ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ
Электрическая дуга плазменная обработка электрометаллургия
Изобретение относится к области электротермической техники, а именно к электродуговым устройствам, вырабатывающим плазму. Технический результат - повышение равномерности потока плазмы, уменьшение рассеивания энергии плазмы при движении к обрабатываемой поверхности детали. Электродуговой плазмотрон содержит сферический полый корпус, выполненный из непроводящего ток тугоплавкого материала, образующий рабочую камеру. В корпусе перпендикулярно продольной оси выполнены два расположенных друг против друга отверстия, в которых установлены анодный и катодный электроды, подключенные к блокам зажигания дуги и питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением. На внешней поверхности корпуса расположены на одной оси два полюса с обмоткой, подключенной к регулируемому источнику питания, охваченные замкнутым магнитопроводом, выполненным в виде половины разрезанного вдоль трубчатого цилиндра. Блок задания имеет два выхода, первый соединен с управляющим входом нагнетателя плазмообразующего газа, регулирующим его расход, а второй - соединен с входом блока питания, регулирующим ток в обмотке электромагнита. Перемещающее устройство корпуса содержит исполнительные приводы для поворота продольной оси корпуса в вертикальном и горизонтальном направлениях. 1 ил.Увеличенное изображение (открывается в отдельном окне)


Известен электродуговой плазмотрон, содержащий анодный и катодный блоки, расположенные соосно вдоль оси плазмотрона, разделенные изолятором, в котором имеется узел подачи рабочего плазмообразующего газа в электро-газоразрядную камеру, при этом в анодном и катодном блоках имеются входное и выходное отверстия и полости для прохождения охлаждающего агента, кроме того в анодном блоке имеется радиальное отверстие для ввода порошкового материала. В анодном и катодном блоках дополнительно имеются отверстия, в которых закреплены штуцеры, при этом дополнительные отверстия расположены с диаметрально противоположной стороны относительно входного анодного и катодного отверстий, при этом дополнительные штуцеры соединены дугообразным электроизоляционным трубопроводом для прохождения охлаждающего агента из анодного в катодный блок, концы которого закреплены на анодном выходном и катодном входном штуцерах [1].

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, и сложность регулирования подачи энергии и регулирования температуры в объеме электро-газоразрядной камеры.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является электродуговой плазмотрон, содержащий расположенный горизонтально трубчатый корпус, выполненный из непроводящего ток тугоплавкого материала, внутренняя полость которого образует продольную щелевую камеру, анодный и катодный электроды, подключенные к блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, блок зажигания дуги, узел подачи рабочего плазмообразующего газа в щелевую камеру, трубопровод для прохождения охлаждающего агента, в трубчатом корпусе перпендикулярно оси щелевой камеры выполнены два расположенных друг против друга отверстия, в одном из которых установлен анодный электрод, а в другом установлен катодный электрод, один торцевой конец трубчатого корпуса соединен с узлом подачи рабочего плазмообразующего газа, соосно с трубчатым корпусом установлен трубчатый магнитопровод, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра трубчатого корпуса, в полости подвижного трубчатого магнитопровода между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью трубчатого корпуса расположены два полюса с обмотками, подключенными к другому источнику регулируемого напряжения постоянного тока, причем ось полюсов расположена перпендикулярно по отношению к оси положения электродов, трубчатый магнитопровод выполнен подвижным и соединен с приводом возвратно-поступательного движения, трубопровод для прохождения охлаждающего электроды агента выполнен в виде каналов в стенке трубчатого корпуса, трубчатый корпус закреплен на подвижной платформе, имеющей приводы возвратно-поступательного движения вверх-вниз, вправо-влево [2].

Недостатком данного устройства является значительное рассеивание тепловой энергии при движении плазмы к обрабатываемой поверхности, так как тепловые потоки не сконцентрированы, и при выходе из корпуса через отверстие большого диаметра имеют неравномерную температуру, частично рассеиваются в воздухе и не в полной мере достигают поверхности обрабатываемой детали. Это снижает эффективность действия плазмотрона.

Задачей изобретения является обеспечение при обработке поверхностей деталей наиболее эффективного использования энергии плазмы, за счет подачи выработанной в камере плазмы через горелку, на выходе которой обеспечивается более равномерный по температуре сконцентрированный потока плазмы, подаваемый на обрабатываемую поверхность.

