длительность паузы с, тп=1УУ, /э- длина электродов м, Р-СКОрОСТЬ Движения дуги определяемая ПО формуле (4) м/с, Тоб-период с,

т0б=ти+тя, г-глубина воздействия м, х-координата воздействия м.

г м, Гр-радиус пятна

Л(т) = 76.9-

69.7'

Л' -Т

0.0462Л* 30

где Л^доля цементита в сплаве, Мр-доля феррита в сплаве.

(6)

С помощью данных уравнений проведено теоретическое исследование температурных полей в образце (рис. 14). Уравнения (5-6) позволяют рассчитать количество импульсов при заданных энергетических и тепловых параметрах импульсного плазменного генератора для достижения необходимой температуры в зоне воздействия плазмы с деталью и глубины термоупрочнения.

Для проверки теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования воздействия импульсного плазменного потока на поверхности различных металлов. Результаты экспериментально полученных образцов после обработки импульсным плазменным генератором представлены на рис. 15. Металлографические исследования стали 45 в области плазменного упрочнения показали (рис. 15 а), что зона термического воздействия плазменной струи имеет форму сегмента.

Установлено, что в зависимости от

микроструктуры и

микротвердости в стали 45 по глубине образовались три слоя:

1.3она оплавления, состоящая из неравновесной мелкодисперсной структуры, близкой к аморфной, она имеет место при закалке из расплавленного состояния, имеющая столбчатое

строение с кристаллами, вытянутыми в теплоотвода.

структурная составляющая мартенсит. В данном образце мартенсит имеет 6-7 балл. Эта зона микроструктурно выявляется в виде слабо травящегося слоя

исключительно высокой твердости и неравномерна по ширине обработанной поверхности, максимальная глубина центральной части составляет 0,022мм. С твердостью поверхностного слоя 874НУ.

2. Зона закалки из твердой фазы. Непосредственно под слабо травящимся слоем расположена зона плазменного воздействия, граничащая с зоной полной и неполной закалки с микротвердостью, со ответствующей твердости мелко-

направлении Основная

Рис. 15. Образцы сталей обработанные импульсным плазменным генератором, мощность РНОкВт, количество импульсов 15, расход воздуха 0=124л/мин; а) 45, б) У8

а) б) в)

Рис. 14. Расчетное температурное поле в образце из стали 45, п=15; а) без учета охлаждения между импульсами; б) с учетом охлаждения между импульсами; в) с учетом охлаждения между импульсами и изменением А. от температуры

игольчатого мартенсита и троосто-мартенсита, переходящая в сорбит закалки и сорбит отпуска ближе к основной (исходной) структуре. Толщина этой зоны также неравномерна и колеблется до 0,45мм. По глубине слой характеризуется сильной структурной неоднородностью. В верхней границе слоя, ближе к поверхности, наблюдается мартенсит и остаточный аустенит. В нижней границе слоя, ближе к исходному металлу, наряду с мартенситом наблюдаются элементы исходной структуры феррит.

3. Переходная зона. В этой зоне металл нагревается до температур ниже точки

Ась в котором основными структурами являются структуры отпуска. Зона исходной структуры и твердости, представляющая мелкодисперсный сорбит отпуска. Переходной слой имеет наиболее неупорядоченную и неоднородную структуру.

Изменение микротвердости по глубине закаленной зоны представлено на рис. 16.

При воздействии плазменной струей металл нагревается до различных температур, вследствие чего он имеет слоистое строение (рис. 15), что соответствует данным теоретического расчета (5-6).

Основные результаты и выводы

Основным результатом диссертационной работы является решение научной задачи по разработке импульсного плазменного генератора с увеличенным ресурсом работы электродов для проведения плазменного термоупрочнения с заданными показателями качества зоны воздействия плазмы, исследования характеристик плазмотрона, процессов взаимодействия движущейся дуги с электродами и определения основных зависимостей выходных параметров плазмотрона от геометрических размеров разрядной камеры и входных энергетических параметров.

При проведении теоретических и практических исследований по тематике диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана и создана экспериментальная установка на базе импульсного плазменного генератора с движущейся электрической дугой, которая основана на новом подходе к моделированию процесса взаимодействия плазмы с металлом.

