Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнологические процессы электроэнергетики. В 2 частях. Ч. 2. Электротехнологические установки. Учебное пособие.pdf
21
на поджигающий электрод коммутатора-тригатрона подаётся поджи-
гающий импульс, под влиянием которого пробивается искровой про-
межуток между основными электродами, вследствие чего предвари-
тельно заряженный ёмкостной накопитель разряжается через индуктор-инструмент. Мощный импульс тока протекает через обмотку
индуктора и создаёт импульсное магнитное поле, которое индуктирует
в обрабатываемом материале вихревые токи. В результате взаимодействия магнитного поля и индуктированного им тока возникают
импульсные механические (пондеромоторные) силы, вызывающие
деформацию заготовки.
Следовательно, эффективность магнитно-импульсной установки
оказывается тем выше, чем больше снижена индуктивность ошиновки,
тригатрона и конденсаторов. Для этого цепь тока разряда разбивают на
большое число параллельных взаимно связанных ветвей, собираемых
вместе только непосредственно у индуктора. По той же причине для
ёмкостного накопителя необходимо применять специальные высоковольтные малоиндуктивные конденсаторы с достаточно малой собственной индуктивностью.
Ток разряда установки магнитно-импульсной обработки металлов
можно приближённо выразить уравнением типа затухающего гармонического колебания:
,sine
2
t
l
U
i
t
L
r
(3.1)
где – частота колебаний тока; r – активное сопротивление контура
разряда; L – индуктивность контура разряда.
Частота определяется из выражения
22
,
4
1
2
1
2
2
0
2
L
Cr
L
r
LC
f
(3.2)
где
0
– собственная частота контура; C – ёмкость конденсаторной
батареи.
Величины r и L представляют собой суммарные значения соот-
ветственно сопротивлений и индуктивностей коммутатора тригатрона,
конденсаторной батареи, подводящих шин и эквивалентных параметров индуктора и заготовки:
;
ншкк.т
rrrrr
(3.3)
.
ншкк.т
LLLLL
(3.4)
Первые три сопротивления и индуктивности практически постоянны и являются собственными сопротивлениями и индуктивностями
установки. Сопротивление
н
r
и индуктивность
н
L
с учётом процес-
сов, протекающих в обрабатываемой заготовке, являются переменными. Таким образом, контур разряда конденсатора является нелинейным, и уравнение (3.2) следует рассматривать как приближённое.
Из этого уравнения получаем значение первого максимума тока, которое определяет большую напряжённость поля:
.
2
arctg
2
exp
r
L
L
r
C
L
U
I
T
(3.5)
При значении
C
L
r 2
ток разряда имеет колебательный харак-
тер. Так как для повышения эффективности магнитно-импульсной
23
установки необходимо снижать внутреннее сопротивление
вн
r
(повы-
шать КПД), то это соотношение на практике выполняется с большим
запасом. Ещё более важно, чтобы возможно меньшей была внутренняя
индуктивность установки:
.
кшк.твн
LLLL
(3.6)
Она определяет энергию, бесполезно расходуемую на создание
«паразитных» магнитных полей в коммутаторе, шинах и конденсаторах установки.
Объёмная плотность силы, действующей на обрабатываемую
заготовку:
,HJF
(3.7)
где – относительная магнитная проницаемость; H – напряжённость
магнитного поля; J – плотность тока.
Плотность тока J, а следовательно, сила Р и давление р, оказываемое магнитным полем на заготовку, при прочих равных условиях тем
больше, чем выше электропроводность материала заготовки.
Поэтому магнитно-импульсной обработке легче всего поддаются заготовки из меди, алюминия, серебра, магния и их сплавов. Максимальное давление р магнитного поля на металлическую стенку
,
2
1
2
0
Hp
(3.8)
где
7
0
104
Гн/м – магнитная постоянная.
Токи, индуктированные магнитным полем в заготовке, вызывают
нагрев заготовки. В пределе, если бы вся энергия магнитного поля
превратилась в тепло, повышение температуры заготовки
24
,
8
2
c
B
где
c
– удельная теплоёмкость материала.
При магнитноимпульсной обработке металлов температура
нагрева заготовки значительно меньше. Тепло выделяется в тонком
поверхностном слое заготовки.
Действие импульсного магнитного поля аналогично давлению
сжатого газа на пористую стенку, сквозь которую этот газ протекает.
Возникающая пондеромоторная сила пропорциональна изменению плотности магнитной энергии по направлению силы.
