CC BY
12
УДК 621.791.763
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРИВОДА
МЕХАНИЗМА СЖАТИЯ ДЛЯ КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКИ С ПРОГРАММНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ УСИЛИЯ СЖАТИЯ ДЕТАЛЕЙ
МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент
(e-mail: ni1949@mail.ru) Лобов Владислав Борисович, магистрант Котов Сергей Сергеевич, магистрант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
На основе проведенного анализа и выполненного расчета, соответственно, выбрана конструктивная схема электродинамического привода комбинированного механизма сжатия для контактной сварки малогабаритных деталей с открытой зоной контакта и определены параметры катушек привода.
Ключевые слова: конденсаторная сварка, механизм сжатия, электродинамический привод, экспериментальная установка, программирование усилия, расчетная схема, электрическая схема.
Контактная сварка малогабаритных деталей с открытой зоной контакта [1] - крестообразные соединения проволок [2], соединения проволоки с плоской деталью внахлест и в тавр [3-6] - характеризуется значительным разбросом величины начального контактного сопротивления и затрудненными условиями пластической деформации корпусной детали с тонкостенной плоской поверхностью контактирования. Из-за электротепловой несимметричности нагреваемых объемов относительно контакта свариваемых деталей и необходимости смещения зоны максимального нагрева в тонкостенную корпусную деталь механизм сжатия, при относительно небольшом начальном усилии, должен обеспечивать его увеличение в процессе сварки пропорционально импульсу сварочного тока. Это, в большинстве случаев, является гарантией согласования скорости нагрева и осадки деталей и существенно расширяет допустимый диапазон режимов. Для реализации такой программы рациональной является конструкция механизма сжатия с комбинированным электросиловым приводом. Он состоит из упругого элемента - пружины - и быстродействующего электросилового устройства - электромагнитного [3,7-13] или электродинамического [14], действие которых синхронизировано по времени относительно момента включения импульса сварочного тока. Пружиной создается малое начальное статическое усилие, а электросиловым устройством -нарастающее по определенной программе динамическое усилие. Такой цикл сжатия обеспечивает поддержание высокой температуры в контакте, и осадка деталей комбинированным приводом осуществляется с достаточной скоростью при температуре, необходимой для формирования свар-
ного соединения. Хотя и электродинамический, и электромагнитный приводы реализуют близкие по характеру программы переменного усилия [15], эффективность их применения при сварке малогабаритных деталей чаще определяется конкретными условиями производства.
При создании экспериментальной установки ставилась задача разработки универсальных средств программирования, позволяющих изменять усилие в контакте не только в связи с изменением сварочного тока, но и с учетом воздействия усилия на любую стадию процесса.
Это может быть реализовано на конденсаторной установке с комбинированным приводом механизма сжатия, имеющим два исполнительных силовых элемента:
• пружинного - для создания начального статического усилия сжатия;
• электродинамического - для увеличения скорости сближения деталей во время нагрева до сварочной температуры.
Достоинством электродинамического привода (в дальнейшем - ЭДП) является отсутствие ферромагнитных масс и, соответственно, малая индуктивность его обмоток. Это предопределяет незначительную инерционность и требуемые динамические свойства, позволяющие при сварке малогабаритных деталей получать необходимую скорость нарастания создаваемого усилия. ЭДП энергетически наиболее целесообразно выполнять в виде двух плоских дисковых катушек со спиральными обмотками, взаимодействующими между собой при пропускании через них кратковременного импульса тока. При этом одна из катушек крепится к подвижной части механизма сжатия, а другая, установленная параллельно первой, связана с его неподвижным основанием [14]. Высокие динамические характеристики, простота и экономичность электродинамической системы оправдывает ее применение в механизме сжатия для конденсаторной сварки.
Для проведения исследований разработана экспериментальная установка, включающая специальный стенд, подключенный к дозировщику серийной конденсаторной машины ТКМ-14, после увеличения его мощности за счет дополнительного блока батарей силовых сварочных конденсаторов. Рассмотрим особенности экспериментальной установки.
Механическая часть экспериментальной установки (рис. 1) состоит из основания 1 с закрепленными на нем подвижным 2 и неподвижным 3, в процессе сварки, электродами. Для обеспечения плавности хода подвижного электрода, жестко связанная с ним каретка 4 перемещается в шариковых направляющих 5. Регулирование усилия сжатия осуществляется изменением предварительного сжатия силовой пружины 6 посредством перемещения электрода 3 влево в направляющих типа «ласточкин хвост» 7 с помощью винтового устройства (на схеме не показано). Статическое усилие сжатия и величина осадки деталей после сварки контролировалась индикатором часового типа 8.
