CC BY
67
2. Насретдинов А.В., Пац И.Н., Мешков Е.В. Проектирование организационно-технологических структур производственных систем механической обработки. Л.: Политехника, 1991. 255 с.
A.N. Inozemtsev, V.Yu. Antsev
QUALIMETRIC MEASUREMENT OF MANUFACTURABILITY OF PRODUCTION UNIT'S MACHINE PARTS
The solution of manufacturability control of machine parts in production unit based on determination of compromise between intense of production objective which characterized by composition and labor content of machine parts and inapplicable machine production risk is represented.
Key words: machine parts, interplant manufacturing routing, qualimetric estimate, misfit risk, labor content.
Получено 19.06.12
УДК 621.785.54
И.Х. Исрафилов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (8552) 58-91-72, vipi@ineka.ru (Россия, Набережные Челны, ИНЭКА), А.Т. Галиакбаров, канд. техн. наук, доц., (8552) 58-91-72, vipi@ineka.ru (Россия, Набережные Челны, ИНЭКА),
Д.И. Исрафилов, канд. техн. наук, доц., (8552) 58-91-72, vipi@ineka.ru (Россия, Набережные Челны, ИНЭКА),
А.Т. Габдрахманов, асп., ст. преподаватель, (8552) 58-91-72, vipi@ineka.ru (Россия, Набережные Челны, ИНЭКА), А.Д. Самигуллин, асп., (8552) 58-91-72, vipi@ineka.ru (Россия, Набережные Челны, ИНЭКА)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЕ ИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО ГЕНЕРАТОРА
Рассмотрены особенности компьютерного моделирования течения газа в газоразрядной камере импульсного плазменного генератора с помощью программы STAR-CCM+. Показано влияние способа подачи и расхода плазмообразующего газа на выходные параметры плазменного генератора.
Ключевые слова: моделирование течения газа, импульсный плазменный генератор, плазма.
Введение. Плазмотрон является основным элементом установки для плазменной обработки материалов и представляет собой устройство, генерирующее стабилизированный в пространстве поток дуговой плазмы с
90
температурой до десяти тысяч градусов. Можно выделить следующие основные требования, предъявляемы к плазмотронам, применяемых в машиностроении: требуемая мощность, высокий энергетический КПД, стабильность параметров плазменного потока, большой ресурс работы элементов плазмотрона, надёжность конструкции, простота обслуживания, возможность использования различных плазмообразующих газов и т.д. Высокая технико-экономическая эффективность процесса плазменной обработки во многом зависит от конструкции плазмотронов.
Основным методом получения плазмы для технологических целей является способ пропускания газовой струи через пламя сжатой электрической дуги. Целесообразно различать плазмотроны по характеру обдува электрической дуги в разрядном канале, выделив плазмотроны с продольно и поперечно-обдуваемыми дугами. Плазмотроны с поперечно-обдуваемой дугой можно разбить на коаксиальные, тороидальные, стержневые и плазмотроны с кольцевой дугой [1]. В таких плазмотронах обеспечивается получение плазменных потоков с большими поперечными размерами. Ресурс работы электродов у таких плазмотронов выше, чем у традиционных плазмотронов линейной схемы [2].
В данной работе рассматривается импульсный плазменный генератор с движущейся электрической дугой. Поперечно-обдуваемая дуга, двигаясь по поверхности параллельных электродов, нагревает плазмообра-зующий газ. На концах электродов происходит отрыв дуги с поверхности электродов. Сжатая плазма дуги вместе с потоком нагретого газа выходит из сопла и попадает на обрабатываемую деталь. Быстрое перемещение дуги по электроду под действием электродинамических и газодинамических сил распределяет тепловую нагрузку по длине электрода, что значительно увеличивает ресурс электродов и позволяет использовать относительно легкоплавкие материалы такие как сталь или медь. В данном случае тангенциально подаваемый газ (воздух) служит не только рабочим газом для создания плазменной струи, но и для снятия тепловой нагрузки со стенок корпуса импульсного плазменного генератора.
