Оптимизация геометрии задающего устройства для импульсного подающего механизма с квазиволновым движением проволоки

вает соединение, то это приведет к дополнительному сжатию соединения. Значения продольных усилий в волне обычно лежат в диапазоне (1...3)105 Н, что значительно превышает нагрузки, вызванные действием крутящего момента. Тогда витки резьбы штанг и соединительного элемента практически не будут взаимодействовать и, следовательно, соединительный элемент не будет оказывать заметного влияния на распространение волн через соединение. Основной вклад в трансформацию волн в данном случае будет осуществлять стык штанг.

Обратимся теперь к прохождению через соединение волн растяжения. При своем распространении волна растяжения также полностью захватывает соединение. Однако при растяжении витки резь-

бы штанг упираются в витки соединительного элемента и вызывают его дополнительное растяжение. В этом случае не происходит нарушения контакта витков резьбы и, следовательно, соединение можно рассматривать, как участок конечной длины независимо от того есть ли зазоры в резьбе или нет.

Выводы

- При прохождении волны сжатия через соединение с зазорами в резьбе основное влияние на трансформацию волны оказывает стык штанг.

- В остальных случаях соединение можно считать препятствием в виде участка конечной длины с измененной площадью поперечного сечения (увеличение или уменьшение площади).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алимов О.Д., Дворников Л.Т Бурильные машины. шиностроение, 1976. - 295 с.

М.: Ма-

Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1987. - 272 с.

УДК 621.791.03

ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИИ ЗАДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ПОДАЮЩЕГО МЕХАНИЗМА С КВАЗИВОЛНОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПРОВОЛОКИ

В.Т. Федько, О.Г. Брунов, А.В. Крюков, В.В. Седнев

Юргинский технологический институт ТПУ Тел.: (384-51)-2-26-83

Произведена оптимизация геометрических параметров задающего звена механизма импульсной подачи сварочной проволоки для стабилизации горения дуги и реализации стабильного переноса электродного металла в сварочную ванну. Получена зависимость для реализации адаптации процесса с использованием обратной связи по частоте вращения вала электродвигателя привода подачи.

Сварка в защитной атмосфере СО2 является самым распространенным способом сварки плавлением при производстве металлоконструкций. Но такой недостаток как повышенное разбрызгивание электродного металла ограничивает его применение [1].

Одним из способов уменьшения разбрызгивания является управление переносом электродного металла в сварочную ванну посредством нестационарного энергетического (импульсное питание дуги), либо механического (импульсная подача сварочной проволоки) воздействия на каплю [1].

На рис. 1 представлено устройство для реализации импульсной подачи с квазиволновым движением сварочной проволоки.

Основной проблемой реализации квазиволно-вой подачи является выбор оптимальных параметров задающего механизма (кулачка), обеспечивающего необходимый закон движения выходного механизма (штока).

Кулачок, применяемый в механизме, рис. 1, является пространственным, рис. 2. Но, поскольку

выходное звено совершает движение только в одной плоскости и ограничено в движении в других плоскостях, можно сделать допущения и привести его к плоскому виду, рис. 3.

Рис 1. Механизм импульсной подачи сварочной проволоки: 1, 2) захваты; 3) проволока; 4) шток; 5) сменная втулка; 6) возвратная пружина; 7) ролики; 8) кулачок; 9) электродвигатель, 10, 11) регулировочные винтыы, 12) муфта

Рис. 2. Кулачковый механизм

10 008

к

о О ~ 2

Мо

„ ок . о

Го = — 81п —д;

2Мо Мо

ст2Н

ао = ^гС08— М-

2Мо Мо

Как видно из (1), перемещение, скорость и ускорение зависят от фазовых углов подъема и опускания или, другими словами, от времени паузы и времени импульса 4 подачи сварочной проволоки.

Поскольку угловая скорость вращения кулачка постоянна (£=цД), то справедливо соотношение:

к = £п.

К Vо '

Это соотношение определяет стабильность процесса импульсной подачи.

Для реализации соотношения (1) должны выполняться следующие условия.

1) Исходя из равенства скоростей подачи и плавления, для стабилизации горения дуги время паузы должно быть равно:

о

гп =

V.

Рис. 3. Кинематическая схема задающего механизма

Пользуясь методикой [2], принимаем закон движения косинусоидальным, для которого справедливы следующие зависимости:

- перемещение выходного звена на фазе подъема, м:

где к - максимальный ход толкателя, м; ¡1п - фазовый угол подъема кулачка (ц„=30°); д- - угол в пределах рп;

- скорость выходного звена на фазе подъема, м/с:

„ ок . о

у - 81П— м;

Ж к

- ускорение выходного звена на фазе подъема, м/с2:

о2к о

ап =^ТС0*~ А-2Мп Мп

Для угла опускания соответственно заменим /!„ на цо и получим:

где о - шаг подачи, м; Упл - скорость плавления электродной проволоки, которую можно определить следующим образом. Из [3] известно, что теплота плавления металла, Дж:

= дт

где q - удельная теплота плавления, Дж-кг-1; т -масса расплавленного металла, кг.

