/
Автор: Кривицкий Е.В. Гулый Г.А. Малюшевский П.П. Мазуровский Б.Я.
Теги: формообразование со снятием стружки молоты и прессы разделительные операции без образования стружки, дробление и измельчение, обработка листового материала, изготовление резьбы инженерия механика инженерное дело электрогидравлика электромеханика издательство машиностроение
Год: 1977
Текст
ОБОРУДОВАНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
Т " П * j'l •
ОБОРУДОВАНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО
ЭФФЕКТА
Под редакцией
канд. техн, наук Г. А. ГУЛОГО
МОС к В А
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1977
)Й
а,
а,
1й-
:СС
[>1Х
И.
ке
|ые
н-
1Ь-
но
I
но
КН
ie-
ia-
)и-
н-
53-
4И,
ле-
гер
5Де
иг
L,
до-
ли-
пи-
ко-
|па
по-
I 3
УДК 621.9.044.4
Авторы: Григорий Афанасьевич Гулый, Павел Петрович Малюшевский,
Евгений Всеволодович Кривицкий, Борис Яковлевич Мазу ронский, Спартак
Анатольевич Петрусеико, Анатолий Константинович Ткаченко, Владимир
Александрович Заварихин, Вячеслав Борисович Друмирсцкий, Алексей
Кириллович Павленко
Рецензенты. С. М. Поляк, Р. Л Новобратский
Оборудование и технологические процессы с использованием
электрогидравлического эффекта. Под ред. Г. А. Гулого. М., «Ма-
шиностроение», 1977. 320 с.
В книге изложены вопросы инженерной теории и практики но-
вого прогрессивного направления науки и техники — электро-
гидравлического эффекта.
Описаны основные физические явления, сопровождающие вы-
соковольтный разряд в жидкости, даны энергетические соотно-
шения, рассмотрены принципиальные электрические схемы, обес-
печивающие необходимые условия для выделения энергии- Даны
описания и рекомендации по выбору конструкций электрогидрав-
лических установок и элементов их оборудования.
Книга предназначена для инженерно-технических работников,
занятых проектированием, изготовлением и эксплуатацией обо-
рудования, основанного на применении электрогидравлического
эффекта.
Табл. 28, ил. 138, список лит. 131 иазв.
ИБ № 476
ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Редактор издательства Н. Г. Сальникова
Технический редактор Н. Ф. Демкина. Корректор О. Е. Митина
Переплет художника А. Д. Михайлова
Сдано в набор 23/IX 1976 г. Подписано к печати 31/XII 1976 г. Т-20869
Формат 60x90,/ie. Бумага типографская Ns 1
Усл. печ. л. 20. Уч.-изд. л. 21,95
Тираж 7000 экз. Заказ 1262. Цена 1 р. 32 к.
Издательство «Машиностроение».
107885. Москва, Б 78, 1-й Басманный пер., дом 3
Ленинградская типография № 6 Союзполш рафпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговчн
193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10
О
31201-073
038 (01)-77
073-77
(£) Издательство «Машиностроение», 1977 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Бурное развитие важнейших направлений научно-технической
революции, какими являются новая энергетика, космонавтика,
макрохимпя, физика элементарных частиц, физика твердого тела,
потребовало создания новых материалов с нетрадиционными свой-
ствами и, как следствие, новых методов их обработки. Прогресс
машиностроения существенно зависит как от создания новых
материалов, так п от успехов в разработке методов их обработки.
Технология машиностроения нуждается в этих методах также
и потому, что возросли требования к качеству продукции, которые
не всегда могут быть обеспечены традиционными приемами и ин-
струментами.
Разрядно-импульсная технология, базирующаяся на исполь-
зовании электрогидравлического эффекта, позволяет успешно
решать перечисленные проблемы.
На предприятиях нашей страны за последние годы внедрено
большое число электрогидравлических установок. Это установки
для электрогидравлической очистки отливок, для штамповки ме-
таллов, закрепления труб в трубных досках теплообменных аппа-
ратов, дробления минеральных сред и др.
Физические явления, которые сопровождают мощный электри-
ческий разряд в жидкости, представляют самостоятельный науч-
ный интерес, поскольку находятся на стыке физики плотной низ-
котемпературной плазмы, физики высоких плотностей энергии,
физики жидкостей и электродинамики.
Сегодня благодаря теоретическим и экспериментальным иссле-
дованиям обнаружены новые факты, которые изменили характер
первоначальных представлений о мощном электрическом разряде
в жидкости и его технологических возможностях.
За период с 1955 по 1975 гг. издано несколько брошюр и книг
Наугольных К. А. и Роя Н. А., Попилова Л. Я., Юткина Л. А.,
в которых освещены отдельные вопросы теоретических исследо-
ваний электрического разряда в воде, вопросы электрогидравли-
ческой переработки материалов, обзор некоторых патентных опи-
саний. Опп далеко не полностью освещают достижения и нако-
пленный опыт.
Цель настоящего издания — обобщение накопленного опыта
исследований, разработок и практического применения техноло-
1» 3
гических процессов и оборудования, использующих электрогидра-
влический эффект в качестве инструмента воздействия на обраба-
тываемые материалы.
Не задаваясь целью подробно проанализировать теоретический
и экспериментальный материал, данная работа знакомит в основ-
ном с областями технического применения явления.
Физика электрического разряда в жидкости изучена недоста-
точно полно. Нет пока единой теории, которая позволила бы упо-
рядочить накопленный экспериментальный материал. До сих пор
не было общей схемы расчета, которая позволила бы по исходным
технологическим параметрам обрабатываемой детали определять
параметры узла преобразования энергии электрогидравлического
устройства. В книге предпринимается попытка обобщить и по
возможности систематизировать сведения по физике процесса,
чтобы в дальнейшем иметь возможность перейти к расчету кон-
кретных технологических операций. Работа отличается также
обилием материалов по практическому применению электроги-
дравлического эффекта.
В основу книги положен материал, накопленный ПКБ элек-
трогидравлики АН УССР, много лет создающего и внедряющего
в различных отраслях народного хозяйства страны электрогидра-
влические установки и оборудование. Но не оставлен без внима-
ния ценный опыт физико-технического института АН БССР.
Акустического института АН СССР, Института тепло- и массо-
обмена АН БССР, ряда предприятий, успешно применяющих
электрогидравлический эффект.
Конечно, в подобного рода книге, охватывающей широкий
круг вопросов, не все из которых имеют в основе завершенную
научную теорию, авторам не удалось разрешить все имеющиеся
проблемы.
Замечания и предложения по книге авторы просят направлять
по адресу: 327018, Николаев, проспект Октябрьский, 43, ПКБ
электрогидравлики АН УССР.
РАЗДЕЛ I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБОРУДОВАНИИ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Глава I
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В современной импульсной технике обработки материалов
электрический разряд в жидкости часто играет роль основного
действующего механизма в различных технологических процессах.
Из всего сложного комплекса явлений, возникающих при электри-
ческом разряде в жидкости, чаще всего в технологии используется
трансформация электрической энергии в энергию ударных волн.
Отличительной чертой этого процесса является то, что преобразо-
вание электрической энергии в механическую совершается без
промежуточных звеньев. Упрощенная схема явления может быть
представлена в следующем виде.
Н При подаче высокого напряжения на разрядный промежуток,
который обычно представляется в виде двух электродов, происхо-
дит его пробой, сопровождающийся образованием токопроводя-
щего капала, который начинается с образования нескольких или
целой серии растущих лидеров. Лидер представляет собой иони-
зированный ярко светящийся канал диаметром порядка 0,1 —
2 мм, окруженный областью диффузионного свечения. Возникно-
вение лидерной стадии развития разряда становится возможным
после того, как плотность тока достигнет величины, достаточной
для повышения температуры в канале до нескольких тысяч гра-
дусов. Лидерная стадия заканчивается тем, что один или несколько
из лидеров достигают противоположного электрода.
После этого начинается вторая — основная стадия разряда,
в которой происходит выделение большей части энергии, запасен-
ной в накопителе. Под действием протекающего тока разряда
большой плотности и благодаря малой сжимаемости жидкости
давление в канале разряда, полученного в результате замыкания
электродов лидером, растет и может достигать десятков тысяч
атмосфер. Благодаря высокому давлению и быстрому расширению
искрового канала формируется ударная волна. Одновременно
с этим расширяющийся канал разряда приводит в движение окру-
жающую его жидкость, создавая так называемый запаздываю-
5
щий поток, способствующий развитию газовой полости. Есте-
ственно, если на небольшом удалении от канала поместить пре-
граду (обрабатываемую деталь), то под действием этих факторов
она будет деформироваться.
Несмотря на то, что механическое действие электрического
разряда в воде было 'обнаружено еще в 1767—1769 гг. Г. Лейном
и Дж. Пристли, применение его для практических целей стало
возможным лишь при достаточном развитии исследований режимов
энерговыделепия высоковольтных разрядов и физической сущно-
сти этих процессов. Уже сейчас энергию ударных волн и потока
расходящейся жидкости при высоковольтном электрическом раз-
ряде широко используют в устройствах по разрушению и диспер-
гированию твердых веществ, формообразованию, очистке отливок
от формовочных смесей, очистке поверхности от загрязнений,
развальцовке труб, бурению скважин и т. д. Значительная роль
в развитии технологических применений электрического разряда
в воде принадлежит Л. А. Юткину, описавшему перспективу
использования этого явления для импульсной обработки мате-
риалов.
Широкий круг явлений физики и техники связан с вопросами
применения мощного электрического разряда в конденсированных
средах. Ввиду того, что источником энергии в наиболее распро-
страненной форме является разряд конденсатора на разрядный
промежуток в жидкости, при разработке электрооборудования
для установок прежде всего необходимо иметь представление о ха-
рактере нагрузки как потребителя энергии и о разрядной цепи
как о едином целом. Потребитель энергии — разрядный промежу-
ток (канал разряда в разрядном промежутке) сложным образом
зависит от электрических характеристик разрядной цепи и сам,
являясь элементом этой цепи, влияет на электрические характе-
ристики, обеспечивая взаимообусловленность явлений.
С другой стороны, разрядный промежуток представляет собой
плотную низкотемпературную плазму [57, 62]. В результате
преобразования энергии электрического поля заряженного кон-
денсатора в газокинетическую энергию движения частиц плазмы
давление в канале растет.'Канал разряда в жидкости, расширяю-
щийся с большой скоростью под действием газокинетического
давления, является источником (излучателем) мощных импульсов
сжатия, параметры которых существенным образом определяются
как процессами, происходящими в самой плазме канала, так и
гидродинамикой окружающей "среды. При рассмотрении этого
явления также необходимо учитывать взаимообусловленность
процессов,"'происходящих на границе двух сред, путем привле-
чения законов гидродинамики и нелинейной акустики.
Вопросы распространения волн сжатия, изменения их про-
филя, взаимодействия с преградой играют большую роль при
определении величин нагрузок, изменяющихся во времени, под
действием которых производится импульсная обработка материа-
6
лов. Следует также заметить, что без изучения условий формиро-
вания канала разряда и явлений, сопровождающих пробой жид-
ких диэлектриков и жидких сред, обладающих значительной
электропроводностью, полной ясности о процессе преобразования
энергии электрического поля конденсатора в энергию деформации
обрабатываемой детали получить нельзя.
2. ФОРМИРОВАНИЕ ТОКОПРОВОДЯЩЕГО КАНАЛА,
замыкающего РАЗРЯДНЫЙ МЕЖЭЛЕКТРОДНЫЙ ПРОМЕЖУТОК
Процессу интенсивного развития разряда предшествует ста-
дия формирования токопроводящего капала, замыкающего меж-
электродиып промежуток. Наиболее распространенным и простым
способом, не требующим создания дополнительных устройств,
является способ формирования токопроводящего канала высоко-
вольтным пробоем разрядного промежутка. Это особенно важно
в условиях обработки деталей при очистке отливок, когда слож-
ная конфигурация их не позволяет стабилизировать относитель-
ное расположение положительного и отрицательного (отливка)
электродов и эффективно использовать различные способы ини-
циирования разряда.
Под воздействием высокого напряжения, приложенного между
положительным (изолированным по всей поверхности, кроме
торца стержнем) и отрицательным (обрабатываемой деталью)
электродами, образуется и развивается сеть лидеров, один из ко-
торых пли серия их замыкает в конце концов разрядный проме-
жуток. Исследование пробоя проводящих недегазироваппых
жидкостей [52] показало, что образованию лидеров предшествует
локалыю-приострпйковая стадия, сменяющаяся затем лидерной,
в гечеипе которой скорость роста лидеров имеет конечную вели-
чину. Динамика роста системы лидеров зависит от начальных
электрических параметров разрядной цепи, формы межэлектрод-
пого промежутка, проводимости среды и т. д.
С точки зрения энергетических характеристик на стадии фор-
мирования проводящего канала можно отметить следующее. При
подаче напряжения между электродами с геометрией разрядного
промежутка «стержень»—«плоскость» в период до начала роста ли-
деров затраты энергии определяются током ионной проводимости,
величина которого зависит от проводимости среды и величины
поверхности контакта электродной системы с жидкостью. Затраты
энергии связаны с сообщением джоулевой теплоты большому
объему жидкости в межэлектродном пространстве. Время этой
стадии обычно уменьшается с увеличением напряжения и электро-
проводности среды [57].
В период роста системы лидеров фактическая площадь контакта
проводящей жидкости с поверхностью электродной системы растет.
Это приводит к увеличению токов проводимости и тем больше,
чем разветвленнее оказывается лидерная корона.
7
Кроме того, если в случае высоковольтного пробоя слабопро-
водящей жидкости в каналах лидеров выделяется малая доля
энергии заряженного конденсатора, то при увеличении проводи-
мости эта доля значительно возрастает и приводит к росту гидро-
акустических эффектов, сопровождающих данную стадию. Однако
электроакустический КПД при этом невелик и не превышает деся-
тых долей процента 157].
В конечном итоге затраты энергии на формирование канала
разряда в проводящей среде приводят к нагреванию всего объема
жидкости, снижению напряжения на конденсаторной батарее,
замедлению тем самым скорости роста лидеров, уменьшению об-
щего электроакустического КПД. Особенно важно это учитывать
при очистке отливок, так как формовочная и стержневая смеси
приготовляются с использованием воды местных источников, кото-
рая часто содержит значительное количество растворенных в ней
минеральных солей. По мере очистки отливок количество их воз-
растает, увеличивая электропроводность жидкости.
Таким образом, практика использования высоковольтного
электрического разряда в жидкости ставит задачу исследования
основных закономерностей развития пробоя длинных межэлек-
тродных промежутков (порядка 100 мм) с резко неоднородными
полями, когда среда, заполняющая межэлектродное пространство,
по своим электрофизическим свойствам ближе всего к электро-
литам.
Формирование пробоя в дистиллированной воде, а также в воде,
обладающей значительным количеством примесей, происходит
с некоторым запаздыванием даже в тех случаях, когда подводимое
напряжение значительно превосходит минимальное пробивное.
Под временем запаздывания пробоя подразумевается время от
момента приложения напряжения к межэлектродному проме-
жутку до образования канала разряда.
В длинных промежутках «+стержепь» —«—плоскость»
(«4-С»—«—П»), когда радиус кривизны стержня намного меньше
длины межэлектродного промежутка, и при напряженностях
поля у поверхности положительного электрода, больших пороговой
величины, время пробоя определяется в основном двумя составля-
ющими [57];
*,.Р = *д+*л. (!)
Здесь /д — время запаздывания (время долидерной стадии);
— время нормального развития лидера.
Динамика развития канала разряда в эти периоды существенно
зависит от распределения поля в разрядном промежутке (рис. 1).
В лидерной стадии поле определяется напряжением и геометрией
разрядного промежутка (величиной оголенной части положитель-
ного и отрицательного электродов, расстоянием, поверхностью
проводящих стенок).
8
На рис. 1, а показано расположение эквипотенциальных ли-
ний, характеризующих поле промежутка до появления лидеров.
Цифры, приведенные на рисунке, соответствуют процентному
отношению потенциалов соответствующей эквипотенциали и элек-
трода, когда поверхность отрицательного электрода значительно
превышает поверхность положительного. С появлением лидеров
максимальная напряженность поля смещается к головке лидера,
значительно искажая поле в промежутке. В этом случае оно изме-
няется от резко неоднородного к неоднородному в зависимости
от количества прорастающих лидеров. Энергетические затраты
в период формирования проводящего канала необходимо рассма-
тривать по соответствующим стадиям развития пробоя.
Характеристическое сопротивление большинства используемых
па практике разрядных контуров оказывается намного меньше
величины сопротивления промежутка в долидерной стадии, по-
этому потери энергии и связанное с ним снижение напряжения
могут быть получены при рассмотрении переходного процесса
в контуре, содержащем емкость и сопротивление:
t
Uc = Цое , (2)
где ис—падение напряжения на емкости, С; и0— начальное
напряжение заряда конденсаторной батареи; /?д — сопротивле-
ние промежутка в долидерной .стадии.
Экспериментальные данные, полученные в диапазоне изменения
напряжений Uu = 20-ь50 кВ и удельных электросопротивлений
водыр|1В = 54-70 Ом-м, показали [681, что величина Ra не зависит
Рис. 1 Характер изменения поля в
от величины прикладываемого
напряжения, а, значит, в ука-
занном диапазоне изменения
параметров для длинных раз-
рядных промежутков отсутст-
вуют какие-либо активные про-
цессы, приводящие к изменению
электропроводности жидкости.
межэлектродном промежутке:
О — в долидерной стадии; б — при развитии группы лидеров
9
Для определения сопротивления воспользуемся соотношением
между низковольтной удельной электропроводностью онв и емко-
стью С3 разрядного промежутка:
• (3)
Здесь е — диэлектрическая проницаемость среды.
Для создания наибольшей напряженности положительный
электрод обычно заостряется, однако при длительной работе уста-
новки в результате эрозии поверхность его приобретает форму
полусферы. Отрицательный электрод (обрабатываемая деталь)
имеет поверхность, значительно превышающую поверхность поло-
жительного электрода. Рассматривая электрическое поле в про-
странстве между сферическим электродом и заряженной поверх-
ностью, можно положить, что вследствие высокой степени неодно-
родности поля заряженной сферы малого радиуса влияние пло-
ского электрода на картину поля будет сказываться лишь вблизи
плоского электрода. Строго говоря, необходимо решать задачу
о поле заряженной сферы при наличии плоской границы. Однако
влияние граничного условия существенно лишь в приэлектродной
области, поэтому, заменив плоскую границу сферической, полу-
чим сферически симметричную задачу, а влияние граничных усло-
вий учтем введением поправочного коэффициента.
Емкость системы в этом случае
С —______________ (4)
”(Н)‘
где гэ — радиус закругления положительного стержня (радиус
стержня), I — межэлектродное расстояние; k — поправочный ко-
эффициент, равный 0,85.
С учетом соотношения (3) сопротивление промежутка может
быть найдено по формуле
= (------г)*'
Д 2лсг11П \ гэ I )
Для определения напряжения к моменту начала лидерной ста-
дии по формуле (2) необходимо заменить текущее время длитель-
ностью долидерной стадии.
Изменение удельной электропроводности от 102 до Ю'1 Ом-1м-1
при выбранной системе электродов показало, что время долидер-
ной стадии, определенное при обработке осциллограмм разряда,
изменяется обратно пропорционально онв. Зависимость времени
долидерной стадии от удельного сопротивления воды при U =
= 30 кВ приведена ниже:
рнв. Ом. м............ 120,5 58.4 29,3 10.0
<д, мкс............... 12,4 10,7 5,6 2,9
При увеличении напряжения время долидерной стадии сна-
чала резко уменьшается, затем при достижении напряжением неко-
торого порогового значения (40 кВ) изменяется незначительно.
10
Опенка снижения напряжения в результате разряда конденсатора
на разрядный промежуток в воде с электропроводностью о =
10-1 Ом-1м-1 при напряжении заряда конденсаторной бата-
реи, большем порогового, показала, что потерями энергии в этой
стадии можно пренебречь. Поверхность оголенной части положи-
тельного электрода в этом случае составила 11 см2.
На рис. 2 приведены характерные осциллограммы тока и на-
пряжения на разрядном промежутке при формировании канала
разряда. Моменту возникновения свечения на положительном
электроде соответствует начало лидерной стадии и увеличение
тока через разрядный промежуток. В дальнейшем с ростом си-
стемы лидеров наблюдается увеличение тока. При развитии про-
боя коротких промежутков монотонное возрастание тока наблю-
дается вплоть до замыкания одним из лидеров на противополож-
ный электрод (рис. 2, а).
С увеличением разрядного промежутка ток может иметь макси-
мум, и последующий пробой тогда происходит при значительном
спаде тока. Уменьшению его соответствует снижение интенсивно-
сти свечения, а затем и полное прекращение свечения лидеров.
Их рост при этом не прекращается, а продолжается в виде тонких
несветящихся ветвей (рис. 2, б) вплоть до достижения одной из
них противоположного электрода. Дальнейшее увеличение про-
межутка приводит к так называемым незавершенным разрядам
(рис. 2, в).
В процессе развития разряда имеет место и неоднородность
свечения лидера по длине (к основанию интенсивность свечения
увеличивается). Если при удельной электропроводности воды
10 2 Ом^м*1 свечение наблюдается только в приэлектродной
юно, то при увеличении се до значения 1U-1 Ом^’-м1 лидер
светится практически по всей длине. Кроме того, рост проводи-
мости вызывает увеличение количества лидеров.
В момент касания лидером противоположного электрода наблю-
дав гея резкое увеличение светимости в этой точке. Это явление
получило название обратного разряда и может быть легко объяснено
как разряд конденсатора на активную нагрузку с градиентом со-
противления ио длине образованного канала. При протекании
гока наибольшая скорость выделения энергии будет в местах
е наибольшим сопротивлением. Увеличение напряжения на раз-
рядном промежутке (при постоянном значении удельной электро-
проводности воды) приводит к увеличению скорости роста лиде-
ров [57]
Основные закономерности развития пробоя в период формиро-
вания капала разряда приведены ниже.
I. В межэлектродном промежутке «Ц-стержень»—«—обширный
электрод» стержень представляет собой место значительной кон-
центрации поля.
2. По мере роста проводящих лидеров область наибольшей
концентрации поля перемещается к головке каждого из них.
11
иииишш
Рис. 2. Осциллограммы и СФР-граммы характерных типов разряда при увеличении
межэлектродного промежутка:
а — разряд сопровождается пробоем при возрастании тока; б — разряд сопровождается
пробоем в условиях спада тока лидерной стадии; в — разряд, ие завершенный пробоем
промежутка
3. Чем больше низковольтная электропроводность жидкости,
тем активнее процесс образования лидеров, приводящий к увели-
чению их количества и площади поперечного сечения каждого
в отдельности. Увеличение контакта лидера с проводящей жидко-
стью приводит к увеличению тока, разогреву и появлению све-
чения в местах наибольшей плотности тока, т. е. у основания
ветви. Одновременно увеличение тока приводит к увеличению
потерь энергии на нагрев всего объема жидкости в зоне раз-
ряда.
4. Большое число ветвей лидерной кисти приводит к умень-
шению концентрации поля у головки каждой кисти и соответственно
к уменьшению скорости роста. Таким образом, проводимость опре-
деляет скорость распространения кисти в межэлектродном про-
межутке.
5. Начальное напряжение определяет скорость роста ветвей
кисти и почти не влияет на их количество.
6. Согласно элементам теории, вытекающим непосредственно
из экспериментов Н. П. Мельникова, количественные характери-
стики предпробойной стадии почти не зависят от химического со-
става электролита и являются только функциями его начальной
электропроводности.
7. Энергетические затраты на формирование канала разряда
определяются в основном периодом лидерной стадии развития.
В рамках рассматриваемой модели, описанной общими зако-
номерностями развития пробоя воды, обладающей значительной
низковольтной электропроводностью, можно определить величину
потерь энергии в период формирования канала разряда. В экс-
периментах с помощью скоростной съемки оценивалась длина
лидеров, их количество, диаметр, а следовательно, и общая поверх-
ность в период их роста [68]. Одновременное осциллографирова-
ние позволило определить величину потерь энергии к моменту
замыкания одним из лидеров межэлектродного промежутка.
Исследования в области изменения внешних параметров
Цо = (20 — 50) кВ, С = (0,5 — 10) 10-°Ф, I = (20 — 120) мм,
анв = (Ю-2—Ю-1) Ом-1 -м-1 и 5Э = 1ч-40 см2 (поверхности не-
изолированной части положительного стержня) позволили полу-
чить следующее выражение для определения затрат энергии в ста-
дии формирования разряда:
AU7 = Wo„B(S3 + S0). (6)
Здесь k и Sn — постоянные; k = 10® В2-с/м2; So = 11 см2.
Как видно из приведенного выражения, в рассматриваемом
диапазоне изменения внешних параметров величина потерь энер-
гии не зависит от параметров разрядной цепи, а определяется
лишь формой межэлектродного промежутка и низковольтной
электропроводностью жидкости. Длину межэлектродного проме-
жутка, для пробоя которого требуется не более 10% энергии заря-
13
1. Расчетные и экспериментальные значения предпробивных потерь энергии
для различных параметров разрядною контура и электропроводностей
жидкости
С, мкф 1, мм h, мм Зэ, см! S о % tr га < С, мкф h, мм гнэ ‘е$ р. Ом- м Е Ж т < я % h2Bdzttv
3 21 7 3,14 5,6 21 27,2 3 75 50 45 28 100 86,5
3 21 35 11,77 5,6 30 44 3 75 50 45 28 64 62,6
3 33 7 3,14 5,6 39 42,7 3 120 5 2,36 31,2 12 13,7
3 40 7 3,14 5,6 46 52 3 120 5 2,36 28,3 9,3 15,1
3 75 3 1,32 10,9 64 46,2 3 120 30 10,2 31,2 18 21,6
3 75 3 1,32 10,9 78 58,5 3 120 30 10,2 28,3 14 24,6
3 75 3 1,32 10,9 54 35,4 3 75 50 16,6 10,9 71 50,6
3 75 3 1,32 10,9 43,5 28,4 1 100 3 1,5 14 58 71
3 75 3 1,32 10,9 32,5 22,6 1 75 3 1,5 14 22 53
3 75 3 1,32 10,9 29,3 21,8 9 75 3 1,5 10,9 30 23
женной конденсаторной батареи, можно определить, используя
выражение (6), следующим образом:
- 8toHB(Ss + s7)
Ранее [10, 57] было получено аналогичное выражение
/”0,035 ш — и0)2
V V^--+1’252-l,25,
где Uo = 1,8 10s In 41/г, а — константа, равная 36 104 В2-с/м.
Формула, полученная для случая положительного электрода,
выполненного в виде острия, дает заниженные результаты, если
использовать ее для электродов, оканчивающихся полусферой.
Результаты сравнения экспериментальных данных с расчет-
ными, полученными по формуле (6), приведены в табл. 1. Следует
отметить, что выбранный диапазон изменения параметров разряд-
ного контура, разрядного промежутка и электропроводностей
жидкости характерен для условий, в которых работают установки
по очистке отливок средней энергоемкости.
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛА РАЗРЯДА
ПРИ ВЫСОКОВОЛЬТНОМ РАЗРЯДЕ В ВОДЕ
Процесс формирования канала разряда заканчивается замы-
канием межэлектродного промежутка, резким возрастанием тока
разряда и уменьшением сопротивления (рис. 2, а). Гидродинами-
ческие характеристики мощного подводного искрового разряда
J4
могут быть получены, если известен режим выделения энергии
в канале разряда [57]. В свою очередь, выделение энергии W (t)
существенно зависит от основных гидродинамических характери-
стик. Изменение давления Pa(t) в канале и его радиуса a (t)
в процессе расширения приводит к изменению активного сопро-
тивления R (0, определяющего способность плазмы к преобразо-
ванию энергии электрического поля в энергию теплового движения
частиц.
Если экспериментальное определение закона выделения энергии
не вызывает особых затруднений в каждом конкретном случае,
то решение задачи для получения W (0 без привлечения опытных
данных осложняется рядом обстоятельств.
Чтобы знать закон изменения тока во времени, необходимо
найти решение уравнения переходного процесса в цепи с нелиней-
ным активным сопротивлением. Дифференциальное уравнение
переходного процесса имеет вид
S + г4^)+А-=0’ <8>
где i — ток разряда; L и С — суммарные индуктивность и емкость
коп гура.
В цепях с нелинейными элементами решение переходного про-
цесса возможно, если известна зависимость нелинейного элемента
либо от тока разряда, либо от постоянных коэффициентов (L,
С, Uo) и времени.
Последующее изложение основано на модели, которая позво-
ляет получить зависимость сопротивления канала от тока разряда
при использовании уравнения баланса энергии. Это уравнение
в предположении адиабатичности процесса расширения и прене-
брежения потерями на излучение может быть записано в виде
р dV I * d(Pav) .2r> /о\
dt ~lK’ Вч
где Pa, v = я.аЧ, у — соответственно давление, объем и эффек-
тивный показатель адиабаты плазмы канала [571.
Правая часть уравнения представляет собой электрическую
мощность, развиваемую в искровом промежутке [57]. Второй
член левой части уравнения показывает скорость изменения вну-
тренней энергии плазмы канала.
Между сопротивлением и внутренней энергией может быть
установлена определенная зависимость [34, 361
= (10)
15
где I — длина канала разряда, а величина А, называемая искро-
вой характеристикой, определяется из выражения
рее
е
\0 5 Г/ 9л \0,5 Х[ _ 1
(Й7'те)и’йп Qtn + py^/|
(Н)
(12)
Здесь х — степень ионизации; D — энергия диссоциации моле-
кул воды; Vt — потенциал ионизации атомов кислорода и водорода;
е — заряд электрона; — подвижность электронов; пге — масса
электрона; п — концентрация частиц в плазме канала разряда;
Qen, Qej — эффективные сечения рассеяния па нейтральных ато-
мах и ионах соответственно.
Данные, приводимые в работах, по величинам эффективных
сечений рассеяния электронов на нейтральных атомах и ионах,
степени ионизации, определяемой формулой Саха, дают возмож-
ность оценить для диапазона изменения температур (1—3) 104К
величину искровой характеристики [57, 62].
Теоретическая оценка, данная В. В. Арсентьевым, показывает,
что этот диапазон соответствует температурам используемых на
практике разрядов. Приведенный расчет показал, что при Т >
> 1,2-104 К величина искровой характеристики изменяется не-
значительно.
По экспериментальным значениям тока и сопротивления был
проведен расчет А (/) для разрядов с параметрами: Ио = 40 кВ;
С = 3,22 мкФ, L = 2,15 мкГ и I = 204-200 мм. Для всех длин
разрядного промежутка величина искровой характеристики ме-
нялась незначительно в течение всего первого полупериода тока
разряда (А 0,25-105 В2-с/м2).
Во избежание накопления ошибок при расчетах величину А
определяли методом кусочно-линейной аппроксимации с исполь-
зованием выражения
(13)
Одновременное определение величины А для разрядов с пара-
метрами Uo = 14 кВ, С = 99 мкф, L = 10 мкГ, I = 504-80 мм
16
позволило определить границы изменений параметров электриче-
ской цепи (UoILl, Вт/м-с), в пределах которых величину искровой
характеристики можно считать неизменной во времени
2,5-10м < < 5- 101в. (14)
При этом использовались зависимость температуры от крутизны
нарастания мощности, полученная В. В. Арсентьевым, и зависи-
мость крутизны нарастания мощности от параметров разрядного
контура [63].
Все экспериментальные данные были получены при условии
инициирования разряда микропроводом диаметром 0,003 мм.
Длина канала при инициировании высоковольтным пробоем в ре-
зультате ветвления примерно в 2 раза больше межэлектродного
расстояния. Поэтому, чтобы учесть это изменение длины канала
разряда, необходимо увеличить величину искровой характеристики
в 4 раза (А = 106В2-с/м2).
С учетом того, что А = const, при линейной зависимости ра-
диуса канала разряда а (/) от времени [35] уравнение баланса
энергии (9) при использовании выражения (10) может быть приве-
дено к виду
о L о
(15)
После дифференцирования и ряда несложных преобразований
можно записать
^2(у-0 Р_/?3==о (16)
По отношению к переменному активному сопротивлению ка-
нала разряда R (/) это выражение представляет собой уравнение
Бернулли, решение которого имеет вид
В более общем случае радиус канала разряда может аппрокси-
мироваться выражением
а = р/2,
где аир — постоянные.
Сопротивление канала разряда определяется формулой
/ R \2 _ A Ra (v“'1)
\ I ) ~ 2 t
о
2 Г. А- Гулый
(18)
(19)
17
Аналогичное выражение было получено Ромпе и Вайцелем
для сопротивления искрового канала при разряде в воздухе.
Сопротивление как функция тока разряда в принципе позволяет
найти закон изменения энергии во времени при решении уравне-
ния переходного процесса в разрядном контуре. Но сложная ин-
тегральная зависимость не позволяет сделать это простым, при-
емлемым для практики способом и, естественно, вряд ли удобна
для оценочных расчетов.
Однако полученная функциональная связь между током раз-
ряда и нелинейным активным сопротивлением позволяет при
использовании масштабных коэффициентов для тока и времени
(m(- = UH\rC/L и mt = л| LC) привести уравнение (8) к безраз-
мерному виду с одним единственным безразмерным коэффициентом
П = -/ZU.
к U'friVLC
(20)
Величина Пк представляет собой безразмерную комбинацию
размерных постоянных L70, С, L, I, А и на основании теории подо-
бия является критерием подобия электрических и энергетических
характеристик канала подводной искры, так как последние в ко-
нечном счете все могут быть выражены через ток разряда.
Опустив в выражении (20) искровую характеристику А, полу-
чим обобщенный параметр По, введенный впервые И. 3. Окунем
f63] при использовании метода размерностей
Доля энергии т], выделившейся в канале за первый полупериод,
также может быть критерием подобия электрических характери-
стик при периодическом разряде [63].
Это значит, что при т] = idem для сравниваемых разрядов
безразмерные кривые разрядных токов, напряжений и скоростей
выделения энергии в каналах разряда совпадают. При этом вели-
чина т] является более удобной в рассмотрении для практических
целей, так как для периодических разрядов (а именно такие и
являются наиболее эффективными с точки зрения получения
максимального эффекта при преобразовании электрической энер-
гии в механическую) т] изменяется в пределах 0—1. Кроме того,
использование при рассмотрении переходного процесса величины т]
позволяет наглядно представить условия перехода от колеба-
тельного разряда конденсатора к апериодическому.
Из графической зависимости методом выравнивания для слу-
чая колебательных разрядов было получено выражение, связы-
вающее оба критерия:
П3 = л277к. ' (21)
Разбивая интервал значений т] = 0—1 на ряд дискретных
(0,1; 0,2; 0,3—1), можно представить переходный процесс в раз-
рядном контуре семейством кривых тока разряда. На рис. 3
переходный процесс представлен в виде серии безразмерных кри-
18
Рис. 3. Безразмерные кривые тока для различных значений критерия
подобия
вых тока разряда, полученных экспериментальным путем для
дискретного ряда значений критерия подобия т]. Решение пере-
ходного процесса осуществляется при известных параметрах
разрядного контура и величины межэлектродного расстояния
следующим образом. По формулам (20) и (21) находится величина
доли энергии т], а соответствующая кривая безразмерного тока
определяется из рис. 3. Затем безразмерные координаты тока и
времени приводятся к размерному виду с помощью пересчетных
масштабных коэффициентов mi и mt.
При расчетах способ инициирования играет значительную
роль, так как величина искровой характеристики А, входящая
в выражение (20) для разрядов, инициированных высоковольтным
пробоем, составляет 105 В2 - с/м2, а для разрядов, инициированных
взрывом тонкой проволочной перемычки, — 0,25-105 В2 с/м2.
Серия динамических вольт-амперных характеристик (рис. 4),
также полученная в результате обработки большого числа экспе-
риментальных данных и упорядоченная по величинам дискретных
значений т], позволяет, не прибегая к точному решению дифферен-
циального уравнения переходного процесса, определить основные
характеристики в течение первой положительной полуволны тока
разряда.
Решая уравнение переходного процесса при разряде емкости
через индуктивность и искру, Рюденберг принял сопротивление
канала разряда постоянным во все полупериоды разряда. Резко
нелинейный характер изменения сопротивления канала при
2* 19
Рис. 4. Серия динамических волыпамперных
характеристик в безразмерной форме для раз-
личных значений критерия подобия
электрическом разряде
в воде показывает не-
приемлемость подоб-
ного вида аппроксима-
ции.