Решение поставленной задачи достигается тем, что электродуговой плазмотрон, содержит корпус, выполненный из непроводящего ток тугоплавкого материала, внутренняя полость которого образует рабочую камеру, в корпусе перпендикулярно его продольной оси выполнены два расположенных друг против друга отверстия, в одном из которых установлен анодный электрод, а в другом установлен катодный электрод, электроды подключены к блоку зажигания дуги и блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, с камерой соединен нагнетатель плазмообразующего газа, на внешней поверхности корпуса расположены напротив друг друга северный и южный магнитные полюсы, причем ось магнитных полюсов расположена перпендикулярно по отношению к оси положения электродов, окончания полюсов замкнуты магнитопроводом, на полюсах установлена обмотка, подключенная к другому блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, корпус закреплен в перемещающем устройстве, корпус соединен с охлаждающим устройством, корпус выполнен в виде полой сферы, соосно с продольной осью корпуса в нем выполнены два сквозных отверстия, выходное отверстие в корпусе соединено с соплом, имеющим вид конического полого постепенно сужающегося к выходному концу цилиндра, выполненного из непроводящего ток тугоплавкого материала, а длина сопла не менее, чем в три раза превышает внутренний диаметр выходного конца сопла, входное отверстие в корпусе соединено с одним концом другого трубчатого цилиндра выполненного из непроводящего ток тугоплавкого материала, а второй конец трубчатого цилиндра соединен через гибкий полый трубопровод с нагнетателем плазмообразующего газа, управляющий вход нагнетателя плазмообразующего газа соединен с первым задающим расход плазмообразующего газа выходом блока задания, управляющий вход второго блока питания соединен со вторым задающим ток в обмотке полюсов выходом блока задания, ось полюсов расположена, между осью положения электродов и выходным отверстием в корпусе, перемещающее устройство корпуса содержит исполнительные приводы для поворота продольной оси корпуса в вертикальном и горизонтальном направлениях, охлаждающее устройство содержит установленный на внешней поверхности корпуса экран, выполненный из материала с высокой теплоотдачей, в котором имеется трубчатая спираль, выходы которой соединены с устройством подачи охлаждающего агента.

На чертеже приведена конструкция плазмотрона.

Устройство содержит сферический полый корпус 1, выполненный из непроводящего ток тугоплавкого материала, образующей рабочую камеру. В стенке сферического корпуса 1 выполнены сквозные расположенные соосно друг другу и перпендикулярно продольной оси корпуса два отверстия, в которых находятся анодный электрод 2 и катодный электрод 3, подключенные к выходам блока питания 4 с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением. К электродам 2 и 3 подключены также выходы устройства электродугового разряда 5 для зажигания дуги.

На внешней поверхности сферического корпуса расположены друг против друга на одной оси два полюса 6 и 7, замкнутых магнитопроводом 8, выполненным в виде половины разрезанного вдоль трубчатого цилиндра, охватывающего полюса и корпус 1, причем ось полюсов 6 и 7 расположена, перпендикулярно по отношению к оси положения электродов 2, 3. На полюсах 6, 7 размещена обмотка 9, подключенная к выходам другого регулируемого блока питания напряжением постоянного тока 10. По продольной оси корпуса 1 выполнено выходное отверстие 11, а в другой диаметрально противоположной части корпуса соосно выполнено входное отверстие 12. Ось полюсов 6 и 7 расположена между осью положения электродов 2, 3 и выходным отверстием 11 в корпусе 1. Выходное отверстие 11 в корпусе 1 соединено с одним концом полого конического цилиндра, являющегося соплом 13, выполненным из непроводящего ток тугоплавкого материала, причем внутренний диаметр выходного конца сопла меньше внутреннего диаметра входного конца сопла, длина сопла 13 не менее, чем в три раза превышает внутренний диаметр выходного конца сопла 13. Входное отверстие 12 в сферическом корпусе 1 соединено с одним концом другого трубчатого цилиндра 14, выполненного из непроводящего ток тугоплавкого материала, второй конец трубчатого цилиндра 14 соединен через гибкий полый трубопровод 15 с нагнетателем плазмообразующего газа 16. Управляющий вход нагнетателя плазмообразующего газа 16 соединен с первым задающим расход плазмообразующего газа выходом блока задания 17, управляющий вход второго блока питания 10 соединен со вторым задающим ток в обмотке электромагнита 9 выходом блока задания 17. Корпус 1 соединен с перемещающим устройством 18. Перемещающее устройство 18 может быть выполнено следующим образом. Оно содержит стержень 19, один конец которого жестко соединен с корпусом 1, а на втором конце стержня находится шарнирная пара 20, стержень соединен с исполнительными приводами 21, обеспечивающими поворот корпуса вертикальном и горизонтальном направлениях. На поверхности корпуса 1 установлен теплоохлаждающий экран 22, в котором имеется трубчатая спираль 23, выходы которой соединены с устройством подачи охлаждающего агента 24.

Устройство работает следующим образом.

