CC BY
38
УДК 621.791.75:621.311.6
В. Ф. МУХИН Е. Н. ЕРЕМИН
Омский государственный технический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ С ПЕРИОДИЧЕСКИМИ КОРОТКИМИ ЗАМЫКАНИЯМИ
Рассмотрено построение динамических характеристик короткого замыкания для сравнения и разделения без предоставления осциллограмм или алгоритмов управления современных и традиционных процессов сварки короткой дугой.
Ключевые слова: короткое замыкание, сварка короткой дугой, динамическая характеристика, осциллограмма, источник питания.
Благодаря сниженному тепловложению и контактному переносу капель электродного металла при коротком замыкании в отсутствии дуги процесс сварки короткой дугой имеет широкое распространение при сварке малых толщин и сварке в пространственных положениях, отличных от нижнего. Недостатками процесса долгое время являлось повышенное разбрызгивание в большом диапазоне режимов, а также невозможность снизить тепло-вложение без уменьшения диаметра электрода и потери стабильности горения дуги.
Для устранение этих недостатков в разное время разрабатывались способы сварки, в которых обеспечивалось изменение скорости нарастания и спада токов начала и конца короткого замыкания [1], выравнивание их величин [2] и др.
В связи с успехами промышленной электроники, обеспечившей высокое быстродействие регуляторов электрических параметров, соизмеримое по времени с электрогидродинамическими процессами, протекающими при сварке, разработаны новые способы сварки короткой дугой, которые связывают изменение тока с фазами плавления и переноса электродного металла. Таким образом, появилась новая группа источников, имеющих быстродействующие системы управления током для реализации этих процессов.
Можно утверждать, что произошел переход от квазистатических режимов горения дуги, которые в достаточной мере характеризовались статическими характеристиками источника питания («напряжение—ток» при изменении нагрузки), к динамическим режимам, где дополнительными параметрами являются изменение во времени тока сварки и в некоторых случаях длина дуги (напряжение дуги или падение напряжения в промежутке электрод —сварочная ванна во время переноса электродного металла). Несмотря на обширные отечественные исследования в этой области, промышленное применение этих процессов с созданием соответствующих источников питания было осуществлено иностранными фирмами и закреплено в их названиях.
К таким процессам сварки короткой дугой относятся способы программируемого изменения сварочного тока: БТТ, соЫЛгс, Ш18еЯоо1;, СМТ и др. [3].
С точки зрения разработчиков процесса БТТ, источник питания для этого адаптивного процесса нельзя причислить ни к источникам с падающими вольтамперными характеристиками, ни к источникам с жесткими характеристиками, так как ток в нем программируется в зависимости от состояния расплавленного металла на конце электродной проволоки. Таким образом, типовая внешняя характеристика такого источника, построенная в координатах «напряжение— ток» при монотонном изменении нагрузки (активного балластного сопротивления), не содержит информации о его работоспособности и технологических свойствах. Вместо внешней характеристики в этих работах приводится алгоритм управления сварочным током, реализуемый в зависимости от падения напряжения в промежутке электрод—сварочная ванна во время формирования капли электродного металла и ее переноса в сварочную ванну (рис. 1а) [3]. При реализации процесса сварки этот алгоритм требует дополнительных пояснений, так как осциллограммы реального процесса могут иметь отличия в зависимости от коррекции режима (рис. 1б) [4].
Если для схожего по форме тока процесса используется непрограммируемый источник со сложной внешней характеристикой, представляющей собой ломаную линию из семи сегментов, то по ней также трудно представить реальное изменение тока и напряжения при сварке [5] (рис. 2).
Таким образом, по мнению [4] оценить работу какого-либо источника питания для сварки короткой дугой невозможно без записи и анализа осциллограмм.
Без приведения осциллограмм сложно выявить отличия одного способа сварки от другого, получить информацию о значениях токов начала и окончания короткого замыкания, величины максимального тока в процессе сварки. Эти параметры являются важными и определяющими
о
го
Рис. 1. Алгоритм изменения тока при коротком замыкании при сварке способом STT — а, осциллограмма процесса сварки — б
Рис. 2. Внешняя характеристика специального источника питания для сварки с короткими замыканиями — а и осциллограммы процесса сварки — б [5]
для разделения и оценки того или иного технологического процесса сварки короткой дугой.