Рис. 1 - Схема механизма сжатия с комбинированным приводом: 1 - основание; 2 - электрод подвижный; 3 - электрод неподвижный; 4 - каретка; 5 - шариковые направляющие; 6 - пружина; 7 - направляющая регулировочного устройства; 8 - индикатор; 9 - подвижная катушка ЭДП;
10 - неподвижная катушка
ЭДП выполнен в виде двух параллельных дисковых катушек, взаимодействующих между собой при пропускании тока через обмотки. При этом одна из катушек 9 крепится на подвижной каретке, другая 10 связана с неподвижным основанием механизма сжатия.
Общепринятые методики расчета электродинамических систем не обеспечивают необходимой точности для расчета конструкций, применение которых рационально для машин контактной сварки, а также не дают четкого представления о важных зависимостях между параметрами и свойствами привода. Более приемлемой является методика, разработанная ВНИИЭСО [16]. По этой методике произвели расчет тока, который должен быть пропущен через каждую катушку для получения требуемой электродинамической силы отталкивания между ними. При выбранной расчетной схемы катушек, приведенной на (рис. 2) сила взаимодействия проводников (контуров) с токами определяется выражением:
F = - ¿1 ■ ¿2
дМ ~дХ
(1)
где
сила взаимодействия между проводниками; токи, протекающие по проводникам; взаимная индуктивность между проводниками; координата в направлении перемещения проводников.
F
¿1 и ¿2 М Х
Взаимная индуктивность М одинаковых катушек может быть представлена в виде:
М >2 а ■ ф (2)
ю - число витков в каждой катушке;
М = М
4я
Ш
где
Мо , Т>+й0
а =-
магнитная проницаемость воздуха; средний диаметр катушки;
V и ао - соответственно, наружный и внутренний диаметр катушки; ф - величина, зависящая от геометрических размеров катушек и
расстоянию между ними.
Рис. 2 - Расчетная схема электродинамической системы: 1 -текстолитовый диск; 2 - медный виток
Для рассматриваемой конструкции ЭДП переменной величиной является расстояние между катушками, поэтому
X = а + Л (3)
где Л - затор между катушками при
г 1 х 1 р = - < - и £ = - <- (4)
г а 2 а з
где ф выражается в виде ряда, который при пренебрежении высокими степенями р и е (вследствие их малости) приобретает вид:
ф = п(1п
16
£2 + р2
+
р2 £2
л с £ 37 9Х
- 4 - аге12 - +—£ )
24
Дифференцируя (2) по X с учетом (4) получим:
— = . ^ . = . ^ . . ^ = ^2 1 .
дх
4п
4п
д£ йх
п
д£
(5)
(6)
Дифференцируем (5) по е и пренебрегаем членами второго порядка малости
1дф2еп р\ 4 Р
- ■ — = ~ (1+ ) - р агс^ 7 + 3,1е
_ 2Ч- 2/ (7)
О р2 Е р £
Подставляя (7) и (6) в (1) и представляя значения р и е из (4), получим для одинаковых катушек:
^ 1п(1 + 4) - — агсъд - + 3,1 (8)
. Г2 X2 г х й\
Или, обозначая выражение в квадратных скобках через [—А (X)], получим
"" «2 . А(Х (9)
р=-г2 ^ ■ ^
р = г2 ^ ^ ■ А(Х)
Величину ^ задавали исходя из того, что электродинамическая сила должна производить осадку нагретого металла в процессе сварки с усилием в (2...3) раза превышающим начальное статическое усилие сжатия РСТ. в качестве исходного, при расчете принято значение статического давления ^СТ = 20 даН. Тогда необходимое усилие осадки, создаваемое электродинамической силой ^ должно быть ~ (50.60) даН. Выбираем ^ = 60 даН. Из формулы (9) нашли величину тока /, необходимого для создания требуемой силы отталкивания ^ между катушками электродинамической системы:
ш л/ М0 ■ А(х)
При этом геометрические параметры токоведущей части привода и другие размеры выбирали, исходя из рекомендаций [16], а также, учитывая габариты механической части экспериментальной установки. Значения выбранных параметров сведены в табл. 1.
