Диссертация (1026094), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Принципиальная схема реле времени58Все элементы управления аэродинамической трубой подключали ккомпьютеру с необходимым программным обеспечением. Общая схемасистемы управления для компьютерного моделирования скорости ветрапредставлена на Рис. 28.Рис. 28. Схема системы управления для моделированияскорости ветраРазработка системы управления позволила регулировать скоростьпотока воздуха, длительность и усиления ветра в ручном и автоматическомрежиме, а также создать универсальный стенд для моделирования сварочныхпроцессов как в режиме постоянной скорости ветра, так и в режиме сусилениями ветра (Рис.
29).Рис. 29. Общий вид универсального стенда: 1 – конфузорное сопло;2 – дроссельная заслонка; 3 – шиберная задвижка; 4 – корпус вентилятора;5 – компьютерное управление; 6 – горелка59Стендсостоитизмногорежимнойаэродинамическойтрубысэлементами управления и установленной на штативе экспериментальнойсварочнойгорелки,котораякомплектуетсяцилиндрическимсопломпромышленной горелки или конфузорным соплом, обеспечивающим газовуюзащиту сварочной ванны ядром струи в широком диапазоне чиселРейнольдса(Re).Горелкаможетзакреплятьсянеподвижноилиавтоматически двигаться с заданной скоростью.Таким образом, установка с однорежимной аэродинамической трубойпозволит определить расход газа для эффективной защиты сварочной ванныприпостояннойскоростинабегающегопотока,аустановкасмногорежимной трубой и компьютерным управлением позволит определитьрежимы процесса сварки для эффективной защиты сварочной ванны вусловиях реальной ветровой нагрузки.В результате разработали универсальный стенд и методику, которыеобеспечиваютнеобходимуюветроустойчивостиструйнойточностьэкспериментовгазовойзащиты,вприцеляхизученииразработкиспециального оборудования и технологии сварки на открытых площадках.2.4.
Исследование влияния ветра на эффективность газовой защитыЭффективностьгазовойзащитыоцениваетсяпораспределениюконцентрации газа над защищаемой поверхностью. Определяются границыядра струи, имеющего постоянную концентрацию. Существующие методикиоснованы на отборе газа из точки с последующим определением его состава вгазоанализаторах и хорошо подходят для ламинарного движения.Однако, подобные методики практически неприемлемы для определенияпульсации избыточной концентрации при турбулентном движении, в то жевремя, по существующим методикам определение температур производитсяв турбулентных потоках быстро и надежно.60Поэтому, используя известную аналогию между распределениемконцентрации газа и избыточной температуры в струе [45, 94, 106],исследовалось поле безразмерных температур у струй и по изотермамопределяли поля концентрации защитного газа.Результаты исследования воздушной струи, вытекавшей из установки сКПЧ с диаметром выходного отверстия сопла 30 мм в сносящий поток,имеющий температуру 20 оС, представлены на Рис.
30 и 31.На рис. 30 приводятся результаты измерения, выполненные в плоскостисимметрии защитной струи и потока при расстояниях между срезом сопла изащищаемой поверхностью равных Z/Dо = 2 и разных величинах скоростейструи Vс и сносящего потока Vв.Рис. 30. Поле концентрации защитного газа струи в сносящем потоке приН/D = 2 и плоскости симметрии: а – Vс = 10 м/с, Vв = 10 м/с; б –Vс = 10 м/с, Vв = 5 м/с; в – Vс = 12 м/с, Vв = 4 м/с; г – Vс = 16 м/с, Vв = 4 м/сПри Vс/Vв = 1 и Vс/Vв = 2(Рис. 30, а, б) ядро струи, не достигаязащищаемой поверхности, отклоняется сносящим потоком.
При Vс/Vв = 3ядро струи достигает защищаемой поверхности (Рис. 30, в), но отклоняетсясносящимпотокомзаточкупересеченияосиструизащищаемойповерхности. При Vс/Vв = 4 (Рис 30, г) ядро струи достигает защищаемойповерхности, но граница деформированного ядра находится на оси струи.Таким образом, при вылетах электрода Н/Dо = 2 в условиях сносящихпотоков, скорости истечения защитной струи должны более, чем в 3–4 раза61превосходить скорость сносящего потока. Подобное делает неприемлемымэтот вариант.Проводились измерения, выполненные как в плоскости симметрии струии потока при удалении сопла от защищаемой поверхности на расстояние Z/Dо= 1, так и в плоскости, параллельной защищаемой поверхности и удаленнойот нее на Z/Dо = 0,2 (Рис.