Постоянство вели-
чины активного сопро-
тивления в течение
каждого полупериода,
но уменьшающейся от
полупериода к полупе-
риоду, позволяет счи-
тать цепь разряда ли-
нейной в течение каж-
дого полу пер иода и дает
возможность вести ре-
шение такой задачи
с использованием зави-
симостей для линейных
цепей.
Оба этих метода об-
ладают следующими ос-
новными недостатками:
1) необходимо задаваться постоянной величиной активного
сопротивления, а методов оценки ее пока не существует;
2) крутизна нарастания тока разряда в начальный момент
времени (/ = 0) при любых значениях R всегда остается постоян-
ной и равной UJL.
Как видно из кривых (см. рис. 3), крутизна нарастания тока
в начальный момент времени в разрядной цепи с нелинейным ак-
тивным сопротивлением канала разряда при переходе от колеба-
тельного режима к апериодическому может меняться на порядок,
поэтому предлагаемые методы не могут быть использованы при
решении переходного процесса в RLC-цепи для подводного искро-
вого разряда.
В результате анализа решения переходного процесса, полу-
ченного в параметрическом виде, можно найти оценочные выра-
жения для первого максимума тока разряда /т, декремента коле-
баний А и длительности первого полу пер иода т.
Например, для колебательного режима разряда
= U0 /£-(!—0,65п2);
А = (1 — т]3/2)2/3;
т = (1 -|- 0,65т]2) л |' LC.
(22)
20
4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОЛЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ РАЗРЯДА
Задачей любого экспериментального исследования является
установление объективных закономерностей для последующего
использования найденных зависимостей в управлении исследуе-
мыми процессами. Если же исследуемое явление находит промыш-
ленное применение, то возникает необходимость поиска наиболее
рационального режима работы конкретного технологического
устройства.
По характеру задач практического использования механиче-
ской энергии электрического разряда в воде можно выделить две
основные группы разрабатываемых и внедряемых в промышлен-
ность установок. К первой относятся установки по осуществлению
различного рода деформаций разрушения (очистка отливок от
формовочной и стержневой смесей, дробление горных пород;
бурение, разрушение негабаритов и т. д.). Вторая группа характе-
ризуется тем, что обработка ведется в области пластических дефор-
маций (штамповка, развальцовка труб, калибровка и т. д.).
При разработке установок этих двух групп прежде всего необ-
ходимо знать величину воздействующего на обрабатываемый мате-
риал и технологическую оснастку усилия в зависимости от первич-
ных факторов, которыми являются параметры разрядного контура
генератора импульсных токов. Кроме того, необходимо выбрать
сочетание параметров разрядного контура таким образом, чтобы
получить максимальный технологический эффект, т. е. решить
экстремальную задачу.
Полученная связь (см. гл. I, п. 3) между электрическими ха-
рактеристиками (сопротивления с током разряда и тока разряда
с исходными параметрами разрядного контура) дает возможность
определить закон выделения энергии в канале, а значит, и основ-
ные гидродинамические характеристики разряда в воде.
Однако для инженерных расчетов такое решение является
слишком громоздким и сложным, поэтому значительный интерес
представляет получение приближенных выражений, которые
в дальнейшем позволили бы перейти к решению экстремальной
задачи и к составлению общей схемы расчета узла преобразования
энергии.
В общем" случае
W (/) = i\t) R (t), (23)
где /V (t) — скорость выделения энергии в канале разряда.
Согласно экспериментальным данным [37, 63] кривые электри-
ческой мощности имеют максимум, смещающийся к середине полу-
периода собственных колебаний разрядного контура по мере при-
ближения разряда к апериодическому (т] —> 1). Кроме того, мощ-
ность, развиваемая в канале, достигает максимума раньше тока
для всех типов разрядов. Это дает возможность аппроксимировать
возрастание тока линейным законом в период нарастания мощ-
ности.
21
Используя тот факт, что крутизна нарастания тока уменьшается
с увеличением л, получим
<24>
Здесь U0IL — начальная крутизна нарастания тока разряда
для короткозамкнутого контура; t — время в период нарастания
мощности.
С учетом выражения (24) формулу для сопротивления (17)
при у = 1,25 можно записать в виде
/?(/) =
1<2Д/
(1 — 0,8т]) ta'2
(25)
Подставляя выражения (24) и (25) в формулу для мощности
(23), получаем
7V (/) = (1 — 0,8i])/?/2. (26)
Таким образом, закон изменения импульса электрической мощ-
ности включает величину л, которая легко рассчитывается по
параметрам разрядного контура при использовании выражения
(21). В выражении (26) изменение длины канала в зависимости от
способов инициирования учитывается изменением величины искро-
вой характеристики.
Как показывают результаты экспериментов, время достижения
мощностью своего максимального значения также определяется
величиной критерия л и может быть аппроксимировано линей-
ным законом
тгаах = 1,8Л Гтс. (27)
Таким образом, используя выражения (26) и (27), можно оце-
нить величину максимальной мощности с помощью следующей
приближенной формулы:
7Vmax= 1,9 J^(-^-)(l -0,8л) t^LC. (28)
Ценность этого выражения состоит в том, что без проведения
эксперимента можно рассчитать величину максимальной мощно-
сти и определить время ее достижения, имея лишь исходные пара-
метры разрядного контура и расстояние между электродами.
Из сравнения экспериментальных и расчетных данных (см.
табл. 2) видно, что расхождение между ними не превышает 25%,
что вполне приемлемо для инженерных и оценочных расчетов.
При интегрировании или дифференцировании выражения (26)
можно получить оценочные выражения для энергии и крутизны
мощности в период ее нарастания.
22
2. Расчетные и экспериментальные значения мощности для различных
параметров разрядного контура
№ по пор. CQ т о е о и О Ж + о Nmax10“’- Ет О Е О Е й И Т о 3s е о и о 2 + о ^nmx‘0-BT
н О) О w 2 О. X X л 5 = й ЬЙ ° л т S х й О) Z «> КЗ л Си X X л X £ л <т> S X
1 4,7 9,0 1,16 10 11,8 10,7 8 4,4 1,0 18,9 4 0,41 0,3
2 4,7 9,0 1,16 4 6,5 6,35 9 4,7 0,1 4,04 6 0,76 0,53
3 4,7 9,0 12,0 9 2,65 2,78 10 4,8 0,1 4,04 4 0,64 0,55
4 4,65 2,83 7,5 12 2,9 2,83 11 4,7 0,1 4,04 2 0,4 0,3
5 4,65 2,83 7,5 6 2,0 1,65 12 7,0 1,0 4,3 5 2,8 3,75
6 4,0 1,0 3,2 6 1,98 1,78 13 6,2 1,0 3,8 8 3,85 3.5
7 4,0 1,0 3,2 4 1,51 1,47 14 3,8 1,0 3,2 6 1,9 1.6
Примечание. № I —11 по данным авторов, 12 14 по данным Г. С. Бонда-
ренко [10].
Будем рассматривать канал разряда как однородный по длине
и сечению плазменный цилиндр. Уравнение баланса энергии в ка-
нале (9) при пренебрежении потерями на теплопроводность и
световое излучение запишем в виде
д/ (Л = d (PaV) л. р (29)
(у —1)Л^ "Л у >
Поскольку кривые электрической мощности, как было ука-
зано выше, имеют экстремум (максимум при первой пульсации
импульса тока), то можно ожидать, что и функция давления в ка-
нале для указанного временного интервала будет экстремальна,
т. е. в момент t = ттах или по крайней мере вблизи него Ра (t)
будет иметь максимум. Тогда уравнение (29) для момента времени
ттах после элементарных преобразований может быть записано
в виде
рт _ ? — 1 Nm
га — *
атат
(30)
Индекс т указывает на фиксированное во времени (t = тгаах)
значение функций N(t), a(t) и Следует отметить, что получен-
ное выражение для максимального давления в канале будет
справедливым и при более существенном отклонении времени его
достижения tK от ттах, поскольку —/Д/^L у слабо зависит от
а (‘к) а (*к)
выбора /к < ттах ввиду квазилинейного изменения мощности и
радиуса канала в указанном временном интервале. Связь Nm
с исходными электрическими параметрами источника и среды
определяется выражением (28). Однако путем исключения А
с помощью формулы (21) его удобнее представить в следующей
форме:
1-Шо]/Г^П2(1 — 0,8ii) (31)
23
Рис. 5. Зависимость Ьо (Z7K)
Аппроксимируя закон расши-
рения канала разряда степенной
функцией
а = aota
и подставляя совместно с выра-
жением (31) в формулу (30), полу-
чим приближенную связь амплитуды давления в канале с элек-
трическими параметрами разрядного контура [101]
Ра ^Ьо(/7к)(^у/2, (32)
где Ьо — безразмерная функция критерия подобия Пк.
Расчет коэффициента Ьо показал, что при изменении 77к в до-
вольно широком диапазоне (77к = 0,0016-^0,048; т) = 0,2-^0,9)
он сначала несколько увеличивается, а затем спадает (рис. 5).
Это говорит о том, что амплитуда давления в канале слабо зависит
от режима разряда, определяемого величиной /7К. Поэтому в фор-
муле (32) ЬО(ПК) может быть усреднена по аргументу /7И и принята
равной 0,17:
Р? = О 1 7 ( ?/2 /35П
Следует отметить, что аналогичное выражение для максималь-
ного давления в канале было получено на основе формулы Зин-
германа
Р™ = 0,26 (P^g)1/2 • (34)
Различие численных коэффициентов в выражениях (33) и (34)
объясняется тем, что при получении соотношения (34) были
использованы заниженные значения тг и тт и завышенная вели-
чина энергии, выделяемой в канале разряда.
Под действием высокого давления в ближней зоне канала
разряда образуется область сжатия, фронт которой в начальный
момент разряда неотделим от границы канала. Однако очень быстро
сжатая область (ударная волна), имеющая скорость, превышаю-
щую скорость расширения канала, отрывается от него и вплоть
до расстояний г < 2,5/ [62] амплитуда Рт падает обратно про-
порционально корню квадратному из расстояния до осп разряда г,
т. е.
Рт~Р«
Подставляя Р™ и ат, легко получить выражение для ампли-
туды давления в ударной волне Рт в зоне цилиндрической сим-
метрии (ат < г < 2,5/)
_О,16Д'/-'р2/8 и^С1'6
У г
24
Опытным путем было установлено, что в области 2,5/ < г <
< 5,5/ ударная волна превращается из цилиндрической в сфери-
ческую. Используя этот факт и соотношение (35), получим анало-
гичную связь для переходной зоны
_ 0,2 (1-0,1г//) Л1^8
/1/8/,'/2 '
В области сферической симметрии г > 5,5/ амплитуда давле-
ния падает обратно пропорционально расстоянию в степени 1,13:
0,26Д1/4рр/8 t/8/4C1/8Z1/2
?т = £1713 £1/2
(37)
Сравнение расчетных значений амплитуды давления по фор-
мулам (34)—(36) с экспериментальными приведено в табл. 3.
Точность расчета Рт можно считать удовлетворительной, а по-
лученные выражения рекомендовать для использования в инже-
нерных расчетах электрогидравлических установок. Анализ их
показывает, что при фиксированном расстоянии до оси разряда
увеличение межэлектродного расстояния приводит к появлению
максимума на кривой Рт(/), что подтверждает уже известный из
опыта результат.
3. Расчетные и экспериментальные значения давления для различных
параметров разрядного контура
№ ПО пор. Uo- I0-3, В С.10', ф L 10е, Г 1 102, м г- 10!, м 10-', Н/м2 1 ДР 1, %
экспе- римен- тальные расчет- ные
1 80 0,76 4 320 12 280 370 32
2 50 6,7 3 264 26,4 210 276 31
3 29 3,1 16 40 20 75 67 11
4 29 3,1 3,2 40 20 200 226 13
5 29 3,1 8 40 20 115 143,5 25
6 25 1 15 80 20 80 75,6 6
7 25 1 0,8 0,5 10 35 43 23
8 21,6 0,24 3 50 5 230 267 16
9 19 3,1 3,2 40 20 150 167 11,3
10 19 3,1 8 40 20 85 105,5 24
11 15 1 0,8 5 10 63 92 46
12 15 1 0,8 0,5 6 51 52 2
13 15 1 0,8 0,5 50 5 4,8 4
14 10 1 0,8 0,5 10 22 21,6 2
15 5 1 0,8 0,5 10 14 14 0
16 25 2,87 2,25 40 8,3 405 374 8
17 50 2,87 13,5 121 30,4 ПО 128,5 17
18 50 2,87 13.5 121 13,7 225 173 30
19 32 2,87 13,5 80 26,5 63 82,5 31
Примечание. № I —10 по данным И. 3. Окунь [62]. II —15 по данным ра-
боты [lift]. 16—19 по данным авторов
25
5. ОБЩАЯ СХЕМА РАСЧЕТОВ УЗЛА
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Для эффективного использования энергии электроразрядных
процессов в практике промышленного производства при решении
оптимизационных задач необходимо учитывать особенности кон-
кретного технологического процесса, включая источник энергии
и объект обработки в единую динамическую систему.
Одним из наиболее перспективных и разработанных направле-
ний является использование электрического разряда в жидкости
для очистки отливок. Основными факторами, воздействующими
на отливку и стержневую смесь, являются первичная ударная
волна и поток жидкости, образующийся при расширении парога-
зовой полости. В качестве силового критерия разрушения стержня
может быть выбрано давление на фронте ударной волны. При
давлении, большем, чем остаточное напряжение стержневой массы,
разрушение стержня зависит только от времени действия ударной
волны и возрастает по мере его увеличения. Кроме того, отделе-
ние стержня от металла отливки и его разрушение во внутренних
полостях, не подверженных непосредственному воздействию удар-
ной волны, определяются колебательным процессом, возникаю-
щим как в отливке, так и в стержне. Причем амплитуда колеба-
ний, а следовательно, и степень деформации стержня пропорцио-
нальны импульсу ударной волны [20].
При экспоненциальном законе спада давления в волне сжатия
импульс определяется давлением на фронте ударной волны и по-
стоянной спада. Давление на фронте ударной волны не должно
превышать прочностных характеристик обрабатываемой детали.
Исходя из этого, первое соотношение, связывающее параметры
узла преобразования энергии (параметры разрядного контура)
с характеристиками обрабатываемой детали, может быть получено
при использовании выражения для амплитуды давления в удар-
ной волне Рт в зоне цилиндрической симметрии (ат < г < 2,5/):
0,16/1Ь4рЗ/8 ^18
Рщ— jl/8^1/2 °в- К58)
Здесь ов — величина минимального давления, при котором воз-
можно появление микротрещин при воздействии импульсной на-
грузки.
Вводя коэффициент запаса прочности и выражая при раз-
ряде на отливку величину г через длину межэлектродного рас-
стояния, можно записать
,,3/4г1/8
0.16A,V/8-f578iW = MB. (39)
Как средство преобразования электрической энергии в энергию
ударных волн, электрический разряд в воде характеризуется
электроакустическим КПД, равным отношению энергии ударной
26
волны к электрической энергии, введенной в канал при разряде
конденсатора. Его величина существенно зависит от режима раз-
ряда [57], т. е. от определенного соотношения параметров
разрядного контура и величины межэлектродного промежутка.
Для процесса очистки отливок оптимальные соотношения пара-
метров энергетического узла могут быть получены из условия
максимальной величины импульса ударной волны. Однако слабая
зависимость импульса от временных характеристик разряда [62]
позволяет выразить эти соотношения, исходя из формулы для
давления па фронте ударной волны.
Исследуя на экстремум выражение (36), получим связь опти-
мального межэлектродного расстояния I (по амплитуде давления
ударной волны) с электрическими параметрами источника:
/=0,28|/^ПС. (40)
В частном случае при разряде на отливку (величина г прирав-
нивается к межэлектродному расстоянию с постоянным коэффи-
циентом) можно записать
/ = (41)
Найденная зависимость отличается от полученной ранее из
энергетических соображений только по величине постоянных
коэффициентов
1 = Та ГС- (42)
Различие легко объяснить, если учесть, что оптимальная длина
разрядного промежутка была получена при г I, когда ось канала
разряда расположена параллельно обрабатываемой детали.
Значительные трудности в определении поля давлений на по-
верхности отливки при разряде на нее (ось канала разряда пер-
пендикулярна обрабатываемой поверхности) не дают возможности
определить величину постоянных коэффициентов расчетным путем.
С экспериментальными данными хорошо согласуется зависимость,
полученная В. И. Гамановичем, которая совпадает по величине
постоянных коэффициентов с выражением (42).
Система (39), (42) содержит четыре неизвестных (L70, L, С, I)
и должна замыкаться уравнениями, учитывающими характер
разряда при его формировании и поведение детали под действием
импульсной нагрузки.
Экспериментально установленная связь длины промежутка,
требующего для пробоя не более 25% запасенной энергии при усло-
вии разряда в проводящей среде, позволяет дополнить систему
(39), (42) еще одним уравнением
I =______UL (43)
8feo11B(S, + 50) •
27
Здесь 5Э — величина поверхности оголенной части положи-
тельного электрода, определяемая из условий электроэрозионной
стойкости и прочностных характеристик электродных систем.
Поверхность неизолированной части стержня приближенно
оценивается как поверхность цилиндра 5Э = л1эс1э. Длина вы-
ступающей части стержня ls выбирается из условий механической
прочности изоляции (обычно это 1—3 см).
Бесперебойная работа установки в течение одной смены может
быть обеспечена в том случае, если при выбранном диаметре
стержня масса выброшенного с электрода металла в результате
электроэрозии не приведет к уменьшению длины I более чем
на 20—30%. Масса металла, эрозируемого в течение одного им-
пульса, согласно работам Г. С. Белкина и В. Я. Киселева, про-
порциональна количеству электричества, прошедшего через раз-
рядный промежуток, и зависит от материала электрода
т1 = XjCt/o. (44)
Здесь хх — коэффициент пропорциональности, зависящий от
материала электрода и режима разряда. Поскольку режим раз-
ряда учитывается выражением (42), то величина прошедшего через
разрядный промежуток количества электричества, будет всегда
одной и той же и равной 3,5СД0. Среднее значение коэффициента
пропорциональности для количества электричества, таким обра-
зом, учитывается величиной хх.
Умножив на число разрядов в течение смены при частоте сле-
дования импульсов 2 Гц, получим общую массу металла, уноси-
мую с электрода в результате эрозии:
т = т х- 5,8 -104 = х2СД0.
С другой стороны, исходя из геометрических размеров и мате-
риала стержня, получаем
т = -у- А/Э5Э,
где А/э — допустимое уменьшение длины электрода, не приво-
дящее к изменению режима разряда; d3 — диаметр стержня
(электрода).
Таким образом, приравнивая правые части полученных выра-
жений, можно записать
А/Э5Э = и2Си0.
Выражая величину А/э через длину выступающей части стержня
электрода, после элементарных преобразований и сведения всех
постоянных в одну, получаем
= (45)
г 1э
28
Найденное выражение может служить дополнением к формуле
(11) при определении связи величины межэлектродного расстояния
как функции поверхности неизолированной части положительного
с юржня.
Однако достаточно сказать, что для установок по очистке от-
ливок средней энергоемкости диаметр стального стержня (сталь
выбрана при учете прочностных и эрозионных характеристик)
составляет 8—12 мм, а длина неизолированной части положитель-
ного стержня — 15 мм.
Выведенное ранее соотношение (7) справедливо при условии,
что механизм пробоя под воздействием высокого напряжения
иосит лидерный характер. Для образования лидера необходимо,
чтобы напряженность поля у поверхности электрода превосхо-
дила некоторую пороговую величину порядка нескольких десят-
ков киловольт на сантиметр. Минимальная напряженность поля,
при котором еще возникают лидеры, оказывается равной прибли-
зительно 36 кВ/см и соответствует случаю положительного стержня
и отрицательной плоскости [40, 571. Если учесть, что при расчете
энергетических потерь в период формирования разряда допускается
величина О,25Ц7о, то необходимо величину минимальной напря-
женности, используемой в расчетах, увеличить до значения, рав-
ного 40 кВ/см.
Таким образом, система уравнений (39), (42), (43), определяю-
щая связь между параметрами разрядного контура, может быть
замкнута при использовании зависимости [40, 57]
1п_Ы . (46)
В установках средней энергоемкости, величина разрядного
промежутка I колеблется в пределах 8—12, а диаметр стержня —
0,8—1,2 см, напряжение заряда конденсаторной батареи согласно
формуле (46), составляет величину порядка 45 кВ.
С учетом полученного выражения (46), связывающего напря-
жение заряда конденсаторной батареи с длиной разрядного про-
межутка и диаметром стержня положительного электрода, замк-
нутая система уравнений для определения параметров энергети-
ческого узла может быть представлена в виде:
1. L^/4C1/8L~1/2r5/8 = б.гбЛ-^рЛ^;
2. иоС1,4[УЧ~1 2 3 4 5 = 2,5А1/2-,
3. UlCL°r1 = 8йонв ($э + So); (47)
4. ^/2С1/27.°/° = х'5э/Г1/2;
5. t/0CW = EmlnAin-^-.
29
После преобразований с подстановкой постоянных (в системе
Си) получаем:
1. £7о/4С1/8Л“1/2Г5/а = 0,525-10“ 2ов;
2. UuCl//,L1,4rl = 8-Ю2;
3. lf0CL°r' = 8-108сгнв (жЦэ + 10“3);
4. uocl°i° = з-io“7d2p3/3 (3сГ7а+ Гпл + п.);
5. U0C°L°P = 1041n4Z •
Здесь ппв— низковольтная электропроводность жидкости;
СуТ^п — средняя удельная теплоемкость и температура плавле-
ния материала электрода; гпл, ги — удельная теплота плавления
и испарения материала электрода.
Решение системы позволяет получить величину основных пара-
метров разрядного контура и длину межэлектродного промежутка.
При этом учитываются прочностные характеристики обрабаты-
ваемой детали (ов) и свойства среды (через ее удельную электро-
проводность). Однако расчет не случайно назван схематическим,
так как охватывает лишь основные вопросы, возникающие при
определении параметров энергетического узла. Некоторые осо-
бенности процесса обработки либо не затронуты, либо не нашли
достаточного освещения в экспериментальных результатах.
Например, то обстоятельство, что обрабатываемые детали
сложной конфигурации могут обладать пониженным значением
ов, приводит к необходимости выбирать места с наибольшим зна-
чением ов, которые необходимо подвергать непосредственной
обработке, и окончательную очистку отливок производить в изме-
ненном режиме работы установки. Однако, как показывает опыт
эксплуатации установок по очистке отливок, в этом нет необхо-
димости, так как энергия первичной ударной волны расходуется
не только на разрушение при непосредственном воздействии на
формовочную смесь, но и на возбуждение колебаний в обрабаты-
ваемой детали.
Отделение стержня от металла отливки и его разрушение во
внутренних полостях определяются колебательным процессом,
возникающим как в отливке, так и в стержне под действием им-
пульсной нагрузки. Амплитуда колебаний, а следовательно, и
степень деформации стержня пропорциональны импульсу удар-
ной волны и обратно пропорциональны собственной частоте коле-
баний отливки. Для более строгого грешения задачи в предлагае-
мую систему необходимо было бы внести условие, учитывающее
соотношение длительности воздействия нагрузки с собственной
частотой колебаний отливки. Кроме того, входящий в систему
параметр <тнв, характеризующий свойства среды с точки зрения
энергозатрат, имеет некоторое граничное значение, ниже которого
30
ноесиечить пробой с приведенным значением потерь энергии прак-
гпчески невозможно.
Малоизученным остается вопрос о длине неизолированной ча
ini стержня положительного электрода /э, оказывающей значи-
icjii.noe влияние на характер формирования проводящего канала
л на величину потерь в предпробойной стадии. Чем больше 1Л,
км больше 5Э. Уменьшение выступающей электроизолированной
части стержня положительного электрода может привести к раз-
ни гпю разряда не с его конца, а с границы металл — изолятор
п вызвать быстрое разрушение изолирующей части электрода.
Если вопросы качественного анализа и некоторые рекоменда-
ции по исключению этого явления еще находят освещение в лите-
ратуре [57], то количественные соотношения, позволяющие
выбрать наиболее оптимальный вариант, пока отсутствуют. Часть
постоянных коэффициентов, приводимых в системе уравнений и
ипмствованных из литературных источников, имеет большой
р 1 >брос по величине и пока является объектом исследования.
Кроме того, следует заметить, что предлагаемая схема может
явиться не единственным вариантом. Тем не менее она позволяет
проследить основные этапы расчета и акцентировать внимание на
узловых характеристиках конкретного технологического процесса.
Разработка схемы расчетов узла преобразования энергии для
случая электрогидравлической штамповки требует учета большего
числа параметров. Это связано отчасти с тем, что при формообразо-
вании заготовок сложной формы часто используются различного
вида инициаторы разряда, существенным образом влияющие на
характер преобразования электрической энергии в механическую.
Тем не менее уравнение, связывающее давление на фронте
импульса сжатия с давлением, требуемым для создания остаточ-
ной деформации заготовки, имеет много общего с первым уравне-
нием системы (47). В этом случае ов находится, если известен за-
кон движения заготовки под действием импульсного нагружения
и возникающих при этом сил сопротивления. Вторым уравнением,
входящим в систему, должно быть уравнение, связывающее коли-
чество энергии, запасенной в конденсаторной батарее, с энергией
формообразования заготовки с соответствующим коэффициентом
полезного действия.
Система должна замыкаться оптимизационными соотношениями,
учитывающими используемый инициатор разряда, например взры-
ваемый проводник. В случае использования цилиндрического про-
водника, помимо перечисленных ранее параметров, подлежащих
расчету (U0 — напряжения заряда конденсаторной батареи, С —
емкости, L — индуктивности разрядной цепи, I — длины разряд-
ного промежутка), добавляются еще d — диаметр взрываемого
проводника и его материал. Для получения дополнительных соот-
ношений, позволяющих замкнуть систему, необходимо учитывать
соотношение длины взрываемого проводника и положение его
inносительно обрабатываемой детали.
31
Г л а в а II
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
1. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО МЕСТО
В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СПОСОБАХ ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ
Современный этап развития промышленной технологии отли-
чается общей тенденцией развития науки и техники — проведе-
нием процессов обработки при экстремальных параметрах внеш-
них воздействующих факторов. К их числу прежде всего относятся
высокие давления и температуры. В качестве первичных воздей-
ствующих факторов экстремальных параметров используют: хими-
ческий взрыв с давлением в сравнительно больших объемах до
10-109 Па; высокоинтенсивные импульсные магнитные поля с да-
влением до 1 109 Па, термическое и механическое действие лазер-
ного излучения с импульсным давлением в малых объемах до
(2—3) -1022 Па при температуре 10е К; высокочастотйые электро-
магнитные и акустические излучения; импульсный электрический
разряд с давлением до 109 Па в той или иной рабочей среде [32].
В этом ряду электрогидравлический эффект (ЭГЭ)д1меет свою
область применения, причем он уже признан промышленностью
и используется в различных технологических процессах. Так,
например, в области средних значений энергий в импульсе (1—•
10 кДж) он имеет преимущества перед химическим взрывом, осо-
бенно при использовании способа многократного нагружения
объекта обработки. Главные преимущества ЭГЭ: достаточно
надежная воспроизводимость процесса от импульса к импульсу,
возможность его автоматизации, менее жесткие требования к обе-
спечению безопасных условий эксплуатации оборудования, что
позволяет размещать его в действующих цехах и линиях. В области
малых энергий единичного воздействия (1—1000 Дж), особенно
в случае необходимости применения очень коротких импульсов
воздействия, несомненные преимущества имеет лазерная техноло-
гия — «светогидравлический эффект» и прямое термоударное воз-
32
Действие на вещество [251. Область средних Энергий для лазеров
и технологии сегодня недостижима ввиду относительно низкого
их 1\ПД, поэта бурно развивающаяся область современной физики
позволяет надеяться, что в ближайшее время названные трудности
<»уду г преодолены.
С помощью высокоинтенсивных импульсных магнитных полей
непосредственно осуществляются процессы обработки проводя-
щих электрический ток материалов в том же энергетическом диа-
па юне, что и электрогидравлическим эффектом. Более того, они
иду г с использованием идентичного энергетического оборудова-
ния — генераторов импульсных токов. Но широкого распростра-
нения этот способ не получает ввиду чрезвычайно больших техни-
ческих трудностей создания сильных магнитных полей в боль-
ших объемах, низкой стойкости инструмента — индукторов,
а шкже сравнительно узкого круга материалов, пригодных к та-
кой обработке.
Высокочастотные электромагнитные и акустические излучения,
Iгперпруемые современной электронной техникой, уже находят
применение в промышленной технологии. Однако применение
их ограничено технической возможностью получения излучения
(юлыпой мощности, поэтому их используют для малых объектов
обработки.
Отдельная область применения низкоэнергетического (1 —
10 Дж) разряда — для размерной обработки металлов с уносом
материала — электроэрозионный и электроимпульсный методы.
Большой интерес может представлять совмещение процессов
высокоскоростного деформирования материалов с изменением
в необходимый момент их механических свойств под воздействием
дополни тельных возмущающих факторов, сопровождающих явле-
ния Элек тропластического эффекта [81], радиационно-механиче-
ского эффекта [85], мощных акустических полей.
Таким образом, электрогидравлический эффект по сравнению
с другими электрофизическими методами обработки находит весьма
широкую область использования, причем этот метод имеет значи-
гельные возможности совершенствования.
В настоящее время наиболее широкое применение последний
находит в процессах, связанных с пластическим формоизменением
материалов или разрушением материалов.
•2. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЛЛГКГРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Высокоскоростное деформирование металлов с использованием
импульсных нагрузок, создаваемых при взрывном выделении
шергии сжатых газов, химической, электромагнитной, получило
в настоящее время большое распространение благодаря преиму-
з Г. А. Гулый 33
ществам перед обычными так называемыми статическими методами
обработки.
Например, электрогидравлическая штамповка позволяет полу-
чить значительную экономию благодаря сокращению ряда опера-
ций, уменьшению затрат на технологическую оснастку и повы-
сить производительность труда. Ее можно применять как в мелко-
серийном, так и в массовом производстве благодаря возможности
почти полной автоматизации этого процесса. Высокоскоростное
деформирование металлов характеризуется рядом особенностей
по сравнению со статическими методами обработки материалов и
в первую очередь на микроструктурном уровне. Импульсные
методы обработки основаны на возбуждении высокопнтенсивных
упруго пластических волн в обрабатываемом материале [72].
В поле упругих волн, возникающих при ударном нагружении
электрогидравлического эффекта, состояние металла значительно
отличается от состояния при действии статических нагрузок.
С начальных стадий деформации развивается множественное сколь-
жение дислокаций, происходящее практически одновременно по
многим непараллельным плоскостям: наблюдается переход к ин-
тенсивному двойникованию, плотность которого высока — рас-
стояния между соседними двойниками составляют всего 10 4—
1U6 см. Эти особенности трудно объяснить па основании предста-
влений об обычном дислокационном механизме пластической де-
формации. За короткое время действия высокого давления плот-
ность дислокаций возрастает до 1012 см-2/с [84], что обеспечивает
повышение пластических свойств обрабатываемых металлов и,
как следствие, увеличение допустимой степени деформации; со-
кращение числа переходов при формоизменении сложных деталей
Интенсивность ударного нагружения имеет широкий диапазон.
Слабые толчки могут вызывать напряжения порядка 102 Па,
тогда как сильные взрывы — порядка 1010 Па. Скорость нараста-
ния давления также играет важную роль, так как она определяет
вводимую в материал мощность. Так, если давление возрастет
со скоростью (102) МПа/мкс, вводимая мощность будет равна
приблизительно 100 МВт/см3.
При прохождении ударных волн сокращение межатомных рас-
стояний изменяет структуру энергетического спектра твердых
тел, вызывает расширение и перекрытие энергетических зон.
В динамических экспериментах новые фазы обнаруживаются,
если время превращения существенно меньше длительности воз-
действия высоких давлений на образцы [3].
Исследование фазовых превращений в железе привело А. Н. Ива-
нова, С. А. Новикова и Ю. И. Тарасова, Дж. Эркмана и А. Бар-
чана к экспериментальному открытию ударных волн разрежения,
возникающих при обратном фазовом превращении металла (в ис-
ходную фазу) во время разгрузки и также влияющих на его пла-
стические свойства. Как и для волн сжатия, ударные скачки разре-
жения устойчивы, если скорость является сверхзвуковой по отно-
34
пн пню к начальному состоянию и дозвуковой по отношению
। конечному. Наиболее универсальным примером перестройки
upmia.i шчсской решетки под действием ударных волн является
и реход вещества из упругого состояния в пластическое. Этот
переход имеет все характерные особенности фазовых превраще-
нии и ударных волнах. Его изучение позволяет найти динамические
пределы текучести металлов при предельно больших скоростях
и формации [3].
В качестве особенности высокоскоростного деформирования
иеретически можно показать возможность торможения развития
оч.пои разрушения в металле периодической волной механических
напряжений. Экспериментальным подтверждением служат опыты
по одноосному растяжению с одновременным наложением вибро-
удирпых растягивающих импульсов, возбуждаемых электрораз-
рядпым гидроимпульсным вибратором. С учетом того, что энергия
поперечного скольжения зависит от энергии дефектов упаковки
и и связи с расщеплением дислокаций, которое особенно сущест-
ikiiiio в гранецентрироваппых кубических металлах, в опытах были
в пользованы техническая медь, алюминий, латунь, а также стали.
Опыты выполняли на лабораторном гидропрессе ПСУ-125,
oi нашейном электроразрядным гидроимпульсным вибратором
>1’1 НВ 1 с параметрами разрядного контура: рабочее напряже-
ние 25 45 кВ; емкость—1 мкФ; индуктивность—1,7 мкГ;
часто га посылок импульсов — 1—10 Гц.
В процессе растяжения в результате посылок импульсов
•P1HB-I металл подвергается воздействию быстрозатухающих
поли механических напряжений. Импульсы имели высокую скваж-
ное и., что позволяло избежать образования стоячей волны. Стан-
дар шые образны растягивались со скоростью до 10-1 м/мин.
Возбуждение в металле образцов интенсивных волн механиче-
ских напряжений приводит к росту относительного удлинения и
поперечною сужения; равномерная деформация также несколько
упе шчинается. Величина прироста удлинения для стали с содер-
жанием углерода до 0,1 % составила около 35%. По-видимому,
i in описанного процесса деформации при увеличении энергии
ц фекта упаковки происходит снижение энергии активизации попе-
pi чти о скольжения. Следовательно, при высокой энергии дефекта
упаковки можно ожидать большего проявления торможения раз-
ни ши очагов разрушения и большей деформации до момента раз-
pvшепни при неизменных условиях. Опыты показали, что под
воздействием упругих колебаний, возбуждаемых электрическим
p.i «рядом в воде, наблюдается снижение пластического сопротн-
п.к пня при дайной величине деформации примерно на 40%.
( hiiicaiinoe явление является результатом действия дополни-
н ibiioii энергии упругих колебаний, которое интенсифицирует
|.|рождсипс дислокаций и их скольжение.
При некоторых условиях взрывной штамповки в воде (когда
> ырпая волна близка к плоской) имеет место механизм синхрон-
3» 35
кого сдвига наряду с обычной дислокационной пластичностью,
реализующей небольшую часть общей деформации. При этом
возможно гомогенное зарождение дислокаций, когда дальние их
перемещения со скоростью, обеспечивающей скорость деформиро-
вания в заданных условиях нагружения, не осуществляются, и
при значительной деформации мал наклеп и невелики следы сколь-
жения. Соответствующие характеристики механических свойств
и внутреннего трения близки к свойствам недеформированных ма-
териалов.
При нарушении параметров процесса (слишком малой или боль-
шой дистанции взрыва) возникает значительный наклеп и появля-
ются линии сдвига. Использование малых дистанций взрыва
может привести к хрупкому разрушению материала.
Для металлов около 95% совершаемой пластической работы
превращается в теплоту и только около 5% накапливается в мате-
риале в виде дополнительно возникающих дислокаций и других
дефектов [23]. В работе Дж. Гилмана приводится достаточно
полная трактовка теории пластического течения под действием
ударных сил. Следует лишь добавить, что упругие деформации,
возникающие при очень высоких скоростях удара, становятся
столь большими, что закон Гука оказывается неприменимым и
связь между напряжениями и деформациями становится нелиней-
ной. Для волн сжатия это ведет к разрывным градиентам деформа-
ции на фронте распространяющейся волны, т. е. к ударным вол-
нам. Эти особенности процесса гидроимпульсного деформирования
также необходимо учитывать при исследовании процессов высо-
коскоростного деформирования и разработке соответствующих
технологических процессов.