В зависимости от характеристики импульсного магнитного поля
(распределения его в пространстве и во времени), от физических
свойств материала и геометрических размеров заготовки изменяется
силовое и тепловое поле в заготовке и, следовательно, протекание
рабочего процесса магнитно-импульсного формообразования. В частности, первостепенное значение имеет выбор надлежащей формы кривой пропускаемого через индуктор импульсного тока. Скорость нарастания (частота колебаний) этого тока должна быть достаточно боль-
шой, чтобы глубина
э
проникновения поля в заготовку была меньше
толщины заготовки.
Глубину проникновения электромагнитной волны приближённо
можно вычислить по формуле
,500
э
f
(3.9)
где – удельное сопротивление металла, Омм; f – частота переменного тока, Гц.
25
Если глубина проникновения
э
меньше толщины заготовки,
то сила, действующая на заготовку, ослабевает, особенно когда под
заготовкой находится металлическая матрица.
Для получения достаточно больших давлений необходимы
импульсы тока с амплитудой, измеряемой сотнями тысяч ампер.
Создание при столь больших импульсных токах надёжно работающего
индуктора-инструмента, пригодного для выполнения многих операций
(индуктор многократного действия), связано с большими трудностями.
Индуктор во время работы испытывает импульсные механиче-
ские давления, соответствующие создаваемому им полю и имеющие
тот же порядок, что и давления, обрабатывающие заготовку. Поэтому
его надо выполнять с очень высокой механической прочностью
к ударным нагрузкам. Обмотки индуктора нагреваются протекающими
по ним импульсными токами, и при большой частоте повторения операций его необходимо принудительно охлаждать.
Нередко между индуктором и обрабатываемой заготовкой поме-
щают концентратор магнитного поля, представляющий собой массив-
ный разрядный вторичный виток, индуктивно связанный с обмоткой
индуктора. Концентратор позволяет снизить давления, действующие
на индуктор, распределяя их на большую поверхность и надлежащим
образом преобразовать магнитное поле у заготовки, чтобы получить
требуемое распределение давлений на заготовке.
Работа формообразования при магнитно-импульсной обработке
металлов производится энергией, накопленной в заряженной конденсаторной батарее установки:
.
2
2
CU
W
26
Поэтому магнитно-импульсную установку характеризует прежде
максимальная энергия, которая может быть получена в накопителях.
Эта энергия выражается в килоджоулях.
Однако сама по себе энергия в накопителях ещё не определяет
полностью работоспособность установки. Из этой энергии часть расходуется на образование паразитных магнитных полей:
2
2
внпm
IL
W
, (3.10)
часть расходуется на активные потери в элементах установки:
.
4
0
2
вн
T
dttrW
(3.11)
Значительны потери также в системе индуктор–заготовка. Как
показывают расчёты и эксперименты, основное формообразующее
действие магнитного поля на заготовку осуществляется на протяжении
первого полупериода тока и при прочих равных условиях примерно
пропорционально квадрату амплитуды тока
.
max
I
При r = 0 находят
,
2
внн
2
2
max
LL
W
L
CU
I
(3.12)
где L – полная индуктивность контура разряда.
Индуктивность индуктора-инструмента (с учётом влияния заготовки) определяется условиями, связанными преимущественно
с характером технологической операции, для выполнения которой он
предназначен и может принимать различные значения в зависимости
от типа индуктора, подключённого к установке.
27
Поэтому для получения высокой эффективности магнитноимпульсной установки необходимо, чтобы
.
нкшк.твн
LLLLL
(3.13)
Иначе энергия накопителя бесполезно расходуется на создание
паразитных магнитных полей, тригатрона и конденсаторов.
Отношение (3.9) должно соблюдаться и потому, что частота
колебаний тока разряда должна быть достаточно велика, чтобы глубина проникновения была не больше толщины заготовки. Чем меньше
толщина s обрабатываемой заготовки, тем больше должна быть f.
Но, если в формуле (3.8) пренебречь сопротивлением r, то
.
222
1
WL
U
LC
f
(3.14)
3.2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ УСТАНОВКИ
Ультразвуковыми (УЗ) называют упругие волны с частотами
2104…1013 Гц (волны с частотами 109 Гц и выше иногда называют
гиперзвуковыми). Верхний предел частот 1012…1013 Гц (в кристаллах
и жидкостях) и 109 Гц (в газах) при нормальных условиях соответствует частотам, при которых длина волны ультразвука становится
соизмеримой с межмолекулярными расстояниями. В диапазоне частот
от 20 до 2104 Гц лежат слышимые звуковые волны, при частоте ниже
20 Гц – инфразвуковые.
Применение ультразвука для технологических целей основано
на эффективном воздействии энергии упругих колебаний высокой частоты на вещество, способном изменять его состояние: измельчать
(диспергировать) и осаждать (коагулировать) частицы вещества, изме-
28
нять скорость растворения и кристаллизации вещества, производить
химическое и моющее действия, значительно ускорять реакции и процессы жидкой обработки (гетерогенные диффузионные процессы).