2. Выявлены закономерности зависимостей энергетических и газодинамических характеристик электрической дуги в плазмотроне с прямолинейными электродами из стали и меди на основе экспериментально-теоретических исследований процесса ее взаимодействия с поверхностью электродов, газовым потоком и металлов. Установлено, что в диапазоне изменения параметров импульсного плазменного генератора 1=60+500А, и=304-60В, в = О-г-155л/мин, аэ=4-ь14мм и 1о=2+20мм, ВАХ электрической дуги

;оо ■

™ 1]. ММ

о ■ ■ -

С 01 о: 0 3 0.4 ОН 0 5 0,7 0 5 о.г

Рис. 16. Изменение микротвердости ПО глубине закаленной зоны образца из стали 45

имеет возрастающий характер и значительно зависят от внешних факторов. Выяснено, что скорость электрической дуги возрастает, при увеличении тока и расхода плазмообразующего газа и уменьшается при увеличении межэлектродного зазора и диаметра электродов, на медных электродах скорость выше, чем на электродах из стали на 40%.

3. Получена обобщённая зависимость скорости от тока дуги, диаметра электродов, межэлектродного промежутка и расхода плазмообразующего газа (1=60-н500А, G = 0^-155 л/мин, с1э=4-И4мм, Ьэ=2+20мм) при движении электрической дуги по стальным электродам в газовом потоке.

4. Выявлено, что при движении электрической дуги, на характер следов, оставляемых на поверхности электродов, существенное влияние оказывает скорость дуги, при увеличении скорости выше 10м/с следы становятся прерывистыми, при дальнейшем росте скорости увеличивается расстояние между пятнами. Определены основные факторы, влияющие на процесс эрозии материала электродов.

5. Предложено решение задачи по расчету наиболее эффективных параметров импульсного плазменного генератора, с целью получения упрочненной зоны с заданными показателями качества. Установлено, что на их стабильность основное влияние оказывают энергия в импульсе, время воздействия и время паузы, а также изменение теплофизических свойств материала от температуры (ЦТ)).

6. Установлено, что при воздействии импульсного плазменного потока в зависимости от микроструктуры и микротвердости в стали 45 по глубине образовались три слоя: 1 слой глубиной до 0,022мм и твердостью до 874HV, 2 слой глубиной до 0,45мм и твердостью до 800HV и 3 слой глубиной до 1мм и твердостью до 500HV.

Работы по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Габдрахманов А.Т. Исследование влияния параметров импульсного плазменного генератора на показатели качества технологического процесса / В.В. Звездин, А.Т. Г'алиакбаров, P.P. Саубанов, А.Т. Габдрахманов, А.И. Нугуманова // Вестн. КГТУ им' А.Н.Туполева. 2010, №2 - С.50-52.

2. Габдрахманов А.Т. Компьютерное моделирование течения газа в разрядной камере импульсного плазменного генератора / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, Д.И. Исрафилов А.Т. Габдрахманов, А.Д. Самигуллин //Известия ТулГУ. 2012, Вып. 6 - С.90-97.

3. Гаодрахманов А.Т. Теплофизические особенности процесса импульсной плазменной обработки сталей / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов, А.Д. Самигуллин //Известия ТулГУ. 2013, Вып. 6-С.253-260.

Патент:

4. Пат. I2S954 Российская Федерация, МПК Н05 Н 1/26, В23 К 9/16. Импульсный плазменный генератор / Исрафилов И.Х., Галиакбаров А.Т., Исрафилов Д.И., Габдрахманов А.Т., Самигуллин А.Д.: заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Камская Государственная Инженерно-Экономическая Академия» - № 2012139405/07, заявл. 13.09.2012; опубл. 10.06.2013, Бюл. №16. - 2 е.: ил.

Отчеты о проведении научно-исследовательских работ.

5. Габдрахманов А.Т. Измерение параметров плазмы в импульсном плазменном генераторе / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов //Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013

гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами. Per. номер 01200963926. Государственного контракта № П1925 от 29 октября 2009 г. и Дополнению от 02 апреля 2010 r.№ 1/TI1925.