Прохождение ударных волн в твердых телах сопровождается
многими явлениями, имеющими большое практическое значение.
Следует отметить возможность протекания полиморфных и фазо-
вых превращений, процессов разложения и синтеза, дефектообра-
зования и, наоборот, совершенствования структуры. В ударных
волнах развиваются большие давления, приводящие к особенно-
стям осуществления пластической деформации и проявлению
своеобразного механизма массопереноса (эффективно проявляет
себя за крайне малые времена ударного сжатия). Одной из вели-
чин, имеющих большое значение при изучении высокоскоростных
металлообрабатывающих процессов как дистанционного, так и
контактного типа, является относительная скорость частиц.
В общем виде эта величина представляет собой разность скоростей,
которыми обладают два соседних элемента при динамических
условиях. Если эта разность скоростей известна, ее можно ввести
в известное уравнение теории упругости, показывающее, что на-
пряжение о в направлении распространения волны определяется
выражением
о = pceve,
36
I ie (> начальная плотность материала; се — скорость распро-
< ip.iiiriiiin упругих волн в материале; ve — скорость частиц.
Данное выражение позволяет вычислить значение напряжения,
но тикающего в материале.
Для каждого данного материала имеется свой верхний предел
относительной скорости частиц. Когда этот предел превышается,
материал становится хрупким. Ее предельная величина носит
название критической относительной скорости частиц материала и
(ия taiia с критическим сопротивлением материала разрыву.
11 процессах металлообработки различают относительную ско-
рость частиц и скорость перемещения тела. Например, возможно
пмиульсно переместить металлическое тело со скоростью в не-
сколько тысяч метров в секунду без разрушения при условии,
что все элементы тела движутся с одинаковой скоростью и в одном
направлении С другой стороны, тело, перемещенное со скоростью
в десятки метров в секунду, может быть разрушено, если хотя бы
одно условие не будет выполнено. С точки зрения критической
относительной скорости частиц, предельная скорость перемеще-
ния металла при любой операции есть функция величины скорости
(.сформирования и геометрии деформации.
При дистанционных методах высокоскоростного деформирова-
ния действующая на поверхность нагрузка распределена так, что
многие элементы тела движутся в различных направлениях и
с различными скоростями. При таких условиях чаще наблюдается
утонение металла, чем хрупкий излом. При осуществлении многих
высокоскоростных формообразующих операций металл может
разрушаться и по другим причинам еще до достижения критиче-
ской относительной скорости частиц. Эти причины могут включать
в себя утонение металла, чрезмерную пластическую деформацию,
нагартовку материала и неблагоприятную геометрию деформируе-
мого тела.
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Разрушение и дробление горных пород является одним из
первых предложений по применению электрогидравлического
н|>фекта в промышленной технологии. Ряд процессов в технологии
машиностроения также связан с разрушением материалов, напри-
мер, очистные операции всех видов, а также выбивка стержней
из отливок.
Процессы дробления и измельчения материалов основываются
па известных из теории упругости деформациях — сжатии, рас-
тяжении, изгибе и сдвиге — с переходом напряжений за предел
прочности материала. В теории дробления имеются две основные
гипотезы: поверхностная — Рпттингера и объемная — Кирпи-
чева, которые дополняют друг друга и отражают физические явле-
ния, происходящие в процессе дробления.
37
По объемной гипотезе работа внутренних сил (сил упругости)
пропорциональна объемам подобных тел. Она основывается на фор-
муле теории упругости, дающей абсолютную величину работы
деформации. По гипотезе П. А. Ребиндера работа дробления скла-
дывается из работы затрачиваемой на деформацию дробимого
тела Аг, которая определяется по закону Кирпичева— Кика, и
работы А 2, расходуемой на образование новой поверхности и опре-
деляемой по закону Риттингера А = Аг + А2.
При крупном дроблении поверхность дробленого продукта
увеличивается незначительно. Работа здесь затрачивается глав-
ным образом на деформацию дробимого материала, поэтому всю
работу дробления с большим или меньшим приближением можно
определять по закону Кирпичева—Кика.
При мелком дроблении, наоборот, поверхность дробленого
продукта возрастает значительно и поэтому преобладает работа,
затрачиваемая на образование новой поверхности. Всю работу
дробления в этом случае можно с известной точностью, опреде-
лять по закону Риттингера.
Ф. С. Бонд на основе проведенных исследований предложил
теорию дробления, по которой работа дробления зависит от сте-
пени измельчения кусков исходного материала:
Vdcp Dcp /
где k — коэффициент пропорциональности; Dcp, dep — средние
диаметры соответственно кусков исходного материала и дробле-
ного продукта; Q — масса дробимого материала.
Теория Бонда предполагает, что дробление зерна проходит
через последовательные этапы: энергия распределяется в объеме
зерна вплоть до момента образования трещин, и, следовательно,
пропорциональна этому объему. После появления трещин энергия
концентрируется на их открытой поверхности и общее значение
энергии дробления становится пропорциональным квадрату круп-
ности.
Таким образом, работа дробления одного куска материала
при определенной степени измельчения может быть выражена
следующими формулами:
по Кирпичеву—Кику
А = /гкП3;
по Риттингеру
А = kPD2-,
по Бонду
A = kEDzs.
Эти формулы различаются коэффициентами пропорциональ-
ности и показателями степени при D — диаметре дробимого куска.
С. Б. Андреевым рекомендована обобщенная формула
A = kPDm,
A — k
38
। .'К' A’p — коэффициент пропорциональности; т — показатель
ciriieiin, определяющий измельчимость куска.
11рп этом работа дробления (в кгс-м) массы материала при
ioii же степени измельчения
= kPD^N = kP = kpD^Q,
где Аф Ар/6 коэффициент пропорциональности; 1/6 — насып-
ная масса материала, т/м3; Оср — средний диаметр дробимого
куска, м; т — определенная степень измельчения материала
куска; Q — масса дробимого материала, г, N — число кусков
материала.
Развитие физики твердого тела позволило объяснить явление
разрушения с учетом атомно-молекулярной структуры на основе
теории дислокаций.
Согласно теории, процесс разрушения происходит в три ста-
дии:
1) генерация свободных скользящих дислокаций (например,
при прохождении фронта ударной волны);
2) превращение скользящих дислокаций в полостные, пред-
ставляющие собой полости микроскопического размера;
3) рост трещины, образованной полостными дислокациями.
Критерий разрушения выводится из энергетических соображе-
ний. Действующее на скользящие дислокации внешнее напряже-
ние вызывает их сближение, и в случае разрушения, работа, про-
изведенная при этом внешними силами, должна быть не меньше
энергии вновь образовавшихся поверхностей излома
Движение незакрепленной дислокации сопряжено с преодоле-
нием сопротивления трения. Следовательно, на скользящие дисло-
кации действует лишь эффективное касательное напряжение
о — ог, где о — приложенное внешнее напряжение, а ох — напря-
жение, возникающее при преодолении сил трения. Если же про-
цесс развития трещины затруднен, работу производит все прило-
женное напряжение о, а не только о — стх, т. е. в материале преоб-
ладают пластические свойства. Если напряжение течения превос-
ходит напряжение роста трещин, то материал разрушается хрупко.
Реальные среды, в частности, стержневые смеси отливок,
нежелательные покрытия, горные породы обладают слоистой
структурой. Математические модели сред, даже с'учетом пласти-
ческих и релаксационных свойств, не могут в полной мере опи-
сать все стороны поведения реальной среды под действием высо-
ких импульсных нагрузок.
А. И. Ханукаев предлагает разделить все породы на три группы
в зависимости от физико-механических свойств (акустической же-
сткости) и характера разрушений:
1) породы, обладающие большой акустической жесткостью
и разрушающиеся под действием волн, отраженных от свободных
поверхностей массива;
39
2) породы средней акустической жесткости, разрушайэщиесй
как от действия отраженной волны, так и от действия расширяю-
щихся газов;
3) породы с малой акустической жесткостью, разрушения
в которых обусловлены действием расширяющихся газов.
Как видно из изложенного, такой же подход применим к раз-
рушению пород под действием электрогидравлического эффекта,
но в этом случае удобно использовать условия двухволновой и
трехволновой конфигурации сходящихся ударных волн, приводя-
щих к возрастанию давления в 4— 6 раз по отношению к давлению
на фронте ударной волны в определенной зоне объекта обработки
и вызывающих затем ударные волны разгрузки (скачки разреже-
ния), при встрече которых происходит откол материала [3].
Число откалываемых кусков для пород первой группы пред-
лагается определять из выражения
дг Днях
к — ’
где NK — число отслоений, образованных в породе волной
напряжений; Ртах — максимальное давление на фронте волны
напряжений; ов — предел прочности породы на растяжение.
Во многих случаях качественная картина разрушения, пред-
ставленная по А. И. Ханукаеву, хорошо согласуется с действи-
тельной, а сама постановка вопроса о различном механизме раз-
рушения способствовала дальнейшему развитию теории действия
взрыва на среду. Однако основное допущение, что прочностные
характеристики' пород находятся в прямой зависимости от их
акустической жесткости, не всегда имеет место на практике, осо-
бенно^ для различных типов обожженных стержневых смесей,
i М. Ф. Друкованным и другими отмечено, что при воздействии
импульсных нагрузок разрушение определяется не только проч-
ностью горных пород и напряжением в породе на фронте волны,
но и в значительной степени зависит от времени приложения на-
грузки. В настоящее время аналитическое описание процесса
разрушения горных пород не представляется возможным. О сущ-
ности явлений, происходящих при разрушении, пока существуют
лишь качественные представления.
Воздействие импульсной нагрузки типа удара или взрыва
на твердое тело проявляется в возникновении в нем волны напря-
жения, распространяющейся от места приложения нагрузки. При
своем распространении волна напряжения приводит к разрушению
твердого тела.
Оценим дробящее действие волны напряжения в неограничен-
ной изолированной и неоднородной среде, исходя из энергети-
ческого критерия разрушения.
Расход энергии на дробление определяется законом Риттен-
гера
WP = qSH, (48)
40
i ЛО 7 — коэффициент пропорциональности; S„ — величина вновь
обнаженной поверхности.
Па образование куска с характерным размером расходуется
HiepriiH
Гр (d) = 6qd*. (49)
Средняя объемная плотность энергии в среде, необходимая
для разрушения ее на куски размером d, должна быть равна
. (50)
с!3 “
При разрушении твердого тела волной напряжения будут
образовываться куски размером d, если плотность механической
энергии, уходящей на разрушение, будет равна ГР.
Энергия волны напряжения при ее распространении затра-
чивается не только на разрушение, но и частично превращается
в теплоту. Причинами тепловых потерь являются так называемые
истинные поглощения и рассеяние энергии на различного рода
неоднородностях среды. В изотропной однородной среде основная
часть тепловых потерь связана с истинным поглощением, обуслов-
ленным вязкостью, теплопроводностью и релаксационными эффек-
тами.
После ряда допущений и математических вычислений А. И. Ха-
пукаевым получено уравнение для определения размеров, обра-
зующихся при дроблении кусков;
гшах
C[p+/n(I-P)l [ dr
, qDTS (г) Т ) D
d ~ in (I — (Woе ° ' (51)
Минимальные куски, очевидно, будут получены при г = г0,
а максимальные — в слое, примыкающем к границе зоны дробле-
ния. Максимальный размер куска, который может образоваться
за время действия волны напряжения, определяется ее длитель-
ностью Т и скоростью развития трещин и в материале:
dmax = uT= m'^DT. (52)
Используя это выражение, из соотношения (51), получим урав-
нение для определения радиуса граничного слоя кусков:
гпих
-6[р+>п (1—Р)] f rfr
Р)Г(1е '< . (53)
Радиус зоны дробления, очевидно, будет равен
Кщах ~ Giiax Ч- ^пих> (’И)
1ДС dmas — максимальный размер кусков.
41
Для оценки гранулометрической характеристики разрушен-
ного материала целесообразно зону дробления определить из
условия, что в пограничном слое по наибольшему периметру обра-
зуется не меньше определенного числа кусков. Это обусловли-
вается тем, что при определении зоны дробления по максимально
возможному куску, в некоторых случаях в пограничном слое бу-
дет всего несколько крупных кусков, причем весьма вероятно, что
некоторые из них будут отделены от среды. С целью исключения
подобных случаев ограничим зону дробления объемом, не вклю-
чающим слой с числом кусков (по наибольшему периметру),
меньшим 12.
При этом условии максимальные размеры кусков определяются
выражениями:
а) в случае сферической волны
= (55)
б) в случае цилиндрической волны
j Г max Ч* 0,3/ /гс\
«max = -----2-- ’ (56)
где I — длина цилиндрической части волны.
Уравнениями для определения зоны дробления в этом случае
будут:
а) при сферической волне
-6 [₽+m (1—р)]
s (г 1 ~ Р) Ц70гптах г0 - D .
v max) 6 ’ (57)
б) при цилиндрической волне
гтах
6 (Р+т (1-Р)] f
с ir \ ___ т О — Р) Ц^оАтах 4-0,3/ Т гс °
Umax) — 2д£>Г е ’ (58)
Полученные выражения позволяют определить гранулометри-
ческую характеристику раздробленного материала.
Коэффициент полезного использования энергии волны напря-
жения определяется выражением
= W = т(1-Р)
1 Vo [P4-m(l—Р)1
rmax
-6[P+m(I-3)J Г dr
T J D
1 -- e r“
В изложенном выводе расчетных соотношений коэффициенты q,
т, р предполагались известными. Коэффициент q, представляю-
щий расход энергии на образование вновь обнаженной поверх-
ности, обычно определяется непосредственно из эксперимента.
42
4. Зависимость объема разрушения материала от начальной энергии
и длительности ударной волны
К го ж •0 Показатель дробящего действия Длительность волн, мкс ЕС <Я X - д К-' go £ о к Длительность волн, мкс
я я хйч 10 100 1000 Начал энергн Дж- 1С Показ: дробЯ1 действ 10 100 юоо
Сф 50 100 200 сричеи V, л ^ср» ММ г V, л rfcp> мм г V, л ^ср, ММ г тая вол! 16 1,01 0,010 22 0,69 0,612 33 0,52 0,614 а, г0 = 235 16,70 0,540 400 13,50 0,570 650 10,50 0,587 ), 1 м 92 44,00 0,080 470 59,0 0,154 1830 71,00 0,246 50 100 200 Цил» 'о = V, л ^ср» мм г V, л ^Ср» мм г V, л ^ср> ММ Г шдричес = 0,3 м, 26 1,65 0,611 33 1,04 0,613 44 0,69 0,614 кая вол! 1 = 0,6 312 22,00 0,540 516 17,50 0,568 830 13,50 0,586 а, м 130 64,00 0,078 570 75,00 0,147 2220 90,00 0,240
Опыт показывает, что между скоростью распространения волны
п скоростью развития трещины соблюдается постоянное соотно-
шение в достаточно широких пределах изменения интенсивности
волн. Это соотношение различно для различных веществ. Коэффи-
циент т у хрупких материалов достигает 0,8—0,85; у вязких
материалов он значительно меньше.
Величина коэффициента р может быть оценена, если известна
ударная адиабата для разрушаемого материала.
А. И. Ханукаевым было проиллюстрировано применение полу-
ченных расчетных соотношений для оценки дробящего действия
сферической и цилиндрической волн напряжения различной дли-
тельности. Величины q, т, р выбирались произвольно.
Данные табл. 4 показывают, что объем разрушения зависит
как от энергии волны, так и от длительности ее воздействия.
Представленные теория и расчетные соотношения процессов
дробления удовлетворительно описывают электрогидравлический
метод и могут использоваться в разработке соответствующих
технологических процессов.
РАЗДЕЛ //
ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
очистки ОТЛИВОК
Глава III
ТЕХНОЛОГИЯ И СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
1. СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
В процессе выбивки отливок из опок на выбивных решетках
происходит частичное удаление формовочной смеси и стержней.
Однако в отливках остается значительное число неразрушенных
стержней, удаление которых является самостоятельной операцией,
требующей специального оборудования.
Наиболее распространенными способами удаления стержней
из отливок и очистки их от формовочных смесей являются: руч-
ной, галтовкой, водоструйный и гидроабразивный, дробеструй-
ный, дробеметный, химический и электрогидравлический [66, 67].
Большинство из вышеперечисленных способов сопровождается
образованием большого количества пыли. Гидроабразивный спо-
соб, хотя и улучшает очистку отливок, позволяет проводить объем-
ную обработку, расширяет возможности механизации процесса,
улучшает санитарно-технические условия на участке очистки,
но тем не менее имеет свои недостатки: удаление стержней про-
исходит только в зоне прямого воздействия струи; отливки необ-
ходимо кантовать: расходуется значительное количество воды
(10- 15 м3) и электроэнергии (общая мощность достигает 1000 кВт
и более на 1 т удаляемых стержней); невозможно удаление стерж-
ней с высокой остаточной прочностью (свыше 1,5 МПа), а также
из отливок сложной конфигурации; строительство н эксплуатация
таких установок стоит дорого. Они занимают большие площади
и их невозможно устанавливать в каждом литейном цехе.
Химический способ очистки связан с выделением вредных для
здоровья человека паров, с загрязнением рабочих мест, что ведет
к неудовлетворительным условиям, низкой производительности
труда и загрязнению сточных вод.
В связи с этим пневмоинструмент, галтовочные барабаны и
все виды гидрокамер уступают место новым видам очистного обо-
рудования, среди которых на первом месте находятся установки
для дробеметной очистки. Однако несмотря на то, что дробемет-
пые установки совмещают выбивку стержней и очистку поверх-
ностей отливок до товарного вида, допускают полную механи-
iamiio всех операций процесса, они все же не могут обеспечить
высокое качество удаления стержней из внутренних полостей от-
ливок, загрязняют цех и имеют высокие эксплуатационные рас-
ходы. Это заставляет вести поиск новых способов очистки.
В 60-х годах, впервые в мировой практике, в Советском Союзе
начал находить применение технологический процесс выбивки
стержней и удаления формовочных смесей, основанный на исполь-
зовании высоковольтного импульсного разряда в жидкости.
В обрубном цехе Новокраматорского машиностроительного
завода им. В. И. Ленина была внедрена опытно-промышленная
электрогидравлическая установка для очистки отливок массой
до 2 т.
В 1962 г. использование электрогидравлического способа
очистки было осуществлено на лабораторной установке, а
в 1963 г. — в промышленных условиях на Ленинградском станко-
строительном заводе им. Я. М. Свердлова.
Харьковским филиалом института автоматики была соз-
дана для Сумского насосного завода электрогидравлическая
установка для удаления керамических стержней из стальных
отливок колес центробежных насосов, отлитых по выплавляемым
моделям.
В 1965 г. ПКБ электрогидравлики создает и внедряет первые
образцы установок электрогидравлической очистки отливок.
Опыт эксплуатации этих установок показал, что новый способ
более производителен, экономичен, позволяет осуществить высо-
кую степень механизации и автоматизации процесса, обеспечивает
удаление стержней с любой остаточной прочностью из самых слож-
ных отливок, улучшает условия труда обрубщиков. К 1967 г.
в ПК.Б электрогидравлики был создан ряд установок «Искра-2»,
«Искра-4», «Искра-5», «Искра-6», «Искра-7», «Искра-8» (табл. 5).
Впоследствии на их базе были созданы установки мод. 36121,
36131, 36141, 67511.
К 1971 г. были закончены работы по модернизации этих уста-
новок. С 1972 г. завод «Амурлитмаш» (г. Комсомольск-на-Амуре)
начал серийный выпуск установок моделей 36121А грузоподъем-
ностью 2,5 т и 36141А грузоподъемностью 25 т, а опытный завод
электрогидравлики продолжал выпуск установок мод. 36131А
грузоподъемностью 10 т и 67511] для отделения керамики от от-
ливок по выплавляемым моделям.
В 1967 г. было проведено обследование электрогидрав-
лических установок, эксплуатируемых в разных отраслях про-
мышленности. В результате анализа материалов обследования
была подтверждена прогрессивность электрогидравлического спо-
соба по сравнению с другими механизированными способами, в том
числе и с водоструйным. По данным анализа, область применения
45
5. Технические характеристики установок электрогидравлической очистки отливок
Харьковский филиал института автоматики.
механизированных, в том числе и гидравлических способов,
в сравнении с электрогидравлическим способом ограничена.
11о данным завода «Амурлитмаш», гидрокамеры экономически
целесообразно применять для отливок массой свыше Ют, а
и остальных случаях — электрогидравлические установки.
В современном машиностроении электрогидравлическая
очистка отливок получает все более широкое применение при вы-
пуске отливок в мелкосерийном и серийном производстве, обра-
ботке отливок в ремонтных цехах, а также в условиях крупно-
серийного и массового производства. В литейных цехах заводов
p.i пличных отраслей промышленности эксплуатируется более
300 установок различных моделей.
Установки могут работать как в линиях с охладительными
конвейерами и системой транспортно-передаточных механизмов,
обеспечивающих непрерывный поток подачи отливок, так и вне
потока.
2. СУЩНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
МЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
При выбивке стержней и очистке отливок от формовочных
смесей электрогидравлическим способом используется лишь
часть комплекса явлений, возникающих при высоковольтном
импульсном разряде в жидкости (см. гл. I). Это первичная удар-
ная волна и поток жидкости при расширении парогазовой полости.
При выбивке высокопрочных стержневых смесей (стоСТ 2 МПа)
преимущественное значение имеет первичная ударная волна.
Механизм разрушения стержней определяется ростом трещин
под действием растягивающих усилий, возникающих в стержневой
смеси в результате колебаний отливки и стержня, а также за счет
отражения волн деформации на границе раздела сред с различными
акустическими сопротивлениями.
Таким образом разрушающее воздействие на смесь может пе-
редаваться и через стенки отливки. Это говорит о том, что электро-
гидравлическим способом можно разрушать стержни, находя-
щиеся в труднодоступных полостях отливок — «карманах».
Электрогидравлическим способом можно удалять стержни и
оболочки отливок, изготовленных по выполняемым моделям,
которые обычными способами трудно или вообще невозможно
выбить из-за высокой остаточной прочности или труднодосту пности.
Интенсивность разрушения стержней электрогидравлическим
способом в конечном итоге определяется давлением на фронте
ударной волны Рц и энергией гидропотока W7n. Давление выби-
рается ниже прочности отливки, но выше прочности стержня.
Давление па фронте ударной волны и энергия гидропотока
зависят от параметров разрядного контура, режима выделения
энергии и других условий. На основании промышленной эксплуа-
тации, данных проведенных экспериментов и опытно-промышлен-
47
ной проверки установлена оптимальная величина рабочего на-
пряжения для установок электрогидравлической очистки отли-
вок 6/р = 50 кВ. Величина емкости конденсаторной батареи
(накопителя) С устанавливается для конкретной отливки или
группы однотипных отливок и находится в интервале 2—16 мкФ.
Увеличение емкости приводит к увеличению эффективности вы-
бивки стержней, однако оно ограничено прочностью материала
отливки.
Индуктивность разрядного контура в установках стремятся
свести к допустимо малой величине L = (4-ь6)10“® Г, так как
ее увеличение приводит к уменьшению амплитуды давления удар-
ной волны и отрицательно сказывается на эффективности очистки
отливок. Оптимальная длина рабочего промежутка между элек-
тродами, одним из которых чаще всего является сама очищаемая
отливка, принята
/опт= l,14-10~3f/0FEC.
Зона эффективного воздействия высоковольтного импульсного
разряда в жидкости на отливку представляет собой сферу с цен-
тром в канале разряда. Радиус сферы ориентировочно составляет
150—350 мм для чугунных и цветных отливок, 50—250 мм для
стальных отливок, изготовленных литьем в песчаные формы, и
10—30 мм для отливок, изготовленных по выплавляемым моделям.
Величина зоны воздействия зависит от энергии в импульсе, мате-
риала и конфигурации отливок, остаточной прочности стержней
и электропроводности жидкости (воды).
Для особо прочных жидкостекольных, этилсиликатных стерж-
ней [остаточная прочность (о 3 МПа)] цри энергии в импульсе
Е = 104-25 кДж зона разрушения составляет 50—200 мм. При
этом имеет место хрупкое разрушение стержня в результате
образования трещин под действием растягивающих напряжений,
возникающих из-за волн растяжения.
Для стержней средней прочности из жидких самотвердеющих
смесей (остаточная прочность tr = 0,54-3 МПа) при энергии
в импульсе Е = 54-10 кДж зона разрушения составляет 150—
250 мм. При этом стержни подвергаются хрупкому и пластичному
разрушению.
У стержней с остаточной прочностью о < 0,5 МПа при энер-
гии в импульсе Е = 5 кДж зона разрушения достигает 400 мм.
Для них характерно пластичное разрушение в результате пере-
мещения частиц смеси в сопутствующем ударной волне гидро-
потоке.
Конфигурация отливок не оказывает заметного влияния на
зону разрушения. Более существенным фактором являются раз-
меры полости, содержащей стержневую массу. В больших по-
лостях стержни отделяются крупными кусками при малых затра-
тах энергии, в небольших — разрушение происходит по границе
металла и стержня и для полного удаления его требуются значп-
48
тельные затраты энергии, поэтому зона разрушения тем больше,
чем проще форма стержня и чем меньший слой металла отделяет
его от наружной поверхности.
3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ УСТАНОВОК и ИХ ПАРАМЕТРЫ
Номенклатура современных типов установок для электрогид-
равлической очистки отливок принята на основе изучения оте-
чественного оборудования и зарубежных моделей с учетом тре-
бований литейного производства.
По типажу все установки подразделяют па три группы.
1. Тупиковые и проходные установки периодического действия.
Область применения: удаление стержней из отливок и очистка
их от формовочных смесей в условиях мелкосерийного и серий-
ного производства. Размеры обрабатываемых отливок до
7500x5000x3200 мм; масса со стержнями до 40 000 кг.
2. Конвейерные установки периодического и непрерывного
действия.
Область применения: удаление стержней из отливок и очистка
их от формовочных смесей в условиях крупносерийного и массо-
вого производства. Размеры обрабатываемых отливок до
3150x2500X1250 мм; масса со стержнями до 2500 кг.
3. Специальные конвейерные установки периодического и не-
прерывного действия.
Область применения: очистка отливок, получаемых по выплав-
ляемым моделям от керамики. Диаметр обрабатываемых отли-
вок (блоков) — 250, 400 мм, длина — 250, 500 мм.
Так как современные электрогидравлические установки пред-
ставляют собой сложный комплекс различного оборудования,
связанного системой автоматики, и условия их применения весьма
обширны, а конструктивные типы разнообразны, то составление
обобщенной классификации весьма затруднительно. Кроме того,
установки различаются по грузоподъемности, размеру рабочего
пространства, числу одновременно работающих электродов, схеме
обработки отливок, энергии, выделяемой на один электрод, ча-
стоте следования импульсов, способу загрузки и выгрузки отли-
вок из рабочего пространства, связи с транспортными средствами
цеха, роду привода механизмов, поэтому наиболее целесообразно
классифицировать установки по отдельным характерным для них
признакам.
По характеру работы различают установки периодического
действия и конвейерные. В установках периодического действия
процесс очистки отливок производится периодически, т. е. в мо-
мент загрузки и выгрузки отливок из рабочего пространства про-
цесс прерывается. В установках конвейерных процесс очистки
отливок не прерывается и обработка их ведется непрерывно.
По исполнению установки разделяют на тупиковые и проход-
ные. Тупиковые установки имеют однц ворота; транспортировка
4 Г. А. Гулчй 49
о 6. Основные технические данные электрогидравлических установок для очистки отливок
Показатели Тупиковые установки Проходные установки
мод 36111 мод. 36121А мод. 36131А мод 36141А мод 36211 мод 36212 «Искра-30» «Искра-23»
Размеры рабочего пространства, мм . . 1250X800 : Х500 2000 XI200 X Х500 3500X2000X Х1000 5600X3000X Х2000 1250Х800Х Х500 2000Х 1250Х Х800 3200Х 2000Х Х1250 5000 ХЗ 200 X Х2000
Масса отливки •(блока), кг ... . До 250 100—1000 500—5000 Св. 5000 До 250 100—1000 500—5000 Св. 500
Г рузоподъемность, т 1,25 3,0 8,0 25,0 1,25 2,5 10,0 25,0
Производитель- ность (средняя), т/ч 1,0 3,0 4,7 6,5 1,0 5,0 6,0 10,5
Расход электро- энергии на 1 т отли- вок, кВт-ч/т .... 25 6,0 6,0 5,0 25 60 8,0 10,5
Площадь, занимае- мая установкой, м2 23 45 106 131 22 96 108 176
Масса установки, кг 16 000 11 000 30 000 46 000 16 000 40 000 56 000 65 000
Продолжение табл. 6
Показатели Проходные установки Конвейерные установки Специальные установки для точного литья
«Искра-18» «Искра-22» «Искра-33» «Искр а-20» «Искра-15» мод. 6751! А «Искра-31» «Искра-27»
Размеры рабочего пространства, мм , . 7500X3400X Х2500 800Х 630Х хзоо 1000X800 Х400 1250-800 ХбЗО 3150Х 2500Х Х1250 0250 Н 500 0250 Н 500 1200 700Х > 250
Масса отливки (блока), кг . . Св. 500 160 315 1250 2500 25 25 300
Г рузоподъемность, т 30,0 0,16 0,315 1,25 2,5 0,025 0,025 0,3
Производитель- ность (средняя), т/ч 7,5 7,5 8 6,5 15 60 * 180 * 250 **
Расход электро- энергии на 1 т отли- вок, кВт-ч/т .... 7,5 5-6 5—6 10,5 9,4 19 25 25
Площадь, занимае- мая установкой, м2 210 140 140 108 166 32 77 40
Масса установки, кг 77 000 58 500 50 200 58 000 65 000 9700 35 000 1600
* Производительность, бл./ч.
** Производительность, кг/ч.
отливок в рабочее пространство и из него производится с одной
стороны. У проходных (сквозных) — транспортировка отливок
может осуществляться поочередно с двух противоположных сто-
рон. Преимущество проходных установок заключается в том, что
загрузку отливок можно производить с одной стороны, а вы-
грузку — с другой, что позволяет встраивать их в технологи-
ческие линии поточного литейного производства. Это преиму-
щество успешно используется в конвейерных установках.
По способу подачи отливок на обработку различают установки
у которых транспортировка отливок в технологическую ванну
осуществляется в контейнерах самоходной тележкой; установки,
принимающие отливки с пластинчатого конвейера на загрузоч-
ное устройство, и установки, в которые отливки поступают на
подвесном или тележечном конвейере.
По грузоподъемности различают установки на 25, 40, 160,
315, 1250, 2500, 8000, 10 000, 20 000, 25 000 и 40 000 кг.
По числу одновременно работающих электродов установки
могут быть одно- пли многоэлектродные. Установки тупиковые
и проходные периодического действия снабжены одним или двумя
электродами. В установках конвейерных, периодического и не-
прерывного действия предусматривается от двух до десяти элек-
тродов. При этом энергия, подаваемая на один электрод, может
быть от 1,25 до 20 кДж при частоте следования импульсов от 1,5
до 2,0 имп/с.
По приводу рабочих органов установки разделяют на уста-
новки с электроприводом, с электро- и пневмоприводом, с электро-
и гидроприводом.
По способу удаления отработанных смесей различают уста-
новки, в которых отработанные стержневые смеси удаляются
скребковым, ковшовым или винтовым конвейером, и установки,
в которых смеси удаляются гидротранспортом.
Краткий классификационный разбор установок показывает
их разнообразие по всем основным признакам.
Основные параметры, характеризующие установки в соответ-
ствии с типажом, приведены в табл. 6.
4. ВЫБОР ТИПА УСТАНОВКИ
Выбор типа установки, наиболее полно удовлетворяющий тре-
бованиям и условиям данного конкретного случая очистки отли-
вок, — весьма важный и ответственный этап разработки проекта
механизации термообрубного участка литейного производства
завода. Принятая в проекте установка должна удовлетворять
комплексу технических требований и обеспечивать высокие тех-
нико-экономические показатели. Большое значение имеет также
взаимосвязь установки с машинами, обеспечивающими механи-
зацию работ в технологическом потоке. Важно также обеспечить
бесперегрузочную транспортировку отливок (или с минимальным
числом перегрузок).
52
Оптимальным следует считать тот тип установки, который
удовлетворяет всем техническим требованиям производства,
обеспечивая высокую степень механизации и автоматизации про-
цесса очистки отливок при наиболее благоприятных условиях
груда и снижении стоимости очистки с наименьшим сроком оку-
паемости капиталовложений.
При выборе типа установки необходимо учитывать номенкла-
туру отливок; серийность производства; материалы отливок,
стержней и формовочных смесей; заданную производительность
установки; совмещение транспортных и технологических опера-
ций в заданных условиях; условия размещения установок.
Выбранные типы установок, наиболее полно удовлетворяющие
рассмотренным техническим требованиям, должны быть под-
вергнуты технико-экономическому анализу. Для оценки технико-
экономической эффективности и выявления наиболее экономич-
ного типа установки необходимо провести анализ следующих
основных экономических показателей: а) капитальных затрат
на приобретение и монтаж установки; б) эксплуатационных рас-
ходов и себестоимости обработки 1 т отливок; в) численности и
производительности труда рабочих, занятых на очистке отливок;
г) сроков окупаемости капитальных затрат.
Расчет годовой экономической эффективности внедрения уста-
новок для очистки отливок производится в соответствии с «Мето-
дикой определения годового экономического эффекта, получае-
мого в результате внедрения новой техники» (1961 г.) и «Методи-
кой определения экономической эффективности капитальных
вложений» (1969 г.).
5. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В развитии литейного производства осуществляется комплекс-
ная механизация и автоматизация всех процессов производства
отливок, обеспечивающая увеличение производительности труда.
Основной тенденцией в проектировании обрубных отделений
является стремление к освобождению их от всех операций очи-
стки, связанных с удалением большого количества отработанных
формовочных смесей. Поэтому на все проектируемые цехи реко-
мендуется распространить практику передовых цехов литейного
производства, в которых отливки подаются на обрубку и окон-
чательную обработку освобожденными от стержневых и формо-
вочных смесей [101].
Рекомендуется в большинстве случаев литья в песчаные формы,
по выплавляемым моделям применять установки электрогидрав-
лической очистки, которые, обеспечивая полную механизацию и
автоматизацию производственного процесса, создают безопасные
условия труда при повышении его производительности.
53
В настоящее время электрогидравлический способ очистки
отливок находится в начальной стадии промышленного освоения.
Опыт эксплуатации электрогидравлическнх установок показал
экономическую целесообразность широкого внедрения этого спо-
соба в литейное производство.
Основными направлениями развития установок для электро-
гидравлической очистки отливок являются следующие:
создание установок проходного типа периодического действия
для работы в литейных цехах мелкосерийного и серийного про-
изводства с практически неограниченной номенклатурой отливок;
создание конвейерных установок периодического и непрерыв-
ного действия для литейных цехов с крупносерийным и массовым
характером производства при ограниченной номенклатуре от-
ливок;
создание установок периодического и непрерывного действия
для литейных цехов, производящих отливки по выплавляемым
моделям;
повышение производительности установок путем выбора наибо-
лее рациональных конструктивных решений;
снижение металлоемкости установок;
повышение надежности установок;
автоматизация управления установками;
улучшение условий труда обслуживающего персонала;
унификация и агрегатирование установок с одновременным
увеличением количества их типоразмеров на базе унифицирован-
ных узлов.
Глава IV
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ УСТАНОВОК
И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ
1. ТУПИКОВЫЕ УСТАНОВКИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Хотя установки несколько и различаются между собой по
конструкции главных узлов и деталей, а также архитектурным
оформлением, однако много у них и общего: все они имеют про-
стую схему, включающую два основных исполнительных меха-
низма (технологический и энергетический) той или иной моди-
фикации, а также систему автоматики и комплекса вспомогатель-
ных устройств, обеспечивающих механизацию всех технологи-
ческих операций процесса.
Габаритные размеры тупиковых установок тесно связаны
с их основными параметрами, особенно размером рабочего про-
странства, обеспечивающего очистку крупногабаритных отливок
в условиях литейных цехов мелкосерийного и серийного произ-
водства.
Тупиковые и проходные установки периодического действия
относятся к машинам универсального назначения, предназначен-
ным для очистки широкой номенклатуры отливок в пределах их
паспортных характеристик. Одной из отличительных особенностей
этих установок является то, что они имеют тележку для подачи
контейнера с отливками в технологическую ванну на позицию
обработки и обратно. При разнообразии конструктивных решений
к настоящему времени четко выделились тупиковые установки
грузоподъемностью 2500, 8000 и 25 000 кг (табл. 7), изготовляе-
мые на заводе «Амурлитмаш» (г. Комсомольск-на-Амуре) и Опыт-
ным заводом электрогидравлики (г. Николаев).