Таблица 1 - Параметры катушек электродинамического привода
Ъ йо г а Л ю в
даН мм витков мм
60 130 40 40 10 2.4 2 17
Так как Х = а + А, Х = 12 мм, й = т>+а° = 85 мм
' ' 2
.. ч Г212-85 , , 40^ 4-85 ^ 40 _ . 12
А(х) ---— 1п(1 + — )--атсЬд — + 3,1 —
4 ' 402 4 122 40 12 85.
при ^ = 600 Н и М0 = 4п ■ 10-7 ^
м
= 5,868
590
ЬУи = 9500 А.
4-3,14-10_7-5,868
При разработке электрической схемы экспериментальной установки исходили из основного требования к источнику питания, который должен обеспечить точность воспроизведения сложных циклов изменения сварочного тока и усилия сжатия в коротком интервале времени, составляющем единицы и доли миллисекунды. При этом учитывали то обстоятельство, что при исследовании и определении рациональной программы импульсы тока и усилия могут совпадать по времени, а также могут быть разделены короткими, регулируемыми по времени, интервалами. В дальнейшем экспериментально было установлено, что реализация указанных требований возможна лишь при использовании схемы питания ЭДП через отдельный силовой импульсный трансформатор.
Синхронизация действия импульсов сварочного тока и электродинамического усилия осуществлялась с помощью электронного блока управления. В схеме источника питания предусмотрена возможность формирова-
ния двух импульсов тока, преобразуемых затем в соответствующие импульсы сжатия свариваемых деталей.
Роль первого импульса усилия сжатия, действующего до начала прохождения сварочного тока, сводится к повышению стабильности холодного контактного сопротивления.
Благодаря второму импульсу усилия, сдвинутому по фазе относительно сварочного тока, создаются условия более эффективного нагрева и концентрации тепла в свариваемом стыке.
Задерживая второй импульс электродинамической силы относительно сварочного тока, можно обеспечить протекание максимального тока в течение того времени, когда давление в стыке имеет минимальное значение, а контактное сопротивление, следовательно, наибольшую величину. Это повышает термический и электрический КПД процесса.
На рис. 3 приведена блок-схема электрической части экспериментальной установки.
Рис. 3 - Блок-схема электрической части экспериментальной установки
(обозначения в тексте)
Батареи конденсаторов в цепи питания катушек электродинамической системы БК1 и БК3, а также в сварочной цепи БК2 заряжаются от сети через выпрямительное устройство 1 и зарядные тиристоры. Регулировка и стабилизация зарядного напряжения осуществляется компараторными схемами 2. Блок запуска 3 формирует три импульса. Первый импульс открывает разрядный тиристор УБ1, в результате чего батарея конденсаторов БК1 разряжается на силовой импульсный трансформатор в цепи питания ЭДП (ТР эдп.). Одновременно, второй запускающий импульс подается в блоки задержки 4. Через заданное время в схеме запуска 5 тиристора УБ2 формируется импульс, открывающий этот тиристор и конденсаторы БК2 разряжа-
ются на первичную обмотку сварочного трансформатора ТРсв. Аналогичные блоки 4 и 5, находящиеся в цепи питания ЭДП, уже во время протекания сварочного тока через детали, открывают тиристор VS3 в разрядной цепи ЭДП, и конденсаторы БК3 разряжаются на первичную обмотку силового трансформатора ТРЭдп. Между катушками ЭДП возникает основная сила отталкивания, являющаяся усилием осадки.
Применение автономного питания ЭДП и блоков задержки запускающих импульсов позволяет получать регулируемые по форме и амплитуде импульсы давления независимо от величины сварочного тока. Благодаря этому открывается возможность активно влиять на интенсивность нагрева и деформации металла в зоне сварки.
Список литературы
1. Иванов Н.И., Чаплыгин А.Ю. Выбор механизма сжатия для контактной сварки малогабаритных деталей / Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике: Региональный сборник научных трудов. Выпуск 5 / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С. 40-45.
2. Иванов Н.И., Шумаков А.А. Методика исследования процесса конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений / Будущее науки-2016 [Текст]: Сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (1415 апреля 2016 года), в 4-х томах, Том 4, Юго-Зап. гос. ун-т., ЗАО «Университетская книга», Курск, 2016. С. 67-75.
3. Иванов Н.И., Строев В.И., Каганов Н.Л. Рациональная циклограмма процесса контактной автоматической сварки узлов резисторов // Сварочное производство. 1985. №8. С. 17-19.
4. Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н. Приближенная оценка теплового состояния деталей при стыковой сварке сопротивлением контактных узлов // Сварочное производство. 1986. №7. С. 33-34.
5. N I IVANOV, V I STROEV and V N DYUDIN. Approximate évaluation of the thermal state of components in résistance butt welding of contact members // Welding Production. 1986, July. P. 38-40.
6. Иванов Н.И., Волков Б.В. Исследование кинетики формирования Т-образных соединений малогабаритных деталей при контактной сварке с комбинированным механизмом осадки // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технология. 2012 . №2, ч. 3. С. 22-25.
7. Дюдин В.Н., Строев В.И., Иванов Н.И. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением гальванопокрытых цветных металлов // В сб. П Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Тезисы докладов. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1982. С. 139.
8. Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением цветных металлов и сплавов / В кн.: Актуальные проблемы сварки цветных металлов: Докл.П Всесоюзн. конф. - Киев: Наук. думка, 1985. С. 391-394.
9. Иванов Н.И., Чаплыгин А.Ю. Особенности программирования переменного усилия механизма сжатия при контактной сварке малогабаритных деталей / В сб.: Материалы и упрочняющие технологии - 2003: Сборник материалов X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященный 40-летию образования Курского государственного технического университета: В 2 ч. Ч.1 / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. - С. 34-41.
10. Иванов Н.И., Строев В.И. Эффективные режимы сварки сопротивлением кон-
тактных узлов радиодеталей в массовом производстве // Сварочное производство. 1990. №7. С. 3-5.
11. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Определение закономерности изменения температуры в зоне контакта при конденсаторной сварке проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. Научно-практический журнал. 2017. № 1 (9). С. 108-113.
12. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Анализ влияния параметров процесса на температуру при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 2 (10). С. 40-50.
13. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Стабилизация температуры нагрева регулированием усилия осадки при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 3 (11). С. 51-59.
14. Каганов Н.Л., Исаев А.П., Строев В.И. Установка для контактной конденсаторной сварки с программированием усилия сжатия // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1974. №2. С. 170-173.
15. Иванов Н.И. Расчетно-графический метод определения амплитуды нарастающего усилия механизма сжатия для контактной сварки Т-образных соединений / В региональном сб. науч. трудов: Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике. Выпуск 3. -Липецк, 2001. С. 98-102.
16. Любомирский Л.А., Хазов В.Я. Расчет электродинамического привода сварочного усилия машин контактной сварки. - Электротехническая промышленность. Серия электросварка, 1971, вып. 6, с. 24-26.
17. Компьютерные технологии в сварочном производстве/ Рыжков Ф.Н., Крюков В.А., Котельников А. А.// Курск, 2000.
18. Котельников А.А., Абышев К.И., Алпеева Е.В., Компьютерное моделирование в сварочном производстве/ Брусенцев А. А.// Курск, 2013.
19. Роботизированная сварка многосортаментных трубчатых элементов/ Алпеева Т.В., Емельянов В.М., Котельников А.А.// Минобрнауки России, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования "Юго-Западный гос. ун-т". Курск, 2011.
20. Применение метода конечных элементов в расчётах сварных конструкций/ Котельников А. А., Абышев К.И., Алпеева Е.В.// Курск, 2014.
21. Технологическое оборудование и оснастка в составе ртк сборки и сварки крупногабаритных узлов/ Алпеева Т.В., Котельников А.А.// Сварочное производство. 2006. № 4. С. 33-35.
22. Оптимальные параметры диффузионной сварки титановых сплавов различного фазового состава/ Гельман А.А., Колодкин Н.И., Котельников А.А., Башурин А.В.// Автоматическая сварка. 1977. № 4. С. 53-57.
23. Видеосенсорное устройство/ Котельников А.А., Дмитриев С.В.// патент на изобретение RUS 2155653 08.06.1998
24. Применение метода конечных элементов при расчете сварной двутавровой балки/ Котельников А. А., Алпеева Е.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, материалы 3-й Международной научно-практической конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор Горохов А.А.. 2013. С. 168-171.
25. CAD/CAM/CAE системы/ Котельников А.А.// учебное пособие / Курск, 2014.
Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor
(e-mail: ni1949@mail.ru)
Lobov Vladislav Borisovich, postgraduate
Kotov Sergey Sergeevich, postgraduate
Southwest state university, Kursk, Russia
