CC BY
7
8. Савин С.И., Ворочаева Л.Ю., Ворочаев А.В. Моделирование движения четырех-ногого шагающего робота в трубопроводах с изменяющимся диаметром и изгибами // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2017. № 1 (131). - С. 39-46.
9. Савин С.И., Ворочаева Л.Ю., Ворочаев А.В. Алгоритм генерации походок для робота, осуществляющего движение в трубопроводах // Известия ЮЗГУ. Серия Техника и технологии. 2017. Т. 7. № 1 (22). - С. 90-97.
Vorochaeva Lyudmila Yurievna, PhD, associate professor
(e-mail: [email protected])
Southwest State University, Kursk, Russia
Savin Sergei Igorevich, PhD, associate professor,
(e-mail: [email protected])
Southwest State University, Kursk, Russia
METHOD OF DESCRIBING FLAT PIPELINE APPLIED TO THE PROBLEM OF IN-PIPE ROBOT CONTROL
Annotation. The article proposes a classification of sections of flat pipes, which move in-pipe robots, the presence of branches and joints, this mathematical description of the central line of the pipe for each subclass of the pipe sections. This classification of pipelines may be used in the development of the control system in-pipe robots, for which the central pipe line is a global trajectory of the device.
Key words: flat pipe, classification of pipes, central pipe line, laterals, connections
УДК 621.791.763
СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА РЕГУЛИРОВАНИЕМ УСИЛИЯ ОСАДКИ ПРИ КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКЕ КРЕСТООБРАЗНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Шумаков Артем Александрович, магистрант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной работе с использованием расчетной методики проведено обоснование целесообразности применения переменного усилия осадки при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений для стабилизации нагрева на его заключительном этапе.
Ключевые слова: конденсаторная сварка, крестообразное соединение, контактная поверхность, этапы нагрева, электромагнитный привод, переменное усилие, стабилизация нагрева, диапазон режимов.
Процесс контактной сварки крестообразных проволочных соединений кратковременными конденсаторными импульсами тока связан с возможными нарушениями устойчивости, проявляющимися в виде выплесков расплавленного металла из зоны контакта. Причиной этого является то, что сварка таких соединений открытого типа, в соответствии со значи-
тельным изменением площади контакта при протекании импульса тока, требует большой, соизмеримой с размерами сечения деталей, осадки. Высокая скорость нагрева и относительно малая площадь начальной контактной поверхности приводит к быстрому расплавлению металла с образованием жидкой перемычки, которая при осадке выдавливается наружу [1,2,3].
Анализ процесса сварки крестообразных проволочных соединений позволил разбить нагрев конденсаторным импульсом тока на два этапа [4] -начальный и заключительный:
1) нагрев зоны сварки до максимума импульса тока, протекающий без заметной деформации проволочных деталей, т.е. при неизменной площади контактной поверхности соединения;
2) нагрев после достижения максимума тока, сопровождающийся значительной деформацией и, соответственно, существенным увеличением площади контакта.
В работе [5] показано, что степень влияния усилия сжатия на температуру такая же, что и степень влияния тока. Если стремиться к поддержанию постоянства температуры в контакте, то с увеличением амплитуды тока и времени его достижения необходимо увеличение усилия сжатия. Т.е., возможно множество сочетаний величин тока и усилия, дающих близкую температуру в контакте. Этим можно объяснить то многообразие режимов сварки одного и того же изделия, которое имеет место на практике.
Величина осадки крестообразных проволочных соединений прямо пропорциональна максимальному ускоряющему усилию, развиваемому в процессе сварки, которое, в свою очередь, является функцией температуры, а следовательно, и тока [2]. Увеличение ускоряющего усилия ¥у с ростом температуры Тт вызывает увеличение скорости деформации, которая снижает интенсивность нагрева. Следовательно, функция усилия Гу=/(Т) является отрицательной обратной связью и отражает склонность процесса к саморегулированию [6].
Отрицательная обратная связь, по характеру действия, повышает устойчивость процесса (под устойчивостью в этом случае подразумевается сохранение условия Тш т < Ткип), однако при сварке с постоянным усилием привода механизма сжатия ее эффективность в саморегулировании очень мала. В тоже время, повышение эффективности обратной связи через ускоряющее усилие может быть достигнуто путем увеличения приращения максимальной ускоряющей силы в функции тока Гу=/(1т), т.е. в зависимости от коэффициента усиления этой связи может быть получена любая степень стабилизации температуры на заключительном этапе нагрева.