Установка грузоподъемностью 2500 кг (мод. 36121А). В желе-
зобетонном приямке (рис. 6) установлена технологическая ванна /,
в которой по направляющим 6 с помощью лебедки 13 через тро-
соблочную систему 12 перемещается грузовая тележка 4 с решет-
чатым поддоном и сменным контейнером 5. В нижней части ванны
размещен коллектор 3 для гидроразмыва выпадающих стержне-
55
7. Технические характеристики тупиковых установок
Показатели | Мод. 3612IA Мод. 36I3IA Мод. 36141А
Размеры рабочего про- странства, мм 1800Х 1000X 700 3500Х 2000Х 5600Х 3000Х
Х1000 Х2000
Грузоподъемность (наи- большая масса отливки), кг 2500 8000 25 000
Наибольшая производи- тельность, т/ч 3 4,7 6,5
Число электродов, шт. . . Наибольший расход воды 1 1 1
на 1 т отливок, м3 .... 0,3 0,4 0,5
Наибольший расход элек- троэнергии на 1 т отливок, кВт • ч/т 6,0
6,0 5,0
Установленная мощность
электродвигателей (без ге- нератора), кВт 45,0 150 152
Число генераторов, шт. Напряжение на выходе 1 2 2
генератора, кВ 50 50 50
Мощность, потребляемая генератором, кВА .... 30 30 30
Напряжение, В:
цепей управления 220 220 220
питающей сети . . . 380 380 380
Объем воды в технологи- ческой ванне, м3 10 30 75
Управление механизмами Электрическое дистанционное
Число операторов . . . Габаритные размеры уста- 1 2 2
новки1, мм 6G00X 4350 X 16 000Х8800Х 19 000Х 9600Х
Х2400 Х4500 Х5000
Масса установки, кг . . . И 000 30 000 46 000
1 Высота выше нулевой отметки.
вых смесей, а также всасывающая труба системы шламоудале-
ния 2. Над технологической ванной на раме установлен кожух 8,
выполненный из стальных листов со звукоизолирующим покры-
тием. К нему в наклонной передней части крепится на петлях скла-
дывающееся перекрытие 11, предназначенное для закрывания
рабочего проема, через который вкатывается тележка в техноло-
гическую ванну на позицию обработки. Подъем перекрытия осу-
ществляется двуплечим рычагом 10. В задней стенке кожуха пре-
дусмотрены двухстворчатые двери 18 для удобства обслуживания
механизмов. На левой стенке вмонтировано смотровое окно 19
для оператора В направляющих кожуха находится mqct 9 с ме-
ханизмом перемещения электрода. Для операций перемещения
применен электропривод. В приямке установлены лебедка для
подъема и опускания тележки? насос подачи воды 15 в коллектор
Рис. 6. Тупиковая установка мод. 36121А грузоподъемностью 2500 кг:
а — внешний вид; б — продольное сечение и вид в плане
размыва и насос откачки пульпы 14 за пределы установки. Ди-
станционное управление всеми механизмами установки осуще-
ствляется с пульта управления 20. За сетчатым ограждением 16
размещен генератор импульсов тока 17.
Установки грузоподъемностью 8000 кг (мод. 36131А). 25 000 кг
(мод. 36141А). Внешний вид установки мод. 36131А приведен
на рис. 7, а. Технологическая ванна 7 установлена в железобе-
тонном приямке на амортизирующих подушках фундаментной
рамы 5 (рис. 7, б).
В нижней части ванна переходит в два четырехскатных зумпфа,
предназначенных для сбора выпадающей стержневой смеси, в ко-
торых установлены кольцевые коллекторы гидроразмыва 15 и
предусмотрена система шламоудаления 16. На стальных канатах
трособлочной системы подвешена подъемная площадка 14 для
контейнеров 9. Подъем и опускание ее происходит по направляю-
щим лебедкой с помощью электропривода 13. В технологической
ванне имеются упоры 6 для установки контейнера. Загрузка кон-
тейнеров на подъемную площадку осуществляется с помощью
П-образной самоходной тележки 8, установленной на рельсовом
пути 4. В приямке расположены насосы подачи воды в кольцевой
коллектор гидроразмыва и шламовые насосы. С целью удаления
из подвальной части фундамента случайных вод имеется насос
с автоматическим аварийным включением. Над технологической
ванной установлена эстакада, на которой установлен путь 10,
и смонтирован мост с механизмом перемещения электрода 12.
В стороне от ванны расположены два генератора 18. Здесь же
находится экранированная, закрытого исполнения операторская 1,
обеспечивающая защиту оператора от возможного прокникнове-
ния импульсных магнитных полей и звукоизоляцию. У смотро-
вого окна, предназначенного для визуального наблюдения за ра-
бочим залом, в операторской установлен пульт управления 3,
с помощью которого осуществляется дистанционное управление
всеми операциями процесса очистки в пооперационном и полу-
автоматическом режимах работы. Он снабжен системой слежения
за положением электрода 11, позволяющей оператору произво-
дить очистку по шаблону отливки. Установка может размещаться
как в цехе, так и вне его. В обоих случаях требуется сооружение
специальной закрытой камеры с воротами для тележки. Корпус
камеры 17 изготовляется из кирпича, бетона или типовых строи-
тельных элементов.
Конструктивная схема установки мод. 36141А аналогична
схеме установки мод. 36131А и в значительной мере унифициро-
вана с ней. У обеих установок полностью идентичны следующие
узлы: генераторы, системы управления, водоснабжения, гидро-
размыва и удаления пульпы. Установка мод. 36141А отличается
габаритными размерами технологической ванны, усиленной кон-
струкцией подъемной площадки, контейнера и тележки, сред-
ствами подъема, габаритными размерами и массой.
58
Рис. 7. Тупиковая
установка мод. 36131А
грузоподъемностью
8000 кг\
а — внешний вид; б —
продольное'^ ' и попереч-
ное сечение J
2. ПРОХОДНЫЕ УСТАНОВКИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Хотя установки этого типа и отнесены к разряду проходных,
по конструкции они почти не отличаются от обычных тупиковых,
так как в основу конструктивных схем заложены те же решения.
Проходные установки обладают возможностью производить за-
грузку контейнера с отливками с одной стороны, а выгрузку
с другой и могут встраиваться в технологические потоки литей-
ного производства. Повышение производительности по сравнению
с тупиковыми установками достигается путем увеличения коли-
чества контейнеров. Когда один из них находится вне установки
под загрузкой, а второй — под разгрузкой, в третьем происходит
обработка отливок.
Установки грузоподъемностью 10 000, 25 000, 30 000 кг.
В настоящее время для литейного мелкосерийного и серийного
многономенклатурного производства спроектированы, изготов-
лены и проходят испытания опытные образцы проходных уста-
новок грузоподъемностью 10 000, 25 000 и 30 000 кг (табл. 8).
8. Технические характеристики проходных установок
Показатели «Искра-30» Мод. 36215 «Искр а-18*
Размеры рабочего про-
странства, мм 3200Х 2000Х 5000Х 3200Х 7500Х 3400Х
Грузоподъемность (наи- X1250 Х2000 Х2500
большая масса отливки), кг Наибольшая производи- 10 000 25 000 30 000
тельность, т/ч 6,0 7,5 7,5
Число электродов, шт. Наибольший расход воды 2 2 2
на 1 т отливок, м® . . . . Наибольший расход элек- троэнергии на 1 т отливок, 0,5 0,5 0,5
Установленная мощность электродвигателей (без ге- 8,0 10,5 7,5
нератора), кВт 90 160 202
Число генераторов, шт. Напряжение на выходе 2 4 2
генератора, кВ Мощность, потребляемая 50 50 50
генератором, кВА .... Напряжение, В: 30 60 35
цепей управления 220 220 220
питающей сети . . . Объем воды в технологи- 380 380 380
ческой ванне, м3 . ... 50 120 120
Управление механизмами Электрическое, Электри- Электри-
гидравлическое ческое ческое
Число операторов . . . Габаритные размеры уста- 1 2 2
новки *, мм 18 000Х 6000Х 26 000Х 39 000Х
Х4000 Х10 000X 5000 Х10 000X 5000
Масса установки, кг . . 1 Высота выше нулевой oi 52 500 метки. 65 000 77 000
60
Установки заключены в камеру, выполненную в виде металли-
ческого кожуха прямоугольной формы со звукоизоляцией, или
из кирпича и железобетона, имеющего с двух противоположных
сторон ворота для подачи контейнеров. В технологической ванне
па тросовой подвеске установлена платформа, перемещение кото-
рой осуществляется гидроцилиндрами или лебедкой с электро-
приводом. Аналогично рассмотренным ранее конструкциям в ванне
размещены кольцевой коллектор гндроразмыва и всасывающий
патрубок системы шламоудаления. На нулевых отметках по обе
стороны от технологической ванны размещен рельсовый путь и
механизмы перемещения контейнеров. Над ванной расположены
два самостоятельных механизма перемещения электродов.
В междуэтажном перекрытии установлены четыре генератора.
Операторская с пультом управления выполнена в виде металли-
ческого звукоизолирующего закрытого кожуха или из кирпича.
Отличием установки «Искра-30» является то, что для управ-
ления перемещением механизмов применен гидропривод, а кон-
тейнер, выполняющий одновременно функции тележки, подается
по рельсовому пути механизмом загрузки непосредственно на
подъемную площадку, исключая операцию перегрузки, прису-
щую установкам мод. 36131А и 36141А.
Практически компоновка установки мод. 36215 и ее конструк-
тивная схема не отличаются от уже рассмотренных. Особенностью
установки является наличие самоходной тележки, выполненной
в виде замкнутой рамы, внутри которой устанавливается контей-
нер, в отличие от П-образной рамы установок мод. 36131А и
36141А.
3. КОНВЕЙЕРНЫЕ УСТАНОВКИ
В рассмотренных конструкциях тупиковых и проходных уста-
новок универсального назначения основные механизмы и система
автоматики выполнены с таким расчетом, чтобы установку можно
было переналадить на выбивку стержней и очистку от формовоч-
ных смесей широкой номенклатуры отливок любой формы в пре-
делах ее паспортных данных. Возможности описанных выше уста-
новок иногда ограничены. Это компенсируется в конвейерных
установках, обеспечивающих повышение производительности
труда и возможность встраивания их в технологические потоки
массового и крупносерийного литейного производства.
Конвейерная установка — это самостоятельная система, со-
стоящая их технологического узла, высоковольтного оборудова-
ния, транспортных устройств, приводов перемещения, механиз-
мов, системы управления. Она может работать совместно с пластин-
чатым подвесным или тележечным конвейером.
Конвейерные установки являются узкоспециализированными
н^предназначены для очистки одной или нескольких однотипных
отливок.
61
9. Технические характеристики конвейерных установок
Показатели Мод. 36313 «Искра-15>
Грузоподъемность (наибольшая масса отливки), кг 315 2500
Наибольшие габаритные размеры
ОТЛИВОК, мм Наибольшая производительность, т/ч 1000X800X400 3150X 2500 1250
8,0 15,0
Число электродов, шт 6 6—8
Наибольший расход воды на 1 т отливок, м3 0,35 0,5
Наибольший расход электроэнер- гии на 1 т отливок, кВт-ч/т 5—6 9,4
Время одного полуцикла работы, с. 70 300 (цикл)
Число съемов в 1 ч 50 12
Число генераторов, шт. ..... 3 1
Напряжение на выходе, кВ . . 50 50
Мощность, потребляемая установ- кой, кВт 60 160
Напряжение, В: питающей сети 380 380
цепей управления 220 220
Управление механизмами .... Электрическое, гидравлическое,
дистанционное
Число операторов 1 1
Габаритные размеры установки, мм 14 000Х 10 000Х 12 200 X 8500Х 7950
Масса установки, кг Х7500 35 000 65 000
Режим работы Наладочный, полуавтоматический.
автоматический
В настоящее время создано несколько конвейерных установок,
которые проходят испытания в промышленных условиях (табл 9).
Установка грузоподъемностью 315 кг (мод. 36313). Конвейер-
ная установка мод. 36313 (рис. 8) предназначена для очистки
сложных отливок габаритными размерами 1000x800x400 мм
типа головок блока цилиндров. Опа работает совместно с пластин-
чатым конвейером, но может работать и с подвесным. Установка
выполнена в два этажа. Ниже нулевой отметки (—2,5 м) на гидро-
опорах фундаментной рамы 1 монтируется технологическая
ванна 15, в которой установлен скребковый конвейер 10 для
удаления отработанной стержневой смеси, приводимый в движе-
ние электроприводом.
Компоновка установки характерна тем, что станина 2, на ко-
торой размещены основные механизмы, выполнена в виде равно-
бокой трапеции. На наклонных стойках подвешены каретки 7
с контейнерами 8. Их перемещение вверх и вниз осуществляется
на катках каретки по направляющим при помощи гидроцилин-
дров 3 и трособлочной системы, установленных с обеих сторон
станины. Такое конструктивное решение станины обеспечивает
62
Рис. 8. Конвейер-
ная установка мод.
36313 грузоподъем-
ностью 315 кг:
а — внешний вид;
б — поперечное и
продольное сечение
63
При подЪеме контейнеров попадание йх в ОДЙу и ту Же исходную
позицию загрузки-выгрузки, а в нижнем положении — размеще-
ние па две удаленные друг от друга позиции обработки, что поз-
воляет совместить операции обработки и загрузки-выгрузки
отливок.
Механизм 14 горизонтального и вертикального перемещения
блока электродов установлен в направляющих. Для горизонталь-
ного и вертикального перемещения блока электродов применен
гидропривод.
На эстакаде 9 смонтированы загрузочное устройство 13 и
стол выгрузки отливок 11, обеспечивающие совмещение опера-
ций загрузки и выгрузки. Перемещение загрузочного устройства
осуществляется гпдроцилиндром. На площадке эстакады в по-
мещении операторской 5 установлен пульт 6 дистанционного
управления всеми операциями технологического процесса очистки
отливок, что обеспечивает хороший обзор и наблюдение за работой
конвейера, поступлением и выходом отливок. Под эстакадой
размещаются гидростанция 16 установки, система водоснабжения
и аварийного осушения приямка, а также высоковольтное обо-
рудование 4, смонтированное в отдельном закрывающемся поме-
щении.
Станина закрыта звукоизолирующим кожухом 12. Технологи-
ческая ванна также звукоизолирована. При общей компоновке
установки учтены следующие основные требования: минимальная
площадь, возможность использования унифицированных узлов,
введение элементов механизации и автоматизации основных и
вспомогательных операций; свободный доступ ко всем элементам
установки; обеспечение безопасной работы. С помощью переклю-
чателей установку можно настраивать на одну из следующих
программ: полную автоматизацию от цикла к циклу; автоматиза-
цию одного цикла с последующей остановкой; ручное управление
всеми операциями.
Установка грузоподъемностью 2500 кг («Искра-15»). Установка
(рис. 9) является специальной, предназначена для очистки от-
ливок, применяемых в вагоностроении, типа шкворневая балка
и боковина; встраивается в поточные линии с подвесным толкаю-
щим конвейером.
Установка выполнена в два этажа. На амортизаторах фунда-
ментной рамы 9 первого этажа установлена технологическая
ванна 11, имеющая в своем основании зумпф с кольцевым коллек-
тором для гидроразмыва и две всасывающие трубы для удаления
пульпы. Интерес представляет примененное в данной конструкции
установки оригинальное загрузочно-разгрузочное устройство,
выполненное в виде поворотной секции 8, установленной па под-
шипниках скольжения на вертикальную станину фундаментной
рамы. Поворотная секция имеет два фиксированных положения:
вертикальное — в момент загрузки или выгрузки отливки — и
горизонтальное — в технологической ванне на позиции обработки.
64
Для снятия отливки с подвески конвейера и навешивания на нее
на поворотной секции установлен гидроцилиндр с коромыслом
подъема отливки 6. Поворот секции осуществляется двумя гидро-
цилиндрами, расположенными по бокам станины. Для разгрузки
гидроцилиндров и уравновешивания секции на ее нерабочих кон-
цах подвешены грузы.
Рис. 9. Конвейерная установка «Искра-15» грузоподъемностью 2500 кг:
а — внешний вид; б — продольное сечение
5 Г А. Гулый 65
За технологической ванной размещено высоковольтное элек-
трооборудование 14 (ВТМ, дроссель, конденсаторы, разрядные
сопротивления, блокировки). 'В приямке размещена насосная
станция 10, предназначенная для водоснабжения технологической
ванны и шламоудаления.
Технологическая ванна и высоковольтное оборудование’разме-
щаются в корпусе камеры, изготовленной из кирпича или железо-
бетона. Перекрытие камеры выполнено плитами с проемом в га-
баритных размерах ванны. В камере есть запираемый проем для
выполнения ремонтных работ. Зеркало технологической ванны
закрывается звукоизолирующим кожухом 3, в котором со сто-
роны загрузки и выгрузки предусмотрены ворота 5, приводимые
в движение гидроприводом 4. Применяется еще складывающееся
металлическое перекрытие, операции закрывания и открывания
которого выполняются через трособлочную систему. С обеих сто-
рон технологической ванны установлены механизмы перемещения
блока электродов 13. Основное горизонтальное перемещение осу-
ществляется от одного гидроцилиндра. При достижении рабочего
положения происходит еще вертикальное перемещение электро-
дов 12, осуществляемое через коромысло и копир-ролик.
На втором этаже в отдельной металлической камере размещена
гидростанция 7. Здесь же находится операторская закрытого
исполнения 1 со смотровым окном, обеспечивающим хороший
обзор за поступлением отливок, их съемом и навешиванием.
Управление установкой осуществляется с пульта дистанционного
управления 2 в наладочном, полуавтоматическом и автоматическом
режимах.
4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Наряду с универсальными электрогидравлическими установ-
ками широкое применение начинают получать специализированные
установки, предназначенные для очистки отливок (блоков отли-
вок), получаемых по выплавляемым моделям. Эти установки
отличаются в ряде случаев оригинальной конструкцией узлов и
механизмов, что позволяет обеспечить хорошее качество обра-
ботки отливок. Ниже рассмотрена прошедшая промышленную
проверку установка мод. 67511 (рис. 10, табл. 10).
В технологической ванне 3 установлены загрузочное устрой-
ство с заслонкой 4, рабочая камера 2, механизм вертикального
перемещения 6 электродов 1 и скребковый конвейер 8 для вы-
грузки блоков отливок. В рабочей камере для проворачивания
отливок предусмотрен кантователь 9, а для выхода отливок —
шибер 10. Над ванной расположен звукоизолированный металли-
ческий кожух 7, в передней части которого имеется загрузочный
люк и дверь, а в заднюю стенку вмонтирована пневмопанель,
закрывающаяся двухстворчатой дверью. С левой стороны кожуха
66
предусмотрен люк для выгрузки блоков отливок. Перед установ-
кой размещен пульт 5 дистанционного управления всеми опера-
циями процесса очистки. С правой стороны установки за сетчатым
ограждением расположен генератор.
Рис. 10. Проходная установка для очистки точного литья
мод. 67511:
а — внешний вид; б — поперечное сечение
67
10. Техническая характеристика установки мод. 67511
Показатели
Грузоподъемность (наибольшая масса отливок),
кг............................................
Наибольшие габаритные размеры отливок, мм
Наибольшая производительность, блоков/ч . .
Число электродов, шт. . ................
Наибольший расход воды на 1 т отливок, м3 . .
Наибольший расход электроэнергии на 1 т отли-
вок, кВт-ч/т ..........
Число генераторов, шт. . .
Напряжение на выходе генератора, кВ . . .
Мощность, потребляемая установкой, кВА . . .
Напряжение, В
питающей сети
цепей управления
Управление механизмами
Число операторов....................
Габаритные размеры установки, мм
Масса установки, кг.........
Режим работы . . .
Мод. 67511
25
250Х 250Х 500
60
2
0,1
19,0
1
50
35’
380
220
Электрическое,
пневматическое
2
8030Х 3960Х 1700
9700
Полуавтоматический,
наладочный, авто-
матический
5. КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМОВ И УЗЛОВ УСТАНОВОК
Электрогидравлические установки очистки отливок, как пра-
вило, состоят из следующих элементов: технологической ванны,
механизмов транспортировки контейнеров с отливками (или самих
отливок); механизма их подачи на позицию очистки; механизма
перемещения электродов; системы водоснабжения; системы при-
водов перемещений органов механизмов; системы управления
всеми операциями движения; оборудования для удаления отра-
ботанных формовочных смесей; высоковольтного оборудования
и блокировок, вспомогательных устройств и механизмов.
Выбор рационального типа привода для конкретной установки
определяется следующими основными факторами: ее производи-
тельностью, силовым и скоростным режимами рабочего органа,
экономичностью и надежностью.
Если пневмо- и гидропривод в основном используют в уста-
новках для осуществления прямолинейного возвратно-поступа-
тельного движения, то электропривод — для вращательного дви-
жения рабочих органов.
Электропривод используют для выполнения основных техно-
логических, транспортных и вспомогательных операций. Напри-
мер, электрод, выполняющий основную технологическую опера-
цию по удалению стержней и формовочных смесей из отливок,
в тупиковых и проходных установках имеет электропривод.
68
Подъем контейнеров с отливками, перемещение самоходной те-
лежки в этих установках также осуществляется с помощью элек-
тропривода. Отработанные смеси обычно транспортируются за
пределы установки гидротранспортом, скребковым или ковшовым
конвейером с электроприводом. При относительно небольших
возвратно-поступательных перемещениях рабочих органов, что
характерно для значительной группы установок, электропривод
теряет свои преимущества, так как в этом случае требуются слож-
ные, дорогие и малонадежные промежуточные механизмы.
Пневмопривод применяют для приведения в действие рабочих
органов установок, совершающих возвратно-поступательное дви-
жение с небольшим ходом и работающих при сравнительно не-
больших усилиях. Так, в установке мод. 67511 на операциях
вертикального перемещения электродов, открывания заслонки и
шибера 10, проворачивания кантователя 9 применен пневмо-
привод (см. рис. 10, б). Это объясняется простотой его конструк-
ции и эксплуатации по сравнению с приводами других типов.
По мере совершенствования установок, а также создания новых
конструкций конвейерных установок стали использовать гидро-
привод, который не только заменяет пневмопривод, но и расши-
ряет возможности механизации и автоматизации процесса. Это
объясняется рядом существенных его особенностей: возможностью
создания больших усилий, бесступенчатым регулированием ско-
рости, плавным ходом механизмов, а также возможностью управ-
ления режимами работы привода во время их движения, простотой
автоматизации при использовании стандартных узлов и механиз-
мов, бесшумностью работы.
Конструктивные элементы установок, находящиеся в зоне
электрических разрядов и воздействия ударных волн, работают
в весьма тяжелых условиях, так как нагрузки, действующие на
них, носят импульсный гидродинамический характер.
Проведение точного расчета на прочность и жесткость элемен-
тов конструкции в ряде случаев оказывается затруднительным.
Поэтому размеры и форма деталей обычно выбираются с учетом
опыта эксплуатации установок в промышленных условиях.
Несмотря на то, что большинство установок имеет много общих
конструктивно-кинематических решений, в отдельных случаях
имеются значительные отличия, свойственные только данной
модели. В дальнейшем будут излагаться наиболее характерные
типовые конструкции отдельных узлов и механизмов.
Технологические ванны. Они являются важной технологиче-
ской частью установок; служат емкостью для удержания рабочей
жидкости, разрядной камерой, опорным устройством для отли-
вок, а также бункером для сбора отработанных смесей.
Ванны (рис. 11) представляют собой сварную коробчатую кон-
струкцию прямоугольной формы, выполненную из листовой стали.
Марка стали выбирается из условий работы при импульсных
нагрузках. Для обеспечения жесткости ванны снабжают ребрами
69
Рис. 11. Технологические ванны установок:
а — мод. 36121А (продольный разрез); б — мод. 36I41A
жесткости Наиболее часто их располагают на внешних поверх-
ностях. В нижней своей части ванна переходит в бункер. Угол
наклона стенок бункера обычно составляет 45—60° к горизон-
тальной плоскости. Нижняя часть бункера заканчивается глухим
фланцем прямоугольной формы. Над последним установлен коль-
цевой коллектор с насадками для гидроразмыва выпадающих
в бункер отработанных смесей и всасывающая труба системы шла-
моудаления.
В случае применения механических средств удаления отрабо-
танных смесей, например, скребковых или ковшовых конвейеров,
в одной из стенок ванны предусматривается скос. Некоторые ванны
имеют снаружи, в нижнем торце вертикальной части, опорный
пояс. Внутри ванн расположены упоры коробчатой формы, на ко-
70
торые при обработке отливок устанавливаются контейнеры или
подъемные площадки.
Транспортные средства. Главное назначение транспортных
средств — перемещение отливок в горизонтальном, вертикальном
плп наклонном направлениях. Транспортные средства установок
характеризуются цикличностью или непрерывностью действия.
Многочисленную и конструктивно разнообразную группу транс-
портных средств установок составляют самоходные тележки,
подъемные площадки, загрузочные устройства и грузоподъемные
рамы. К вспомогательным устройствам относятся контейнеры,
захваты отливок, которые не выполняют самостоятельных транс-
портных функций, но используются для приема и укладывания
отливок в соответствии с технологической картой.
Самоходные тележки. Для транспортировки контейнеров с от-
ливками на позицию загрузки предназначены самоходные ка-
бельные тележки (рис. 12). Они представляют собой П-образную
раму /, опирающуюся на две колесные пары 2. Рама выполнена
в виде сварной конструкции из стальных профилей и служит для
крепления к ней всех частей тележки. Снизу к раме прикреплены
в буксах колеса, из которых два задних с помощью приводного
вала связаны с приводом тележки. Привод передвижения тележки,
состоящий из электродвигателя 5 и редуктора 4, установлен
сверху рамы над задней колесной парой под кожухом и связан
с приводным валом через зубчатую передачу 3. Подвод электро-
питания к электродвигателю осуществляется с помощью гибкого
кабеля типа НРШМ, один конец которого подключен к месту
питания, а другой — к переходной контактной колодке соедини-
тельного ящика привода. Сзади за приводной колесной парой
под рамой установлен конечный выключатель, который обесточи-
вает привод тележки в крайних ее положениях.
Такие тележки изготовляют грузоподъемностью 10 000 и
30 000 кг для установок мод. 36131А и 36141А соответственно.
Скорость передвижения тележки 20 м/мин. Предельная дальность
транспортирования ограничена длиной рельсового пути 12 м.
Грузоподъемность тележки определяют по максимальной массе
отливок вместе со стержнями и каркасами. Ширину колеи обычно
выбирают исходя из ширины технологической ванны. Рельсы,
как правило, применяют крановые типа КР50—КР70.
Рис. 12. Самоходная тележка
71
2
3
4
Рис. 13. Загрузочное устройство:
/ — станина; 2 — П образная рама; 3 — толкатели; 4 — регулировка толкателей,
5 — гидроцилиндр; 6 — реечный механизм удвоения хода; 7 — конечный выклю-
чатель
Загрузочное устройство (рис. 13). Нашли применение в кон-
вейерных установках. Основанием его является станина /, на ко-
торой установлены все узлы и механизмы. Она представляет собой
стальной каркас сварной конструкции В верхней части станины
расположен узел толкателя, который связан с кареткой, переме-
щающейся в корытообразных направляющих. Каретка и толка-
тель приводятся в движение гидроцилиндром 5 через реечный
механизм удвоения хода 6. Крайние положения толкателя огра-
ничены конечными выключателями 7, обесточивающими цепь
управления гидроцилнндром.
Механизмы перемещения электродов. Эти механизмы имеют
большое разнообразие решений.
Механизм перемещения электрода (рис. 14, а). В тупиковых
и проходных установках периодического действия выполнен по
типу мостового крана и представляет собой подвижный мост 1,
по которому перемещается самоходная каретка 8, несущая меха-
низм подъема электрода. Подвижный мост перемещается вдоль
технологической ванны по рельсовым путям 2 на двутавровых
балках, установленных на колонны.
Подвижный мост / ферменной конструкции служит для креп-
ления на нем всех частей механизма перемещения. На мосту уста-
новлена фундаментная рама 4 привода ходового механизма моста 3.
На внешних сторонах моста имеются две пары ходовых колес 7.
Трансмиссионные валы 5 соединены с валом редуктора, а на их
свободных концах установлены шестерни зубчатой передачи 6,
приводящей в движение ходовые колеса подвижного моста. На са-
моходной каретке 8 установлены два ведущих и два холостых катка
перекатывающиеся по нижним полкам швеллерных балок моста
как по направляющим. Сверху на каретку установлен электро-
привод. По бокам последней установлен датчик пути и конечные
72
i)
конвейерных установ-
ках
выключатели, размыкающие цепь питания электродвигателя
в крайних положениях каретки. Снизу к ней прикреплен хобот 9.
На корпусе хобота в подшипниках установлен ходовой винт,
связанный с электроприводом, размещенным вверху на каркасе.
Этим винтом приводится в движение электрододержатель. Для
отключения привода ходового винта в крайних положениях
электрододержателя предусмотрены конечные выключатели.
Механизм перемещения группы электродов (рис. 14, б). В кон-
вейерных установках этот механизм состоит из наружной, не-
подвижной рамы, закрепленной на станине установки, и двух
подвижных кареток, одна из которых — 1 (наружная) переме-
щается горизонтально в направляющих неподвижной рамы, а
другая — 6 (внутренняя) движется вверх и вниз относительно
наружной. Наружная каретка 1 сварной конструкции состоит
из двух вертикальных стоек, соединенных тремя поперечинами.
73
В нижней части каретки установлены два колеса 2, а вверху укреп-
лены направляющие ролики 4. Внутри рамы наружной каретки
имеются две вертикальные направляющие 5, по которым пере-
мещается внутренняя каретка 6 сварной прямоугольной конструк-
ции.
Сверху на ней установлен хобот 7 для электродов. По бокам
вертикальных стоек каретки крепятся по два направляющих ро-
лика 8 и боковых катка 9. Направляющие ролики удерживают
каретку от перекосов в плоскости продольной оси установки;
катки, установленные на наружной н внутренней каретках, удер-
живают каретку от перекосов в плоскости, параллельной попе-
речной оси установки.
Механизм подъема внутренней каретки представляет собой
гидроцилиндр 10, у которого рабочей является поршневая по-
лость. Опускание каретки происходит под действием ссбственного
веса и веса электродов, при этом вытеснение жидкости через зо-
лотник происходит в результате перемещения поршня внутри
гидроцилпндра. Механизм горизонтального перемещения наруж-
ной каретки состоит из гидроцилиндра и реечного механизма
удвоения хода.
Как было показано, механизмы и узлы в зависимости от на-
значения установок (для мелкосерийного, серийного или массо-
вого литейного производства) в большинстве случаев принци-
пиально отличаются друг от друга. Однако есть решения, позво-
ляющие достичь значительного уровня унификации при создании
установок, относящихся по назначению к одной группе.
Г л а в a V
МОНТАЖ, НАЛАДКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
УСТАНОВОК
1. РАЗМЕЩЕНИЕ УСТАНОВОК В ЦЕХЕ
При размещении установки в цехе необходимо обеспечить
наименьший путь транспортировки обрабатываемых отливок и
минимальные затраты производственной площади. В массовом и
крупносерийном производстве целесообразно применять конвейер-
ные установки, располагая их в порядке технологической после-
довательности обработки отливок на потоке. На таких поточных
линиях обрабатывают однотипные отливки. При серийном и мелко-
серийном производстве на одной технологической линии обраба-
тывают значительно большую номенклатуру отливок, отличаю-
щихся по габаритным размерам, массе и конфигурации, что вы-
зывает необходимость устанавливать тупиковую или проходную
установку периодического действия.
Рис. 15. Примеры размещения установок в цехе:
/ — тупиковая установка мод. 36131А или 3614IA; 2 — проходная установка типа
<Искра-18». мод. 36215: 3 — тупиковая установка мод. 36121 А; 4 — конвейерная уста-
новка типа <Искра-15»; 5 — конвейерная установка мод. 36313; 6 — проходная установка
мод. 67511
75
Располагать установку необходимо так, чтобы избежать воз-
вратного движения отливок, т. е. движения против основного
направления потока. Необходимо также предусмотреть централь-
ный проезд и стыковку с транспортными средствами цеха. Расстоя-
ние от установки до колонн должно обеспечить безопасность
ее обслуживания. Это расстояние предусматривается правилами
техники безопасности и промышленной санитарии при проекти-
ровании литейных цехов.
Для размещения установки относительно колонн на послед-
них наносят вертикальную черту (примерно в середине колонны)
и указывают номер оси. Габаритные размеры установок даны
в технических характеристиках (см. гл. IV). После размещения
установки на основании технического задания следует разрабо-
тать проекты технической части, водо-, электро- и воздухоснаб-
жения, вентиляции. Примеры возможного размещения установок
в цехе показаны на рис. 15.
2. ФУНДАМЕНТЫ УСТАНОВОК
Для нормальной работы установки большое значение имеет
правильно изготовленный фундамент. Назначение последнего —
воспринимать вес установки и равномерно передавать его на грунт,
а также воспринимать и гасить колебания, возникающие в техно-
логической ванне при высоковольтных импульсных разрядах.
Установки монтируют на индивидуальные фундаменты, кото-
рые могут быть выполнены в виде толстой железобетонной плиты
или в виде железобетонного приямка с металлическим каркасом.
Толщину фундамента устанавливают в зависимости от качества
грунта, массы и условий работы установки.
Размеры железобетонного фундамента, выполненного в виде
приямка для установок мод. 36121 А, 36131 А, 36141 А, 67511,
«Искра-18», «Искра-19», определяются габаритными размерами
технологической ванны. Для перечисленных установок приямок
одновременно выполняет функции звукоизоляции внешней среды
от шума, возникающего при работе установки. Кроме технологи-
ческой ванны в приямке могут размещаться вспомогательные
механизмы: насосы и трубопроводы системы шламоудаления, ава-
рийный насос осушения приямка, лебедка механизма подъема
контейнера и т. п.
До производства работ по бетонированию днища прямка не-
обходимо выполнить контур заземления и произвести проверку
величины его сопротивления, которая не должна превышать
0,5 Ом. Результаты проверки величины сопротивления контура
заземления оформляют актом на выполнение скрытых работ.
Основание приямка выполняется обычно из бетона и в верхней
части, как правило, армируется. Допускается использование
типовых индустриальных сборных железобетонных и бетонных
элементов. Глубина залегания основания фундамента зависит от
76
1900
Юте
Юте.
^Отс
Юте.
□
Юте р
Д Юте
8100
----8п>с-
Рис. 16. Примеры выполнения
фундаментов установок:
а — мод. 36121 А; б — мод. 36141 А;
в — мод. 36313; е — «Искра-15»
размера и массы установки, а также от характера грунта. Обычно
она колеблется от 0,7 до 1,2 м. Так толщина основания фунда-
мента установки 36141А составляет 1,1м в том числе слой асфаль-
тобетона — 0,05 м, четыре слоя оклеечной изоляции, гидроизоля-
ционная цементно-песчаная стяжка — 0,025 м, железобетонная
плита толщиной 0,25 м, слой бетона марки 100 толщиной 0,58 м
и цементная стяжка — 0,02 м.
Примеры выполнения фундаментов приведены на рис. 16.
77
3. МОНТАЖ УСТАНОВОК
Установки поставляются, как правило, в разобранном виде,
комплектно по узлам. Независимо от степени разборки и типа
установки все неокрашенные поверхности деталей покрываются
антикоррозийным составом, который должен быть полностью
удален перед началом монтажа со всех деталей. Установки в со-
стоянии поставки должны храниться под навесом, а электро-
оборудование — в закрытом утепленном помещении.
Монтаж установок производят обычно в такой последователь-
ности: 1) предварительная сборка и монтаж крупногабаритных
узлов; 2) монтаж механического оборудования; 3) установка
электрошкафов, пультов, генераторов; 4) прокладка трубопро-
водов для электропроводки, гидросистемы (пневмосистемы), во-
доснабжения, шламоудаления и пр.; 5) закладка в трубопроводы
электропроводки проводов, соединение их с электроаппаратурой
оборудования и электрошкафами и пультом; 6) установка зву-
коизолирующих кожухов и других вспомогательных меха-
низмов.