31).Рис. 31. Поле концентрации защитного газа струи в сносящем потокепри Н/D = 1 в плоскости симметрии и в плоскости, параллельной экрануна расстоянии Z = 0,2 Dо, при Vв = 5 м/с; а – Vс = 5 м/с; б – Vс = 10 м/с;в – Vс = 12,5 м/с; г – Vс = 15 м/сСкорость сносящего потока составляла Vв = 5 м/с, а скорость струи Vс от5 до 15 м/с. При Vс/Vв = 1 (Рис. 31, а), как и в предыдущем случае, ядро струине достигает защищаемой поверхности и на ней заметны только изотермыпограничного слоя.При Vс/Vв = 2 (Рис. 31, б) границы ядра струи достигают защищаемойповерхности, но при этом, изотерма 1 (т.е.
граница ядра и пограничного слояструи) смещается до оси симметрии струи. Одновременно с этим, ядросплющивается в плоскости симметрии струи и потока и вытягивается вплоскости, перпендикулярной направлению потока.При Vс/Vв = 2,25 (Рис. 31, в) ядро струи достигает защищаемой62поверхностиснебольшимсмещениемпятнаядравнаправленииподветренной стороны струи. Одновременно со смещением заметносплющивание пятна ядра, как и на Рис.
31, б.При Vс/Vв = 3 (Рис 31, г), ядро струи достигает защищаемойповерхности. Пятно ядра на защищаемой поверхности имеет небольшоеотклонение от оси симметрии с заметной деформацией, как и на Рис 31, б.Резюмируя приведенное выше, можно отметить, что при разработкетехнологических процессов в сварке в защитных газах на ветру, совершеннонецелесообразны большие вылеты электродов. В то же время, при Н/Dо ≤ 1,можно успешно решать вопросы газовой защиты при Vс/Vв ≤ 3 [94, 106].Качественно исследование эффективности газовой защиты проводилипо приведенной выше методике для горелки с конфузорной частью сдиаметром сопла 21 мм. Качество газовой защиты оценивали визуально поналичию цветов побежалости на поверхности расплавленных пятен,полученных при разных H/D0.Эксперименты показали, что с уменьшением скорости истечениязащитной струи при постоянной скорости ветра с наветренной стороныпоявляется и постепенно перемещается по поверхности пленка цветовпобежалости, что свидетельствует о проникновении воздуха в защищаемуюзону.
По мере уменьшения скорости струи площадь оксидной пленкиувеличиваетсяизанимаетвсюплощадьзащищаемойповерхностиоплавляемого пятна [95].Попредложеннойметодикеопределилизависимостисниженияэффективности газовой защиты Vпз от скорости струи Vс (Рис. 32). Как видноиз Рис. 32, исходной точкой начала проявления нарушения являются:величина отношения скорости струи к скорости ветра Vс/Vв и величинаудаления сопла от защищаемой поверхности H/D0.При H/D0 = 0,5 отношение скоростей Vс/Vв = 0,6, т.е. скорость струи вмоментначаланаступленияцветовпобежалостиназащищаемую63поверхность всего Vс = 0,6 Vв, а в момент охвата цветами побежалости всегопятна, отношение уменьшилось до Vс/Vв = 0,4.
