CC BY
20
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО КОНТУРА БЫТОВОГО АППАРАТА ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент
Маслов Георгий Сергеевич, студент Шумаков Артем Александрович, студент Юго-Западный государственный университет
В связи с развитием индивидуального предпринимательства и различных малых предприятий бытового сервисного обслуживания в настоящее время увеличивается потребность в высокотехнологичной сварке металлов относительно небольших толщин (до 1,0^1,5 мм) и сечений (до 06 мм). Эту потребность во многих случаях можно реализовать с помощью ручных аппаратов для контактной сварки небольшой мощности, имеющих малые габариты и вес, и питающихся от бытовой электрической сети 220 В. Такие переносные аппараты состоят из силовой электро-механической части - клещей со встроенным трансформатором, имеющих ручной привод механизма сжатия свариваемых деталей, и электронного блока управления источником сварочного тока.
Ограниченность предложений промышленным производством доступных по цене аппаратов с требуемыми техническими характеристиками послужило основанием для разработки бытового аппарата с инверторным источником питания и достаточно легкими и удобными в эксплуатации клещами [1].
Важной частью переносного аппарата для контактной сварки, как и для любых стационарных машин [2], являются элементы и узлы токоведущего контура клещей, называемого по стандартной терминологии вторичным (сварочным) контуром.
По функциональному назначению вторичный контур должен:
- обеспечить токоподвод к деталям заданного по режиму сварочного тока без перегрева элементов контура;
- иметь достаточную жесткость элементов для передачи и восприятия механических усилий;
- обеспечить подвижность и достаточный ход одного из электродов, для чего, наряду с жесткими элементами, контур должен иметь гибкий то-коподвод со стороны подвижного электрода.
Выполнение этих требований гарантируется правильно спроектированной конструкцией контура, с учетом режима сварки и работы аппарата, способа охлаждения токоподводов и жесткости конструктивных элементов механизма сжатия клещей. Размеры и конструкция вторичного контура клещей, от которых зависит его полное электрическое сопротивление, так же как и в стационарных контактных машинах [3], определяют его технологические возможности и энергетические показатели.
Проектирование вторичного контура любой машины или аппарата для контактной сварки заключается в выборе конструктивной схемы, задания
линеиных размеров элементов контура, расчете площади и размеров сечений каждого элемента, а также в определении полного сопротивления и энергетических характеристик контура.
В проектируемом бытовом аппарате для контактной сварки током повышенной частоты вторичный контур состоит из верхних и нижних электродов и электрододержателей, а также двух токоподводов к ним.
Все элементы контура выполняются из высокоэлектропроводного материала, при этом, электроды, кроме высокой тепло- и электропроводности, должны обладать сравнительно высокой жаропрочностью, твердостью, температурой рекристаллизации и малой склонностью к массопереносу [4]. В качестве материала электродов нами выбрана хромовая бронза БрХ, для остальных элементов контура - медь М1.
Сечения всех элементов, их охлаждение, площадь контактов должны быть такими, чтобы при протекании номинального длительного вторичного тока /2дл, при заданной продолжительности включения (пв), температура элементов контура не превысила допустимую -100 оС (с учетом отсутствия принудительного охлаждения элементов контура).
Температура нагрева 1-го элемента обуславливается плотностью тока соответствующей длительному значению тока /2дп при пв=100 %. Величина /2дп может быть определена из соотношения:
/2дл — 12кр
\ПВ,
100 , А , (1)
где /2кр - номинальный кратковременный ток во вторичном контуре;
пвн - номинальная продолжительность включения машины (для
производительности переносного аппарата 90 сварок в час принимаем пвн = 0,2 %). Так как ток, генерируемый инвертором повышенной частоты, не является синусоидальным, то его действующая величина может быть определена по следующему выражению:
т _ ту 1св.а
12 кР - К • ТТ
1,4 , А , (2)
где /св.а - амплитудное значение сварочного тока;
К - коэффициент, учитывающий несинусоидальность импульса тока, генерируемого инвертором тока повышенной частоты. Для расчетов принимаем - К = 0,5 , тогда
8000
/2кр - 0,5 -ГТ - 2857 /2дл - 2857 •
1,4 А и *
а2 126
100 , А .
А и
Сечение ¿-го элемента из условия нагрева рассчитывается по формуле:
£ — / 2дл
1 л , (3)
где - допустимая плотность тока для 1-го элемента.
Рассчитываем требуемые сечения каждого из элементов контура, принимая при этом значения допустимой плотности тока для электродов из БрХ и консолей из меди М1 - у = 1,0 А/мм , а для гибких токоподводов, свитых из плетения большого количества неизолированных медных многожильных проводов особой гибкости марки ПЩ 2,5 (поставляемых по ТУ 16-705.467-87) - у = 0,5 А/мм2.
