CC BY
18
УДК 621.791.927.5
Д-р техн. наук В. А. Лебедев, С. В. Новиков ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, г. Киев
ГИПОТЕЗА ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА ПРИ НАПЛАВКЕ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГНОСТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ПОДАЧИ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОВОЛОКИ
Рост капли в процессе наплавки плавящимся электродом характеризуется линейной зависимостью изменения тока от времени. Выдвинута гипотеза, согласно которой снижение скорости подачи электродной проволоки до нуля в данном временном промежутке существенно уменьшит потери на разбрызгивание и улучшит формирование наплавочного валика, для реализации чего предложено применение регуляторов с типовым законом регулирования, но не по текущему значению тока дуги, а по прогнозу. Ключевой особенностью данных исследований является осуществление данного процесса наплавки с наложением внешних механических колебаний с заданными амплитудно-частотными характеристиками на сварочную ванну. Приведен аналитический расчёт передаточной функции для прогностического ПИД регулятора с простейшим линейным прогнозом с учётом колебания сварочной ванны.
Ключевые слова: прогностический регулятор, колебания сварочной ванны, наплавка.
Введение
Экспериментально установлено, что в момент роста капли ток в дуге меняется по линейной зависимости. Если в этот период скорость подачи электродной проволоки снизить до нуля, то время существования жидкой перемычки уменьшится в 1,7 раза по сравнению с режимом наплавки с постоянной скорости подачи проволоки. Минимальный ток короткого замыкания снизится на 20 %, что уменьшит не только потери металла на разбрызгивание, но и количество теплоты введённой в основной металл. Частота же импульсов подачи проволоки должна быть близкой или равна частоте переноса капель в сварочную ванну. Обеспечить такой режим подачи электродной проволоки можно применяя систему управления, основанную на автоматических регуляторах.
Анализ последних исследований и литературы
Для осуществления поставленной задачи применяются регуляторы с оптимальными алгоритмами регулирования (ПИ, ПИД, П) параметров технологического процесса [1]. Однако можно существенно повысить эффективность типовых алгоритмов, незначительно видоизменив их таким образом, чтобы регулирование осуществлялось не по текущему значению выходной
величины - /(), а по прогнозу [2] - /д^+ Тпр), где Тпр -время через которое возникнет ошибка регулирования
А „р.
Прогностический регулятор состоит из 2-х частей -регулятора с типовым законом регулирования ^(р) и
передвключённого элемента прогнозирования с передаточной функцией ^^(р) или некоторой нелинейной функциейА/дЛ). Элемент имеет память в которую вводится заданный линейный закон изменения тока дуги -/jо(t)=Аt+/где А и /о заданные постоянные. Определяя значение разности /^У)-/™^), где /™к(() - закон изменения текущего значения регулируемой величины, элемент прогнозирования преобразует значение этой раз-
ности в сигнал ожидаемой через время
пр
ошибки
регулирования А = /°(()-/($+ ТпР), по которой в соответствии с принятым типовым законом формируется регулирующее воздействие
0; Впр = 0; Vm * 0 f (t);Впр * 0;Vm = 0
где V - скорость по-
дачи электродной проволоки; f(t) - заданный алгоритм регулирующего воздействия.
Постановка проблемы
Как известно, при наплавки в среде углекислого газа одним из существенных недостатков являются большие потери на разбрызгивание, а при наложении внешних колебаний на расплав сварочной ванны этот недостаток только усиливается. Основной причиной разбрызгивания принято считать взрыв перемычки, что характеризуется некоторой значением силы тока, соединяющей каплю расплавленного металла с торцом проволоки. Тогда, применяя прогностический регулятор, можно задать режим подачи проволоки таким об-
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕС1В В МЕТАЛУРПТ ТА МАШИНОБУДУВАНН1
разом, чтобы в период роста капли скорость подачи была равна нулю, а размер капли определялся заданными амплитудно-частотными характеристиками коле -бания сварочной ванны.
Цель работы
Аналитически определить зависимости времени горения дуги и времени короткого замыкания от заданного закона колебания сварочной ванны, на основе которых может быть задан алгоритм работы прогности-чекого регулятора.
Основная часть
Для тока дуги при для ванны, которая колеблется по заданному закону у ^) = 2%/^, как показано на рисунке 1, где / - заданная частота колебания ванны, зависимая от скорости сварки, было получено аналитическое выражением [3]:
3
1д = /кз _ Б1д 8 ,
где 1кз - ток короткого замыкания, Б [А/м] - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально в зависимости от силы тока сварки, ¡д - длина дуги, в условиях внешних колебаний определяемая как [4]:
1ср
!д = 5в~~
где 5 - величина превышения длины дуги за счёт колебания, ^ - время саморегулирования дуги, 8 [с] - постоянная саморегулирования дуги, а 5 = atg (2п/св т) -амплитуда колебания сварочной дуги.