6. Габдрахманов А.Т. Разработка и исследование лазерно-плазменной установки и гибридной технологии обработки / И.Х. Исрафилов, И.Н. Шиганов, А.Т. Галиакбаров, А.Г. Григорянц, А.Т. Габдрахманов и др. // Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.1 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров» Per. номер 02201151824. Государственного контракта № 14.740.11.0823 от 01 декабря 2010 г.

Материалы конференций, статьи.

7. Габдрахманов А.Т. Исследование энергетических характеристик плазмотронов рельсотронного типа / А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов // Социально-экономические и технические системы: электронное периодическое издание.- Наб. Челны, 2008, Вып. 4. www.sets.ru.

8. Габдрахманов А.Т. Влияние геометрических параметров плазмотрона на его энергетические характеристики / А.Т. Галиакбаров, А.Т. Гаодрахманов // Социально-экономические и технические системы: электронное периодическое издание,- Наб. Челны, 2008, Вып. 4. www.sets.ru.

9. Габдрахманов А.Т. Повышение эффективности плазменной технологической установки по термообработке металлов / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов, А.И. Нугуманова // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сборник. -Наб. Челны, 2008,№12 - С. 101-105.

10. Габдрахманов А.Т. К расчету магнитного поля электродов в импульсном плазменном генераторе рельсотронного типа / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сборник. - Наб. Челны, 2009,.V°14 - С. 76-81.

11. Габдрахманоз А.Т. Исследование влияния материала электродов на приэлектродные процессы плазмотрона рельсотронного типа / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов /У Тез. докл. XXXVII Международной (Звенигородской) конференции по

iiH3HKe плазмы и УТС. - Звенигород, 2010 - С. 340.

2. Габдрахманов А.Т. Применение импульсного энергоэффективного плазменного генератора для термообработки металлов / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, Д.И. Исрафилов, А.Т. Габдрахманов // Сборник трудов Международной научно-технической и образовательной конференции «ОБРАЗОВАНИЕ И НАУКА - ПРОИЗВОДСТВУ». Часть 1, книга 3. - Наб. Челны, 2010 Г.-С.60-63.

13. Габдрахманов А.Т. Исследование дуги движущейся под действием собственного магнитного поля / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, Д.И. Исрафилов, А.Т. Габдрахманов, А.Д. Самигуллин // Сб-к статей Республиканской научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий». - Казань,

. 2010. -С.42-46.

14. Габдрахманов А.Т. Моделирование течения газа в высокоэффективном плазмотроне для модификации поверхности / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов, А.Д. Самигуллин, А.И. Нугуманова // Сборник трудов XVII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века». - Донецк, 2010. Т.1. -С, 308-312.

15. Габдрахманов А.Т. Применение импульсного плазменного, генератора в машиностроении в качестве инструмента для поверхностного упрочнения материалов / И.Х. Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, Д.И. Исрафилов, А.Т. Габдрахманов, А.Д. Самигуллин /7 Сборник трудов XVIII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века». - Донецк, 2011. Т. 1 -С. 23-27.

16. Габдрахманов А.Т. Особенности вольтамперной характеристики импульсного плазменного генератора / А.Т. Габдрахманов // Социально-экономические и технические системы: электронное периодическое издание. - Наб. Челны, 2011№2(59). www.sets.ru.

17. Габдрахманов А.Т. Исследование следов электрической дуги на электродах в импульсном плазменном генераторе / И.Х. Исрафилов, А.Т. Габдрахманов // Социально-экономические и технические системы: электронное периодическое издание. - Наб. Челны, 2011№2(59). www.sets.ru.

18. Габдрахманов, А.Т Импульсный плазменный генератор для термоупрочнения железоуглеродистых сплавов / И.Х: Исрафилов, А.Т. Галиакбаров, А.Т. Габдрахманов, А.Д. Самигуллин // Международная научная конференция «Плазменные _ технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы», сборник материалов конференции. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. - С. 233-234.