Это разделение тем более необходимо, так как для разных типов процессов предлагаются разные способы оценки их стабильности [6, 7], связанные с применением компьютерной техники, которые со временем, вероятно, войдут в официальные документы сварочной диагностики.
На основании вышеизложенного и в связи с многообразием и существенными отличиями ранее разработанных и современных способов сварки с периодическими короткими замыканиями для разделения процессов, по нашему мнению, необходимы более формализованные и упрощенные графические признаки, чем представление записи осциллограмм.
Наглядным, простым и достаточно информативным методом для сравнения и разделения современных и традиционных процессов сварки короткой («холодной» по формулировке зарубежных исследователей) дугой без осциллограмм и алгоритмов, на наш взгляд, может быть предоставление заранее построенных динамических характеристик короткого замыкания при различных способах сварки. Так как в вышеупомянутых новых процессах сварки короткой дугой напряжение дуги и последующего короткого замыкания являются сигналом обратной связи, по которому производится управление сварочным током, то динамическая характеристика, построенная как изменение тока и напряжения короткого замыкания в одни и те же моменты вре-
мени в осях «ток —напряжение», позволяет определить основные параметры режима и их взаимное изменение.
Построение может быть осуществлено по моделям процесса [8], в этом случае построение динамической характеристики осуществляется моделирующей программой, или по реальным осциллограммам типового короткого замыкания для данного процесса сварки как в абсолютных, так и в относительных единицах, если область оптимальных режимов достаточно широка.
Для традиционного классического способа сварки короткой дугой от источника постоянного (непульсирующего) тока динамическая характеристика имеет вид трапеции (рис. 3), где точки 1 и 2 определяют напряжение и ток начала короткого замыкания, а 3 и 4 — окончания. Величины тока и напряжения определяются параметрами силовой цепи источника питания.
В случае сварки выпрямленным током (имеющим пульсации) вид характеристики аналогичен, если выпрямитель не имеет специальных устройств для обеспечения окончания короткого замыкания на спаде кривой пульсирующего тока. Но и без специальных устройств при сварке выпрямленным пульсирующим током возможны такие режимы, когда начало или окончание короткого замыкания происходит на спаде тока пульсации. Такие режимы обеспечивают меньшее разбрызгивание. В этом случае линии, являющиеся продолжением боковых сторон трапеции, показывают, в какой фазе пульса-
б
а
б
а
Рис. 3. Реальная — а и смоделированная (внутри динамической характеристики) осциллограммы короткого замыкания традиционного процесса сварки на постоянном токе и его динамическая характеристика — б
Рис. 4. Реальная — а и смоделированная осциллограммы короткого замыкания при сварке выпрямленным пульсирующим током — б (вверху) и динамическая характеристика — б (внизу)
Рис. 5. Осциллограмма смоделированного адаптивного процесса сварки и его динамическая характеристика
ции происходит начало и окончание короткого замыкания (рис. 4).
Для процессов сварки, осциллограммы которых приведены на рис. 1 и 2 характер динамической характеристики существенно меняется (рис. 5). Из-
менение тока имеет сложную форму, а окончание короткого замыкания происходит при регулируемо сниженных значениях сварочного тока. Такая форма характеристики с током окончания короткого замыкания приближенного к току его начала
б
а
б
а
Рис. 6. Осциллограммы и динамические характеристики процессов сварки ColdArc — а и SteelRoot — б; н — точка начала короткого замыкания, к — окончания
1н
0,5 1.0
б
1 7 Г .ЖЙЙй-Г..................
г 7 1 - \CZZl~~x
— --------
¿—«г Г..............
4.0
3.0
2.0
1,0
0.5
1,0
9,5 I .(I
г
Рис. 7. Осциллограммы и динамические характеристики (в единицах относительно параметров начала короткого замыкания): процесс сварки ВКЗ — а [2]; ^особом ColdArc — б; способ SteelRoot — в и WiseRoot — г [3]; буквами «н» и «к» обозначены начало и конец короткого замыкания; I и U — ток и напряжение начала короткого замыкания
б
а
а
в
к
и
и
и
а б в
Рис. 8. Типовые динамические характеристики короткого замыкания при сварке короткой дугой: сварка постоянным током — а; сварка выпрямленным пульсирующим током (процесс ВКЗ, сварка от однофазных выпрямителей, от вентильных генераторов и т.п.) — б; один из адаптивных процессов — в
и существенно сниженного по отношению к максимальному току указывает на программируемый процесс.