Технологические ванны, фундаментные рамы, каркасы и дру-
гие узлы, имеющие большие габаритные размеры, поставляются
в разобранном виде. Сборку элементов конструкции ванн под
сварку производят при помощи специальных приспособлений —
распорок, струбцин, фиксаторов и прихваток. При этом не до-
пускается нарушение геометрической формы ванны. После окон-
чательной сварки и зачистки швов последние проверяют на гер-
метичность. Перед установкой ванны на фундамент монтируют
металлическую фундаментную раму или виброгасящую опору.
На фундаментную раму устанавливают виброизолирующие опоры.
Ванну устанавливают на последние, после чего на фундаменте
последовательно наращивают узлы и детали в комбинации с укруп-
ненной сборкой. При этом можно выполнять работы по монтажу:
рельсового пути (установки мод. 36131А, 36141А, «Искра-18»
и др.); эстакады моста; механизмов перемещения электродов;
механизмов подъема и опускания контейнеров, механизмов за-
грузки и выгрузки контейнеров (отливок) и т. д.
После завершения сборки установки и ее агрегатов на фунда-
менте приступают к прокладке трубопроводов для кабелей элек-
тропитания, для гидравлической (пневматической) системы, си-
стем водоснабжения, шламоудаления и т. д. С целью очистки от
окалины и грязи все трубопроводы пневмо- и гидросистем перед
монтажом и после сварки обязательно продувают сжатым возду-
хом. Коммуникационные трубопроводы гидросистемы между
установкой и насосной станцией монтируют из бесшовных сталь-
ных труб (диаметр и толщина стенок указаны в гидравлических
схемах установок). Категорически запрещается менять внутрен-
ние диаметры всех трубопроводов постоянного и переменного
давления. Диаметры труб слива можно только увеличивать [511.
78
Трубопровод на прямых участках должен быть по возможности
с минимальным числом сварных швов. Во избежание вибрации
при работе трубы необходимо надежно закреплять.
После монтажа генератора импульсов тока, шкафов и пульта
управления проверяют состояние электрооборудования и при не-
обходимости производят чистку контактов электроаппаратуры.
Замеряют сопротивление заземления, подведенного к установке
от собственного контура заземления.
Системы водоснабжения и шламоудаления установки подклю-
чают к цеховому водопроводу и системе цехового шламосборника
или шламоудаления. Проверяют систему приточной и вытяжной
вентиляции. Смонтированная установка до испытаний и сдачи ее
в эксплуатацию подлежит наладке, являющейся заключительным
этапом монтажных работ.
Наладка — это процесс, в ходе которого регулируют в соот-
ветствии с техническими условиями все узлы и механизмы уста-
новки, обеспечивая их нормальную работу и взаимодействие.
Начинают ее с тщательного осмотра установки. При этом прове-
ряют правильность сборки и монтажа. Особое внимание обращают
на качество сварных швов, затяжки резьбовых соединений и уста-
новки фиксирующих элементов (штифтов, шпонок и т. п.). Прове-
ряют также комплектность сборки. Все обнаруженные недостатки
должны быть устранены до пуска установки. Зазоры в трущихся
парах и подшипниках скольжения и сборки узлов подшипников
качения должны быть проверены в ходе сборки установки
Особое внимание уделяют проверке управления установкой.
При этом вначале отключают все электродвигатели и, подав на-
пряжение в системы управления, проверяют последовательно:
а) включение пускателей всех электродвигателей от пусковых
кнопок; б) включение электромагнитов от пусковой аппаратуры
(пускателей, реле); в) правильность работы аппаратуры во всех
режимах. Не устранив неисправности, не следует переходить
к следующей проверке.
Затем проверяют работу системы смазки. Необходимо убе-
диться в том, что она поступает во все смазываемые места. Для
этого прокачивают масленки до появления смазки из зазоров сма-
зываемых мест.
После смазки установки регулируют воздухопровод или гидро-
систему (в зависимости от того, что применено в качестве привода).
Подав в систему воздухопровода установки сжатый воздух из
сети, открывают краны всех воздушных магистралей, настраивая
при этом регуляторы давления на максимально возможное давле-
ние, и проверяют, нет ли утечек воздуха в системе. Все утечки
должны быть сразу же устранены. Показателем достаточной гер-
метичности системы служит равенство давлений (по манометрам)
во всех магистралях установки и в сети. Перепад давлений сви-
детельствует о наличии утечек. Может случиться, что в какой-
либо из воздушных магистралей утечки отсутствуют, но давление
79
ниже, чем в сети. Это значит, что не исправен регулятор давления
данной магистрали. В таких случаях следует перекрыть кран
магистрали, спустить из нее воздух и отремонтировать регулятор
давления.
Проверив герметичность системы и устранив утечки, устанав-
ливают величину давления во всех магистралях в соответствии
с указаниями, содержащимися в инструкции к установке, и на-
страивают предохранительные клапаны. Затем проверяют работу
воздухораспределителей. Наиболее частым дефектом при их
включении является утечка сжатого воздуха. Происходит это
из-за плохого закрытия клапана. При регулировке следят, чтобы
не было вибраций якоря электромагнита. Если утечка не прекра-
тилась и началась вибрация якоря, то причина утечки заклю-
чается в плохом прилегании клапана к седлу. В этом случае сле-
дует разобрать воздухораспределитель и отрегулировать клапан.
Одновременно проверяют герметичность уплотнений всех цилинд-
ров, в которые подается воздух.
При наличии в установках гидропривода сначала производят
заливку в гидробак и гидростанцию чистого, предварительно
отфильтрованного масла (Индустриальное 20), после чего его
подают в трубопровод и удаляют воздух из гидросистемы. При
этом предохранительный клапан насоса должен быть полностью
отпущен, чтобы во избежание растворения в масле воздуха трубо-
провод заполнялся маслом при наименьшем давлении. Краны для
выпуска воздуха или накидные гайки па концах магистральных
труб ослабляются для того, чтобы воздух, находящийся в маги-
стральных трубах, имел возможность выхода наружу вместе с мас-
лом. Затем следует включить электродвигатель гидронасоса и не
отключать его до тех пор, пока не пойдет чистое масло, после чего
надо закрыть крапы и затянуть гайки. Необходимо также выпу-
стить воздух из отводящих труб п гидроцилиндров через специаль-
ные пробки. При этом поршни гидроцилиндров следует несколько
раз переместить из одного крайнего положения в другое. После
того как трубопровод гидросистемы целиком заполнится маслом,
необходимо долить масло в гидробак до верхнего уровня масло-
указателя и закрыть пробкой заливочную горловину.
Пуск и отладка гидросистемы установки на наладочном цикле
включает следующие работы: а) настройку давления в гидроси-
стеме предохранительным клапаном насоса; б) настройку длин
ходов и регулировку дросселями скоростей перемещения устройств
и вспомогательных механизмов в соответствии с циклограммой
работы установки. После окончания регулировки величин давле-
ния, скоростей перемещения узлов и т. п. все места регулировок
должны быть законтрены.
По окончании отладки гидросистемы установки дополнительно
проверяется и отрабатывается четкость и безотказность работы
электрической системы управления путем последовательного вклю-
чения золотников, надежность работы конечных выключателей,
80
окончательно регулируется и уточняется время каждой операции
и время цикла работы установки.
Наладка высоковольтного электрооборудования должна обес-
печить экономичную, надежную и безаварийную работу установки.
С этой целью производят: проверку соответствия проекту уста-
новленного на генераторе импульсов тока оборудования и пра-
вильность выполненного монтажа; проверку каждого элемента
схемы; настройку всех элементов схемы на заданный режим, опре-
деляемый техническими условиями и паспортом; проверку комму-
тации схем, взаимодействий и взаимосвязей всех элементов схемы
под напряжением; регулировку и настройку элементов схемы
для достижения четкой и безотказной работы.
При производстве наладочных работ необходимо провести
испытания электрической прочности трансформаторного масла.
При осмотре формирующего разрядника проверяется соответ-
ствие зазора между электродами тарировочной кривой по пас-
порту на данный разрядник.
Особое внимание следует обратить на надежность срабатыва-
ния блокировок, световой и звуковой сигнализации. Проверку
проводят путем нескольких их включений и отключений.
Не исключено, что некоторые недостатки не будут замечены
при наладочных работах. Они могут проявиться лишь после опре-
деленного времени эксплуатации, поэтому устанавливается пе-
риод опробования установки на холостом ходу и под нагрузкой,
т. е. проводятся испытания установки.
4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
МОНТАЖНЫХ РАБОТ
Работы по монтажу установок, как правило, ведут в условиях
действующих литейных цехов. Каждый монтажник должен хо-
рошо ориентироваться в этой сложной производственной обста-
новке и строго соблюдать правила личной безопасности.
Безопасность труда на монтажных работах обеспечивается
рядом мероприятий, основным из которых является строгое со-
блюдение «Правил техники безопасности для строительно-мон-
тажных работ», имеющих силу закона, а также ведомственных
инструкций по технике безопасности. Эти правила устанавливают
порядок безопасной организации монтажных работ, а также по-
рядок обязательного обучения рабочих и инженерно-технических
работников правилам безопасного ведения работ.
Установки электрогидравлической очистки отливок имеют
большую массу металлических конструкций и механического обо-
рудования; общая масса установки иногда достигает 100 т, а от-
дельных узлов, подлежащих монтажу, — нескольких тонн. Боль-
шой объем сложных монтажных работ и трудоемкость их выполне-
ния требуют от персонала надлежащих технических знаний, без
которых невозможно производить качественный монтаж уста-
новки.
6 Г. А. ГулыГ,
81
Перед началом монтажа на рабочем месте необходимо провести
инструктаж, цель которого ознакомить рабочего с конкретными
условиями его труда, возможными опасностями, принятыми
сигналами и приемами безопасного выполнения работы.
Грузоподъемные операции должны выполняться в строгом
соответствии с действующими нормативными документами данного
предприятия.
По возможности наладочные работы должна всегда выполнять
одна наладочная бригада, обеспеченная слесарным инструментом,
комплектом измерительных приборов и аппаратуры, принци-
пиальными и монтажными схемами, бланками протоколов на-
ладки.
Помимо измерительных приборов, электрпки-наладчики
должны иметь набор электроинструмента и инвентаря. Электрпки-
наладчики должны иметь допуски к работе на электроустановках
напряжением свыше 1000 В.
Лица, участвующие в испытании, должны знать принятую си-
стему сигналов и уметь ею пользоваться. Включать механизмы
должен только один специально выделенный человек. Включение
производят только по команде руководителя наладки, а выклю-
чение — по команде любого человека, который заметит непо-
ладки в работе установки. Вторичное включение может быть про-
изведено только тогда, когда причина, вызвавшая остановку,
устранена и все люди из опасной зоны удалены.
5. ИСПЫТАНИЕ УСТАНОВОК
После монтажа и наладки установку испытывают на холостом
ходу и под нагрузкой в процессе работы. На холостом ходу уста-
новку испытывают (обкатывают) в течение одной смены. Про-
верку всех механизмов (механизма перемещения контейнеров,
механизмов загрузки и выгрузки отливок, механизмов переме-
щения электродов и т. п.) производят в последовательности,
предусмотренной циклограммой. При этом проверяют: действие
всех рабочих механизмов установки в наладочном, пооперацион-
ном и автоматическом (полуавтоматическом) режимах; работу
органов ручного и автоматического управления, надежность
фиксации рукояток управления в каждом положении; действие
защитных и предохранительных устройств; действие гидравличе-
ских и пневматических систем, системы водоснабжения и шламо-
удаления, смазки трущихся пар; температуру нагрева подшип-
ников; надежность работы блокировок и световой сигнализации
на пульте; взаимодействие всех механизмов, безотказность и
своевременность действия различных автоматических устройств,
выключателей и т. д.
Работа механизмов должна быть плавной, без толчков, силь-
ного шума, ударов или сотрясений, вызывающих вибрацию уста-
новки. Установка работает удовлетворительно, если шум на холо-
82
стом ходу едва слышен на расстоянии 5 м. Проверяют также и
паспортные данные установки.
После проверки работы на холостом ходу приступают к испы-
танию установки под нагрузкой, что позволяет выявить качество
ее работы. Испытание под нагрузкой осуществляют в производ-
ственных условиях. При этом проверяют: соответствие наиболь-
шей грузоподъемности, производительности установки и каче-
ства очистки отливок от стержней и формовочной смеси данным
технических условий; действие всех рабочих механизмов уста-
новки при нагрузках и режимах, оговоренных программой испы-
таний; температуру нагрева подшипников; соответствие уста-
новки санитарным нормам (шум, вибрации и т. п.); расход элек-
троэнергии, воды, сжатого воздуха и т. п. на 1 т обрабатываемых
отливок.
При испытании установки в работе под нагрузкой все элементы
ее должны работать исправно, без перебоев. При этом не допу-
скаются большие вибрации, неравномерность движения механиз-
мов, перегрев подшипников, деформации, повреждения или по-
ломка деталей установки или отливки, пробои и короткие замы-
кания в высоковольтной части. Выделение теплоты при работе
в конденсаторах, высоковольтном трансформаторе (ВТМ), дрос-
селе должно быть в пределах допустимого.
Порядок испытания каждой установки определяется техни-
ческими условиями и программой испытаний.
6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СХЕМ ОБРАБОТКИ
Отливки поступают в термообрубное отделение для очистки,
обрубки п отделки. Перед очисткой отливки предварительно
осматривают; отливки с явным браком (недолив, обвал формы,
спаи и др.) откладывают, п они на очистку не поступают.
Технологический процесс электрогидравлической очистки от-
ливок от формовочной смеси и удаления стержней можно разде-
лить на операции: а) предшествующие электрогидравлической
очистке и создающие условия для обеспечения эффективной очи-
стки, б) собственно электрогидравлическая очистка; в) операции,
следующие за электрогидравлической очисткой отливок и слу-
жащие для подготовки их к дальнейшему производственному
циклу.
Для подготовки отливки к операции электрогидравлической
очистки их обычно охлаждают на охладительном конвейере или
на плацу до 80° С.
Выбор оптимальных условий очистки осуществляется в основ-
ном экспериментальным путем. При этом должны быть опре-
делены выходные параметры разрядного контура генератора
(напряжение, емкость конденсаторной батареи, частота следо-
вания импульсов, величина рабочего промежутка), расположение
очищаемых отливок, схема обработки, время обработки на каждой
6* 83
позиции. Важна номенклатура отливок, подлежащих очистке,
их материал, остаточная прочность стержней, сложность отливок,
толщина стенок, габаритные размеры, масса, вид операций, пред-
шествующих и следующих за электрогидравлической очисткой.
Как уже отмечалось, напряжение на выходе генератора для
установок электрогидравлической очистки принято равным
50 кВ. Для одной или нескольких однотипных отливок устанав-
ливается своя величина емкости конденсаторной батареи, которая
находится в диапазоне 1—16 мкФ. Оптимальную величину емко-
сти определяют экспериментально по минимальному времени
очистки. Частота следования импульсов разряда находится
в интервале 0,5—2 имп/с, длина рабочего промежутка — в интер-
вале 70—90 мм.
Под технологической схемой электрогидравлической очистки
принято понимать взаимное расположение электрода и отливки
в процессе удаления стержней. Применяют две технологические
схемы очистки: а) по площади (рис. 17, а); б) по знаку стержня
Рис. 17. Схема обработки отливки:
а — по площади; б — по знаку стержня (Эвх — вход электрода над отливкой; 3ВЬ]Х —
выход электрода после обработки; —.— — путь следования электрода); в — с вводом
электрода в^полость отливки; г — по жестким элементам; д — с разрядом на технологи-
ческую деталь
84
(рис. 17, б}. Схему обработки по площади применяют в тупиковых
и проходных установках периодического действия, работающих
с одним электродом. Ее можно использовать в условиях мелко-
серийного и единичного производства отливок с остаточной проч-
ностью стержней до 1,5 МПа. По этой схеме разряд производится
в процессе непрерывного перемещения электрода по площади
непосредственно на отливки, размещенные в контейнере. Техно-
логическая схема обработки по площади является наиболее про-
стой и успешно применяется для удаления песчано-глинистых
и жидких самотвердеющих смесей из чугунных отливок. При этой
схеме обработки разрушение стержней происходит в большинстве
случаев посредством восприятия выделенной при разряде энергии
ударной волны через стенки отливки. К недостаткам схемы при
применении ее в тупиковых и проходных установках можно отне-
сти повышенный расход энергии.
Схема обработки по знаку стержня находит применение во
всех установках, когда необходимо очищать отливки с остаточной
прочностью свыше 1,5 МПа. По этой схеме разряд производится
непосредственно у стержня, который необходимо разрушить.
При этом интенсивность разрушения прочного стержня всегда
выше, чем интенсивность его разрушения при обработке его по
площади. При необходимости возможен ввод электрода в полость
отливки (рис. 17, в). Эта схема позволяет значительно сократить
время на очистку отливки. К недостаткам этой схемы при при-
менении ее в тупиковых и проходных установках следует отнести
необходимость точного взаимного расположения отливки и элек-
трода, так как незначительное смещение отливки может привести
к тому, что стержень окажется в стороне от прямого воздействия
ударной волны, и следовательно, останется неразрушенным.
Разработка технологических процессов очистки отливок в усло-
виях единичного и мелкосерийного производства отличается
определенной сложностью. Основная трудность создания рацио-
нальной технологии, обеспечивающей высокое качество очистки
каждой отливки при минимальных затратах времени, заключается
в ограниченной возможности отработки технологии очистки
из-за большой часто меняющейся в процессе производства номен-
клатуры отливок. Эффективным методом, приближающим еди-
ничное и мелкосерийное производство к условиям крупносерий-
ного, является типизация технологических процессов, под которой
понимается построение их по определенным типам, характери-
зующимся общими технологическими и конструктивными при-
знаками.
Необходимым условием разработки типового технологического
процесса является конструктивная общность деталей. Для раз-
работки типовой технологии может быть использована степень
конструктивного подобия отливок. При этом необходимо выявить
конструктивно-технологические признаки, позволяющие макси-
мально учитывать производственные резервы метода типизации.
85
Важным этапом создания типовых технологических процессов
является классификация отливок. Существует две принципа
классификации деталей машин — конструктивный и технологи-
ческий. Конструктивная классификация проводится с целью
создания одинаковых деталей или определенных размерных рядов
полностью подобных деталей для разных машин. Технологиче-
ская классификация служит средством типизации технологиче-
ских процессов, которую можно осуществить при известном
конструктивном подобии деталей. Часто конструктивная класси-
фикация отливок в условиях крупносерийного и массового про-
изводства позволяет разработать типовой технологический про-
цесс электрогидравлической очистки отливок.
Классификация отливок может идти еще и по признаку слож-
ности. Эта классификация по прейскуранту № 25-01 («Оптовые
цены на отливки, поковки и горячие штамповки») включает в себя
пять групп.
Типовой технологический процесс разрабатывается для обра-
ботки специально выделяемых из определенных групп однотипных
отливок так называемых типовых представителей этих групп.
При этом под типовым представителем соответствующей группы
понимается входящая в эту группу конкретная отливка, облада-
ющая наибольшим числом характерных признаков отливок данной
группы. В типовом процессе указывается точный шифр и полное
обозначение отливки, принятой в качестве типового представителя
группы, ее размеры, требуемая чистота и другие требования.
Как бы тщательно не разрабатывались типовые технологиче-
ские процессы, все же в большинстве случаев они не могут быть
полностью применены для обработки всех отливок, так как многие
из них имеют какие-то отличия от типовых представителей, на
которые разработаны типовые технологические процессы. В связи
с этим для большей массы отливок на основании типовых техно-
логических процессов должны разрабатываться рабочие техно-
логические процессы, применяемые при обработке конкретных
отливок, обладающие единичными особенностями.
Разработка рабочих технологических процессов зависит от
характера производства (серийности) отливок, наличия типовых
технологических процессов 'и технологических инструкций на
операции.
Разработку производят в следующей последовательности:
1) определяют типовой представитель по чертежу данной детали;
2) устанавливают серийность производства и подбирают име-
ющиеся типовые технологические процессы в соответствии с ти-
повым представителем; 3) наносят на карту рабочего процесса
конкретные места обработки поверхности детали; 4) определяют
режимы обработки и число импульсов на конкретное место обра-
ботки на основании типового процесса; 5) устанавливают методы
и средства контроля качества очистки; 6) нормируют процесс
на основании рекомендаций типового процесса; 7) оценивают тех-
86
лико-экономическую эф»
фективность выбранного
рабочего процесса.
Разработку технологи-
ческого процесса очистки
отливок начинают с изу-
чения самой отливки. Для
этого используют рабочий
чертеж детали, на осно-
вании которого намечают
потожение отливки в про-
цессе обработки, места,
схему и режим обработки.
Технолог все эти данные
заносит в технологическую
карту обработки. Эскиз
Рис. 18. Схема укладки шаблонов на планшет
пульта управления
отливки, помещаемый в технологической карте, должен быть
выполнен в масштабе и служить основой для изготовления ша-
блонов (рис. 18), используемых в системах слежения установок
мод. 36131 А, 36141А и др. Шаблоны представляют собой
масштабные копии отливок в плане, выполненные из прозрач-
ного материала (оргстекло), с нанесенными местами выступов
и углублений, точками обработки, длительностью нанесения
импульсов и т. д.
На качество очистки существенное влияние оказывают рас-
поло/кение отливок по отношению к электроду и способ их уста-
новки. При обработке отливок по площади особых требований
к неподвижности и расположению их не предъявляется. Жела-
тельно лишь, чтобы вся площадь, ограничивающая перемещение
электрода, была заполнена отливками, так как в момент разряда
отливка может сместиться относительно электрода и потребуется
дополнительное время на ее обработку. Особенно это важно при
обработке отливок по жестким элементам и особенно по знаку
стержня. С целью ликвидации возможных перемещений достаточно
зафиксировать отливку, не прибегая к ее закреплению. Наиболее
простыми и удобными фиксаторами могут служить соседние от-
ливки, предназначенные для обработки. При этом необходимо
обеспечить свободный выход разрушенной стержневой смеси из
полости.
Стальные отливки с большими полостями простой формы
необходимо обрабатывать со стороны наружной поверхности,
если толщина стенки не превышает 50—70 мм. Отливки сложной
конфигурации должны ориентироваться перед обработкой так,
чтобы для электрода был доступен каждый стержень или группа
стержней, которая может быть охвачена зоной разрушения.
При этом не рекомендуется укладывать отливки вниз поверхно-
стью, содержащей выходы, так как разрушенный стержень оста-
нется в полости отливки.
87
Затруднения при укладке и ориентации перед обработкой
могут вызвать стальные отливки, имеющие прибыли, литники
и заливы. Как правило, удаление стержней из таких отливок
должно производиться со стороны, противоположной прибыли,
поэтому последние должны играть роль установочных базовых
поверхностей. Однако в большинстве случаев они не отвечают
этому требованию, поскольку значительно разнятся по высоте
п не могут придать отливке устойчивое положение. При этом
неэффективны будут специальные приспособления для установки
отливок, так как размеры прибылей и литников не всегда оди-
наковы даже в одной партии отливок.
Чугунные отливки толщиной стенок от 20 до 150 мм должны
обрабатываться со стороны наружной поверхности независимо
от величины и конфигурации внутренних полостей, содержащих
стержни. Обязательным условием является наличие окон для
выхода стержневой смеси с противоположной или боковых
сторон отливки. Общая площадь таких окон должна соста-
влять не менее 15—25% площади большего сечения полости
отливок.
При ориентации отливки, полости которой перегорожены
ребрами, последние должны располагаться вертикально на верх-
ней стенке. При значительных толщинах стенок (свыше 150 мм)
необходим подвод электрода непосредственно к местам выхода
стержней наружу, что предусматривается при ориентации отливок
перед обработкой. При выбивке стержней из отливок, имеющих
тонкие стенки или ребра (порядка 6—12 мм), эти элементы следует
оберегать от непосредственного воздействия ударной волны во
избежание их поломок.
Это может быть достигнуто двумя путями:
а) в случае осуществления разряда на достаточно прочные
элементы отливок (прямолинейные утолщения), направляющие
станин, ребра жесткости и т. д. (см. рис. 17, а);
б) в случае осуществления разряда на дополнительную
технологическую деталь, служащую вторым электродом
(рис. 17, д)‘,
При наличии в номенклатуре цеха нескольких различных
типов отливок комплектование партии для одновременной обра-
ботки необходимо производить, соблюдая следующие требования:
1) отливки, укладываемые на контейнер тупиковых и проходных
установок, не должны отличаться по конфигурации более чем
на одну группу сложности; 2) материал стержневых смесей в от-
ливках по прочности в сухом состоянии не должен отличаться
более чем на 30%; 3) разность высот двух находящихся рядом
отливок не должна превышать 300—350 мм; 4) отливки, требу-
ющие обработки по знаку стержня, не должны находиться в ком-
плекте отливок, обрабатываемых по площади; 5) не рекомендуется
укладывать у борта контейнера отливки, высота которых меньше
высоты борта контейнера.
88
Выбивка стержней из специальных отливок, а также отбивка
керамики от отливок по выплавляемым моделям отличается
некоторой спецификой процесса.
Ввиду необходимости сохранения точности размеров и геоме-
трической формы элементов специальных отливок их обработку
следует проводить при энергии разряда не более 3—4 кДж. Вслед-
ствие значительной остаточной прочности стержневых материалов
(например, графитовые стержни) их разрушение происходит не
сразу. Появляются микротрещины, которые с каждым импульсом
увеличиваются, и лишь после определенного количества ударов
наступает открытое разрушение. Зона видимого разрушения
составляет 50—200 мм. Основная задача технологов заключается
в выборе рациональных точек приложения импульсов. Наиболее
приемлемыми местами обработки являются прочные элементы,
имеющие плоские поверхности и находящиеся в непосредственной
близости к разрушаемому материалу.
Время обработки отливок типа крыльчаток и других тонко-
стенных деталей с внутренними полостями сложной конфигурации
и небольших сечений, габаритные размеры которых не превышают
зону разрушения, составляет 5—30 мин при частоте 2 имп/с.
Цикл оптимальной обработки может быть определен достаточно
точно экспериментальным путем.
При отбивке керамики от отливок по выплавляемым моделям
оптимальная энергия импульса составляет 2—3 кДж. Увеличение
энергии импульса не приводит к пропорциональному повышению
эффективности обработки. В отдельных случаях энергия может
5ыть увеличена при необходимости разрушать сплошные объемы
стержней в полостях. Обработка отливок должна производиться
в блоках до их отделения.
Радиус эффективного разрушения составляет до 150 мм и
в значительной степени зависит от качества поверхности отливок.
При очистке блоков диаметром свыше 120 мм предусматривается
перекантовка отливки для сохранения оптимального цикла обра-
ботки. Для достижения эффективности процесса при длине блоков
свыше 300 мм применена одновременная работа двух или более
электродов.
После электрогидравлической очистки поверхность отливки
должна быть освобождена от остатков формовочных смесей, все
стержни — полностью удалены. Допускается наличие стержне-
вых смесей не более 2% от общего объема.
7. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА.
ОБЯЗАННОСТИ И ОБУЧЕНИЕ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА
Рациональная организация рабочего места способствует повы-
шению производительности труда и обеспечивает выполнение
работы с наименьшими затратами. Размеры рабочей зоны уста-
новки и расстояние между агрегатами определяются в зависимости
89
от габаритных размеров установок обеспечением безопасных про-
ходов, проездов, свободного доступа для ремонта и эксплуатации.
К электрошкафам, пусковой аппаратуре, насосным станциям,
запорным вентилям должен быть свободный доступ. Необходимо,
чтобы манометры и другие измерительные приборы были хорошо
видны с рабочего места оператора.
Полы следует изготовлять из материала, обладающего масло-
и огнестойкостью и способного выдерживать удары при падении
деталей. Они должны быть нескользкими, удобно и легко под-
вергаться уборке и ремонту. Рабочее место должно быть хорошо
освещено и ограждено в соответствии с требованиями техники
безопасности и содержаться в образцовом порядке. Необходимо,
чтобы оно было оснащено соответствующим инвентарем по тех-
нике безопасности: диэлектрическими резиновыми перчатками,
ботами, ковриками, штангами. Оператор должен иметь на рабо-
чем месте журнал учета работы установки, технологические карты
на очищаемые отливки, описание и инструкцию по эксплуатации
установки.
Схема управления должна обеспечивать отключение установки
при открывании любой двери, ведущей в высоковольтное поме-
щение или помещение технологической части. Необходимо, чтобы
внешнее оформление рабочих мест и помещений соответствовало
требованиям технической эстетики. На рабочем месте должна
быть сигнализация вызова мастера, энергетика или механика цеха.
Установка электрогидравлической очистки является сложным,
с высокой степенью механизации и автоматизации механизмом
и может работать только при четком взаимодействии всех узлов
и правильной их отладке и эксплуатации.
Основные обязанности обслуживающего персонала сводятся
к знанию работы установки и правил ее эксплуатации, соблюде-
нию технологической дисциплины, недопущению самовольного
изменения режимов обработки отливок. При эксплуатации необ-
ходимо соблюдать следующие правила.
1. Ежедневно надо проводить осмотр установки, при котором
проверять исправность освещения, наличие и качество индиви-
дуальных средств защиты, надежность электрических соединений
и исправность блокировок и системы управления, отсутствие
пыли на изоляторах ВТМ и конденсаторах и течи масла или
вспучивания стенок конденсаторов, температуру масла в ВТМ
и его уровень, работу всех элементов установки. Необходимо
также периодически контролировать температуру масла в гидро-
баке. Рабочий диапазон температур масла должен быть в пределах
10—50° С. Особое внимание следует обращать на состояние
электродов. Необходимо, чтобы рабочий стержень электрода
был выдвинут на длину не более 50 мм. Наконечник электрода
не должен иметь видимых следов разрушения.
2. Один раз в неделю оператор обязан проверить надежность
контактных соединений (не допускается окисление контактов
90
г
или ослабление резьбовых соединений), рабочие поверхности
изоляторов электродов (не допускается наличие пыли, грязи,
механических и электрических повреждений). При этом поверх-
ности изоляторов" ВТМ и конденсаторов, изолятор и высоковольт-
ный кабель, поверхность полусфер и внутреннюю поверхность
высоковольтного разрядника, а также поверхность разрядной
штанги тщательно протирают ветошью, обильно смоченной эти-
ловым гидролизным спиртом высшей очистки. Электрооборудова-
ние пульта и шкафов управления очищают от пыли и грязи. Про-
веряют качество подсоединения высоковольтного кабеля к элек-
троду. Осуществляют периодический контроль состояния сварных
швов бака и элементов конструкций, находящихся в зоне разряда.
3. Необходимо строго соблюдать периодичность смазки узлов
и деталей установки (подшипников, редукторов, зубчатых пар,
электродвигателей, канатов, блоков, цепей и т. п.) по карте
смазки.
4. Следует регулярно осуществлять мелкие и средние ремонты,
после которых особое внимание необходимо обращать на правиль-
ность сборки и наладки узлов.
5. Уход за установкой должен производиться в соответствии
с техническим описанием и инструкцией по ее эксплуатации.
Опыт работы установок показывает, что хорошая эксплуатация
обеспечивается при соблюдении следующих условий: а) установку
обслуживает постоянный состав операторов, технологов цеха,
ремонтных слесарей и электриков; б) установлен график работы
установки, в котором предусмотрено время на ее осмотр, наладку
и смазку; в) производится профилактический ремонт оборудова-
ния установки и его наладка с необходимой заменой быстроизна-
шиваемых деталей и узлов строго по графику.
Помимо организации труда и производства непременным
условием успешной эксплуатации установок является специальная
подготовка обслуживающего персонала.
Практическое обучение осуществляется в индивидуальном
порядке и проводится непосредственно на установке. Руководит
обучением высококвалифицированный рабочий, мастер или при-
глашенный специалист-наладчик. Обучаемый сначала наблюдает
за работой инструктора, получая от него необходимые разъясне-
ния, но не выполняя каких-либо работ; затем проходит стажи-
ровку, выполняя под руководством инструктора последовательно
операции наладочного режима по циклограмме. Только после
освоения управления в наладочном режиме переходят на полу-
автоматический и автоматический режимы работы установки.
Первый этап практического обучения проходит при холостом
ходе установки и только после полного освоения всех приемов
переходят к работе с полной нагрузкой. Срок практического
обучения длится порядка двух недель. Оператор, прошедший
обучение по программе и сдавший успешно экзамены на присвое-
ние квалификации оператора по управлению электрогидравличе-
91
ской установкой, получает квалификационную группу по технике
безопасности не ниже IV и удостоверение на право работы на
электрогидравлической установке.
На начальной стадии обучения операторов применяется две
формы производственного инструктажа: установочный и вводный.
Установочный инструктаж — метод производственного обучения
вновь поступающего рабочего его будущей специальности опера-
тора. Этот инструктаж ведется по системе, при которой рабочий
тсваивает установку, ее оборудование и методы работы на ней
путем последовательного овладения и перехода от простых опе-
раций к сложным и от сложных к их комплексу. В вводный ин-
структаж входит ознакомление оператора с правилами эксплуа-
тации установки и ее оснащения, с методами производительного
и безопасного выполнения операций очистки.
В дальнейшем оператор должен получать систематический
текущий производственный инструктаж. Практика показывает,
что отсутствие систематического производственного инструк-
тажа приводит к пониженной эффективности использования уста-
новки, к значительному браку очистки и излишнему расходованию
энергии, к большому числу аварий и поломок оборудования.
8. ПЕРИОДИЧНОСТЬ РЕМОНТОВ И ПРОФИЛАКТИКА
УСТАНОВОК
Эксплуатация и ремонт установки организуется на основе
единой системы планово-предупредительного ремонта (ППР) и
рациональной эксплуатации технологического оборудования ма-
шиностроительных предприятий.
Электрогидравлические установки для очистки отливок рабо-
тают в сложных условиях больших гидродинамических нагрузок
в напряженном режиме. Механизмы имеют большое число тру-
щихся элементов, значительные поверхности которых подвер-
гаются абразивному износу, что ускоряет износ отдельных узлов
и деталей. Поэтому соблюдение норм эксплуатации в соответствии
с единой системой ППР является для установок обязательным
условием, обеспечивающим предприятию возможность увеличе-
ния выпуска продукции и повышения производительности труда.
С целью проверки состояния оборудования, устранения мелких
неисправностей и подготовки установки к работе, а также для
выявления объема работ, подлежащих плановому ремонту, про-
изводятся осмотры. В объем работ по осмотру установки входят
следующие: 1) проверка состояния технологической ванны и
элементов конструкций, находящихся в ванне; 2) проверка
состояния и правильности работы механизмов без разборки тру-
доемких узлов; 3) проверка и подтяжка крепежных соединений
с заменой изношенных или ослабевших стопоров и упоров;
4) проверка состояния гидравлической (пневматической) системы
с подтяжкой или заменой уплотнений трубопроводов в том числе
92
цилиндров штоков и соединений; 5) регулировка клапанов,
заслонок, вентилей; 6) проверка состояния смазки и состояния
деталей, имеющих трущиеся поверхности (звездочки, цепи, ше-
стерни, блоки, оси, направляющие и т. п.); проверка состояния
электросхемы, аппаратуры управления, блокировок, конденса-
торов, ВТМ, дросселей, высоковольтных кабелей и их соединений,
конечных выключателей; проверка быстроизнашивающихся дета-
лей электрода (стержня, наконечника, изолятора) и состояния
разрядника с замером расстояния между его электродами; про-
верка систем водоснабжения, шламоу далеки я, вентиляции; выяв-
ление дефектов, требующих устранения при ближайшем плановом
ремонте; проведение работ, предусмотренных в межосмотровом
обслуживании.
При отработке установкой заданного числа часов системати-
чески проводят межремонтное осблуживание и плановые ремонты.
Чередование плановых ремонтов установок определяется осо-
бенностями и условиями их эксплуатации.
В объем малого ремонта установки входит выполнение следу-
ющих работ: частичная разборка установки с подетальной раз-
боркой узлов, подверженных наибольшему износу; осмотр и про-
верка насосов откачки воды и шламоудаления с заменой изношен-
ных деталей; проверка величины сопротивления контура зазем-
ления; осмотр и полная протирка всех элементов высоковольт-
ного оборудования с заменой деталей или узлов, которые не могут
проработать до очередного планового ремонта; замена или ремонт
изношенных деталей механизмов, которые не могут обеспечить
нормальную работу до очередного планового ремонта; проверка
гидросистемы (пневмосистемы) с последующей разборкой дефект-
ных узлов и с заменой изношенных деталей уплотнения; проверка
исправности дросселей, золотников, предохранительных клапанов,
воздухораспределителей, насосов, манометров; разборка, чистка
и промывка фильтров; проверка исправности электроприводов,
лебедок, редукторов, тросов, блоков; проведение всех работ по
осмотру установки: сборка отремонтированных устройств и меха-
низмов; испытание установки на холостом ходу и испытание
с нагрузкой при очистке отливок.