Формат 60 * 84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл.печл. 1,69. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Тагполиграф» 420111, Казань, ул. Миславского, 9. Тел.: (843) 292-24-22

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Габдрахманов, Азат Талгатович, Казань

На правах рукописи

04201450633

Габдрахманов Азат Талгатович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД, ДВИЖУЩИЙСЯ В СОБСТВЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ, В ИМПУЛЬСНОМ ПЛАЗМЕННОМ ГЕНЕРАТОРЕ

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Исрафилов Ирек Хуснемарданович

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Патентно-информационный обзор 11

1.1 Обзор по конструкциям плазмотронов 11

1.2 Требования предъявляемые к плазмотронам 20

1.3 Конструкции плазмотронов 23

1.3.1 Плазмотроны с дугой, стабилизированной стенкой 24

1.3.2 Плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги 25

1.3.3 Плазмотроны со стабилизацией дуги магнитными полями и электродами 30

1.4 Механизм движения дуги 32

1.5 Выводы по первой главе 34 Глава 2. Экспериментальное исследование характеристик движущейся электрической дуги в импульсном плазменном генераторе 35

2.1 Разработка и исследование экспериментальной установки 35

2.1.1 Конструкция и принцип действия импульсного плазменного генератора 35

2.1.2 Пневмогидравлическая система установки 38

2.1.3 Электрическая система установки 40

2.2 Экспериментальное определение электрических параметров плазмотрона 42

2.2.1 Измерение напряжения 44

2.2.2 Измерение тока 51

2.2.3 Обработка результатов экспериментальных исследований 58

2.3 Аппроксимация характеристик нелинейных элементов 63

2.3.1 Задача аппроксимации 63

2.3.2 Аппроксимирующие функции 66

2.3.3 Определение коэффициентов аппроксимации 68

2.3.4 Метод наименьших квадратов 71

2.4 Вольтамперная характеристика дуги 74

2.5 Экспериментальное определение скорости движения дуги 80

2.6 Выводы по второй главе 85 Глава 3. Скорость дуги. Взаимодействие движущейся дуги с электродами 86

3.1 Компьютерное моделирование течения газа в разрядной камере импульсного плазменного генератора 86

3.2 Теоретическое исследование скорости движущейся электрической дуги 93

3.2.1 Обобщение скорости движения дуги 104

3.3 Экспериментальное исследование эрозии электродов 108

3.3.1 Исследования следов, оставляемых движущейся дугой на поверхности электродов 108

3.3.2 Исследование микроструктуры электродов, после воздействия движущейся электрической дуги 119

3.3.3 Исследование эрозии электродов импульсного плазменного генератора 125

3.4 Выводы по третьей главе 127 Глава 4. Экспериментально-теоретическое исследование воздействия импульсного потока плазмы на металл 130

4.1 Постановка задачи 130

4.2 Теоретические исследования взаимодействия импульсного потока 130 плазмы с поверхностью образцов

4.3 Экспериментальные исследования взаимодействия импульсного потока плазмы с поверхностью образцов 134

4.4 Выводы по четвертой главе 141 Заключение 142 Список использованной литературы 145

ВВЕДЕНИЕ

Мощный импульс развитию электродуговых генераторов горячего газа дала ракетная техника. Для наземной имитации условий полета ракеты в атмосфере необходимо было получить сверхзвуковые струи воздуха, нагретого до высокой температуры (для некоторых траекторий полета превышающей 10 ООО К). Эта задача была решена с помощью электродуговых устройств, получивших название плазмотронов.

Создание работоспособных плазмотронов потребовало проведения широких научных исследований в области высокотемпературной газодинамики и электрофизики, изучения рабочего процесса в плазмотроне, в частности взаимодействия электрической дуги с газовым потоком, поиска новых конструктивных схем и технических решений. Пройдя период становления и развития, плазмотроностроение превратилось в самостоятельную отрасль техники. Плазмотроны находят все более широкое применение в плазмометаллургии и плазмохимии, плазменной технологии обработки материалов и нанесения покрытий, в технике получе +ния мелкодисперсных порошков и т.д. [1-5]. В последнее время наметилось еще одно направление применения плазмотронов - уничтожение токсичных отходов химического производства путем их разложения при высокой температуре с последующим образованием нетоксичных веществ.