Для электродов минимально возможное сечение и, соответственно, диаметр
5 э =126 = 126 э 1,0
^ =
2
(4-126 3,14
= 12,7
, мм и , мм .
Принимаем диаметр электродов йэ = 14 мм и уточняем их сечение:
3 14-142
5э = ' =154
4
мм
Для консолей требуемое сечение, рассчитанное из условия допустимой плотности тока, будет аналогично сечению электродов, однако, так как консоли вторичного контура не только подводят ток, но и передают механические усилия, то их сечение следует проверять на жесткость и для проектируемой конструкции клещей принимать большее расчетное значение сечения. Требуемое из условия жесткости сечение круглой консоли определяется по формуле :
5к =
- 4т£
3Еу
(4)
где ^сж - усилие сжатия, даН (в проектируемом аппарате максимальное
усилие, прикладываемое к электродам рычажным приводом
сжа-
тия принимаем - 100 даН); у - допустимая величина прогиба консоли (не должна превышать 1,2 мм [3]);
Е - модуль упругости (принимается 106 даН/см2).
5 к
1
100 - 4 - 3,14 -143
3 -106 - 0,12
3,09
см
Рассчитываем диаметр консолей, требуемый из условия допустимой жесткости:
4 - 3,09
3,14
1,985
см
Принимаем окончательно диаметр консолей = 20 мм и определяем уточненное сечение консоли:
314•202 ^* = 3,14 20 = 314 * 4
мм
Для гибких токоподводов требуемое сечение и, соответственно, диаметр:
=126 = 252 0,5
1)
4 • 252
3,14
18
мм .
, мм и
Для определения активного сопротивления вторичный контур разбивается на отдельные участки по размеру поперечных сечений элементов, как показано на (рис. 1).
Рис. 1. Расчетная схема вторичного контура бытового аппарата для контактной сварки: 1, 6 - верхний и нижний электроды; 2, 5 - верхняя и нижняя консоли; 3, 4 - верхний и нижний гибкие токоподводы; КНП - контакт неподвижный постоянный; КНПр - контакт неподвижный переменный
Активное сопротивление контура складывается из сопротивлений отдельных элементов и сопротивлений контактов между этими элементами: явк = + едкнп + ^кнпр , (5)
где Я - активное сопротивление /-того элемента контура;
яки! - сопротивление неподвижных постоянных контактов;
якмр - сопротивление неподвижных переменных контактов. Активное сопротивление /-того элемента определяется по следующему выражению
КпРт1г
=
где рт - удельное электросопротивление материала элемента при допустимой температуре нагрева,
Рт = Ро (1 + арТ) ; (7)
Т - допустимая температура нагрева элемента, оС; ¡и - длина и поперечное сечение ьтого элемента; Кп - коэффициент поверхностного эффекта, определяется для круглого сечения в зависимости от критерия подобия р:
Р =
1
8лГ
= 5
яа (1м)*107 \
/
яа (1м)*107
(8)
(1м) 8
где Р0(1м) - омическое сопротивление 1 м проводника,
/ - частота сварочного тока 50 Гц. При частоте тока, неравной 50 Гц, коэффициент поверхностного эффекта Кп при расчете активного сопротивления должен увеличиваться в £ раз:
Р =
"v50 , (9)
где/и - частота сварочного тока, генерируемого инвертором. Результаты расчета активного сопротивления участков вторичного контура клещей приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты расчета активного сопротивления участков контура
№ у-ка Ро, х10-6 Омм оС-1 к м х10-6 м2 Ро(1м) ; х10-6 Ом Кп £ р, х10-6 Ом
1 0,021 0,0038 0,075 154 136 5,59 76,3
2 0,0175 0,0043 0,065 314 55,4 5,64 30,5
3 0,0175 0,0043 0,125 252 3,0* 36,4
4 0,0175 0,0043 0,125 252 3,0* 36,4
5 0,0175 0,0043 0,1 314 55,4 5,64 46,8
6 0,021 0,0038 0,03 154 136 5,59 30,4
Итого: я^1-6 256,8
* учитывая, что гибкие токоподводы свиты из плетения большого количества неизолированных медных многожильных проводов принимаем - Кп = 3,0.
Все элементы вторичного контура клещей соединяются между собой двумя неподвижными постоянными и двумя неподвижными переменными (разбираемыми) контактами, сопротивление которых составляет значимую часть активного сопротивления контура.