В объем среднего ремонта входит: осмотр с разборкой узлов
механизма перемещения электродов, шламового конвейера, каре-
ток механизма подъема контейнеров, технологической ванны
установки, насосов шламоудаления, гидроцилиндров или пневмо-
цилиндров, а также дросселей, золотников, распределительных
аппаратов с восстановлением или заменой изношенных деталей
и узлов; замена всех манжет и уплотнений, отдельных участков
трубопроводов, масла в гидросистеме; ревизия высоковольтного
оборудования и системы управления; ремонт электродвигателей,
лебедок, редукторов и восстановление звукоизоляции; окраска
установки; проверка правильности взаимодействия узлов и меха-
низмов; проведение работ межремонтного обслуживания;
93
II. Действительный годовой фонд времени (в ч)
Тип производства Работа оборудования
в одну смену в две смены в три смены
Массовое и крупносерийное . 3870 5685
Серийное и мелкосерийное 2000 3910 5800
испытание установки после сборки на холостом ходу и под на-
грузкой.
Капитальный ремонт — это наибольший по объему вид пла-
нового ремонта, при котором выполняют комплекс работ, вклю-
чающих полную разборку установки, замену всех изношенных
узлов и деталей, последующую сборку и регулировку механизмов
с проверкой производительности в соответствии с техническими
условиями на приемку установки.
Последовательность выполнения ремонтных работ и работ
по техническому уходу обеспечивается структурой межремонтных
циклов и межосмотровых периодов:
К—О—О—М г—О—О—М 2~0—0—С i—O—O—Mg—O—
-О—С2—О—О—М^-О—О—МЪ~О—О—МЪ—О—О—К.
Итого: ПС-2, ПМ-fy, ПО-18.
Условные обозначения: К — капитальный ремонт; М — ма-
лый ремонт; С — средний ремонт; О — осмотр; П — число ре-
монтов.
Единая система ППР определяет продолжительность меж-
ремонтного цикла, межосмотрового периода в зависимости от
числа отработанных часов (табл. 11, 12). Межремонтный цикл Т
установки составляет 7750 ч и в зависимости от типа производ-
ства корректируется коэффициентом К (массовое и крупносерий-
ное производство — К = 1,0; серийное — К = 1,3; мелкосерий-
ное и единичное К = 1,5).
12. Продолжительность межремонтных циклов, межремонтных
и межосмотровых периодов с учетом сменности работы
К 1.0 1.3 1.5
Продолжительность межремонтного цикла в отработанных часах 7750 10 075 И 625
Межремонтный цикл в годах при работе: в одну смену 4,0 5,0 6,0
в две смены . 2,0 2,5 3.0
в три смены 1,5 2,0 2,0
94
Продолжение табл. 12
к 1.0 1.3 1,5
Продолжительность межремонтного периода в отработанных часах 900 1100 1300
Межремонтный период в месяцах при ра- боте:
в одну смену 5,5 6,5 8,0
в две смены 3,0 3,5 4,0
в три смены 2,0 2,5 3,0
Продолжительность межосмотрового периода в отработанных часах 300 400 550
Межосмотровый период в месяцах при ра- боте:
в одну смену 2,0 2,5 3,5
в две смены ... 1.0 1,5 2,0
в три смены 0,5 1,0 1,0
9. УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ НА УСТАНОВКАХ
Электрогндравлические установки работают с использованием
высоких напряжений и соответственно относятся к категории
промышленных установок с повышенной опасностью поражения
электрическим током. Для обеспечения безопасной работы на
установке обслуживающий персонал обязан выполнять требова-
ния, приведенные ниже.
1. К работе на установке допускаются лица, имеющие необ-
ходимую квалификационную группу, прошедшие инструктаж по
технике безопасности и обучение для работы на электрогидравлп-
ческой установке и назначенные приказом по цеху. Это относится
ко всему персоналу, обслуживающему установку, и ко всем
работникам, в какой-либо мере связанным с ее эксплуатацией.
Категорически запрещается допускать к рабочему месту уста-
новки, к управлению ею и наладке посторонних лиц и лиц, не
имеющих удостоверения на право работы на установке.
2. Запрещается оператору работать на установке без инди-
видуальных средств (резиновые коврики, боты, перчатки, штанга).
3. Перед включением установки оператор должен убедиться
в исправности блокировок генератора и в том, что все двери
в помещение высоковольтного оборудования, операторскую и
подвал (при его наличии) закрыты.
4. Первый пуск установки после монтажа или ремонта разре-
шается по письменному распоряжению начальника цеха (смены,
участка) в присутствии ответственного лица, имеющего квалифи-
кацию по технике безопасности не ниже 5-й группы.
5. После включения установки категорически запрещается:
а) прикасаться к токоведущим частям электрооборудования;
б) производить повторные включения установки после ее само-
95
произвольного отключения без выяснения причин неисправности
п их устранения; в) производить ремонтные работы; открывать
двери высоковольтного оборудования.
6. Оператор во время работы должен быть внимательным, не
отвлекаться и выполнять только операции, указанные в техно-
логической карте. В случае, когда не ясны отдельные приемы
работы или возникает сомнение в правильности их выполнения,
оператор обязан обратиться к администрации за разъяснением.
При получении новой отливки оператор обязан потребовать от
мастера дополнительных разъяснений по ее обработке. Необхо-
димо следить за тем, чтобы в контейнер не попали отливки, масса
и габаритные размеры которых не соответствуют технологической
карте.
7. Одежда оператора должна быть в порядке, рабочее место —
удобным, инструмент, приспособления и средства зашиты —
исправными, пол не должен быть влажным или скользким. Перед
началом работы необходимо проверить соответствие загрузки
контейнера отливками данным технологической карты. Если при
осмотре установки обнаружатся неисправности, то необходимо,
не приступая к работе, немедленно сообщить о случившемся
мастеру.
8. Оператору категорически запрещается самому устранять
какие-либо неполадки в работе установки и нарушать технологию
очистки, а также приводить в действие механизмы установки,
которые не связаны с технологическим процессом при выполнении
данной операции.
9. Особое внимание нужно проявлять при включении и выклю-
чении приводов механизмов установки, следя за последователь-
ностью нажатия кнопок. Оставлять без присмотра включенную
установку, а тем более работающую, категорически запрещается.
Если необходимо покинуть на некоторое время рабочее место,
то следует вызвать мастера или подменщика или же отключить
установку.
10. Работа на установке должна быть немедленно прекращена
и установка отключена, если обнаружен брак очистки или бой
отливок; поступающие отливки не соответствуют технологиче-
ской карте; замечен хотя бы один случай сдваивания операций;
наблюдаются неисправности в системе управления; идут неста-
бильные разряды или срабатывают блокировки генератора;
изменилась частота следования импульсов, появились слабые
разряды. ги
После выключения установки необходимо вызвать ремонтников
и сообщить о случившемся мастеру.
11. Во время осмотра установка должна быть отключена.
Перед осмотром и началом ремонтных работ установку обесточи-
вают, рубильник отключают, снимают предохранители, произво-
дят осмотр блокировок генератора и убеждаются в том, что выводы
конденсаторов закорочены, замыкают дополнительно положи-
96
тельный вывод высоковольтного изолятора ВТМ разрядной штан-
гой на землю, вывешивают плакат «Не включать — работают
люди!».
12. В установках с гидро- или пневмоприводом необходимо
следить за показаниями манометра.
13. При передаче смены оператор обязан сообщить своему
сменщику о состоянии установки и обо всех замеченных неполад-
ках. Прием — сдача установки осуществляются соответству-
ющей записью в оперативном журнале. Здесь же должно указы-
ваться: а) состояние и режим работы установки; б) изменение
технологических режимов, недостатки, выявленные в процессе
работы; в) машинное время работы установки; г) число очищен-
ных отливок.
г. А. Гулый
РЛЗДЕЛ HI
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Гл а ва, VI
ТЕХНОЛОГИЯ И СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ высокоскоростного
ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Высокоскоростное деформирование металлов и сплавов со
скоростями выше 20—30 м/с осуществляется различными методами.
Для этого могут быть использованы взрывчатые вещества, сжатые
газы, электромагнитные поля, высоковольтные разряды в жидко-
сти и т. п. Целесообразность применения конкретного метода
высокоскоростного импульсного деформирования зависит от его
возможностей удовлетворять требованиям, предъявляемым к точ-
ности изготовляемых деталей с учетом их материала и серийности.
Как известно, высоковольтный электрический разряд в жидкости
целесообразно использовать для вытяжки из плоских заготовок
куполообразных и крупногабаритных деталей замкнутых конту-
ров, формовки деталей сложной формы из трубчатых заготовок,
получения местных выштамповок и т. п. Это предпочтение опре-
делено рядом преимуществ и особенностей оборудования и тех-
нологии, основанных на использовании высоковольтного разряда
в жидкости: регулировкой энергетических параметров; много-
импульсным воздействием на заготовку по заданной программе,
сокращением числа операций при изготовлении деталей.
Возможность регулировки напряжения и разрядного проме-
жутка обеспечивает выделение порции энергии, оптимальной для
данного процесса. Изменение напряжения от максимальной ве-
личины до величины в 1,5 раза меньшей ее, позволяет снизить
энергию от максимальной величины до величины вдвое меньшей.
Это позволяет охватить весь диапазон промежуточных значений
энергий для ряда с удвоенными числами, который принят для
электрогидравлических прессов и установок.
Энергия, необходимая для деформирования детали, часто
оказывается настолько велика, что выделение ее за короткий про-
межуток времени приводит к разрушению заготовки. Особенно
это опасно для материалов с малой критической скоростью дефор-
98
мирования, к которым могут быть отнесены холоднокатаные
медь, сталь, титан, ниобий и др. Поэтому разделение общей
энергии деформирования на отдельные мелкие порции и воздей-
ствие на заготовку повторяющимися импульсами расширяют
возможности применения технологии и оборудования высоко-
скоростного деформирования с использованием высоковольтного
разряда в жидкости.
Число импульсов может быть определено исходя из энергии
деформации, размеров обрабатываемой детали, механических
характеристик материала заготовки и возможности доведения
его до пластического состояния энергией одного импульса.
При обработке деталей небольших размеров (до 0,5 м) число им-
пульсов достигает 25—50 с энергией в импульсе до 20 кДж, а при
обработке крупногабаритных деталей размерами 1,0—2,0 м мето-
дом локального нагружения с энергией в импульсе до 150 кДж
число импульсов может достигать 200—400.
При электрогидравлической штамповке энергия разряда через
импульсы давления жидкости передается заготовке. Проведенный
А. Л. Рувинской анализ деформированного состояния мембраны
в различных стадиях деформирования с помощью круговой сетки
на наружной поверхности заготовки показал, что характер распре-
деления интенсивности деформаций при импульсном нагружении
жидкостью более равномерный, чем при статическом нагружении
пуансоном.
Воздействие на заготовку импульса давления жидкости за
промежуток времени порядка 10—100 мкс [72 ] вызывает скорости
деформирования от 30 до 300 м/с, а скорости деформации —
до 2000 1/с. Это приводит к повышению пределов прочности и теку-
чести, изменению показателей пластичности и т. п.
Во время пластического деформирования материала заготовки
в нем происходит два противоположных процесса: упрочнение
и разупрочнение. Измельчаются зерна, изменяется ориентировка
кристаллов и межкристаллитных слоев, возникают внутренние
напряжения. Энергия деформации превращается в теплоту,
начинаются процессы возврата и рекристаллизации, снимаются
искажения кристаллической решетки, уменьшаются внутренние
напряжения.
При высоких скоростях деформирования процессы разупроч-
нения отстают и это приводит к повышению прочности металлов,
происходит так называемый эффект динамического упрочнения
[108]. У разных металлов и сплавов пределы прочности и теку-
чести повышаются по-разному. У менее прочных материалов они
повышаются больше. Так, предел текучести у армко-железа
повышается в 2,2 раза, коррозионно-стойких сталей — в 1,5 раза,
а у сплавов титана — в 1,2 раза, причем предел прочности воз-
растает меньше, чем предел текучести. Например, у армко-железа
он увеличивается в 1,4, а у коррозионно-стойкой стали —
в 1,06 раза [108].
7* 99
Рис. 19. Зависимость коэффици-
ента динамичности от пре-
дела текучести us различных ма-
териалов
Отношение предела текучести при
динамических испытаниях к пределу
текучести в условиях квазистати-
ческого испытания при малых ско-
ростях деформирования (до 4 мм/мин)
называют коэффициентом динамич-
ности Кд.
Известен ряд методик проведе-
ния динамических испытаний. Для
использования в расчетах могут быть
рекомендованы результаты исследо-
ваний по определению коэффициен-
тов динамичности (рис. 19), получен-
ные Г. Д. Полосаткиным, Л. А. Ку-
дрявцевой, В. ЛК Глазковым при
изучении динамического предела те-
кучести металлов при скоростях
деформирования до 1000 м/с.
Энергия, расходуемая на пластическую деформацию, превра-
щаясь в теплоту, вызывает тепловой эффект, значение которого
при высокоскоростном деформировании увеличивается, так как
в связи с ростом скорости растет напряжение текучести и
энергия, необходимая для деформации, поэтому при одинако-
Рис. 20. Детали, полученные вытяжкой на электро-
гидравлических прессах «Удар-12м» и «Удар-20»:
а — менажница; б — полусферы
100
вых степенях деформации в процессе импульсного деформиро-
вания выделится теплоты больше, чем при статическом испы-
тании.
При высоких скоростях деформирования теплота работы де-
формации за время деформирования не успевает распространиться
по всей массе сдеформированной зоны, а сосредоточивается в зоне
плоскостей скольжения, т. е. имеет место локальное проявление
теплового эффекта. Это может быть даже при скоростях, дости-
гаемых на обычном оборудовании [48], а при импульсном дефор-
мировании, где скорости деформации выше 100 1/с, процесс при-
ближается к адиабатическому. Тогда величина теплового эффекта
может быть оценена по увеличению температуры
А/ = In
тоус I — е
где k — тепловой эквивалент работы; с — удельная теплоем-
кость; у — плотность; е — степень деформации; q — удельное
сопротивление деформированию; т0 — тТ/т — относительная
масса тепловосприятия.
В расчетах для практических целей с достаточной степенью
точности удельное сопротивление деформированию может быть
принято как минимальное значение, равное динамическому пре-
делу текучести. Относительная масса тепловосприятия, равная
отношению массы тепловосприятия к массе сдеформированной
зоны, при скоростях деформирования более 0,15 м/с всегда ста-
новится меньше единицы и с ростом скорости уменьшается [48].
Проявление теплового эффекта при высоких скоростях деформи-
рования дает возможность введения в действие дополнительных
плоскостей скольжения. Так, например, у металлов с гексаго-
нальной плотноупакованной решеткой (титан, магний, кобальт,
кадмий и др.) при температуре свыше 200° С имеется три пло-
скости скольжения вместо одной при комнатной температуре
[89].
Равномерное нагружение заготовки, повышение предела теку-
чести, проявление теплового эффекта, введение дополнительных
плоскостей скольжения обеспечивают возможность получения
более высоких степеней деформации и сокращение числа операций
при изготовлении деталей. Так, при разработке технологии
изготовления деталей стилизованной посуды (рис. 20) для штам-
повки детали на механических прессах предусматривалось более
десяти операций (каждую из трех полостей менажницы предпо-
лагалось выштамповывать отдельно за несколько операций с про-
межуточными отжигами).
На электрогидравлическом прессе «Удар-12» эти же детали
изготовляют за одну операцию за 10—15 импульсов без промежу-
точной термообработки. Характерные образцы деталей, изготов-
ленные на электрогидравлических прессах и установках, отра-
101
Рис. 21. Образцы деталей изготовленных на элсктрогидравлических прессах и
установках:
° — крупногабаритные панели, полученные на элсктрогидравлических установках
«Удар-1»; б — детали, полученные формовкой па элсктрогндраглическом прессе «.Удар- 12м»
и установке «Молния-3» (втулки, кольца, полый шестигранник)
жающие особенности технологии высокоскоростного деформиро-
вания металлов и сплавов энергией импульсов высоковольтного
разряда в жидкости, представлены на рис. 20, 21.
2. СУЩНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Электрогидравлпческая обработка металлов давлением осу-
ществляется по схеме, представленной на рис. 22.
Стрелками А показано направление максимальных воздей-
ствующих усилий. При пробое разрядного промежутка 10 в жидко-
сти возникают ударная волна, гидропоток и другие сопутствующие
aj 6)
Рис. 22. Схемы электрогидравлической обработки металлов давлением:
а — трубчатая заготовка; б — плоская заготовка; 1 — коаксиальная линия; 2 — внешний
проводник; 3 — центральный проводник; 4 — разрядник; 5 — конденсатор; 6 — по-
вышающий трансформатор с высоковольтным выпрямителем; 7 — разрядная камера;
8 — изолятор электрода; 9 — электрод; 10 — разрядный промежуток; 11 — заготовка;
12 — матрица; 13 — отражатель
102
явления [55]. Энергия ударной волны и гндропотока расходуется
на осуществление деформации заготовки по рабочему профилю
матрицы. Все детали, изготовляемые электрогидравлической
штамповкой, по конструктивным особенностям, форме исходной
заготовки н виду осуществляемой операции разделены па два
класса: 1 класс — детали, получаемые из плоских заготовок;
II класс — детали, получаемые из объемных трубчатых (цилин-
дрических пли конусных) заготовок.
Размеры и форму заготовки определяют из условия равенства
поверхности заготовки п готовой детали с учетом технологиче-
ского припуска. При расчете размеров исходной заготовки можно
использовать аналитический, графический и графоаналитический
методы. Для типовых деталей I класса может быть использован
графический метод определения размеров исходных заготовок
(рис. 23). Диаметр исходной трубчатой заготовки может быть
определен из условия допустимой степени деформации материала
по периметру деформируемого контура:
Здесь D — диаметр детали; D3 — диаметр исходной заго-
товки; ед — допустимая степень деформации; 6 — относительное
удлинение материала заготовки, соответствующее значение ко-
к 1 ( 1 I — 6Й \
торого определяется из соотношения о = In I 1 Ч-------— 1,
где 610 и 65 — полное относительное удлинение материала десяти-
кратных и пятикратных образцов.
Длина образующей цилиндрической заготовки /3 может быть
определена по формуле
^з — (1 ----еср)
где Еср — средняя степень деформации; /д — длина образующей
детали; ЛД0 — припуск по торцу детали, составляющий 3—10%
длины образующей детали /д.
Для типовых геометрических форм деталей, получаемых из
трубчатых заготовок в процессе деформирования, средние сте-
пени деформации могут быть определены из соотношений:
для цилиндра
1 ( D ,\
8 = —--- I-----1 1 I
ср /2 \D3 Г
для сферы
D t.
ср Da
для конуса
1 ( D
8с₽ ~ 2 \ £>3 1) '
103
Рис. 23. Определение размеров для типовых деталей I класса
Рис. 24. Детали, полученные различными операциями на электрогид-
равлических прессах и установках:
а — вырубкой и вытяжкой иа прессах «Удар-20» н «Удар-12»; б — выруб-
кой-пробивкой на прессе «Удар-12»; в—чеканкой иа установке «Молиня-3»
Изготовление деталей I и II классов с наибольшим размером
до 400 мм осуществляется при общем 196] одновременном нагру-
жении на всю смачиваемую поверхность заготовки; при изготов-
лении деталей размером свыше 400 мм используется метод локаль-
ного нагружения, обеспечивающий последовательное нагруже-
ние заготовки. Установлены закономерности перемещения элек-
тродных систем в зависимости от размеров штампуемых деталей.
Так, например, при штамповке сферических днищ заготовка
нагружается по концентрическим окружностям от периферии
к центру. Формоизменяющие и комбинированные операции, как
правило, выполняются в многоимпульсном режиме, а разделитель-
ные (вырубка, пробивка) — за один импульс.
Для снижения утонения, повышения степени деформации,
облегчения съема детали, особенно при вытяжке, применяют
различные смазки.
Опыт освоения электрогидравлической штамповки различных
деталей показал возможность изготовления самых разнообразных
деталей, полученных различными операциями (рис. 24).
3. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
В Советском Союзе создано свыше 40 моделей электрогидрав-
лических прессов и установок для обработки металлов давлением
[49, 60, 105]. Следует отметить, что большинство отечественного
105
13. Основные технические данные некоторых электрогидравлических прессов
типа «Удар»
Показатели «Удар-1* «Удар-12м»|«Удар-20с» «Удар-11» «Удар-14»
Наибольшая энергия в импуль- се, кДж .... 12,5 10 20 150 150
Наибольшие размеры заготов- ки, мм при вытяжке (длина, ши- рина) . . . 2500 . 1200 400> 400 500;: 500 2000Х 2000
при формовке (диаметр, высота) . . 300Х 275 500 X 700 2000Х 1100
Наибольшее ра- бочее напряжение, кВ ....... 10 10 10 50 50
Масса установ- ки, кг 50 000 3350 6600 94 000 78 000
электрогидравлического оборудования для обработки металлов
давлением, в том числе прессов и установок, приведенных
в табл. 13, 14, являются опытно-промышленными образцами, ко-
торые проектировались для изготовления определенной номен-
клатуры деталей. Некоторые электрогидравлическпе прессы,
созданные на базе опытно-промышленных образцов, были реко-
мендованы для серийного производства (табл. 15).
Электрогидравлическое оборудование по «Периодической си-
стеме» энерготипов кузнечио прессовых машин А. И. Зимина
относится к машинам импульсного действия. Применение для
14. Основные технические данные электрогидравлических установок
типа «Молния» для закрепления труб в трубных решетках
теплообменных аппаратов
Показатели «Молния-3» «Молния-5м> «Мол ни я-бу» «Мол ния-8> О w д и ч о £ ¥
Наибольшая энергия в им- пульсе, кДж 7,5 15 12,5 20 40
Наибольшее рабочее на- пряжение, кВ 5 50 50 Ю 50
Емкость, мкФ .... 600 12 10 400 40
Наибольшие размеры (диаметр, толщина стенки), мм 16X2,5 25X2,5 25Х 2,5 25Х 2,5 25X2
* Установка для злектрогидроимпульсной сварки.
106
15. Основные технические данные электрогидравлических прессов,
рекомендованных к серийному производству_______________________
Показатели TI220 Т1223 Т1225 11228 Г1231
Наибольшая энергия в им-
пульсе, кДж Наибольшее рабочее на- 10
пряжение, кВ Наибольшие размеры за- готовок, мм: 10
плоских (диаметр) . . пространственных 400
(диаметр, высота) 250х 275
Масса, кг 3350
20 32 64 128
10 40 40 40
650 400 800 1200
400Х 450 300Х 250 800 : 350 1200Х 500
7300 8100 30 000 55 000
электрогидравлического оборудования такой характеристики, как
усилие, развиваемое прессом, нецелесообразно в связи с тем, что
способ приложения нагрузки и ее распределение при электро-
гидравлической штамповке коренным образом отличаются от
действия нагрузки на обычных прессах.
Характеризовать электрогидравлическое оборудование вели-
чиной гидростатического давления жидкости также пока нельзя,
так как нагрузка прикладывается импульсно и ее эффективность
зависит не только от величины, но и от продолжительности при-
ложения, расстояния до источника возникновения давления и
напряжения фронта ударной волны. Величина энергии в импульсе
выбрана в качестве главного параметра для характеристики
электрогидравлического оборудования и для установок магнитно-
импульсной штамповки, которые также относятся к машинам
импульсного действия и имеют аналогичный источник энергии.
Этим параметром удобно оперировать для определения воз-
можности пластического деформирования заготовки на данном
прессе или установке. При этом должен быть учтен коэффициент
полезного действия, так, например, КПД для электрогидравли-
ческих прессов и установок выше КПД гидравлических прессов
и паровоздушных молотов, но ниже КПД кривошипных и винто-
вых прессов:
кпд, %
Кривошипные прессы........................... 30—70
Винтовые фрикционные прессы.................. 18—25
Электрогндравлические прессы и установки..... До 20
Паровоздушные молоты ........................ 2—4
Гидравлические прессы ....................... 1.5—2
В зависимости от выполняемой операции КПД электрогидрав-
лического оборудования меняется от значений менее 1 % — при
вырубке и пробивке без пуансона до 20% — при развальцовке
и формовке трубчатых заготовок.
Энергия в импульсе и напряжение относятся к энергетическим
параметрам электрогидравлических прессов и установок. Пара-
метрами, характеризующими технологические возможности,
1(7
являются максимальные размеры штампуемых заготовок. В ка-
честве дополнительного технологического параметра принято мак-
симальное число импульсов, необходимое для штамповки деталей
из заготовок с максимальными размерами.
Все оборудование для электрогидравлической штамповки
классифицируют по следующим основным характеристикам:
а) назначение технологического узла; б) схема нагружения за-
готовки; в) количество энергии в импульсе; г) максимальное
рабочее напряжение.
По схеме нагружения заготовки установки делятся на четыре
группы: 1) установки с общим нагружением заготовки; 2) уста-
новки с локальным нагружением заготовки с помощью нескольких
электродов; 3) установки с локальным нагружением заготовки
с помощью одного перемещающегося электрода; 4) установки
с локальным нагружением заготовки с помощью перемеща-
ющейся взрывной камеры.
Если классифицировать имеющееся оборудование по двум
первым характеристикам сравнительно просто, так как это выте-
кает из назначения и конструктивного исполнения оборудования,
то классификация его по величине энергии в импульсе становится
возможной только при наличии типоразмерного ряда на электро-
гидравлическое оборудование для обработки металлов давлением.
Обобщая опыт по созданию и эксплуатации ряда электроги-
дравлических прессов и установок, ПКБ электрогидравлики раз-
работало «Типоразмерный ряд электрогидравлических прессов
и установок для обработки металлов давлением», который в соот-
ветствии с ГОСТ 8032—56 «Предпочтительные числа и ряды
предпочтительных чисел» классифицирует все электрогидравли-
ческие прессы и установки по величине главного параметра —
энергии в импульсе. Типоразмерный ряд электрогидравлических
установок по значениям своего главного параметра совпадает
с типоразмерным рядом магнитно-импульсных установок для
обработки металлов давлением, что позволяет унифицировать
энергетическое оборудование машин обоих типов.
В табл. 16 приведены основные технические данные электро-
гидравлических прессов и установок для обработки металлов
давлением типоразмерного ряда с энергией в импульсе от 10
до 160 кДж. Оборудование, находящееся в пределах этого ряда,
находит практическое применение на предприятиях страны.
Ряд имеет два рабочих напряжения 10, 50 кВ и два типа конден-
саторов емкостью 200 и 5 мкФ и отличается широким диапазоном
технологических возможностей, начиная от развальцовки труб
диаметром 6 мм и кончая штамповкой плоских заготовок раз-
мерами до 2400 мм.
За рубежом наиболее широкое распространение получило
промышленное оборудование для электрогидравлической штам-
повки в США и Японии. Имеются специализированные фирмы
«Electrohudraulic» по выпуску электрогидравлического оборудо-
108
16. Основные технические данные электрогидравлических прессов
и установок для обработки металлов давлением типоразмерного ряда
Энер гетическ и с характеристики Наибольшие размеры заготовок, мм
плоских трубчатых труб для развальцовки
льшая я в им- 5» кДж льшее кение, кВ ть, мкФ го X* го к ГО к иа труб- шетки на стенки
О Я о о S S к к
л ШЙс ГО ~ X к М 2 Ш я 5 я а чХ толщ S го S и ВЫСО' толщ S го S Ч толщ ной г а о
10 10 200 400X400 3 250 275 3 6—30 20—120 2
20 10 400 650Х 650 4 400 450 4 6—30 20—120 2,5
40 10 800 900X900 4 600 700 5 — — —
40 50 40 900Х 900 5 — — — 10—40 20—220 3,5
80 50 80 1400Х 1400 6 800 1000 6 — — —
160 50 160 2400Х 2400 10 1500 1200 10 — — —
вапия для обработки металлов давлением и «Adwanced Kinetics»
по выпуску отдельных элементов и узлов для электрогидравличе-
ских установок [131]. Оборудование имеет широкий диапазон
технологических возможностей.
Имеются установки для штамповки куполообразных днищ
диаметром свыше 2000 мм (фирма «Republic Aviation Со» совместно
с ВВС США). Фирма «Rohr Aircraft Corporation» изготовила
установку, которая производит формовку деталей диаметром
от 6,5 до 405 мм и длиной до 760 мм.
В Японии с середины 60-х годов выпуском промышленного
оборудования для электрогидравлической штамповки занимаются
фирмы «Ларах» и «Shimadzu» [24]. Краткая техническая характе-
ристика некоторых образцов оборудования фирм «Ларах» и «Shi
madzu» приведена в табл. 17.
17. Основные технические данные оборудования для электрогидравлической
штамповки фирм «Japax» и «Shimadzu» (Япония)
Показатели «Japax» «Shimadzu»
PF-50 PF-100 SHT-45 SHP-45 SHE-45
Наибольшая энер- гия в импульсе, кДж 50 100 45 45 45
Наибольшее рабо- чее напряжение, кВ 6 6 30 30 30
Габаритные разме- ры матрицы, мм . . 450Х450Х 1300Х700Х 680Х 580Х 700Х620Х 800Х 780Х
хзоо Х650 Х450 Х500 ХЗОО
Наибольшее усилие прижима, кН ... 2200 3000 1000 900 1000
Наибольшее давле- ние в гидросистеме, Па 70-Ю6 70-105 70-105 70-Ю6 70-Ю6
109
4. ВЫБОР ТИПА ОБОРУДОВАНИЯ
При выборе типа электрогидравлического оборудования для
выполнения операций обработки металлов давлением руковод-
ствуются его назначением, классификацией, основными пара-
метрами и технологическими возможностями, изложенными выше.
Электрогидравлическпе прессы и установки широко применяют
в тех отраслях промышленности, которые отличаются мелкосерий-
ным характером производства и большим разнообразием номен-
клатуры изделий. Это связано с тем, что их внедрение сокращает
объем ручного труда и снижает расходы на оснастку.
Электрогидравлическая обработка металлов давлением не
заменяет традиционных методов, а дополняет их, поэтому важно
предусмотреть при проектировании заводов и цехов сочетание
разных типов оборудования. Например, вытяжку деталей слож-
ной формы с высокими требованиями к качеству поверхности
(до 8-го класса шероховатости) целесообразно производить на
электрогидравлическом прессе, а вырубку заготовки и пробивку
отверстий несложной формы — на кривошипных прессах. На валь-
цах изгибают цилиндрическую или коническую обечайку, затем
ее сваривают, а калибровку производят на электрогидравлическом
прессе и т. п.
Опыт эксплуатации электрогидравлического оборудования для
обработаки металлов давлением показывает, что наиболее полно
его преимущества используются, когда в цехе создан участок
импульсной штамповки, где установлено электрогидравлическое
оборудование с различной запасаемой энергией, что позволяет
комплексно решить технологические задачи, комбинируя выпол-
нение различных операций, и обрабатывать одновременно широ-
кую номенклатуру деталей. Определяющим критерием выбора
того или иного электрогидравлического оборудования является
работа деформации, от которой можно перейти к необходимой
запасаемой энергии с помощью коэффициента полезного действия.
Значение КПД электрогидравлического оборудования (в %)
при выполнении различных операций приведено ниже.
Формовка, развальцовка ................................. 10 — 20
Выгяжка малогабаритных деталей закрытой камерой .... 8—15
Вытяжка крупногабаритных деталей локальным нагруже-
нием открытой камерой .................................. До 5
Вырубка, пробивка с пуансоном...................... » 10
Вырубка, пробивка без пуансона ......................... > 1
Предварительный расчет энергетических параметров для про-
цессов электрогидравлической обработки металлов давлением
с целью выбора оборудования и выполнения конкретных техно-
логических операций можно провести согласно предложенной
ниже методике.
По заданным размерам детали определяем форму и размеры
исходной заготовки. По объему материала детали и его механи-
110
ческим характеристикам можно приближенно определить энергию,
необходимую для пластической деформации заготовки:
= aV,
где V — объем деформируемого материала; а — удельная работа
деформации,
е е
а = J и de = J BeFde = д j- е“+1 .
о о
Здесь а и В — коэффициенты аппроксимации, а = In (1 + б),
В = ов (е/а)“; б — относительное удлинение; ств — предел проч-
ности; е — основание натуральных логарифмов; е — степень
деформации.
Запасаемая энергия оборудования
U7 =
Т1
где )] — КПД преобразования электрической энергии оборудова-
ния в работу пластической деформации (см. выбор КПД на стр.
ПО). Для формовки и развальцовки нижний предел значения
КПД принимается при отношении длины трубчатой заготовки
к ее диаметру LID < 1, а верхний предел — при LID 1,4.
При выборе КПД для вытяжки нижний предел его значения
принимается для деталей большего размера (до 400 мм), верхний —
для меньшего (до 150 мм).
Исходя из конкретного значения энергии, необходимой для
получения детали заданных габаритных размеров, целесообразно
выбрать оборудование, обладающее наименьшей энергией, обес-
печивающее по своим техническим возможностям изготовление
детали с заданными геометрическими параметрами и механиче-
скими характеристиками.
Например, если суммарная энергия, необходимая для получе-
ния детали, составляет 80 кДж, а в цехе имеются электрогидрав-
лические прессы с запасаемой энергией 20 и 80 кДж, размеры,
технологического пространства которых позволяют изготовить
данную деталь, экономически целесообразно штамповать эту
деталь на прессе с запасаемой энергией 20 кДж за четыре им-
пульса, так как в этом случае ниже удельные капитальные за-
траты, а производительность прессов малых энергий, как пра-
вило, выше.
Обоснованный выбор электрогидравлического оборудования
для обработки металлов давлением в сочетании с рационально
разработанным технологическим процессом при оптимальных
энергетических параметрах процесса позволяет в полной мере
использовать преимущества электрогидравлическпх прессов и
установок.
ill
5 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Из «Периодической системы» энерготипов кузнечно-прессовых
машин следует, что в восьми из пятнадцати типов машин преду-
сматривается использование импульсной энергии, в том числе
и энергии высоковольтного разряда в жидкости. В отечественном
кузнечно-штамповочном производстве применяется в основном
один из указанных энерготипов машин с использованием энергии
высоковольтного разряда в жидкости для различных операций
штамповки, чеканки, формовки, калибровки и т. п. Дальнейшее
развитие машин этого типа идет по пути повышения максималь-
ной энергии в импульсе до 315 кДж, что, по предварительным
расчетам, позволит производить штамповку плоских заготовок
размерами 3000x3000 мм, толщиной 15 мм на глубину 1000 мм
и трубчатых заготовок диаметром 3000 мм, высотой 1000 мм и тол-
щиной 15 мм.
Прогресс в развитии технологии электрогидравлической обра-
ботки зависит от возможностей, эффективности и надежности
созданного оборудования и определяется растущими потребно-
стями современной техники. В различных отраслях промышлен-
ности все чаще возникает необходимость в получении оболочек
высокого класса точности. Анализ существующей технологии
калибровки показывает малую эффективность изготовления и
низкое качество оболочек, поскольку в отдельных случаях для
крупногабаритных оболочек с внутренними ребрами жесткости
эта операция выполняется вручную. Электрогидравлическая ка-
либровка методом локального нагружения открывает широкие
возможности для получения качественных изделий. Если исход-
ные заготовки выполнены по 8—9-му классам точности, то откали-
брованные — по 4—5-му классам при высоком уровне механизации
и автоматизации процесса. Экспериментальная проверка разра-
ботанных вариантов технологии показала целесообразность ис-
пользования электрогидравлической калибровки для изготовления
оболочек диаметром 300—2000 мм, высотой 500—1100 мм и тол-
щиной 2,5—6 мм, основные размеры которых должны быть вы-
полнены по 4-му классу точности.
В химической, нефтеперерабатывающей, судостроительной и
других отраслях промышленности нашло применение крепление
труб в трубных решетках теплообменных аппаратов электроги-
дравлической развальцовки патронами разового и многократного
действия. На основе опыта электрогидравлической развальцовки
труб, а также данных по исследованиям сварки давлением, в част-
ности, с использованием импульсных нагрузок, разработан новый
способ закрепления труб сваркой импульсами давления, полу-
чаемыми при электрическом взрыве проводника. Способ применим
при толщине трубной решетки не менее 20 мм и степени перфора-
ции <р 1,8 во избежание распространения зоны пластической
деформации трубной решетки до соседних отверстий [47 ].