Литература, посвященная экспериментальным и теоретическим исследованиям плазмотронов и их элементов, а также электрических дуг, достаточно обширна и разнообразна. Имеется ряд работ известных специалистов в этой области (Жуков М.Ф., Урюков Б.А., Ясько О.И., Даутов Г.Ю., Рутберг Ф.Г. и др.) [6-19].

Характеристики дугового разряда - температура, напряжение, скорость

движения, интенсивность излучения и другие - зависят от условий горения

разряда в плазмотроне, силы тока, напряженности магнитного поля,

интенсивности обдува газом, давления окружающей среды, геометрических размеров канала и т.д. Характеристики электрической дуги в плазмотронах с вихревой стабилизацией разряда достаточно хорошо описаны в работах [6-10, 20-25]. Характеристики электрической дуги, движущейся под действием магнитного поля, менее изучены. В то же время движение под действием магнитного поля электрической дуги в целом или ее приэлектродных частей осуществляется практически во всех плазмотронах большой мощности для предотвращения сильной эрозии электродов [11]. В этих условиях проводящий канал дугового разряда, движущегося под действием магнитного поля, является достаточно узким (контрагированным). Плазма внутри проводящего канала изотермична, температура электронов, ионов и нейтральных частиц одинакова. Электрическая дуга в магнитном поле перемещается под действием силы Ампера.

Диссертационная работа направлена на исследование движущегося дугового разряда в собственном магнитном поле по параллельным электродам в газовом потоке и решения актуальной задачи создания конструкции плазмотрона с увеличенным ресурсом работы электродов и со стабильными выходными параметрами, удовлетворяющий всем требованиям предъявляемым к плазмотронам. Работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами Государственного контракта № П1925 от 29 октября 2009 г. «Измерение параметров плазмы в импульсном плазменном генераторе» и в рамках реализации мероприятия по лоту 1. «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в интересах развития высокотехнологичных секторов экономики» шифр «2010-1.1-400-150», Государственного контракта №14.740.11.0823, от 01.12.2010г.

Основным объектом исследования является импульсный плазменный генератор с движущейся электрической дугой.

Для достижения поставленной цели и научной задачи в работе необходимо решить следующие вопросы:

3. Получить обобщенную зависимость скорости движении электрической дуги V по стальным электродам в газовом потоке от тока дуги I, диаметра электродов ёэ, межэлектродного промежутка Ьэ и расхода плазмообразующего газа О.

4. Выявить влияние параметров дуги на характер эрозийных следов,

оставляемых на поверхности электродов, с целью определения основных

факторов, влияющих на процесс эрозии металла.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использованы методы математического и имитационного моделирования, системного анализа. Экспериментальные исследования по взаимодействию плазмы с металлами проводились на разработанной плазменной технологической установке с использованием методов металлографического анализа образцов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладных программ: Microsoft Office 2007 Russian Academic № лицензии - 43546442 от 21.02.2008; KOMIIAC-3D V9 № лицензии - К-08-1293; Mathcad 14.0 № лицензии - PTC60602CD140-004 от 18.06.08; AutoCad 2009 серийный номер - 349-98824278; STAR ССМ+ License Server Name - gpa-363-05, Unique Computer ID - 00112FC651 AC от 18.01.2011.

Научная новизна.

1. Импульсный плазменный генератор с движущейся электрической дугой по стальным электродам в плазмообразующем газовом потоке с повышенным ресурсом работы на относительно больших токах, позволяющая формировать требуемую плотность энергии плазмы для получения заданных показателей качества термоупрочнения металлов (Патент №128954 от 10.06.2013г.). Проведены экспериментальные исследования движущейся в собственном магнитном поле электрической дуги по стальным электродам в газовом потоке в диапазоне 1=60ч-500А, U=30V70B, (7=0ч-155л/мин, d3=4-bl4MM и Ьэ=2ч-20мм.

2. Обобщенная зависимость скорости движения дуги от ее тока, диаметра электродов, межэлектродного промежутка и расхода плазмообразующего газа (1=60-^500А, (7=0^155л/мин, ёэ=4-И4мм, Ьэ=2^20мм). Выявлены основные факторы, влияющие на характер движения дуги по электродам и их эрозию.

Практическая ценность.