На рис. 6 показаны динамические характеристики коротких замыканий адаптивных процессов СоЫАгс и 81ееШоо1;, построенных по осциллограммам процессов сварки [3].
Для указанных процессов характерным признаком является сниженное значение тока окончания короткого замыкания. В одном случае многократно и при низком основном токе, что указывает на сварку на пониженной мощности при производстве тонкостенных конструкций, в другом в меньшей степени и при увеличении мощности после возбуждения дуги.
Построение динамической характеристики может быть и в относительных единицах (относительно тока начала короткого замыкания или среднего тока). В этом случае достаточно указать лишь значения тока и напряжения в начальной точке.
На рис. 7а показана динамическая характеристика процесса сварки выпрямленным пульсирующим током способом ВКЗ [2], на рис. 4б — динамическая характеристика выше упомянутого адаптивного процесса СоЫАгс, а на 7в и г — процессов 81ееШоо1 и Ш18еЯоо1 соответственно. И в этих случаях форма динамической характеристики позволяет оценить изменение тока и напряжения в процессе короткого замыкания и указывает на характер процесса. Соотношения токов максимального в период короткого замыкания, а также начала и конца его указывает на адаптивный характер процесса (рис. 7б, в, г), который имеет значительные отличия от сварки от выпрямителя с пульсирующим током, рис. 7а.
Во время сварки дуга испытывает множество внешних и внутренних неконтролируемых возмущений, влияние которых отражается на осциллограммах при большой скорости записи. Если не стремиться к детализации подобных процессов сварки и рассматривать осциллограммы для построения динамических характеристик, записанные при малых скоростях, только для выявления конечных значений тока в процессе короткого замыкания, то тогда динамическая характеристика будет состоять лишь из четырех прямых линий. Однако и этого достаточно для того, чтобы определить основные признаки трех типовых процессов сварки короткой дугой (рис. 8).
Представленная динамическая характеристика конкретного процесса сварки содержит информа-
цию о максимальном значении сварочного тока, о соотношении токов начала и конца короткого замыкания, об изменении тока по окончанию короткого замыкания. Кроме этого, на этих характеристиках могут быть указаны возможные изменения тока и напряжения в диапазоне рекомендованного регулирования режима сварки или их изменения при корректировке программ, заложенных разработчиками способа.
Вышеуказанные динамические характеристики не несут информации о временных параметрах короткого замыкания, однако длительность короткого замыкания определяется значениями тока и напряжения при сварке, а длительность снижения тока, предшествующего возбуждению дуги в адаптивных режимах, практически во всех способах постоянна и устанавливается около одной миллисекунды.
Исходя из вышесказанного, динамическая характеристика является простым и наглядным графическим отображением обобщенного алгоритма функционирования источника питания для сварки с периодическими короткими замыканиями дугового промежутка. Она отображает управляемость процесса сварки для данного источника питания и является таким же показателем его назначения, как падающая или жесткая внешние характеристики для традиционных способов сварки.
Библиографический список
1. Хейфец, А. Л. Сравнительная оценка некоторых способов уменьшения разбрызгивания металла при сварке в СО2 / А. Л. Хейфец // Автомат. сварка. - 1986. - № 3. - С. 58-60.
2. Сравнительный анализ сварочно-технологических свойств современных выпрямителей для сварки в защитных газах / М. В. Карасев [и др.] // Сварка в Сибири. - 2003. -№ 2. - С. 22-30.
3. Мухин, В. Ф. Источники питания и мультисистемы для современных технологических процессов сварки плавящимся электродом : моногр. / В. Ф. Мухин, Е. Н. Еремин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. - 96 с.
4. Козлов, И. К. Особенности мониторинга процесса сварки и состояния сварочного оборудования / И. К. Козлов // Сварка и диагностика. - 2013. - № 4. - С. 59-62.