Экспериментальные исследования. В ходе экспериментальных исследований были получены энергетические характеристики данного плазмотрона, по этим характеристикам определены значения КПД плазменного генератора [3]. Результаты расчетов температуры потока плазмы
на выходе плазмотрона Тпл в зависимости от вкладываемой мощности и расхода плазмообразующего газа представлены на рис. 1.
В результате проведенных исследований установлено [4], что в импульсном плазменном генераторе с движущейся поперечно-обдуваемой дугой расход плазмообразующего газа оказывает существенное влияние на скорость движения электрической дуги. Увеличение расхода плазмообра-
91
зующего газа в 2 раза приводит к возрастанию скорости примерно в 1,5 раза (рис. 2).
12000
10000 Тщр к / • •
8000 -6000 • • ^ - * ..........
/ ^ ...........
4000
2000 Р. кВт
П -
5 7 9 И 13 15 17
Рис. 1. Температура на выходе импульсного плазменного генератора в зависимости от вкладываемой мощности при различных расходах плазмообразующего газа (воздуха): — G = 155 л/мин; - G = 124 л/мин; ---G = 93 л/мин; ----- G = 62 л/мин
Рис.2. Зависимость скорости движения дуги от расхода плазмообразующего газа при диаметре электродов й=6 мм,
межэлектродного зазора Ь=5 мм: - 1=230 А; - 1=200 А;- А-А- 1=180 А; 1=140 А
Способ подачи плазмообразующего газа влияет на ресурс работы плазмотрона, поэтому основной задачей является визуализация картины течения газа в газоразрядной камере плазмотрона, с выявлением областей с высокой скоростью потока и участков, в которых происходит торможение потока.
Моделирование. Для определения картины течения газа в разрядной камере импульсного плазменного генератора применили численное моделирование. Моделирование производилась на основе пакета STAR-CCM+. Программа STAR-CCM+ использует подход к моделированию, основанный на задании физических моделей и предоставляет полный контроль над процессом решения.
В первом этапе процесса моделирования выполняется проектирование 3D модели плазмотрона в CAD системе.
Следующим этапом является импортирование 3D модели в STARCCM+. Информация об объекте представляет собой объемную сетку, состоящую из многогранных ячеек (рис. 3).
Рис. 3. Объемная сетка разрядной камеры импульсного плазменного
генератора
На третьем этапе процесса моделирования задаются физические модели и непосредственно расчет течения рабочего газа в канале плазмотрона. Задаем физические модели для решения нашей задачи, а именно среды, материалы и уравнения гидро- газодинамики.
В предлагаемой задаче применяют следующие краевые условия:
1 - трехмерная модель;
2 - неподвижная модель;
3 - материал (газ); 4 - вид газа (реальный газ - воздух);
5 - модель реального газа (для более точного описания поведения реальных газов при низких температурах была создана модель газа Ван-дер-Ваальса, вводящая поправку на конечный диаметр молекулы и на притяжение молекул на больших расстояниях);
6 - модель сопряженного решения уравнения энергии;
7 - вид течения (турбулентное);
8 - уравнение описания течения (осредненная по Рейнольдсу турбулентность Навье-Стокса, используются для описания турбулентных течений);
9 - модель турбулентного течения (К - Epsilon).
Метод осреднения Рейнольдса заключается в замене случайно изменяющихся характеристик потока (скорость, давление, плотность) суммами осредненных и пульсационных составляющих.
Задаем свойства газа на входе; температура, давление, расход газа и т.п. После завершения выбора моделей для сплошной среды задаем критерий остановки решения задачи, т.е. количество шагов которые необходимо сделать и число Куранта.
Расчеты проводились при различных расходах плазмообразующего газа: 62 л/мин,93л /мин,124 л/мин,155 л/мин. Сцены скалярных и векторных полей скоростей показаны на рис. 4.