Известно, что закон Джоуля-Ленца с учетом тепла, используемого для плавления электродной проволоки [4] дает:

Qm. = ЬШ,

где к - эмпирический коэффициент (для расчетов принят за 0,25); I - сварочный ток, А; и - напряжение, В; / - время прохождения тока, с.

Из (4) и (5) получаем формулу для определения скорости плавления электродной проволоки:

у--к >

а а щ

где (р- плотность металла, кг/м3; й - диаметр электродной проволоки, м.

Выражение (6) показывает функциональную зависимость скорости плавления тока от мощности сварочной дуги Упя=Л1-и). В данном случае не учитывается подогрев вылета электрода проходящим током. Известно [4], что подогрев вылета электрода джоулевым теплом выражается:

2 I dQв = I V-аг.

О

где с - удельное сопротивление металла, Ом-м; I -длина вылета, м; £ - площадь сечения электрода, м2.

Учитывая, что в установившемся процессе параметры режима сварки (длина и температура вылета электрода) во времени практически не меняются, из (7) с учетом (4) получим:

12 VI

У„ = 16-

С2 а4дф

Суммируя формулы (6) и (8) и вводя известные значения теплофизических величин, получим аналитическую зависимость скорости плавления проволоки от режимов сварки:

IШ

а2

,12У1

а4 '

При несоблюдении условия (1) процесс сварки не будет стабильным, т.к. при:

1. гп ?— процесс сварки будет прерывистым

Упл

из-за возможности обрыва дуги;

2. гп А—, в этом случае скорость подачи про-

Упл

волоки будет выше скорости ее плавления.

2) Для сообщения капле расплавленного электродного металла необходимых значений скорости и ускорения, т.е. реализации стабильного переноса металла в сварочную ванну необходимо выполнить условие [5]:

где а - ускорение, сообщаемое капле, м/с2.

Если соотношение (9) не выполняется, то при:

1. К, А 2

2 АО

сила инерции не сможет нару-

2. г„ ? 2

2 /ю

при соударении с металлом

У

а = -

где V - скорость выходного звена задающего механизма в конце спуска, равное [3]:

У =£—, о ^2’

где йк - диаметр кулачка (выполнение, рис. 2), м; ¡1 - время торможения, с, равное [5]:

г 2 *и -

Таким образом, формула (9) примет вид:

ги = 76,39-^, пак

где п - число оборотов электродвигателя. Окончательно отношение (2) примет вид:

г у

= 76,39-

пй.

В таблице представлены значения параметров режима сварки, полученных с учетом зависимости (10).

Таблица. Изменение режимов сварки с квазиволновым импульсным движением сварочной проволоки при изменении напряжения питания дуги при заданных начальных условиях: ц„/цо=0,256; 0=1,6 мм

шить баланс сил, действующих на каплю, и она не перейдет в сварочную ванну, и при дальнейшем увеличении объема оторвется от торца электрода под действием силы тяжести, независимо от действия управляющего воздействия.

п, об/мин V, м/ч I, А и, В

3900 470 300 29,0

3700 440 290 28,5

3400 420 280 28,0

3200 400 270 27,5

3000 370 260 27,0

2800 340 250 26,5

2600 320 240 26,0

2400 290 230 25,5

2200 270 220 25,0

2100 250 210 24,5

1900 230 200 24,0

сварочной ванны каплю под воздействием сил пинч-эффекта вытолкнет из зоны сварки, либо капля разобьется на более мелкие брызги вследствие превышения силой соударения сил поверхностного натяжения.

Ускорение а можно представить как:

На практике отношение (10) является величиной постоянной, т.к. его изменение осуществимо только заменой кулачка, поэтому целесообразно проводить адаптацию частоты подачи импульсов к напряжению источника питания для стабилизации процесса сварки, т.к. при небольшом изменении напряжения происходит существенное изменение частоты вращения вала электродвигателя.

Выводы

1. Для регулировки процесса сварки при использовании механизма с квазиволновым движением проволоки целесообразно применение обратной связи по частоте вращения электродвигателя, т.к. частота подачи импульсов меняется даже при незначительном изменении напряжения сварочной дуги.

2. Для обеспечения стабильного процесса сварки соотношение между фазовыми углами подъема и опу

г У

скания кулачка должно быть равно = 76 39 ——

г., па,.

г

,

г

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федько В.Т Дуговая сварка плавлением: Учебное пособие. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 1994. - 241 с.

2. Волокитин Г.Г., Кузьменко Н.И., Филиппов В.Ф. Теория механизмов и механика машин: Учебное пособие / Под ред. В.Ф. Филиппова. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2000. - Ч. 2. - 173 с.

3. Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: Мир, 1982. - 519 с.

4. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. - М.: Машиностроение, 1970. - 335 с.

5. Федько В.Т., Брунов О.Г., Крюков А.В. Импульсно-дуговая сварка с короткими замыканиями как частный случай сварки с импульсной подачей проволоки // Современные проблемы машиностроения: Труды II Междунар. научно-техн. конф. -Томск, 8-10 декабря, 2004.