Роль внешней обратной связи может сыграть электромагнит, обмотка которого включена последовательно в цепь разряда конденсаторов дозировщика сварочной энергии [1,7,8]. На осциллограммах (рис.1) показан характер изменения усилия электромагнита в функции сварочного тока.
Рисунок 1 - Осциллограммы усилия электромагнита, включенного последовательно в цепь разряда конденсаторов: а - 1т = 560 А, Рм = 20Н; б - 1т = 720 А, Рм = 31 Н; в - 1т = 860 А, Рм = 47 Н; 1т - амплитуда тока
Характер нарастания усилия электромагнита несколько неожиданный. Казалось бы, усилие должно возрастать одновременно с ростом тока, а осциллограммы показывают некоторое запаздывание. Для уточнения этого вопроса найдем закономерность изменения электромагнитной силы при возрастании тока.
Приращение силы Рм в функции тока I в общем виде можно записать:
dРм = т 2 ^
где п - конструктивная постоянная электромагнита.
Считая нарастание переднего фронта импульса тока во времени линейным I = 1т/ т при интегрировании получим:
Рм = П1т / 3 , (1)
т
3*
где 1т - время достижения максимума тока.
Таким образом, характер нарастания усилия во времени подчиняется закону параболы 3-го порядка.
Поскольку интенсивный рост усилия электромагнита начинается в районе максимума сварочного тока 1т, характер нагрева на его начальном этапе практически не меняется, а на заключительном этапе нагрева усилие электромагнита, складываясь с ускоряющим усилием, увеличивает скорость деформации. Следовательно, для результирующего усилия деформации, имея в виду процесс сварки крестообразных проволочных соединений с плавлением в контакте, можно записать:
Р _ Р + Р (2)
ут м ■
где Р - начальное усилие привода механизма сжатия.
Для определения усилия, которое должен развить электромагнит, обеспечивая заданное максимальное приращение температуры на заключительном этапе нагрева, можно использовать выражение, полученное для расчета температуры на данном этапе [4], с подстановкой времени ? = 0,5^:
Т _ I
2т
а
ехр-
0,5 Ла12т хж
3кР
2
где кР _ к
Р 0 3т 0
кР + 0,125
3т
Р
/у
(3)
Л
9я2г2с'
а - температурный коэффициент сопротивления; р - удельное электросопротивление материала проволоки; г - радиус проволоки; с - удельная теплоемкость; к - угловой коэффициент функции к0(Р) [3]; ко - начальная осадка, определяемая усилием сжатия Р ; кос - осадка в процессе нагрева; т - масса подвижной части механизма осадки. Подставляем новое значение Рут в выражение (3) и решаем его относительно Рт:
-2 т
р _ 4тЛаРп м _ кР10С 1п (1 + аТ2 т )
24ткР ~1Г~
Р
(4)
Для стабилизации температуры на заключительном этапе нагрева с увеличением тока от 1т1 до 1т2 необходимо такое приращение усилия
АРм _ Рм2 — Рм1, при котором температура Т2т остается неизменной.
Подставляя в последнее выражение т и 1т2 и вычитая Рм1 из Рм2 , находим:
АР.. _
4тЛа( Iт2 — II,)
у т2 т! I
(5)
кР01п (1 + аТ2 т )
Таковы требования, предъявляемые к электромагниту для обеспечения постоянства максимального приращения температуры на заключительном этапе нагрева. Тяговые характеристики электромагнита должны соответствовать этим требованиям. Зависимость усилия электромагнита, при последовательном его включении в разрядную цепь конденсаторного дозиров-
ш,ика [1], от амплитуды сварочного тока определяется выражением:
Р* _п!1 ,
(6)
где п - конструктивная постоянная.
Сравнивая это выражение с выражением (4), находим, что реальная зависимость Рм = /(1щ) в электромагните соответствует требуемой, а при
_ 4тЛа П _ кРгос 1п (1 + аГ2 т ) (7)
требуемое усилие меньше усилия электромагнита на постоянную величину, не зависящую от тока в его обмотке. Это равносильно тому, что в электромагните, рассчитанному по найденному значению конструктивной постоянной, должен быть несколько увеличен воздушный зазор для снижения усилия до требуемой величины.
Приращение усилия, которое обеспечивает электромагнит:
ЬР* _ п (Ъ - 4) .
При соблюдении равенства (7) электромагнит обеспечивает нужную закономерность [см. выражение (5)]. Таким образом, электромагнит, обмотка которого включена в цепь разряда конденсаторов, полностью соответствует требованиям стабилизации температуры на заключительном этапе нагрева.