5. Ланкин, Ю. Н. Автоматическое управление процессом сварки плавящимся электродом в СО2 с периодическими замыканиями дугового промежутка (обзор) / Ю. Н. Ланкин // Автоматическая сварка. - 2007. - № 1. - С. 3-10.
6. Букаров, В. А. Оценка стабильности дуговой сварки по осциллограммам процесса с использованием статистических
о
го
методов / В. А. Букаров, С. С. Ермаков, Т. А. Дорина // Сварочное производство. - 1990. - № 12. - С. 30-32.
7. Актуальные вопросы сварки неповоротных стыков трубопроводов в монтажных условиях / Н. П. Алешин [и др.] // Сварка и диагностика. - 2013. - № 3. - С. 36-40.
8. Мухин, В. Ф. Моделирование электрических схем маломощных сварочных выпрямителей / В. Ф. Мухин, Е. Н. Еремин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2011. - № 3 (103). - С. 73-78.
МУХИН Василий Федорович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры маши-
ностроения и материаловедения секции «Оборудование и технология сварочного производства». ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор машиностроительного института, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, заведующий секцией «Оборудование и технология сварочного производства».
Адрес для переписки: weld_techn@mail.гu
Статья поступила в редакцию 06.09.2016 г. © В. Ф. Мухин, Е. Н. Еремин
УДК 62.752.2
Ю. Ф. САВЕЛЬЕВ Н. Ю. СИМАК
Омский государственный университет путей сообщения
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ВИБРОЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА С НОЖЕВЫМИ ОПОРАМИ
В работе приведены результаты поиска конструктивных решений по модернизации рессорного подвешивания подвижного состава с целью создания эффективной виброзащиты. Предлагается новая конструктивная схема, позволяющая упростить известные аналоги и повысить надежность. Ключевые слова: рессорное подвешивание, виброзащита, дополнительные устройства, ножевые опоры, обоснование конструкции.
Известно, что типовое рессорное подвешивание подвижного состава по своим упругим характеристикам не обеспечивает необходимых условий виброзащиты экипажа и оборудования и, как следствие, требует ограничения скоростей движения.
Имеется несколько принципиальных путей решения этой проблемы, но все они либо очень дороги, либо небезопасны в сложных условиях эксплуатации железных дорог.
Есть перспективные направления, связанные с дополнительными упругими устройствами, имеющими зону отрицательной жесткости в силовых характеристиках (рис. 1). Совместная работа типового рессорного подвешивания и дополнительных устройств позволяет реализовать суммарную нелинейную силовую характеристику, что дает значительные положительные результаты виброзащиты.
Имеется несколько конструктивных решений таких устройств, отличающихся кинематическими схемами [1, 2].
Недостатком конструкций является необходимость использовать в шарнирных узлах подшипников качения для устранения трения скольжения, наносящего отрицательное воздействие на эффективность виброзащиты.
Работа подшипниковых узлов в условиях эксплуатации железных дорог требует защиты от окружающей среды (влаги, пыли). Кроме этого, в дополнительных устройствах на шарниры воздействуют
большие силовые усилия, что ведет к увеличению их габаритов и массы.
Предлагаемая схема виброзащитного устройства отличается от прототипов конструктивной особенностью. В кинематической схеме в горизонтальном силовом узле используются так называемые в технической литературе ножевые опоры [3].
Ножевые опоры предназначены для подвижных частей, совершающих колебательные движения на небольшой угол, и состоят из ножа и подушки. Нож — призма выполняет роль цапфы и опирается скругленным ребром малого радиуса на опору — подушку — цилиндрическую поверхность большого радиуса.
Конструктивно виброзащитное устройство (рис. 2) состоит из ножевых стержней — 1, с внешней стороны упруго поджатыми опорами подшипника — 2. Подушки выполнены в виде двух угловых прорезей, в вершине которых имеется цилиндрическая поверхность большого радиуса. Они установлены в средней части двух упругих рессор — 3, посредством плиты — 4, жестко связаны с рамой тележки — 5. Неупругие подвижные опоры подушки — 6 совмещены и представляют собой такие же поверхности, связанные посредством тяги — 7, шарниров — 8 и регулировочного узла — 9, с буксой колесной пары — 10.
Длина стержней — 1 и жесткость рессор — 3 рассчитывается из условий обеспечения в гори-