Здесь а - горизонтальное расстояние от оси колеба-ния до ванны, т - время горения дуги до короткого замыкания. Тогда для промежутка времени роста капли можно записать:
А л + /о = 1 кз _ Б
^ ср \ 8
а^ (2пЛвт л)е
Откуда можно определить тл - отрезок времени горения дуги в течении которого происходил рост капли (т > т л), а зависимость тока дуги от времени была линейной - 1°(() = Аt +1Данное уравнение относительно т л является трансцендентным и может быть решено только приближённо.
С учётом вышеизложенного, для простейшего линейного прогноза передаточная функция в общем виде
будет такой: W (р)=1+р т пр = 1+р( т л +тТ), где р - комплексная переменная, Т = тл + ткз - период горения дуги, где - время короткого замыкания, т - любое натуральное число. Время определяется из формулы плотности тока, полученной также аналитически:
пеэлХ
а^ (2/т кз )е 8 К
где у - плотность тока короткого замыкания, п - любое натуральное число, увеличивающееся по мере роста у, еэл - заряд электрона, X - коэффициент теплопроводности, К - постоянная Больцмана. Откуда:
2/
■ аг^
( \
_ д ауе 8 К
Тогда передаточная функция, например, прогностического ПИД регулятора будет представлена таким выражением:
W прпид (р )= WПИд ()) (р) =
( 1 ^ = кр 1 + + Тдр р + р(тЛ + трЛ + ткз ДО, V Тир )
где кр - коэффициент передачи регулятора, Ти - постоянная времени интегрирования, Тд - постоянная времени дифференцирования.
Рис. 1. Схема к пояснению зависимости длины дуги от частотных характеристик колебания сварочной ванны. Здесь
V« = 2/
1
х =
кз
3
8
1607-6885 Новi маmерiалu i технологи в металурги та машинобудуеант №2, 2017
101
Список литературы
1. Ротач В. Я. Теория автоматического управления. Учебник для вузов / Ротач В. Я. - М. : Издательский дом МЭИ, 2007. - 399 с.
2. Пикина Г. А. Реализация принципа управления по прогнозу в автоматических системах регулирования / Пикина Г. А. // Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления (ВСПУ-2014, Москва). - М. : Институт проблем управления, 2014. - С. 200-211.
3. Математическая модель процессов сварки и наплавки с управляемыми изменениями вылета электродной проволоки / [Лебедев В. А., Новиков С. В., Драган С. В., Симутенков И. В.] // Збiрник наукових праць НУК. -Миколав, 2017. - № 1. - С. 48-54.
4. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга. - М. : Машиностроение, 1970. - С. 177-179.
Одержано 26.12.2017
Лебедев В.А., Новиков С.В. Гшотеза формування структури наплавленого металу при наплавленш на 0CH0Bi застосування прогностичного алгоритму управлшня швидкктю подачi електродного дроту
Зростання Kparni в процес наплавлення електродом, що плавиться, характеризуеться лiнiйною залежнктю змти струму eid часу. Висунуто гтотезу, згiдно з якою зниження швидкостi подачi електродного дроту до нуля в певному часовому промiжку iстотно зменшить втрати на розбризкування i полiпшить формування наплавленого валика, для реалiзацi'i чого запропоновано застосування регуляторiв за типовим законом регулювання, але не за поточним значенням струму дуги, а за прогнозом. Ключовою особливiстю цих до^джень е здшснення процесу наплавлення з накладенням зовшшшх механiчних коливань з заданими амплiтудно-частотними характеристиками на зварювальну ванну. Наведено аналiтичний розрахунок передавальноi функцП для прогностичного П1Д регулятора з найпростШим лiнiйним прогнозом зурахуванням коливання зварювально' ванни.
Ключовi слова: прогностичний регулятор, коливання зварювально '1' ванни, наплавка.
Lebedev V., Novikov S. Hypothesis of formation of the structure of surfaced metal at the surface based on the application of the prognostic algorithm for controlling the speed of electrode wire
The growth of a drop in the process of surfacing by a consumable electrode is characterized by a linear dependence of the current change on time. A hypothesis has been put forward, according to which a reduction in the feed rate of the electrode wire to zero in this time interval will substantially reduce the spraying loss and improve the formation of the surfacing roller. For the implementation of which the use of regulators with a typical law of regulation is proposed, but not according to the current value of the arc current, but according to the forecast. A key feature of these researches is a realization given surfacing process with the imposition of external mechanical oscillations with specified amplitude-frequency characteristics on the welding bath. Analytical calculation of the transfer function for the prognostic PID regulator with the simplest linear prediction taking into account the oscillation of the weld pool is given.
Key words: prognostic regulator, welding pool oscillations, surfacing.