По данным полученным из расчетов было визуально определено что на начальном участке газоразрядной камеры происходит закрутка потока (рис. 4. а, б) и такое движение сохраняется вплоть до выхода из сопла, что позволяет эффективно охлаждать как стенки корпуса плазмотрона так и электроды. Из рис. 4, в видно, что в газоразрядной камере образуются области с различными полями скоростей, на рис. 4, в более темные участки соответствуют областям, где происходит торможение потока, светлые области с более высокой скоростью. Из этого рисунка видно, что закрученный поток вдоль стенок корпуса имеет наибольшую скорость, а в межэлектродном промежутке скорость потока значительно снижается.
График скоростей в наиболее важных местах разрядной камеры плазмотрона представлен на рис. 5.
Выводы. В результате сравнения экспериментальных исследований было определено что расход и способ подачи плазмообразующего газа оказывает влияние на выходные параметры импульсного плазменного генератора и работу плазмотрона в целом [4]. Проведенные расчеты показали, что в области движения электрической дуги скорость потока (vr) составляет при G = 62 л/мин - vr = 0,664м/с, G = 93 л/мин - vr = 1,36 м/с, G = 124 л/мин - vr = 1,89 м/с, G = 155 л/мин - vr = 2,73 м/с. Векторное поле скоростей показывает, что вокруг дуги образуется закрутка потока, которая позволяет обжимать дугу в центральной части разрядной камеры.
Тангенциальная подача плазмообразующего газа позволяет эффективно охлаждать плазмотрон и увеличить его ресурс работы. Увеличенная скорость потока у стенок корпуса плазмотрона снимает большую часть тепла, подводимую к стенкам от электрической дуги, а меньшая скорость по-
тока плазмообразующего газа в центральной части газоразрядной камеры
увеличивает энтальпию газа на выходе из плазмотрона.
а
в
Рис. 4. Результаты численного моделирования при расходе 124 л/мин: а - векторное поле скоростей плазмообразующего газа; б - векторное поле скоростей в поперечном сечении в середине газоразрядной камеры; в - скалярное поле скоростей плазмообразующего газа
95
О. лйиин
О I
55 75 95 115 135 155
б
Рис. 5. Скорость в различных точках разрядной камеры импульсного
плазменного генератора: а - местоположение точек; б - зависимость скоростей от расхода; •••• точка 1; — точка 2;---точка 3; - • - • — точка 4
В дальнейшем результаты, полученные в процессе моделирования течения газа в импульсном плазменном генераторе позволят рассчитать тепловые нагрузки на стенки и электроды плазмотрона, что поможет при проектировании плазмотронов подобной конструкции.
Список литературы
1. Клебанов Ю.Д., Григорьев С.Н. Физические основы применения концентрированных потоков энергии в технологиях обработки материалов. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-к, 2005. 220 с.
2. Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет / А.С. Коротеев, В.М. Миронов, Ю.С. Свирчук. М.: Машиностроение, 1993. 296 с.
3. Моделирование процесса обработки плазменным технологическим комплексом для достижения заданных показателей качества / И.Х. Исрафилов [и др.] // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. № 2, 2007. С. 86-88.
4. Исследование влияния параметров импульсного плазменного генератора на показатели качества технологического процесса / А.Т. Галиакбаров [и др.] // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. № 2, 2010. С. 50-52.
I.H. Israfilov, D.I. Israfilov, A.T. Galiakbarov, A.T. Gabdrahmanov, A.D. Samigullin A COMPUTER MODELLING OF A GAS CURRENT IN A DISCHARGE CHAMBER OF THE IMPULSE PLASMA GENERATOR
The features of computer modelling of the gas current in the gas-discharge chamber of the impulse plasma generator are considered by means of program STAR-CCM +. Influence of a way of the giving and the expense ofplasma gas current is shown on the output parametres of the plasma generator.
Key words: modelling of the gas current, the impulse plasma generator, plasma.
Получено 19.06.12