Полученные от искусственных источников интенсивные ультразвуковые колебания передают внутрь материальной среды значительную энергию механических колебаний. При этом в среде, особенно
жидкой, возникают первичные и вторичные эффекты.
К первичным эффектам относятся переменное давление и переменный поток, радиационное давление, постоянный поток, эффект
Римана, кавитация, поверхностное трение, температурные волны и
поглощение, ко вторичным – электрокинетический и оптический
эффекты, эффект ориентировки, разделение, эффект Дебая, гидродинамическое притяжение, коагуляция, дегазация, люминесценция,
оксидирование, восстановление, конденсация, диспергирование, деполимеризация и тепловой эффект. Некоторые из эффектов, лежащих
в основе УЗ-технологии, описаны ниже.
Кавитацией называют процесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле во время фазы растяжения, имеющейся
в гармонически изменяющемся звуковом давлении. Эти полости
и пузырьки аннигилируют (захлопываются) во время фазы сжатия.
Возникновению кавитации способствует наличие в жидкости
во взвешенном состоянии мельчайших пузырьков газа и частиц твёрдых тел. При возникновении кавитации в жидкости происходит интенсивное газовыделение, проявляющееся в выделении мелких пузырьков, которые под действием гидродинамических потоков объединяются в более крупные и поднимаются на поверхность жидкости. Кавитационные явления резко возрастают, если газовые пузырьки в жидкости
находятся в резонансе с частотой ультразвуковых колебаний.
29
Резонансная частота газовых пузырьков определяется по формуле
,
3
1
kp
d
f
(3.15)
где d – диаметр пузырьков газа, см; при частотак 10, 100, 1000 кГц
диаметр пузырьков воздуха в воде при резонансе равен соответственно
0,66; 0,066 и 0,0066 мм;
c
c
k
p
– отношение удельных теплоёмкостей
газа в пузырьках при постоянном давлении и постоянном объёме;
р – гидростатическое давление жидкости; – плотность жидкости.
При низких ультразвуковых частотах кавитация возникает при
небольшой интенсивности ультразвука. При частотах выше 5 МГц
кавитация не возникает.
Кавитация имеет большое значение в ультразвуковых и звукохимических процессах, протекающих в жидкой среде, поскольку
в одних случаях она ограничивает интенсивность ультразвуковых
колебаний, в других ускоряет протекание физико-химических
процессов.
Для интенсификации технологических процессов в жидкости
существенным является то, что интенсивность кавитационных явлений
зависит от температуры жидкости, давления, свойств жидкости и др.
Порог кавитации увеличивается с ростом вязкости жидкости.
В вакууме и при давлениях, превышающих 0,2 МПа, интенсивность
кавитации снижается.
Механическое воздействие, вызываемое кавитационными процес-
сами, приводит к интенсификации процессов оксидирования, восстановления и конденсации.
30
Коагуляция заключается в образовании из мелкодиспергированных частиц (дыма, пыли, тумана и пр.) значительно более крупных
частиц. Коагуляция возникает под действием вторичных эффектов:
разделения и гидродинамического притяжения, связанных с радиационным давлением. Движение частиц при наличии между ними сил
притяжения приводит к соударениям этих частиц и в результате
к объединению и укрупнению их.
Дегазация жидкостей или расплавов с помощью ультразвуковых
колебаний происходит вследствие разрежений, возникающих в звуковой волне. Разрежения приводят к перенасыщению жидкостей газом,
образованию газовых пузырьков, которые приходят в движение,
объединяются в пузырьки больших размеров и всплывают.
Диспергирование – эффект, противоположный коагуляции.
Явление диспергирования заключается в мелком дроблении вещества
и перемешивании его с другим. Например, диспергирование с помощью ультразвуковых колебаний позволяет получить устойчивые
эмульсии.
Металлы и другие вещества могут быть диспергированы в жидкостях или расплавах. На этом явлении основаны многие технологические процессы – ультразвуковые пайка, очистка, обработка твёрдых
хрупких материалов и др. Большое значение при диспергировании
имеет поверхностное трение. Частицы с различной массой, двигаясь,
трутся и размельчаются. Кавитация способствует протеканию этого
явления, так как при этом возникают большие силы, приводящие
к механическому измельчению твёрдых тел и жидкостей. Отдельные
частицы могут иметь размеры 0,1…10,0 мкм.
Ультразвуковые колебания, особенно в диапазоне 200…1000 кГц,
приводят к ускорению реакций гидролиза, полимеризации, кристаллизации из перенасыщенных или переохлаждённых растворов. При воз-