Сопротивление контактов зависят от размеров, состояния поверхностей, чистоты обработки, формы соединения, температуры нагрева и усилия их сжатия. С учетом особенностей конструкции проектируемого контура, сопротивление одного неподвижного постоянного контакта медь-бронза принимаем равным 15х10-6 Ом, а для неподвижных переменных контактов медь-медь - 10х10-6 Ом.
Суммируя все найденные составляющие сопротивления определим общее активное сопротивление проектируемого вторичного контура переносного аппарата.
явк = (256,8 + 30 + 20) • 10-6 = 306,8 • 10-6 , Ом.
Для расчета индуктивного сопротивления проектируемого вторичного контура простой конфигурации целесообразно воспользоваться упрощенным методом его расчета по площади контура [3]. При данном методе расчета вычисляется площадь, охватываемая контуром, и по эмпирическому выражению определяется его индуктивное сопротивление:
= ( • н )0,73 • 5- •ю-6
50 , Ом . (10)
где I и Н - вылет и раствор контура, соответственно, см; / - частота тока, Гц.
=(11 -ю)73 •1200-10-6 = 742•ю-6
50 , Ом .
Полное сопротивление вторичного контура проектируемых клещей складывается из сопротивления токопроводящих элементов контура, сопротивления свариваемых деталей и сопротивления обмоток сварочного трансформатора. Полное сопротивление сварочного контура наряду с номинальным сварочным током определяет номинальное вторичное напряжение сварочного трансформатора и требуемую мощность контактной машины. Информация об этих параметрах необходима для расчета и проектирования сварочного трансформатора для проектируемого аппарата.
Полное сопротивление вторичного контура клещей рассчитывается по формуле:
2 = Мя + Я + Я . )2 + (х + x . )2
V V ек се т ) \ ек т ) (11)
где явк, хвк - активное и индуктивное сопротивление вторичного контура;
ясв - активное сопротивление свариваемых деталей (к^ = 520 ■ 10-6 Ом - для свариваемых деталей из низкоуглеродистой стали толщиной 1,2 мм);
к-т", Хт" - активное и индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенные к вторичной обмотке (ят" =83,3 •ю-6 Ом, Хт"=408^10-6 Ом - для точечных машин с номинальным сва рочным током повышенной частоты (/ = 1200 Гц) до 10 кА [3]).
2 ^(306,8 + 520 + 83,3)2 + (742 + 408)2 = 1466 -10-6 Ом
Определим энергетические характеристики бытового аппарата с проектируемым вторичным контуром.
Мощность, затрачиваемая на сварку:
Рсв !съ Ясв . (12)
рсв = 28572 ■ 519,4 10-6 = 4240 , Вт .
Активная мощность, потребляемая из сети:
л = /св2 (Rbk + RCB) . (13)
р1 = 28572 ■ (306,8 + 519,4) ■ 10-6 = 6744 , Вт .
Полная кратковременная мощность аппарата, необходимая для выполнения сварочной операции:
S = /св2 Z . (14)
S = 28572 ■ 1466 ■ 10-6 = 11966 , Вт .
Коэффициент мощности аппарата:
ms ( = Р1 / S , (15)
cos (= 6744 / 11966 = 0,56 .
Список литературы
1. Иванов Н.И., Абышев К.И., Романенко Д.Н., Маслов Г.С. Разработка бытового аппарата для контактной сварки с инверторным источником питания //
2. Глебов Л.В., Филиппов Ю.И., Чулошников П.Л. Устройство и эксплуатация контактных машин. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 312с.
3. Глебов Л.В., Пискарев Н.А., Фейгенбаум Д.С. Расчет и конструирование машин контактной сварки. - Л.: Энергия, 1981. - 423 с.
4. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. - М.: Металлургия, 1978. - 96 с.
УДК 330.45
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ИГРОВЫХ МОДЕЛЕЙ В УПРАВЛЕНИИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ, ОТРАСЛЯМИ И
КОМПЛЕКСАМИ Кислицын Евгений Витальевич, старший преподаватель кафедры статистики, эконометрики и информатики (e-mail: kev@usue.ru) Бабушкина Татьяна Олеговна, лаборант кафедры статистики, эконометрики и информатики Уральский государственный экономический университет, г. Екатеринбург, Россия (e-mail: sei@usue.ru)
В статье рассматриваются теоретические аспекты теории игр как метода исследования экономических процессов, протекающих на предприятиях и отраслях промышленности. Дается обзор нескольких работ, в которых применяются методы теории игр. Рассматривается классификация игровых ситуаций, приводятся примеры построения игровых моделей.
Ключевые слова: теория игр, математическое моделирование, промышленность, управление, конфликтные ситуации.
В сфере управления работают миллионы людей во всем мире, и очень часто им приходится сталкиваться с задачами, в которых необходимо принимать решения в условиях отсутствия информации, то есть неопределен-