112
При выделении за короткий промежуток времени энергии
большой мощности под влиянием различных физико-химических
явлений сварка труб с трубной решеткой происходит на участке
10—15 мм, а па остальной глубине трубной решетки — разваль-
цовка. Сваркой импульсным нагружением могут быть изготовлены
биметаллические трубы и получены соединения труб неодинако-
вого диаметра. Процесс крепления труб в трубных решетках
теплообменных аппаратов электрогидравлической развальцовкой
и сваркой развивается по пути механизации и автоматизации
установки патронов в трубы, контроля полученных соединений
и т. п. 187J.
Актуальной задачей в промышленности является получение
деталей типа втулок, стаканов и др. из металлических, металло-
керамических и керамических порошков. Эти изделия могут
быть получены электрогидравлическим прессованием, либо путем
раздачи полых заготовок изнутри высоковольтным разрядом
между электродами, либо методом взрывающейся проволочки
и т. п. Электрогидравлическим прессованием могут быть получены
и детали типа стержней и т. п. Прессование порошков может про-
изводиться методами косвенного и непосредственного уплотнения.
При косвенном уплотнении давление передается через два пуан-
сона, приводимых в действие ударной волной. При непосредствен-
ном уплотнении давление может быть передано порошку через
эластичную пресс-форму. Наибольшая плотность, близкая к теоре-
тической, достигается при использовании метода непосредствен-
ного уплотнения.
Выполнение указанных выше операций обеспечивается на ма-
шинах, в которых используется только импульсная энергия.
Создание кузнечно-прессовых машин, использующих наряду
с энергией высоковольтного разряда в жидкости и другие виды
энергии, например, кинетическую энергию поступательного дви-
жения, кинетическую энергию вращательного движения, энергию
давления, а также различные их комбинации значительно расши-
рят возможности электрогидравлической обработки металлов
давлением. Комбинируя применение различных видов энергии,
можно получить оптимальные условия для объемного деформи-
рования металла, прессования, порошков и др.
Самым рациональным считается непрерывный технологический
процесс с автоматически повторяющимся циклом. Осуществление
такого процесса наиболее целесообразно и окупается в короткие
сроки. Но невысокая стойкость оснастки и специфика процесса
сдерживают создание электрогидроимпульсных автоматов. Все
же созданное и внедряемое в народное хозяйство оборудование
для обработки металлов давлением с использованием высоко-
вольтного разряда в жидкости предусматривает механизацию
некоторых вспомогательных операций, таких, как подача заго-
товки с матрицей в рабочее пространство, выдвижение матрицы
с обработанной деталью, выталкивание детали и т. п. Могут быть
8 Г. А- Гулый 113
использованы стандартные или специальные устройства для по-
дачи заготовок и удаления отштампованных деталей.
Дальнейшее развитие технологии и оборудования для электро-
гидравлической обработки металлов давлением направлено на
осуществление непрерывных технологических процессов с исполь-
зованием энергии высоковольтного разряда в жидкости в комби-
нации с другими видами энергии при расширении диапазона
обрабатываемых материалов и выполняемых операций.
6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Целесообразность применения технологических процессов и
оборудования с использованием высоковольтного разряда в жидко-
сти для получения изделий заданной геометрической формы и
с необходимыми механическими и физическими свойствами опре-
деляется техническими возможностями и экономической эффек-
тивностью с учетом конкретных условий производства.
Оценка экономической целесообразности производится в том
случае, когда технические требования, предъявляемые к изделию,
могут быть удовлетворены двумя или несколькими технологиче-
скими процессами. При этом производится выбор типовой детали,
наиболее полно отражающей номенклатуру продукции, намечен-
ной к обработке. Составляется описание технологической оснастки
каждого из сравниваемых процессов, определяются исходные дан-
ные для расчета.
Интересные результаты получены французским исследовате-
лем Г. Гснцем, который показал зависимость стоимости нзготов-
ленпя аналогичных деталей от про-
граммы и применяемого оборудования
(рис. 25).
Электрогидравлическая штамповка
наиболее эффективна при штамповке
деталей до 100 шт., а при штамповке
партии деталей свыше 1000 шт. стои-
мость изготовления на электрогидра-
влвческих прессах соответствует стои-
мости изготовления на механических,
по значительно меньше стоимости
штамповки взрывом. Аналогичные ре-
зультаты получены ПКБ электрогид-
равлики АН УССР и другими иссле-
дователями [96].
Исследования, проведенные в ра-
боге [9], дали возможность определить
Рис. 25. Стоимость изготов ге-
ния деталей в зависимости от
программы и
оборудования:]
применяемого
а — штамповка на механиче-
ских прессах; б — выдавлива-
ние роликом на станках; в —
штамповка взрывом; г — элек-
трогидравлическая штамповка
области эффективного использования
различных методов крепления труб
в трубных решетках теплообменных
аппаратов (рис. 26). Электрогпдравлн-
ческнй метод крепления наиболее эф-
114
20 50 40 50 б5,кгс/ммг
5)
Рис. 26. Обмети эффективного использования различных методов крепления
труб:
а — в зависимости от величины внутреннего диаметра: / — развальцовка труб ВВ;
2 — злектрогидравлпческая развальцовка; 3 — развальцовка роликами; б — в за-
висимости от механических свойств материала труб: / — развальцовка роликами;
2 — электрогидравлическая развальцовка; 3 — развальцовка труб ВВ
фективен дня труб с внутренним диаметром менее 12 мм
(рис. 26, а) и материалов с пределами текучести выше 39 кге/мм2
(рис. 26, б) [9].
При выборе технологического процесса интерес может пред-
ставлять метод по установлению границ эффективного применения
технологических процессов обработки металлов давлением, пред-
ложенный ЭНИКМАШем 191]. Для этого по деталям-представи-
телям каждого типоразмера строятся графики, отражающие
зависимость годовой программы выпуска продукции от массы
детали и стоимости материала. Построив их, можно установить,
какой технологический процесс наиболее целесообразен для дан-
ной программы и номенклатуры деталей.
Проведенные расчеты показали, что экономический эффект
от внедрения электрогидравлических процессов и установок
колеблется от 20 до 250 тыс. руб. в год. Так, внедрение электро-
гидравлического пресса «Удар-12» для изготовления стилизован-
ной посуды по сравнению с изготовлением ее на механических
прессах обеспечило экономию 35,7 тыс. руб. в год, для изготовле-
ния сувениров листовой чеканкой — 20,9 тыс. руб. в год, пресса
«Удар-11» для изготовления деталей типа днищ— 252 тыс. руб.
в год, а внедрение установки «Молнпя-бу» для развальцовки
трубных соединений теплообменных аппаратов атомных электро-
станций взамен механической развальцовки—46,2 тыс. руб.
в год.
8* 115
Глава VII
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ
I. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Преимущества обработки металлов давлением с использова-
нием энергии высоковольтного разряда в жидкости убедительно
показали целесообразность создания ряда электрогидравлических
прессов и установок для обработки металлов давлением [49, 72].
Из упрощенной принципиальной электрической схемы
(рис. 27) видно, что электрогидравлические прессы и установки
в качестве основных элементов включают: повышающий транс-
форматор Тр, высоковольтный выпрямитель В, импульсный кон-
денсатор пли батарею конденсаторов С, разрядник Р и элек-
троды Э.
Все эти элементы, кроме электродов, совмещены в одном агре-
гате-генераторе импульсных токов, предназначенном для генери-
рования высоковольтных импульсов и передачи их на электроды
для совершения работы деформации. Генераторы выполняются
универсальными и могут быть использованы в сочетании с тех-
нологическими узлами различного назначения, например, дня
штамповки и развальцовки [49], калибровки и сварки и т. п.
Технологический узел является основной частью пресса,
в котором совершается работа деформации. Он включает техно-
логическую оснастку, универсальную разрядную камеру с элек-
тродами, систему водоснабжения с указателем наличия воды,
масляную систему с гидроагрегатом, механизмы прижима, пере-
мещения оснастки и т. п.
Большое влияние на эффективность использования энергии
разряда оказывает взаимное расположение разрядной камеры и
матрицы (рис. 28).
Наиболее простой вариант расположения разрядной камеры
и матрицы для листовой штамповки показан на схеме А. Эгот
116
вариант с открытой разрядной
камерой отличается низкой эф-
фективностью процесса.
Варианты Б—Г имеют ми-
нимально возможные размеры
разрядной камеры. В вариан-
те В разрядная камера рас-
положена внизу, а матрица на-
ходится над камерой. Это улуч-
шает условия] укладки заго-
Рис. 27. Принципиальная электриче-
ская схема электрогидравлических уста-
новок обработки металлов давлением
товки и съема готового изделия,
а также позволяет использо-
вать энергию газового пузыря.
Невозможность полного удале-
ния воздуха из разрядной камеры до недавнего времени счи-
талось существенным недостатком этого варианта. Но иссле-
дования фирмы «Ларах» [241 показали, что наличие воздушной
полости под заготовкой не уменьшает эффективность использо-
вания энергии разряда.
При раздаче заготовок трубчатой формы обычно применяют
разъемные матрицы. Наиболее простым является вариант, иока-
Рис. 28. Варианты
взаимного расположе-
ния матрицы (а) и
разрядной камеры (б)
117
занный по схеме Д, когда матрица устанавливается в конусное
гнездо контейнера. В этом варианте затруднена установка заго-
товки и съем готовой детали. В настоящее время почти па всех
машинах для раздачи трубчатых заготовок зарубежного произ-
водства применяется оснастка по варианту Е. На машинах отече-
ственного производства с целью снижения шума и повышения
эффективности штамповки и калибровки используют разрядные
камеры закрытого типа. Если же технология штамповки преду-
сматривает осевой подпор, то разрядную камеру располагают
по варианту 3.
Независимо от выбранного варианта расположения камеры
и матрицы для облегчения деформирования и прилегания мате-
риала заготовки к матрице воздух между заготовкой и матрицей
должен быть удален. С этой целью в матрицах предусматриваются
отверстия для выхода воздуха, а при больших объемах на уста-
новках для штамповки крупногабаритных деталей — системы
вакуумирования. Системы управ тения электрогидравлических
прессов и установок, включающие щиты н пульты, компонуются
с ними совместно или отдельно в зависимости от общей компо-
новки.
Прессы малых энергий компонуются в едином агрегате, со-
стоящем из трех блоков, как например, «Удар-12», Т1220, или
отдельно с переносным пультом, как например, «Удар-20с»,
«Удар-20м» и др. Установки для штамповки крупногабаритных
деталей, развальцовки и сварки компонуются из отдельных бло-
ков, размещаемых в специальных помещениях, как например,
«Удар-11», «Молнпя-бу», «Молния-8», «Молния-9» и др.
2. УСТАНОВКИ ДЛЯ ШТАМПОВКИ И КАЛИБРОВКИ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Преобладающее большинство электрогидравлических устано-
вок для штамповки крупногабаритных деталей представляет
собой комплекс, состоящий из трех узлов: технологического
блока, генератора импульсных токов н системы управления.
В таких установках органы управления вынесены в звукоизоли-
рованную кабину оператора.
Отличительной особенностью установок зарубежных фирм
является расположение пульта управления в непосредственной
близости от установки [130, 131]. Эго значительно ухудшает
условия эксплуатации установки, так как операторы подверг-
нуты значительным звуковым нагрузкам и не исключена возмож-
ность воздействия электромагнитных полей высокой напряжен-
ности. Расположение узлов в установках подчинено требованиям
обеспечения максимального КПД, созданию удобства обслужи-
вания и соблюдения техники безопасности (рис. 29).
Большинство установок отличается единством конструктив-
ного исполнения и компактным расположением узлов (рис. 30).
118
18200
Рис. 29. Планировка расположения электрогидравлической
установки «Удар-11»:
1 — рабочее помещение; II — пультовая; III — помешен ие высо-
ковольтного оборудования; / — технологический узел; 2 — место
хранения отштампованных деталей; 3 — стеллаж для хранения за-
готовок; 4 — силовой щит; Б — пульт управления; 6 — выпрями-
тель-трансформатор; 7 — разрядник; 8 — батарея конденсаторов
По внешнему виду технологические блоки установок все больше
приближаются к традиционным конструкциям кузнечно-прес-
сового оборудования. Так, технологические блоки установок
«Удар-14» (рис. 30, а), «Удар-16к», разработанные ПКБ электро-
гидравлики, PF-50, PF-100 фирмы «Ларах» (Япония), установки
компании «Cincinnati Shaper Со» (США) (рис. 31) представляют
Рис. 30. Установки для штамповки и калибровки:
а—«Удар-14» для калибровки деталей диаметром до 2000 мм, высотой 1100 мм; б—
«Удар-11»—для^щтамповки сферических днищ диаметром 2000 мм, глубиной 600 мм
119
собой вертикальные прессы со станинами колонного типа. Зна-
чительное число моделей машин имеют С-образную станину.
Установки для штамповки и калибровки деталей диаметром более
1,5 м имеют станины рамного типа (рис. 30, б).
При использовании локального метода нагружения технологи-
ческий блок содержит механизм перемещения электрода. Основной
частью технологического блока является рабочая емкость, обра-
зуемая разрядной камерой, оснасткой и обрабатываемой деталью,
установленной в нее. В зависимости от того, герметизируется
разрядная камера во время разряда или нет, различают две
группы камер: закрытые и открытые. Первые обычно представ-
ляют собой сварную конструкцию. Такие камеры просты и де-
шевы в изготовлении. Прочность и долговечность их обеспечи-
вается простыми конструктивными решениями. Основным недо-
статком этих камер можно считать большие потери энергии, что
значительно снижает общий КПД установки.
Применение камер закрытого типа повышает КПД установки
до 10—20%. Повышение КПД становится особенно важным для
установок с большой запасае-
мои энергией, у которых потери
энергии при низком КПД соста-
вляют согни килоджоулей. Исполь-
Рис. 32. Схема технологического
узла электрогидравлической уста-
новки «Удар-14»
Рис. 31. Установка компании «Ci-
ncinnati Shaper Со» (США)
120
зование разрядных Камер
закрытого типа ограничено
из-за сложности их изго-
товления и большой ме-
таллоемкости, а также не-
обходимости применения
специальных мер по обес-
печению герметичности,
что в свою очередь предъя-
вляет повышенные требо-
вания к жесткости станин
установок и т. п.
Закрытие оснастки на
установках «Удар-11» (см.
рис. 30, 6), «Удар-14»
(рис. 32), «Удар-16к» осу-
ществляется непосредст-
венно гидроцилиндрами.
В зависимости от це-
лен штамповки, размеров
и формы заготовок при-
Рис. 33. Схема технологического узла электро-
гидравлической установки «Удар-1м»
меняют различные по кон-
струкции и расположению
электроды. В конструк-
циях установок для штамповки и калибровки крупногабаритных
деталей методом локального нагружения применяют различные
варианты механизмов перемещения электродов.
Интересным примером использования метода локального на-
гружения может служить электрогидравлическая установка
«Удар-1м» (рис. 33), предназначенная для штамповки стальных
полупанелей пластинчатых теплообменников. Установка имеет
подвижную разрядную камеру, которая может перемещаться
по заранее заданной программе или же по команде, подаваемой
с пульта управления. Наибольшие размеры обрабатываемых
панелей 2500x1250x2,5 мм. Эта установка проста, удобна в экс-
плуатации и заменяет дорогостоящий пресс усилием 12 000 кН.
На большинстве установок для штамповки и калибровки круп-
ногабаритных деталей из-за большой массы и больших габаритных
размеров обрабатываемых деталей и оснастки применяют меха-
низмы выталкивания, перемещения и съема деталей и оснастки.
В качестве приводов этих механизмов обычно используют гидро-
цилиндры. Для обеспечения работы гидроприводов и управления
ими в технологический блок включают масляные системы и гидро-
агрегаты.
В отечественных установках для штамповки и калибровки
крупногабаритных деталей в качестве рабочей среды используется
вода, в промышленных установках фирмы «Ларах» (Япония) —
масло [24].
121
з. прессы малых Энергий
К прессам малых энергий могут быть отнесены прессы с запа-
саемой энергией до 45 кДж. Из созданных в Советском Союзе
элсктрогпдравлпческих прессов и установок к прессам и уста-
новкам малых энергий могут быть отнесены «Молния-3» [49],
«Удар-5», «Удар-12» [96], Т1220 («Удар-12м»), «Удар-20»,
«Удар-20м», Т1223, «Удар-20с», Т1225 и др. Из них прессы: Т1220,
Т1223 и Т1225 приняты к серийному производству.
Из зарубежных установок наибольший интерес представляют
прессы, созданные в Японии. Фирма «Shimadzu» выпускает гамму
машин с запасаемой энергией до 45 кДж и рабочим напряжением
до 30 кВ. В таких машинах используется один итог же генератор
124]. Прессы этой фирмы поставляются на экспорт.
Фирма «Rohr» (США) изготовляет установки с четырьмя
уровнями энергии ог 14,4 до 57,6 кДж.
В Англин работают преимущественно установки с запасаемой
энергией до 20 кДж. Фирма «Vickers» создала ряд электрогидрав-
лических прессов с запасаемой энергией от 10 до 100 кДж [118,
120].
Технологический узел прессов малых энергий состоит из
пресса, рабочей камеры, системы подачи воды. Энергетическая
часть состоит из генератора импульсных токов, системы управле-
ния и блокировок. Для линии передач энергии применяется
коаксиальный кабель. В качестве рабочей жидкости в основном
используется вода. Прессы построены на единой конструктивной
схеме— станина преимущественно четырехколонного типа. Зажа-
тие оснастки и прижим заготовки к матрице осуществляются
гидроцилиндром. Многие прессы, кроме того, снабжены клиноры-
чажным механизмом, надежно запирающим оснастку и предохра-
няющим ее от раскрытия в момент разряда. Для подачи оснастки
в рабочую зону и обратно в зону обслуживания прессы снабжены
специальными механизмами. Разрядная камера закрытого типа
располагается преимущественно вверху.
Созданные в ПКБ электрогидравлики прессы на 10, 20 кДж,
входящие в типоразмерный ряд, имеют генераторы импульсных
токов, комплектуемые одним типом импульсных конденсаторов
емкостью 200 мкФ п напряжением 10 кВ. В машинах этой группы
элементы конструкции технологического узла изменяются в зави-
симости от их назначения. Энергия разряда регулируется путем
изменения напряжения в диапазоне 5—10 кВ. Эти прессы состоят
из трех автономных блоков: технологического, силового и блока
управления, расположенных или на общей раме, как на прессе
«Удар-12» (рис. 34), пли отдельно, как на прессах «Удар-20с»
(рис. 35) и Т1223 (рис. 36). Установка блоков в цехе не требует
фундаментов и каких-либо ограждений. Управление прессом
«Удар-12» осуществляется с пульта управления, являющегося
частью блока управления. Для улучшения условий труда на
122
Рис. 34. Пресс <аУдар-12у>
Рис. 35. Пресс ”Удар-20си
прессах Т1223, «Удар-20с» и др. пульт управления выполнен
автономным, переносным. Электрическая связь между блоками
осуществляется одним кабелем. Для линии передачи энергии
используется коаксиальный кабель. В качестве рабочей жидкости
служит вода.
Технологические узлы прессов (рис. 37) имеют единое кон-
структивное исполнение — четырехколонного типа — и состоят
из стола, четырех колонн, неподвижной и двух подвижных тра-
Рис. 36. Электрогидроимпульсный пресс Т1223
123
вере, механизма прижима и перемещения
оснастки, гидроагрегата, механизма подъе-
ма стекла, кожуха. Стол 9, колонны 7 и
верхняя неподвижная траверса 3 образуют
жесткую раму, несущую основную на-
грузку при работе пресса. Зажатие осна-
стки 8 и прижим заготовки осущест-
вляется силовым гидроцилиндром 1 с по-
мощью клинорычажного механизма (2, 4).
Механизм прижима компактный и бы-
стродействующий, имеет достаточно боль-
шой ход—- 90—150 мм, обладает большой
жесткостью и имеет фиксирующее устрой-
ство. Раскрытие оснастки производится
подъемом разрядной камеры при помощи
силового гидроцилиндра 1.
При использовании тяжелой оснастки
для механизации технологических про-
цессов, а также для повышения произво-
дительности труда на прессе «Удар-20с»
введен оригинальный механизм раскрытия
оснастки, являющийся элементом пресса.
Он состоит из двух частей. Каждая часть
Рис. 37. Схема технологи-
ческого узла пресса малых
энергий
перемещает одну полуматрицу. Для выдвижения матрицы из
рабочей зоны в зону обслуживания и обратно служит плита 10.
(На прессе «Удар-12м» подвижная плита 10 имеет эксцентрично
расположенную ось вращения и перемещается по дуге окруж-
ности на поверхности стола). Перемещение матрицы и заготовки
осуществляется подвижной плитой, совершающей возвратно-по-
ступательное движение.
Все технологические операции выполняются с помощью техно-
логической оснастки, состоящей в основном из разрядной камеры и
матрицы. Последняя крепится к столу пресса, камера — к ниж-
ней подвижной траверсе. В зависимости от высоты применяемой
оснастки положение подвижной траверсы 5 может изменяться
при помощи винта 6. С целью механизации его вращения приме-
нен гидромотор с червячной передачей. Имеется запасной ручной
привод червячной пары.
Для обеспечения возможности формовки высоких деталей в
конструкцию технологического узла введен механизм переме-
щения электрода с приводом от гидроцилиндра. Электрод, разме-
щаясь внутри заготовки, имеет возможность перемещаться по
вертикали как во время наладки, так и в процессе рабочего цикла.
Положение электрода в любой момент перемещения определяется
при помощи специального указателя, имеющего с ним гибкую
связь. Источником энергии всех исполнительных гидроприводов
в технологическом узле служит гидроагрегат, расположенный
внутри стола. С целью обеспечения удобств монтажных и ремонт-
124
ных работ гидроагрегат пресса имеет возможность выдвигаться
вокруг осевого шарнира, расположенного на боковой стенке
стола. При этом все элементы гидроагрегата могут продолжать
выполнять свои функции, так как никаких отключений систем
не производится.
Для быстрого заполнения водой больших объемов разрядной
камеры применяется насос и водяная система. Насос распола-
гается в столе пресса вместе с гидроагрегатом. Кожух, представ-
ляющий собой сварную тонколистовую конструкцию и защитное
стекло, перемещающееся в его направляющих, изолирует рабочую
зону пресса. При поднятой разрядной камере стекло также нахо-
дится в крайнем верхнем положении и с помощью микропереклю-
чателя блокирует возможность включения генератора.
Прессы малых энергий находят наиболее широкое применение
в различных отраслях промышленности благодаря невысокой
стоимости, простоте обслуживания, возможности размещения
непосредственно в цехах при одновременном обеспечении высо-
кого качества и точности обрабатываемых изделий.
4. УСТАНОВКИ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБ
В ТРУБНЫХ РЕШЕТКАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Установки для крепления труб в трубных решетках тепло-
обменных аппаратов компонуются из отдельных взаимосвязанных
узлов. Для передачи электрической энергии от генератора к
рабочему инструменту служит технологический узел, а управле-
ние всеми операциями установок осуществляется дистанционно
с пульта управления [105]. Размещенные в нем элементы системы
при работе в автоматическом режиме обеспечивают перемещение
электрода по рядам отверстий в трубной решетке и подачу накоп-
ленной энергии на патрон.
Первая экспериментальная установка «Молния-1», предназна-
ченная для крепления мельхиоровых и медных труб диаметром
от 5 до 12 мм, внедрена в промышленность в 1962 г. Несколько
позднее была внедрена установка «Молния-3» [105]. Она обеспе-
чивала крепление медных, латунных и стальных труб диаметром
до 16 мм. При диаметре труб 16 мм наибольшая длина крепления
достигала 43 мм при производительности 150—180 соединений
в час.
Для крепления труб в плоских трубных решетках теплообмен-
ных аппаратов предназначена электрогидравлическая установка
«Молния-5». Она обеспечивает крепление труб из титана, меди
и их сплавов, а также различных сталей. Максимальная длина
крепления при диаметре труб 22 мм — 120 мм, производитель-
ность — до 200 соединений в час. Схема технологического узла
установки приведена на рис. 38. Отличительной особенностью
конструкции его является наличие пневматического механизма
перемещения электрода.
125
Рис. 38. Схема технологического
узла установки «Молния-5» с пнев-
Рис. 39. Технологический узел уста-
новки Т0223
матическим механизмом перемеще-
ния электрода:
I — электрод; 2 — механизм верти-
кального перемещения; 3 — механизм
горизонтального перемещения
Позднее созданы установки
для крепления труб в плоских
трубных решетках: «Молния-
6у», «Молния-8», Т0223, «Мол-
ння-9». Установка Т0223 принята к серийному производству. При-
воды и кабельные линии этих установок закрыты кожухами. Для
повышения точности регулирования шага электрода на приводах
вертикального и горизонтального перемещения электрода уста-
новлены тормозные устройства (рис. 39). В установках типа
«Молния-бу» применяется следящая система, служащая для
наблюдения за положением электрода и его перемещением в пло-
скости трубной решетки. В качестве следящей системы использу-
ется электромеханическое устройство, дублирующее в масштабе
перемещение электрода по планшету с изображением трубной
решетки. В установке Т0223 следящая система заменена телеви-
зионной установкой (рис. 40, 41).
Электрогидравлическая установка «Молиия-9» предназначена
для крепления труб развальцовкой и сваркой. Она состоит из
технологического узла установки «Молния-бу» и генератора с
энергией в импульсе 40 кДж. С целью предотвращения разлета
продуктов взрыва в момент разряда н загрязнения соседних
соединений электродный узел установки «Молния-9» выполнен
специальным с предохранительным устройством.
126
Рис. 40. Типовая планировка расположения установки Т0223'.
I — рабочее помещение; II — пультовая; III — помещение высоко-
вольтного оборудования; I — технологический узел; 2 — система
автоматического управления; 3 — генератор импульсов токов
Рис. 41. Пультовые установки Т0223 с телевизионной уста-
новкой
5. РАЗРЯДНЫЕ КАМЕРЫ
Разрядная камера — это основная часть электрогидравли-
ческого пресса в которой происходит процесс электрического
высоковольтного разряда в жидкой среде, совершающей работу
деформации. Разрядная камера (рис. 42) заполняется водой. Она
включает электрод, состоящий из металлического стержня /,
полиэтиленового изолятора 2 и собственно камеру 3. Установлено,
что эффективность процессов электрогидравлической обработки
металлов давлением (величина КПД) зависит от формы и разме-
ров разрядной камеры, ее взаимного расположения по отношению
к деформируемой заготовке.' В связи с этим при выборе конструк-
ции разрядной камеры необходимо, чтобы она обеспечивала вы-
сокий коэффициент преобразования энергии в работу пласти-
ческой деформации; минимальные затраты по времени на сборку,
установку и наладку. Применяемые типовые схемы разрядных
камер можно классифицировать по конструктивному признаку
(схема I).
С внутренним
расположе-
нием
электродов
С продольным
разрядом
С наружным
расположе-
нием
электродов
С поперечным
разрядом
Схема 1. Классификация разрядных камер электрогидравлических прессов
128
Разрядные камеры можно раз-
делить па две большие группы:
I — закрытые; II — открытые.
Пробой может осуществляться
как через разрядный промежу-
ток, так и через инициирующую
проволочку. Каждая группа камер
состоит из отдельных подгрупп
в зависимости от конструктивных
особенностей и системы элек-
трод — разрядная камера.
Закрытые камеры характери-
зуются небольшим, по сравнению
с открытой камерой, объемом
жидкости. Разряд через разрядный
промежуток, как правило, осуществляется между двумя электро-
дами (рис. 43, а, б) или между одним электродом и корпусом
камеры или оснастки (рис. 43, в, г). Разряд через инициатор
может осуществляться как между неподвижными электродами
(рис. 43, ж, з, л, м), так и между элементами подвижного элек-
трода (рис. 43, д, е, и, к).
Среди схем с закрытой камерой и неподвижными электродами,
при всех прочих равных условиях более высокую эффективность
обеспечивает камера с разрядом (рис. 43, г), параллельным пло-
скости заготовки. В схемах с закрытой камерой и пробоем через
инициатор (рис. 43, д, е, ж, з) наиболее часто используется под-
вижный электрод и осуществляется автоматическая подача про-
волочки. Подвижный электрод, применяемый при использовании
метода локальных нагружений, предусматривает приближение
зоны разряда к любой заданной точке рабочего объема и поэтому
позволяет изготовлять детали больших размеров. Автоматическая
подача проволочки в зону разряда позволяет осуществлять про-
цесс деформирования заготовки непрерывно.
Открытая камера, хотя она проще и дешевле, применяется
реже. Среди камер этой группы наиболее часто используется
камера с подвижным электродом и автоматической подачей про-
волочки (рис. 43, и).
Формы разрядных камер определяются с одной стороны типом
п формой электродов, а с другой — условиями эффективной
передачи энергии заготовке. В качестве материала разрядных
камер применяется сталь 45 или сталь Ст.З с твердостью рабочей
поверхности HRC 32—45 (табл. 18). Обработка рабочей поверх-
ности разрядной камеры для изготовления деталей из плоских
заготовок должна быть не ниже 4-го класса шероховатости, за
исключением поверхности, соприкасающейся с заготовкой, кото-
рую обрабатывают до 10-го класса для лучшей вытяжки заготовки
из-под фланца.
9 Г. А. Гулый 129
I
18. Характеристики закрытых конструкций разрядных камер
некоторых электрогидравлических прессов и установок
Оборудование Энергия в им- пульсе. кДж Внутренние размеры камеры, мм Материал камеры при твердости рабочей поверхности HRC 32—45 Мини- мальная толщина стенки камеры, мм
Диаметр Высота
«Удар-12» .... 10 80/130 30 Сталь: 45 50
«Удар-20» . . 20 80/120 45/300 80/70 35 25 37 45 СтЗ 45 25 52
«Удар 16к» 80 40/800 530 35Л 100
«Удар-14» 150 1050/1700 900 35J1 150
«Удар-11» * 150 1750 350 35Л 150
* Открытая конструкция разрядной камеры
При изготовлении деталей из пространственных заготовок
разрядная камера может быть одновременно и матрицей, поэтому
к ней предъявляются такие же требования, как и к матрицам,
о которых будет сказано ниже. В самой верхней части разрядной
камеры предусматривается отверстие диаметром 4—5 мм для
выхода из камеры при заполнении ее водой. Вода поступает в
камеру через отверстие, которое должно быть расположено в са-
мой нижней ее части. Для обеспечения герметичности на поверх-
ности заготовки в месте ее соприкосновения с разрядной камерой
в последней предусматриваются уплотнительные канавки. Уплот-
нение должно быть выполнено надежным, не дающим течи на
протяжении всего времени работы.
Электрогидравлические прессы, выпускаемые серийно, постав-
ляются с универсальными разрядными камерами.
6. ЭЛЕКТРОДЫ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ их стойкости
Одним из важных элементов, входящих в разрядный контур
электрогидравлической установки, является электрод. Различное
расположение электродов в разрядной камере и методы иницииро-
вания пробоя межэлектродного промежутка позволил создать
целый ряд различных способов и устройств для обработки метал-
лов давлением с помощью высоковольтных электрических разря-
дов в жидкости.
Электроды, предназначенные для работы в условиях пробоя
разрядного промежутка, имеют сравнительно простую конструк-
цию. Но при этом потери энергии в период формирования пробоя
могут быть значительными (20—60%) и, кроме того, с помощью
9* 131
Рис. 44. Конструктивная схема элек-
тродной системы с разрядным проме-
жутком
таких электродов не всегда
представляется возможным
обеспечить оптимальные усло-
вия выделения энергии в ка-
нал разряда. В связи с этим
широкое распространение по-
лучают электроды, в которых
инициирование разряда осу-
ществляется с помощью взры-
вающихся проволочек [107].
Это позволяет свести потери
энергии в период формирова-
ния пробоя к минимуму. Од-
нако такие электродные систе-
мы более громоздки, требуют
оснащения их соответствую-
щими устройствами и механиз-
мами для периодической по-
дачи взрывающейся прово-
лочки.
Электроды должны обеспечи-
вать герметичность в местах их
ввода в разрядные камеры, что
обусловливает свои требования
к техническим характеристикам изоляции электродов и конструк-
тивному их исполнению. Для примера рассмотрим конструкцию
электродной системы, применяемой в установках типа «Удар-12»
и «Удар-20» в закрытых разрядных камерах (рис. 44). Приведен-
ная система рассчитана на обеспечение пробоя разрядного про-
межутка. Он осуществляется между насадкой 5 токопроводящего
стержня положительного электрода 1 и элементом конструкции
рабочей камеры 6. Изоляция токопровода 2 и токопроводящего
стержня электрода 4 выполнена из полиэтилена и имеет в своей
нижней части зазор 3, заполняемый водой и исключающий воз-
можность развития разряда по поверхности изоляции. По мере
эрозионного износа насадки 5 увеличивается межэлектродное
расстояние, что приводит к нестабильности разрядов. В резуль-
тате этого насадку необходимо периодически заменять. Такие элек-
троды позволяют приблизить разрядный промежуток к обрабаты-
ваемой поверхности. Однако стойкость их низкая и не превышает
2000—4000 импульсов, а потери энергии в период формирования
пробоя значительны. Так, при напряжении 10 кВ они достигают
50%.
Оптимальное значение длины разрядного промежутка, обеспе-
чивающее минимальные потери, может быть определено из выра-
жения
/опт= 1,14- ИГ377О УЬС,
132
а оптимальные значения длины и диаметра взрывающейся про-
волочки, исходя из особенностей взрыва проводников, могут
быть найдены из выражений
lotlT=2-W-3U0VLC-,
г _ 2 15 (____________—_________\ 4
•опт Zap0 (гпл + ги) ) ’
где Uo — напряжение на конденсаторной батарее к началу раз-
ряда; U70 — энергия, запасенная конденсаторной батареей;
z = — полное (характеристическое) сопротивление раз-
рядной цепи; о — удельная электропроводность материала про-
волочки; р(| — плотность материала проволочки; L, С — индук-
тивность и емкость разрядной цепи; гпл — удельная теплота
плавления материала проволочки; г„ — удельная теплота паро-
образования.
В каждом конкретном случае значение величины разрядного
промежутка может быть принято от 10 до 25 мм и должно быть
уточнено в зависимости от удельного сопротивления воды и пара-
метров разрядного контура (Uo, С, L). Если удельное сопротив-
ление воды меньше 15 Ом м, то величина разрядного промежутка
принимается ближе к нижнему пределу. Целесообразно обеспечить
возможность регулировки разрядного промежутка. Расстояние
между открытыми металлическими частями токовода, электрода,
оснастки или пресса принимается в 2—5 раз больше, чем макси-
мальная длина разрядного промежутка.
В электрогидравлических установках с энергией в импульсе
80 кДж и более находит практическое применение инициирование
взрывающейся проволочкой. Для ряда установок по штамповке,
исходя из их конструктивных и технологических особенностей,
могут быть рекомендованы параметры взрывающихся стальных и
алюминиевых проволочек, приведенные ниже.
Диаметр проволочки,
мм....................... 10
Длина проволочки мм 35 — 40
Запасаемая энергия
в импульсе 11%. кДж 10
Напряжение Щ. кВ 10
1.2
40 — 60
20
10
1.5
50—80
40
10
12
100 — 180
40
50
1.5
150 — 200
80
50
1.8
180 — 250
160
50
Их диаметры выбраны в соответствии с ГОСТ 2771—57 для
стальных проволочек и ГОСТ 6132—71 — для алюминиевых.
При изготовлении рабочей части электрода, например из стали
Ст.З или стали 45, могут быть рекомендованы длина выступаю-
щей части при двухэлектродной системе не менее 12—15 мм и
диаметр не менее 8—10 мм.
Практика показывает, что наиболее часто выходит из строя
электрод. Это приводит к цикличности работы установки. Вопросы
133
Рис. 45. Характер разрушения изоляторов. Начальная стадия разруше-
ния — образование углеродистых дорожек
повышения стойкости электродов и уменьшения потерь рабочего
времени, связанного с заменой электрода, в СССР и за рубежом
решаются несколькими путями: а) увеличением стойкости элек-
трода в результате применения новых материалов й конструкций;
б) уменьшением времени замены электрода при низкой его стой-
кости (не превышающей 600 имп.); в) применением инициирован-
ного разряда; г) использованием рабочих сред, увеличивающих
срок службы электрода и т. п.