Для наглядности стабилизирующего действия электромагнита выполним расчет температуры контактной поверхности в функции времени для двух значений амплитуды тока.
Задаемся: 1т1 = 700 А, 1т2 = 775 А, гт = 2*10- с, го
= 1*10-3 с, т = 1,5*10-6
кг*с /м, Р = 10 Н . Стабилизируемая температура Т2т = 200 оС.
На начальном этапе нагрева температуру считаем по уравнению (8):
У , . т2,3 ^
1
1
Т _а а
Ла12 г3
ехр-
V 3к2 Р%, ,
На заключительном этапе нагрева ограничимся расчетом максимально
(8)
Е _ Р + Р
го значения приращения температуры. Подставляя ут м
ние (3), находим:
в уравне-
Т2 _ I
2 т
а
ехр-
0,5 Ла12 г
4 т ос
3кР
кР + 0,125
(Р + Р )г
V_М/ (
3т
2
ос
-1
//
Рассчитанные по уравнению (4) величины усилий электромагнита, для заданных значений тока, соответственно равны: Рм1 = 39,8 Н и Рм2 = 52,6 Н. Максимальное приращение температуры контакта для заданных токов:
Т2т1 = Т2т2 = 200 °С.
Расчет показывает, что увеличение усилия электромагнита с 40 Н до 53 Н стабилизировало приращение температуры на заключительном этапе нагрева. На графике расчетных кривых (рис. 2,а) нагрев на заключительном этапе показан усредненно. На графике рис. 2,б показан нагрев до тех же максимальных температур контактной поверхности, что и в случае, показанном на рис. 2, а, но без нарастания усилия осадки.
Сравнение этих графиков подтверждает двоякую роль усилия сжатия в процессе нагрева. С одной стороны оно определяет площадь начальной контактной поверхности и, как следствие, интенсивность нагрева на его начальном этапе. С другой стороны, та же величина усилия определяет скорость деформации, а следовательно, и интенсивность нагрева на заключительном этапе. Это обстоятельство препятствует повышению интенсивности нагрева, т.к. снижение усилия сжатия с целью повышения скорости нагрева на начальном этапе требует одновременного увеличения усилия осадки для сохранения максимальной температуры контакта.
Верхняя кривая на рис. 2,б показывает максимально допустимый характер нагрева в обычном процессе, так как даже небольшое снижение усилия сжатия или увеличение амплитуды тока приведет к возрастанию температуры до кипения и произойдет выплеск. Среднюю скорость нагрева в этом случае следует определять за общее время достижения максимума температуры:
Т
г + 0,5/
т э ос
3000 7*10 "4
= 4,3*106
С
с
3500
3500 3000
\
¿ 2500
о „
2000
сс §;
5 1500
со
о.
с 1000
|2
500
Ткип
1щ~ 775 А /
/1 „=70 0/ 1
Тпл 1
77+ 0,5
0,2 0,4 0,6 0,8 Время мс -->-
О 0,2 0,4 0,6 0,8 Время мс -
а б
Рисунок 2 - Температура контакта крестообразного проволочного соединения (Р = 10 Н, т = 1,5*10-6 кг*с2/м, никель d = 0,3 мм): а - со стабилизацией при нарастании усилия; б - процесс без нарастания усилия В процессе с нарастанием усилия температура контакта на начальном этапе нагрева при той же максимальной температуре контактной поверх-
ности вдвое больше и равна 2800 оС (рис. 2,а). Поскольку эта величина составляет 94 % от максимальной температуры, средняя скорость нагрева определяется по времени т
1т
2800
-14 *106
С 2*10
т
- 4
'С
с
Таким образом, процесс с нарастанием давления, благодаря широкой возможности регулирования скорости осадки и температуры, на заключительном этапе нагрева устраняет противоречие обычного процесса и позволяет в три с лишним раза повысить среднюю скорость нагрева контактной поверхности.
На осциллограммах, представленных на рис. 3, хорошо видно увеличение скорости деформации с возрастанием усилия электромагнита и снижение температуры контактной поверхности, проявляющееся при переходе от выплеска к нормальному течению процесса.