На основе экспериментальных и теоретических исследований разработан импульсный плазменный генератор и предложена методика расчета параметров процесса термоупрочнения металлов при импульсном воздействии плазмы для обеспечения заданных показателей качества технологического процесса, что позволяет существенно снизить энергопотребление и повысить ресурс работы плазмотрона.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Импульсный плазменный генератор с движущейся электрической

дугой по стальным электродам в плазмообразующем газовом потоке с

повышенным ресурсом работы на относительно больших токах,

позволяющая формировать требуемую плотность энергии плазмы для получения требуемых показателей качества термоупрочнения металлов.

2. Результаты комплексных экспериментальных исследований энергетических и газодинамических характеристик движущейся в собственном магнитном поле электрической дуги по прямолинейным электродам изготовленных из стали и меди, при 1=60-ь500А, и=30ч-70В, (7= 0-ь155л/мин, с1э=4-г14мм и Ьэ=2ч-20мм.

3. Уравнение зависимости скорости движения дуги от ее тока, диаметра электродов, межэлектродного промежутка и расхода плазмообразующего газа при 1=60ч-500А, (7 = 0-г-155л/мин, с1э=4ч-14мм, Ьэ=2ч-20мм.

Апробация работы. Основные результаты данной диссертации

докладывались и обсуждались на IX Международном симпозиуме

«Энергоресурсоэффективность и энергосбережение в Республике Татарстан»

(Казань 2008 г.), на XXXVI и XXXVII Международной (Звенигородской)

конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2009, 2010 гг.), на 1, 2 и 3

межрегиональной научно-практической конференции «Камские чтения»

(Набережные Челны 2009, 2010, 2011 гг.), на Международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука -производству» (Набережные Челны 2010 г.), на Республиканской научно-технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань 2010г.), на Машиностроение и техносфера XXI века // Сборник трудов XVII и XVIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк 2010, 2011 гг.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 101 рисунок, 7 таблиц и списка литературы из 99 источников отечественных и зарубежных авторов.

Выражаю благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору Исрафилову И.Х. и научному консультанту, к.т.н., доценту ГалиакбаровуА.Т. за неоценимую помощь оказанную при работе над диссертацией.

ГЛАВА 1. Патентно-информационный обзор 1.1 Обзор по конструкциям плазмотронов

В настоящее время существует множество видов конструкций плазмотронов для совершения технологических процессов, такие как резка, сварка, напыление, наплавка и закалка материала.

Плазмотрон [26] генерирующий плазму для нагрева и обработки поверхностей различных изделий, для обработки непроводящих материалов, и может найти применение в машиностроении для закалки, отжига, поверхностной обработки, напыления и упрочнения изделий. Плазмотрон (рисунок 1.1) содержит корпус, два незамкнутых электрода с соответствующими токоотводящими концами и канал для подачи плазмообразующего газа. Каждый электрод выполнен криволинейной формы, огибающей сечение обрабатываемой поверхности, причем электроды расположены параллельно друг другу. Использование изобретения позволит повысить скорость и равномерность при обработке вытянутых (длинномерных) изделий с неплоской (криволинейной) внешней или внутренней поверхностью с обеспечением работы без защиты источника питания от высоковольтного напряжения постоянно работающего осциллятора и обеспечит возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе.

Рисунок 1.1— Плазмотрон

Данный плазмотрон создает большой объем плазмы, что позволяет обрабатывать большие площади с большой производительностью.

Плазмотрон для экономичного плазменного напыления описанный в работе [27], снабжен насадкой или удлиненным анодным соплом (рисунок 1.2). Охлаждение насадки или удлиненного анодного сопла может быть раздельным или совместным. Согласно заявленному способу порошок подается в анодное сопло, разгоняется и нагревается в канале насадки или в удлиненном анодном сопле. Налипание устраняется подбором технологических параметров, при этом длина канала насадки или удлиненного анодного сопла должна быть не более 15 диаметров, диаметр канала может изменяться по ходу потока порошка не более чем в 1,1-4,2 раза. Технический результат - уменьшение необходимой мощности дуги, увеличение коэффициента использования материала.

Рисунок 1.2 - Плазмотрон

Плазмотрон [28] используется во всех областях промышленности, где применяют