К электродам аноду 2 и катоду 3 от блока питания 4 подводится напряжение, устройство электродугового разряда 5 инициирует электродуговой разряд и зажигается дуга. В полость корпуса 1 от нагнетателя 16 через гибкий полый трубопровод 15, трубчатый цилиндр 14 и входное отверстие 12 подается плазмообразующий газ под давлением, который проходит через дугу, и ионизируется с образованием плазмы, которая выходит из сферического корпуса 1 через выходное отверстие 11 в сопло 13. Под действием движущегося плазмообразующего газа дуга растягивается. Для предотвращения ее разрыва подключают обмотку возбуждения 9, установленную на полюсах 6 и 7, к источнику регулируемого напряжения постоянного тока 10. Ток возбуждения, протекая по обмотке 9, создает электромагнитное поле, возникает электромагнитная сила, действующая на дугу, в направлении, противоположном направлению движения плазмообразующего газа, и стабилизирующая положение дуги.

При увеличении сигнала задания, поступающего с первого выхода блока задания 17 на вход нагнетателя плазмообразующего газа 16, увеличивается расход плазмообразующего газа. Для предотвращения разрыва горящей дуги увеличенным потоком плазмообразующего газа, увеличивают сигнал задания, поступающего с второго выхода блока задания 17 на вход источника 10, соответственно, увеличивают напряжение на выходе источника 10, в результате возрастает ток возбуждения в обмотке 9, вследствие чего увеличивается величина электромагнитного потока, создаваемого полюсами 6 и 7. В результате возрастает электромагнитная сила, действующая на дугу в зоне ее горения в направлении, противоположном направлению движения плазмообразующего газа, стабилизирующая положению дуги и препятствующая ее разрыву.

Поток плазмы и тепловые потоки, проходят из корпуса 1 в сопло 13, где происходит догорание плазмообразующего газа и повышение температуры плазмы. Поскольку внутренний диаметр сопла меньше диаметра сферической камеры и сужается по направлению к выходному концу сопла 13, давление газа в полости сопла 13 будет большим, чем в сферическом корпусе 1, что также повышает равномерность распределения температуры по объему выработанной плазмы. Расположение оси полюсов 6, 7 между осью положения электродов 2, 3 и выходным отверстием в корпусе 1, позволяет лучше стабилизировать положение верхней часть дуги прямо под осью полюсов, при этом будут создаваться максимальные электромагнитные силы, стабилизирующие положение дуги.

Обрабатываемую плазмой деталь помещают в зону потока плазмы. Перемещающее устройство 18 содержит исполнительные приводы для перемещения продольной оси корпуса в вертикальном и горизонтальном направлениях, и соответственно изменение положения выхода сопла 16, что позволяет обрабатывать плазмой требуемые площади деталей сложной конструкции.

В результате догорания плазмообразующего газа в сопле 13 поток плазмы будет более равномерным по составу и по температуре. Потоки рассеивания энергии плазмы снижаются. Это позволяет более эффективно использовать энергию плазмы при обработке поверхностей деталей.

Список литературы

1. Патент РФ №2465748. Электродуговой плазмотрон / Мчедалов С.Г. Опубл. 27.10.2012. Бюл. №30.

2. Патент РФ №2713746. Электродуговой плазмотрон для обработки плоских поверхностей деталей / Мещеряков В.Н., Евсеев A.M., Пикалов В.В., Данилова О.В., Ласточкин Д.В. Опубл. 07.02.2020. Бюл. №4.
Восставновление и закалка поверхностей металлических изделий
Виктор
Мещеряков
Николаевич
заведующий кафедрой
Доктор технических наук
Профессор
E-1398-2014
57197685597
160120
https://www.stu.lipetsk.ru/kaf/ep/about/staff/
0000-0003-2887-3703
РОССИЯ
Сергей
Кузенков
Евгеньевич
проректор по научной работе и инновациям
РОССИЯ
45.53.35
Электротехническое оборудование электротехнологических установок
02.02.AC
AUTOMATION & CONTROL SYSTEMS
Виктор
Мещеряков
Николаевич
Разработан принцип работы установки
РОССИЯ
Владимир
Пикалов
Владимирович
Разработана схема компеновки элементов плазмотрона
РОССИЯ
Алексей
Евсеев
Михайлович
Разработан принцип перемещения установки в пространстве
РОССИЯ
ЛГТУ, ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ФГБОУ ВО "ЛГТУ", ФГБОУ ВО "ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
1024840843631
ПАВЕЛ
САРАЕВ
ВИКТОРОВИЧ
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные бюджетные учреждения
ЛГТУ, ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ФГБОУ ВО "ЛГТУ", ФГБОУ ВО "ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
1024840843631
ПАВЕЛ
САРАЕВ
ВИКТОРОВИЧ
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные бюджетные учреждения