Возвращаясь к анализу графиков, показанных на рис. 2,а и рис. 2,б, необходимо заметить, что переход к большей скорости нагрева был получен путем увеличения амплитуды тока и скорости деформации. Тот же эффект по нагреву будет получен, если уменьшать начальное усилие сжатия и увеличивать скорость осадки. Следовательно, процесс с нарастанием усилия одновременно с повышением скорости нагрева позволяет повысить концентрацию энергии уменьшением начального контакта за счет малой начальной силы сжатия. Это хорошо согласуется с результатами исследований процессов сварки с переменным усилием других типов открытых соединений [9-14].
О 0,5 1,0 1,5 2,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 0,5 1,0 1,5 2.0
а
Время сварки I, хЮ с
б
в
Рисунок 3 - Осциллограммы процесса с нарастанием усилия (никель d =
0.3 мм, 1т = 850 А , Рт = 10 Н): а - Рм = 0; б - Рм = 20 Н; в - Рм = 50 Н
Выводы
1. Роль внешней обратной связи при сварке крестообразных проволоч-
ных соединений может сыграть электромагнит, обмотка которого включена последовательно в цепь разряда конденсаторов дозировщика сварочной энергии.
2. Электромагнит, обмотка которого включена в цепь разряда конденсаторов, полностью соответствует требованиям стабилизации температуры на заключительном этапе нагрева.
3. При конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений стабилизация температуры контакта на заключительном этапе нагрева и увеличение интенсивности нагрева в процессе с нарастанием усилия осадки позволяют получить более широкий, чем в обычном процессе, диапазон режимов по току, обеспечивающих сварное соединение.
Список литературы
1. 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 (14-15 апреля 2016 года), в 4-х томах, Том 4, Юго-Зап. гос. ун-т., ЗАО «Университетская книга», Курск, 2016. С. 67-75.
2. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Определение закономерности перемещения подвижного электрода в процессе конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 4 (7). С. 73-80.
3. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Определение закономерности изменения площади контактной поверхности пластически деформируемых крестообразных проволочных соединений в процессе конденсаторной сварки / Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2016: сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (10-11ноября 2016 года), в 3-х томах, Том 3. Юго-Зап. гос. ун-т., А.А. Горохов, Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016. С. 208-212.
4. Иванов Н.И., Шумаков А.А. Определение закономерности изменения температуры в зоне контакта при конденсаторной сварке проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 1 (9). С. 108-113.
5. 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.
6. Иванов Н.И., Дятлов Ю.А. Обоснование принципа автоматического управления термическим циклом контактной сварки Т-образных соединений / Материалы и упрочняющие технологии - 2010: сб. материалов XVII Рос. науч.-техн. конф. с международным участием: в 2 ч. Ч. 2 / редкол.: В.Н. Гадалов [и др.]; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2010. - с. 134-136.
7. 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.
8. 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.
9. Дюдин В.Н., Строев В.И., Иванов Н.И. Рациональный цикл сжатия при кон-
тактной импульсной сварке сопротивлением гальванопокрытых цветных металлов // В сб. II Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Тезисы докладов. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1982. С. 139.
10. Иванов Н.И., Строев В.И., Каганов Н.Л. Рациональная циклограмма процесса контактной автоматической сварки узлов резисторов // Сварочное производство. 1985. №8. С. 17-19.
11. 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 II Всесоюзн. конф. - Киев: Наук. думка, 1985. С. 391-394.
12. N I IVANOV, V I STROEV and N L KAGANOV. Rational cyciogram of the process of automatic resistance welding of resistor components // Welding Production. 1985, August. P. 28-30.
13. Иванов Н.И., Строев В.И. Эффективные режимы сварки сопротивлением контактных узлов радиодеталей в массовом производстве // Сварочное производство. 1990. №7. С. 3-5.
14. Иванов Н.И., Рыжков Ф.Н. Повышение эффективности процесса контактной микросварки Т-образных узлов в массовом производстве резисторов / В сб.: Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствования подготовки кадров. Тез. докл. Международной н.-методич.конф., ПГТУ. - Мариуполь, 1996. С. 130.
Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor
(e-mail: [email protected])
Southwest state university, Kursk, Russia
Shumakov Artem Aleksandrovich, postgraduate
Southwest state university, Kursk, Russia
STABILIZATION OF TEMPERATURE OF HEATING BY
REGULATION OF EFFORT DEPOSITS AT CONDENSER WELDING
CROSSWISE WIRE CONNECTIONS
Abstract. In the given work with use of a settlement technique the substantiation of expediency of application of variable effort deposits is carried out at condenser welding crosswise wire connections for stabilization of heating at its final stage.
Keywords: condenser welding, crosswise connection, a contact surface, stages of heating, an electromagnetic drive, variable effort, stabilization of heating, a range of modes.