Аналогичная ситуация имеетместо при H/D0 = 0,75; 1 и 1,5. По результатам исследований, величина Vпзпрежде всего зависит от величины H/D0.Рис. 32. Зависимость снижения эффективности газовой защиты ототносительной скорости струи Vс/Vв при различных H/D0:(1) 0,5; (2) 0,75; (3) 1,0; (4) 1,5; и скоростях ветра Vв:˅ – 1,0 м/c; ▲–1,5; ○ – 2,0; ● – 3,0; ∆ – 3,5;▼– 4,0; х – 4,5 м/cЗависимость скорости потери защиты Vпз = f (H/D0) представлена втабл. 8.Таблица 8.Зависимость скорости потери защиты Vпз от величины H/D0H/D00,50,7511,5Vпз1,722,95Таким образом, установлен механизм нарушения эффективностигазовой защиты в условиях ветра, который состоит в том, что по мереувеличения расстояния между соплом и сварным швом увеличиваетсяскорость потери эффективности газовой защиты.В реальных условиях скорость ветра не постоянна, поэтому при выборерасхода защитного газа необходимо вводить поправочные коэффициенты,64величинакоторыхувеличиваетсясростомскоростисниженияэффективности струйной защиты.Для исследования эффективности газовой защиты, выполнили наплавкувсредеаргонасиспользованиемгорелоксцилиндрическимииконфузорными соплами.Скорость истечения защитного газа определяли по формуле:Vc = Q/S ,где Q – расход газа через сопло, л/мин;S – площадь поперечного сечения среза сопла горелки, м2,S = π(D02 – d2)/4, где D0 и d – соответственно диаметры сопла и электрода,м.Результатыисследованийэффективностигазовойзащитыприиспользовании методики «на пятно» с горелками с различной проточнойчастью приведены в табл.
9.Таблица 9.Характеристика эффективности газовой защитыВид горелкиH/D0Q, л/минReVc, м/с3,54300,325285727,58570,622,525711,812,5142912022861,612,54510,2246500,659350,82948004,37109012236153,2914551,31525852,30,5C цилиндрическимсоплом0,60,73C конфузорнымсоплом4565По результатам исследований построены зависимости эффективностигазовой защиты для различных соотношений H/D0 и чисел Рейнольдса (Рис.33, 34).Рис. 33. Зависимость соотношений H/D0 и чисел Рейнольдса,характеризующая эффективность газовой защиты при использованиигорелки с цилиндрическим сопломРис.
34. Зависимость соотношений H/D0 и чисел Рейнольдса,характеризующая эффективность газовой защиты при использованиигорелки с конфузорным сопломПостоянство размеров зоны газовой защиты Dз и предела эффективностипри Re > 10000 указывает на автомодельность течения струи, т.е.независимость безразмерных параметров защитной струи от чисел Re. Вусловиях воздействия сносящих воздушных потоков жесткость защитнойструи определяется скоростью истечения газа из сопла [36, 39, 88].66Поэтому при сварке на открытых площадках эффективная газоваязащита будет обеспечиваться только в том случае, если расход защитногогаза будет устанавливаться по величине максимальных порывов ветра.Очевидно, что горелки с кривыми эффективности Н/D = f (Re),ниспадающими до нуля не могут быть использованы при сварке на открытыхплощадках (Рис. 33). Только горелки с эффективностью защиты, независящей от чисел Re, обеспечивают качественную газовую защиту на ветру(Рис.
34). У этих струй можно существенно увеличить скорость истечениязащитного газа, что важно для сварки в условиях ветра. Это доказываетнеобходимость использования горелок с конфузорной проточной частью длясварки на открытых площадках.При исследовании с использованием неподвижной горелки определилиминимальные расходы аргона в условиях сносящих потоков в зависимости отрасстояния между соплом и пластиной при силе сварочного тока 250 А искорости сносящего потока 1,2 м/с, а также величины скоростей сносящегопотока при силе тока дуги 250 А, 400 А и расстоянии между соплом исварным швом 0,5 D0 и 1 D0, где D0 – диаметр сопла.Повеличинекачественнуюминимальныхзащитурасходоврасплавленногопятнагаза,вобеспечивающихусловияхсносящихвоздушных потоков на соплах диаметром 15, 20 и 25 мм, были рассчитаныминимальные скорости истечения аргона из этих сопел по формуле:Vc = 4Q/π(D02 – d2),(1)где Vc – минимальная требуемая скорость истечения аргона из сопла, м/с;Q – расход газа через сопло, л/мин;D0 и d – соответственно диаметры сопла и электрода, м.Сопоставление минимальных скоростей истечения аргона из сопел присоответствующих скоростях перемещения сносящего потока и расстояниямежду соплом и пластиной указано в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