Наиболее распространенными в настоящее время для уста-
новок с запасаемой энергией до 20 кДж являются два первых
направления. Применение инициированного разряда при всех его
преимуществах перед пробоем разрядного промежутка сдержи-
вается из-за отсутствия компактного и достаточно падежного
механизма автоматической подачи инициатора. Инициирование
рационально применять на установках с запасаемой энергией
более 80 кДж.
Стойкость полиэтиленовых изоляторов электродов на прессах
«Удар-12» при напряжении 10 кВ, емкости конденсатора 200 мкФ
и'индуктивности разрядного контура 1,6 мкГ была невысокой.
Характер разрушения таких изоляторов показан на рис. 45.
Применение изолятора с водяным зазором возле токоведущего
стержня обеспечило повышение стойкости в 8—10 раз. Повреж-
дения такого изолятора после 5000 импульсов выражены слабо
(рис. 46).
Поскольку ни одно из выше перечисленных направлений не
может полностью исключить выход электрода из строя, то вопросы
стойкости его остаются актуальными и в настоящее время.
Значительно увеличить стойкость токоведущего стержня и
изолятора электрода можно при создании новых материалов и
применении существующих, обладающих высокой эрозионной
стойкостью и диэлектрической прочностью.
134
Рис. 46. Изолятор электрода с водным зазором:
а — после 5000 импульсов (следы углеродистых дорожек слабо выражены; механиче-
ские повреждения поверхности изолятора незначительны); б — до установки; в — после
разрушения
7. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРИЖИМА ОСНАСТКИ И ЗАГОТОВОК
Для предотвращения процесса складкообразования при вы-
тяжке деталей из листовых заготовок и для герметизации разряд-
ной камеры при формовке электрогидравлические прессы снаб-
жаются механизмами прижима. При высокоскоростном импульс-
ном деформировании, в частности при электрогидравлической
штамповке, усилия прижима требуются более высокие, чем при
обычной штамповке.
Известны различные конструкции механизмов прижима: бол-
товые, клиновые, рычажные, гидравлические, пневматические и
и др. Все они обладают рядом существенных недостатков: большим
временем прижима, громоздкостью, недостаточностью развивае-
мых усилий, малым ходом прижимной плиты, сложностью регули-
ровки усилия прижима и т. п. Применение таких механизмов су-
щественно ограничивает технологические возможности электро-
гидравлических прессов.
Наиболее широкое применение в прессах последних моделей
нашли гидравлические и клинорычажные механизмы прижима.
Основным недостатком гидравлического механизма прижима
является увеличение зазоров между прижимной плитой и матри-
цей при высоких импульсных давлениях в разрядной камере из-за
упругих деформаций элементов механизма прижима, а также
сжатия самой жидкости в гидросистеме. Величиной этого зазора
обусловливается складкообразование на фланце, препятствующее
нормальному протеканию процесса вытяжки и нередко приводя-
щее к браку деталей. Экспериментальные работы показали, что
оптимальным можно считать зазор в пределах 1,1—1,2 толщины
135
заготовки. Что совпадает с данными, приведенными Г. Д. Сквор-
цовым и Н. В. Потекушиным.
Увеличение зазора при импульсном воздействии на разрядную
камеру можно рассчитать анологично С. Г. Гурвичу, Г. А. Илья-
шенко и С, X. Свириденко, исходя из упругой деформации эле-
ментов конструкции и сжатия жидкости в гидросистеме. По-
скольку импульс давления в разрядной камере более чем на поря-
док превосходит давление, развиваемое в гидроцилиндре, увели-
чение зазора между прижимным кольцом и матрицей достигает
значений, приближающихся к толщине заготовки и намного пре-
вышающих оптимальный зазор.
Этого недостатка лишены клинорычажные прижимные устрой-
ства с гидроприводом (см. рис. 37). Обладая всеми положитель-
ными свойствами гидропривода, гидромеханические устройства
имеют ряд преимуществ: получение больших выигрышей в уси-
лии по сравнению с ведущим звеном, что позволяет работать при
давлениях, значительно меньших, чем в гидравлических прижи-
мах, большую жесткость; малые габаритные размеры. Так как уве-
личение зазора между матрицей и разрядной камерой при разряде
в этом случае зависит только от жесткости самой конструкции, то,
как показывают расчетные данные, хорошо согласующие с экспе-
риментальными, возникающий дополнительный зазор на порядок
меньше, чем в гидравлическом механизме прижима, и находится
в пределах оптимального.
Отмеченное преимущество служит основанием для предпочти-
тельного выбора клинорычажных механизмов прижима электро-
гидравлических прессов.
8 МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Механизмы перемещения электродов. При общем нагружении
заготовок возможности электрогидравлических установок в на-
стоящее время ограничены и не обеспечивают обработку крупно-
габаритных деталей и выполнение повышенных требований к их
качеству. В связи с этим широкое применение находит метод
локального нагружения, предусматривающий приближение зоны
разряда к заданной точке обрабатываемой заготовки, в результате
чего более эффективно используется энергия, выделяемая при
высоковольтном заряде в жидкости. Для осуществления этого
метода в технологических узлах электрогидравлических установок
предусматриваются механизмы перемещения электродов.
Они бывают двух видов: а) механизмы, обеспечивающие вза-
имно перпендикулярные линейные перемещения; б) механизмы,
обеспечивающие наклон, вращение и осевое перемещение.
Первый вид применяют в электрогидравлических установках
горизонтального («Удар-1м») и вертикального (типа «Молния»)
исполнения технологического узла. Второй вид используют в
электрогидравлических установках для штамповки и калибровки
136
Рис. 47. Схема механизма перемещения электрода электрогидравли-
ческой установки «Удар-1м»:
1 — каретка; 2 — разрядная камера; 3 — электрод; 4 — продольные на-
правляющие; 5. 6 — приводы; 7, 9 — винты; 8, 10 — гайки; 11 — попереч-
ные направляющие; 12 — конические пары; 13 — валик
крупногабаритных осесимметричных /деталей («Удар-7ж»,
«Удар-11» и др.).
При обработке крупногабаритных деталей типа панель с
фигурным расположением профильных каналов на электрогидрав-
лнческой установке «Удар-1 м» с запасаемой энергией 12,5 кДж
электрод перемещается по заданной траектории с помощью ме-
ханизма перемещения электрода во взаимно перепендикулярных
направлениях (рис. 47). Совмещение движений обеспечивает воз-
можность перемещения электрода по любой траектории в преде-
лах заданной площади матрицы. Максимальное продольное пере-
мещение — 2500 мм, поперечное 1250 мм.
Как было уже сказано, для крепления в теплообменных аппа-
ратах применяют электрогидравлические установки типа «Мол-
ния» с механизмами перемещения электродов во взаимно пер-
пендикулярных направлениях в вертикальной плоскости. В ме-
ханизмах перемещения электродов электрогидравлических уста-
новок «Молния-бу» (рис. 48), «Молния-8» и Т0223 (см. рис. 39)
вертикальный и горизонтальный ход электродов составляет
1500 мм.
Эти механизмы представляют собой подвижное основание 1,
движущееся по горизонтальным направляющим 11. На нем
крепится вертикальная колонна 3, по которой перемещается
электрод 4 с узлом крепления 5. Основание 1 движется по направ-
ляющим с помощью электродвигателя 6. Последний через чер-
вячный редуктор 7 передает вращение на ходовой винт 8. Верти-
кальное перемещение электрода 4 с узлом крепления 5 осуществ-
ит
Рис. 48. Схема механизма перемещения электрода
установки «Молния-бул
ляется с помощью электродвигателя 9, который через червячный
редуктор 10 передает вращение на винт 2.
Штамповка деталей с применением механизмов второго вида
осуществляется путем перемещения электродов по концентричес-
ким окружностям от периферии к центру заготовки. При этом
в процессе деформирования оптимальное расстояние от электрода
до заготовки автоматически поддерживается постоянным. При
осуществлении предложенного способа штамповки предлагается
выбирать радиусы обхода по следующим эмпирическим формулам:
п ___________________________ — d
1<} - “2
где 7?! — радиус первой окружности; £)„ •— внутренний диаметр
прижимного кольца; d — диаметр впадины при единичном воз-
действии электрогидравлического удара на заготовку, зависящий
от марки материала, толщины заготовки и определяемый экспе-
риментальным путем:
4^
Rt — радиусы последующих концентрических окружностей;
з
-g---коэффициент, обеспечивающий перекрытие впадин для по-
лучения плотного прижатия детали к поверхности матрицы;
i = 1, 2, 3, 4, ...
138
В качестве примеров ниже приведено несколько вариантов
таких механизмов.
Для штамповки крупногабаритных деталей типа днищ диа-
метром до 2000 мм и глубиной до 600 мм, толщиной до 10 мм создан
электрогидравлическпй пресс «Удар-11» с запасаемой энергией
150 кДж. Штамповка деталей производится методом последова-
тельного локального направленного нагружения. При помощи
механизма перемещения (рис. 49) электрод имеет возможность
двигаться над обрабатываемой деталью по концентрическим
окружностям, перемещаясь от периферии к центру, и опускаться
по мере деформации заготовки. Максимальное вертикальное пере-
мещение электрода — 500 мм, угол отклонения от оси — 20°,
ход электрода при вращении по окружности — 360°.
Механизм перемещения электрода (рис. 49, б) выполнен в
виде червячного венца 4, горизонтально смонтированного по-
средством подшипника 7 на раме 6 под разрядной камерой техно-
логического узла установки. Внутри червячного венца 4 с помощью
цапф 3 закреплена гильза /. Через последнюю пропущен элек-
трод 2, снабженный поршнем, образующим с гильзой силовой
цилиндр осевого перемещения электрода. Этот цилиндр имеет
возможность наклоняться относительно цапф при помощи ци-
линдра 8, связывающего гильзу с торцом червячного венца 4.
Поворот оконечности электрода по окружности осуществляется
с помощью червячного венца 4 и червяка 5. Механизмы переме-
щения второго вида с вращением электрода вокруг оси при ра-
боте поворачивают и токопроводящие кабели и рукава высокого
давления гидросистемы. Это является главным недостатком ме-
ханизмов такого вида.
Рис. 49. Механизм перемещения элек-
трода установки «Удар-lh:
а — внешний вид; б — схема
139
Рис. 50. Схема поворотного механиз-
ма перемещения оснастки электрогид-
равлического пресса мод. Т1220:
I — подвижный стол; 2 — ось; 3 — рычаг;
4 — гидроцнлиндр; 5 — кронштейн;
6 — оснастка; 7 — стол
Рис. 51. Схема механизма перемеще-
ния электрогидравлического пресса
«Удар-20с»:
1 — гидроцнлиндр; 2, 4 — рычаги;
3 — ось; 5 — подвижный стол; 6 — ос-
настка; 7 — стол; 8 — направляющая;
9 — кронштейн
Дальнейшее совершенствование механизмов перемещения
электрода идет по пути исключения вращения токоподводящих ка-
белей, шлангов и повышения их надежности в работе.
Механизмы перемещения оснастки. В электрогидравлических
прессах для удобства установки оснастки, перемещения ее в
рабочую зону и зону обслуживания применяют механизмы переме-
щения оснастки. Они бывают с гидравлическим и электрическим
приводом, рычажного и канатного вариантов исполнения.
Механизм перемещения оснастки, примененный на электро-
гидравлическом прессе мод. Т1220 (рис 50), поворотного типа и
имеет гидравлический привод. Такой механизм обеспечивает
поворот оснастки на максимальный угол 70° со скоростью пере-
мещения не более 0,2 м/с и максимальной массой до 200 кг.
Механизм перемещения оснастки, обеспечивающий ее возврат-
но-поступательное движение, применен на электрогидравлическом
прессе «Удар-20с» (рис. 51). Он состоит из силового гидроцилин-
дра /, рычагов 2 и 4, оси вращения 3, подвижного стола 5 и направ-
ляющих 6. Выдвижной стол 5 шарнирно связан с рычагом 4.
Ось вращения 3, проходящая через неподвижный стол, жестко
связана с рычагами 2 и 4. Шток гидроцилиндра соединен с по-
мощью шарнира с рычагом 2, а цилиндр — с кронштейном 9,
закрепленным к столу. При возвратно-поступательном движении
штока под давлением рабочей жидкости, действующей на поршень,
усилие, возникающее в гидроцилиндре /, передается на рычаг 2.
Последний через ось вращения 3 и рычаг 4 обеспечивает возврат-
140
но-поступательное движение подвижного стола 5 по направля-
ющим 8. Механизм такой конструкции обеспечивает максимальное
перемещение оснастки на 500 мм со скоростью 0,1—0,5 м/с п
максимальной массой до 700 кг.
Механизм с возвратно-поступательным перемещением оснастки
канатного типа с электрическим приводом применен на электро-
гидравлическом прессе «Удар-11». Такой механизм обеспечивает
перемещение оснастки в зону обслуживания на расстояние до
3000 мм. Скорость перемещения оснастки 0,2 м/с, а ее максималь-
ная масса 35000 кг.
В каждом конкретном электрогидравлическом прессе или
установке может быть применен определенный механизм переме-
щения оснастки. Простота конструкции и надежность в работе,
несмотря на малые скорости перемещения, делают целесообраз-
ным применение гидропривода для механизмов перемещения
оснастки. Для электрогидравлических прессов малых энергий
применяют механизмы с гидравлическим приводом рычажного
исполнения, а для электрогидравлических прессов штамповки
крупногабаритных деталей — механизмы с электроприводом ка-
натного исполнения.
9. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Гидравлическая система (гидросистема) представляет собой
комплекс взаимодействующего гидрооборудования (насоса, гид-
роаппаратуры управления, трубопроводов, гидродвигателей и
т. п.), предназначенного для обеспечения заданных режимов
работы обслуживающих механизмов или устройств в определен-
ных условиях. Основные параметры гидросистем электрогидрав-
лических прессов (номинальные давление и расход масла, условный
проход трубопроводов) изменяются в зависимости от конструк-
ции пресса и технических требований в широком диапазоне.
Так, номинальное рабочее давление в гидросистеме пресса
«Удар-12м» — 25 Ю5 Па, пресса «Удар-14» — 32,0-10® Па. При-
менение повышенного рабочего давления в гидросистеме вместе
с некоторым уменьшением массы гидрооборудования одновременно
усложняет решение некоторых общих проблем, связанных с
эффективным уплотнением, с конструкцией клапанов, примене-
нием гибких шлангов и т. п. Номинальный расход масла в гидро-
системах прессов колеблется в пределах от 35 л/мин для пресса
«Удар-12м» до 70 л/мин для пресса «Удар-16к».
В качестве примера на рис. 52 приведена принципиальная
гидравлическая схема пресса «Удар-20м». Система служит для
перемещения исполнительных органов пресса: траверсы, винта
в случае изменения высоты оснастки, заклинивания — расклини-
вания рабочей камеры, а также для выталкивания отштампован-
ных деталей. Система включает в себя бак /, приемный фильтр 2,
насос 3, манометр 4, демпфер 5, служащий для демпфирования
141
Рис. 52. Гидравлическая схема пресса <‘Удар-20м»
потока жидкости. На крышке бака смонтированы: фильтр 6,
четыре золотника 7, которые позволяют управлять перемеще-
ниями исполнительных органов — гидроцилиндрами 8 и гидро-
мотором 9. Напорный золотник 10 выполняет роль предохрани-
тельного клапана при возникновении перегрузок в системе.
Масляные системы прессов «Удар-20», «Удар-16к» и др. аналогичны
по всей конструкции, но имеют отличные особенности, связанные
с конкретным назначением прессов или установок.
Система водоснабжения предназначена для обеспечения раз-
рядной камеры водой и удаления ее после выполнения работы.
Конструктивно система водоснабжения выполняется двух типов:
проточного исполнения, как на прессах «Удар-20», «Удар-12м», и
с замкнутым циклом, как на прессах «Удар-20с», «Удар-20м»,
«Удар-16к» и др.
В первом случае вода непрерывно подается в оснастку, начиная
с момента начала заполнения разрядной камеры водой и до окон-
чания процесса формообразования, протекает через разрядную
камеру и стекает в канализацию. Недостатком этого способа явля-
ется случающаяся иногда существенная потеря воды. Однако в
целом система водоснабжения очень проста и надежна в работе.
При применении замкнутого цикла система водоснабжения
значительно усложняется и в процессе работы удельное электро-
сопротивление воды может меняться, что является нежелательным
фактором. Однако в случае применения достаточных емкостей
водяного бака изменением свойств воды можно пренебречь, а при
необходимости она может очищаться или обновляться.
В настоящее время наибольшее распространение получает
система с замкнутым циклом. В качестве примера рассмотрим
принципиальную схему системы водоснабжения электрогидрав-
лического пресса «Удар-16к» (рис. 53). Она состоит из двух центро-
бежных насосов, бака 1, четырех шаровых клапанов 4, которые
снабжены электромагнитными приводами, двух муфтовых кра-
нов 9, манометра 5, устройства контроля наличия воды 6. Бак /,
142
Рис. 53. Принципиальная
схема системы водоснабже-
ния:
/ — бак; 2,3 — центро-
бежные насосы; 4 — вен-
тиль-клапан шаровый с
электромагнитным приво-
дом; 5 — манометр; 6 —
устройство контроля на-
личия воды; 7 — оснастка;
8 — водосборник; 9 — муф-
товый кран
насосы 2, 3 и вся гидроаппаратура расположены в приямке.
Насос 3 служит для быстрого заполнения водой разрядной ка-
меры, а также удаления воды из нее, насос 2 — для подкачки
воды в процессе калибровки или штамповки.
Система является замкнутой, вода может использоваться
многократно и затем, по мере загрязненности, насосом 4 про-
изводится ее откачка в канализацию. Система также содержит
трубопроводы всасывания, нагнетания и слива. Применение
вакуумирования полости матрицы позволяет получить на поверх-
ности заготовки начальное равномерно распространенное давле-
ние. Это оказывает благоприятное влияние на процесс штамповки,
особенно деталей из тонколистовых заготовок. Величины стати-
ческих давлений, действующих на круглые заготовки, приведены
в табл. 19.
Кроме того, при подходе материала штампуемой детали к
поверхности матрицы вакуумирование полости способствует плот-
ному прилеганию деталей, что
19. Статические усилия, действующие
на заготовки при вакуумировании,
кН
Степень ва- куумирова- ния, Па Диаметр заготовки, мм
300 600 1000 1500 2000
10* 6,24 25,0 69,2 155,8 277,5
103 6,86 27,4 76,2 171.5 305,0
10г 6,91 28,6 77,0 173,0 308,0
особенно важно при операциях
калибровки. В этом случае от-
сутствие реакции сжимаемой
плотной среды дополняется
эффектом «присасывания» де-
тали к матрице. И, наконец,
повышение температуры сжи-
маемого воздуха в процессе
деформирования часто вызывает
прижоги на поверхности де-
тали и матрицы. Проведенные
эксперименты показали доста-
точную 1 эффективность ваку-
умирования до 104 Па.
143
Рас. 54. Принципиаль
на я схема системы ва-
куумирования электро-
гидравлического пресса
На рис. 54 изображена упрощенная принципиальная схема
системы вакуумирования электрогидравлических прессов. Вакуум
в полости матрицы 1 создается насосом 6. Контроль степени ва-
куумирования осуществляется вакуумметром 4. Введение в си-
стему влагоотделителя 3, устройства контроля наличия воды 2
и электромагнитного клапана 5 повышает надежность системы и
предохраняет вакуумный насос от выхода из строя. При попада-
нии воды в полость матрицы (из-за нарушения уплотнения или
разрыва заготовки) и во влагоотделитель, устройство контроля
наличия воды выключает вакуумный насос н защищает его при
помощи клапана 5 от попадания в него влаги. С помощью электро-
магнитного клапана 5 полость матрицы отключается от системы
вакуумирования и сообщается с атмосферой. Через этот же кла-
пан также может быть подан сжатый воздух для удаления готовой
детали. Применение вакуумирования наиболее целесообразно
при изготовлении крупногабаритных деталей с большой скоро-
стью деформирования материала (выше 100—150 м/с). Более
эффективно вакуумирование при изготовлении деталей из мате-
риалов с низким пределом текучести.
Гидроагрегаты. Гидроагрегат является частью гидросистемы
пресса и состоит из насоса с электродвигателем, масляного бака,
гидроаппаратуры управления и пр. Он предназначен для хране-
ния и передачи рабочей жидкости под требуемым давлением.
Гидроагрегаты прессов и установок представляют собой авто-
номную конструкцию к данному прессу или установке. Они могут
быть встроенные или выносные. Первые представляют собой
компактный узел, размещенный в технологическом узле пресса
под столом (рис. 55), как например, в прессах «Удар-12»,
«Удар-12м», «Удар-20», «Удар-20с» или на технологическом узле
(см. рис. 31). Недостатком встроенных гидроагрегатов является
неудобство проведения монтажных, ремонтных и профилакти-
ческих работ на прессе, вибрации, возникающие при работе
гидроагрегата, ухудшение теплоотдачи масляным баком и т. п.
Однако при этом значительно уменьшаются площадь, занимае-
мая установкой, шум, издаваемый гидроагрегатом, и улучшается
эстетический вид установки. Встроенный гидроагрегат, лишен-
144
ный Некоторых вышепере-
численных недостатков, при-
менен на прессе «Удар-20с».
Он может быть в любой мо-
мент (даже в процессе ра-
боты гидропривода) вруч-
ную легко выдвинут из под
стола пресса без отключения
каких-либо систем.
Наиболее простыми по
конструкции, удобными в экс-
плуатации и ремонтопригод-
ными являются выносные
гидроагрегаты. Они наибо-
лее перспективны для вновь Puc. 55 Гидроагрегат пресса «удар.12м
разработываемых электро-
гидравлических прессов и
установок. Конструкции почти всех гидроагрегатов (встроенных
и автономных) подобны: масляный бак сварной конструкции раз-
делен внутри перегородками для создания условий отстоя масла:
дно бака наклонное; в нижней точке его находится сливной шту-
цер; на лицевой стороне имеется масломерное стекло; крышка
бака представляет собой гидропанель, на которой крепится
гидрооборудование приточного исполнения, а также электродви-
гатель с насосом; внутри него на конце заборного патрубка
установлен заборный фильтр Температура масла в баке (си-
стеме) контролируется термометром.
10. УСТРОЙСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ БЕЗОПАСНОСТЬ РАБОТЫ
Каждая электрогидравлическая установка для обработки ме-
таллов давлением является одновременно и высоковольтным
устройством, имеющим в своем составе высоковольтный трансфор-
матор, импульсные конденсаторы, высоковольтные коммутаторы
и т. д. Безопасность работы на таких установках может быть
обеспечена при соблюдении ряда организационно-технических
мероприятий, предусмотренных правилами эксплуатации электро-
установок свыше 1000 В [71], техническими условиями безопас-
ности на кузнечно-прессовые машины, временными правилами
по технике безопасности при работе на электрогидравлических
установках для штамповки металлов и другими нормативными
документами. Согласно требованиям нормативных документов,
электрогидравличсские установки для обработки металлов дав-
лением оснащаются рядом специальных устройств, призванных
обеспечить безопасность работы.
Высоковольтное оборудование электрогидравлических прес-
сов размещают в отдельном помещении пли закрывают соответ-
ствующими металлическими кожухами, Это делается с целью
10 Г. А. Гулый 145
исключения доступа к высоковольтному оборудованию во время
работы, защиты обслуживающего персонала при коротком замы-
кании внутри самого оборудования или между высоковольтными
выводами, защиты от электромагнитного излучения. На дверях
высоковольтных помещений или кожухов устанавливаются ко-
нечные выключатели, отключающие установку от сети при откры-
вании дверей.
Так как при отключении установки импульсные конденса-
торы могут некоторое время сохранять электрический заряд
или же, будучи незакороченными, накапливать его вследствие
влияния электромагнитных полей от атмосферного электричества
пли рядом действующих установок, то в разрядном контуре уста-
навливаются защитные блокировки. С целью повышения надеж-
ности закорачивания и заземления конденсаторов устанавливают
2—3 параллельно подсоединенные блокировки. Для защиты
электрооборудования генератора импульсных токов в разрядной
цепи устанавливают приборы защиты от коротких замыканий,
от перенапряжений и перегрузок по току.
Для получения информации о включении генератора установки
оснащаются звуковой и световой сигнализациями. Быстрое сня-
тие питания с установки в аварийном режиме осуществляется
с помощью кнопки «Стоп». Электрооборудование и конструкции
установки должны иметь надежное заземление. В низковольтной
части электрической схемы для защиты электрооборудования от
перенапряжений устанавливаются пробивные предохранители и
защитные емкости. В электрогидравлических прессах, где необ-
ходимо постоянное присутствие оператора, технологическая часть
закрывается в период работы пресса подвижным заграждением.
Во время настройки пресса «Удар-12», кроме подвижного
заграждения, предусматривается поднятие вверх переднего ко-
жуха. В верхнем положении кожух закрепляется с помощью
специального фиксатора автоматически. Для опускания кожуха
фиксатор необходимо освободить вручную.
Удаление продуктов эрозии и ионизированных газов из искро-
вых разрядников установок энергией выше 20 кДж осуществля-
ется с помощью индивидуального вентилятора или общецеховой
вытяжной вентиляционной системы. Выброс воздуха в атмосферу
производится выше границы зоны аэродинамической тени здания
цеха.
Для полного снятия напряжения с установок их необходимо
оснащать включающими устройствами с расцепителями. Исклю-
чение возможности травмирования рук оператора в момент работы
механизма прижима достигается путем применения двухкнопоч-
ного включения. При этом при включении двумя руками кнопки
«Пуск» механизмы прижима располагаются друг от друга на
расстоянии не менее 300 и не более 600 мм между центрами.
При каждой установке имеются индивидуальные средства
защиты обслуживающего персонала (заземляющая штанга, ди-
146
Электрические боты, перчатки, коврики). Применение устройств,
обеспечивающих безопасность работы, способствует снижению
интенсивности импульсных магнитных полей на рабочих местах
до безопасного уровня.
Замеры напряженности магнитных полей, возникающих при
работе электрогидравлических прессов «Удар-12м», Т1220 с энер-
гией в импульсе 10 кДж и «Удар-11» с энергией в импульсе
150 кДж, показали, что они удовлетворяют условиям безопасной
работы.
Конструкции электрогидравлических прессов и установок
снабжены достаточным числом устройств, обеспечивающих их
безопасную работу при строгом соблюдении правил эксплуата-
ции, изложенных в инструкциях по обслуживанию конкретно
для каждого пресса или установки.
11. ПУТИ СОВЕРШЕНСТЕОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В области обработки металлов давлением комплекс процессов
с использованием жидких в эластичных сред, нашедших произ-
водственное применение, составляет ничтожно малую долю от
комплекса научно-обоснованных Е. И. Исаченковым процессов,
способных вооружить производство и расширить его технические
возможности. Внимание научных работников и конструкторов
обращается на разборку новых и совершенствование применяе-
мых процессов и оборудования обработки металлов давлением.
Совершенствование электрогидравлических прессов и установок
определяется прогрессивными тенденциями в обработке металлов
давлением, внедрением в производство новых труднодеформируе-
мых материалов, увеличением коэффициента использования ма-
териала, принципом непрерывности производственных процессов
и т. п.
Профессором А. И. Зиминым разработана «Периодическая си-
стема энерготипов кузнечно-прессовых машин», насчитывающая
пятнадцать энерготипов, восемь из которых — с использованием
импульсного нагружения (табл. 20). Каждый из восьми энерго-
типов может иметь п конструктивных вариантов. В тппоразмер-
ный ряд электрогидравлических прессов и установок, разрабо-
танный ПКБ электрогидравлики АН УССР, входит шесть машин.
Принимая аналогично А. И. Зимину п = 5, 10, получим число
типоразмеров новых машин N = 8-6-н = 240—480.
Таким образом, данные табл. 20 свидетельствуют о широких
возможностях перспективного проектирования новых электро-
гидравлических прессов и установок, обладающих различными
энергетическими, силовыми и скоростными возможностями. По-
давляющее большинство созданных электрогидравлических ма-
шин для обработки металлов давлением относится к первому
энерготипу 14, предусматривающему самостоятельное использо-
10* 147
20. Энерготипы кузнечно-прессовых машин с использованием
импульсной энергии (по А. И. Зимину)
Индекс I 11 III IV
4 3 5 6 2 3 4 1
Вид совместно действующи X энергий fl 1 и М in м 1=11
I — кинетическая энергия поступа-
I тельного движения.
л — кинетическая энергия враща-
’чг' тельного движения.
— энергия давления.
— импульсная энергия.
вание импульсного нагружения. К нему относятся такие прессы
и установки, как «Удар-4», «Удар-7», «Удар-11», «Молния-3»,
«Молния-5», «Молния-бу» и др. Электрогидравлический пресс
Т1220 и созданные на его базе прессы «Удар-20» и «Удар-20м»,
можно считать одной из первых попыток создания машин второго
энерготипа 116 с использованием импульсной энергии и энергии
давления.
Пути совершенствования имеющегося электрогидравлического
оборудования определяются анализом его недостатков. Одним из
главных недостатков электрогидравлических прессов является
относительно низкая производительность, колеблющаяся от двух
деталей в час на прессе «Удар-11» до 120 — на прессе «Удар-12м».
Повышение производительности электрогидравлических прессов
осуществляется путем сокращения машинного и вспомогательного
времени обработки.
При одноимпульсной штамповке, вырубке, пробивке и т. п.
машинное время составляет 7—10% длительности рабочего цикла
и в этом случае целесообразно основные усилия сконцентрировать
на сокращение вспомогательного времени. При многоимпуль-
сной штамповке, особенно при локальном нагружении заготовки,
машинное время достигает 65—75% от длительности рабочего
цикла и максимальное повышение производительности достига-
ется сокращением машинного времени. Последнее можно сокра-
тить путем повышения частоты следования импульсов, колеблю-
щейся в современных машинах в пределах 0,125—0,25 Гц. Это
достигается применением более мощных устройств, более совер-
шенных накопителей энергии и коммутационных устройств.
Вполне достижимой представляется работа на частотах 1,5—2 Гц,
которая позволяет поднять производительность при многоимпульс-
ной штамповке в 2,5—3 раза.
148
Основным путем сокращения вспомогательного времени явля*
ется автоматизация цикла. Для этого должны быть решены воп-
росы встраивания механизмов подачи заготовок, удаления от-
штампованных деталей и отходов, синхронизации работы этих
механизмов с остальными узлами пресса или установки. В зави-
симости от размеров и числа деталей возможно применение спе-
циально спроектированных для данного случая приспособлений,
механизирующих процесс подачи заготовок и извлечения готовой
детали и ее удаления. При одноимпульсной обработке удельный
вес вспомогательного времени, составляющий 90 -93% от времени
всего цикла в случае применения средств механизации раздели-
тельной диафрагмы и других может быть сокращен в 2,5 раза,
что приведет к повышению производительности труда в 2,2 раза.
Для обработки деталей с длительно стабильной повышенной
программой (например, восстановление изношенных поршневых
пальцев) представляется целесообразным создание машин-авто-
матов с непрерывным технологическим циклом, бункерной за-
грузкой, использованием инструмента повышенной стойкости.
Производительность таких автоматов с учетом сокращения как
вспомогательного, так и машинного времени может быть в 2,5—
3 раза выше производительности электрогидравлических прессов
и установок.
К существующим недостаткам последних следует отнести
относительно низкий КПД, составляющий на разных операциях
от нескольких десятых до 20 %. Повысить его можно следующими
путями: 1) созданием более совершенных разрядных камер; 2) уве-
личением эффективности электроразрядных устройств в случае
применения инициирования; 3) снижением индуктивности уста-
новок и т. п.
Одним из важных путей совершенствования конструкций
электрогидравлических прессов и установок является повышение
их надежности на базе статистического анализа отказов отдельных
узлов механизмов, деталей. Особого внимания заслуживает ра-
бота по совершенствованию основного рабочего органа — элек-
трода, так как от надежности, удобства замены и других его
характеристик зависит в значительной степени производитель-
ность и эффективность установки. Решение этого вопроса идет
как путем поиска новых конструктивных решений, так и путем
применения материалов, обладающих более высокими физико-
механическими характеристиками.
Высокий уровень шума при работе электрогидравлических
прессов и установок, в сочетании с импульсным характером повы-
шает утомляемость человека. Борьба с шумом идет путем его
предотвращения, снижения и глушения за счет создания бесшум-
ных разрядников, применения шумопоглощающих кожухов, на-
ушников и т. п.
Для облегчения проектирования и снижения затрат при под-
готовке производства новых машин целесообразно создание уни-
149
фнцпровапиыХ электрических и механических узлов (например,
универсальных генераторов, механизмов прижима и др.) с исполь-
зованием их в машинах разных энерготипов и конструктивных
вариантов.
Прогнозы развития импульсного оборудования, обрисованные
А. И. Зиминым, подсказывают целесообразность создания таких
машин, которые сочетали бы использование различных видов
энергии (см. табл. 20) В перспективе до конца столетия доля
обработки металлов давлением в технологии машиностроения
может удвоиться. Резко увеличится удельный вес импульсных
методов, в том числе и электрогидравлической обработки. Зада-
чей сегодняшнего дня является создание новых и совершенство-
вание существующих моделей электрогидравлических прессов и
установок с целью повышения их производительности, эффектив-
ности, надежности и других показателей.
Глава VIII
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА
1. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ
При проектировании технологической оснастки решаются воп-
росы обеспечения достаточной стойкости ее основных элементов,
облегчения условий труда оператора, повышения производи-
тельности труда и точности штампуемых деталей, а также общей
экономической эффективности. Разрабатываемая конструкция
оснастки оценивается не только с точки зрения выполнения опе-
рации, но и с точки зрения технологичности изготовления, воз-
можности сборки и ремонта.
Все элементы оснастки должны удовлетворять условиям проч-
ности в расчете на возникающее у стенок давление.
При проектировании матриц к ним предъявляются следу-
ющие основные требования: получение годной детали и обеспе-
чение соответствующей стойкости. Правильный выбор материала
матриц и условий их термической обработки является одним из
основных факторов, влияющих на требования, предъявляемые к
матрицам. При этом руководствуются масштабом производства
(серийное и экспериментальное), характером выполняемой опера-
ции, размерами, формой и свойствами материала штампуемой
детали.
При изготовлении высокостойких матриц, а также при штам-
повке твердых материалов применяют стали Х12Ф1, 7X3 и др.
Стали У8 и У8А используют для изготовления матриц простой
формы, а стали 45 и 50 для изготовления матриц, используемых
для штамповки небольших партий тонколистовых деталей толщи-
ной до 1 мм до 1000 штук в год из мягких сталей, цветных метал-
лов и т. п. При изготовлении матриц для вытяжки деталей отно-
сительно больших размеров из коррозионно-стойкой стали исполь-
зуют чугун СЧ32—52.
В экспериментальном производстве для партии деталей до
10 штук матрицы могут быть выполнены наборными из фанеры,
15!
Рис. 56. Схема расположения
отверстий для выхода воздуха
эпоксидной смолы и других им подоб-
ных материалов. Обработка рабочих
поверхностей матрицы, включая пере-
тяжной радиус, должна быть не ниже
8-го класса шероховатости. В случае
штамповки деталей из полированного
листа обработка поверхности матрицы
выполняется на один класс выше, чем
обработка поверхности заготовки. Точ-
ность изготовления матрицы на два
класса выше точности изготовления
детали [83]. Опорная плоскость ма-
трицы во всех случаях обрабатывается
до 4-го класса шероховатости.
В зависимости от формы заготовки
матрицы могут быть разъемные и цель-
ные. Для формовки деталей из про-
странственных заготовок применяют
разъемную матрицу, состоящую чаще всего из двух частей.
При изготовлении деталей из листовых заготовок матрица
выполняется цельной. В случае штамповки деталей боль-
ших размеров типа днищ диаметром 1000—2000 мм исполь-
зуют универсальную матрицу, в которую вставляются вкла-
дыши.
В связи с большими скоростями деформирования для удаления
воздуха из полости между матрицей и заготовкой предусматривают
отверстия, число которых выбирают исходя из конфигурации
деталей (рис. 56) и объема замкнутой полости. Число отверстий,
приходящихся на замкнутую полость, определяется конструк-
тивно и зависит от объема полости. Шаг отверстий принимается
от 30 до 100 мм, меньший — для меньших размеров оснастки,
больший — для оснастки больших размеров и калибровки. Уве-
личение числа отверстий гарантирует более полное удаление
воздуха, что особенно важно для тонколистовых заготовок тол-
щиной до 1 мм.
Отверстия на матрицах располагают следующим образом:
на матрицах относительно простой формы — в самой нижней
части рельефа, на матрицах сложной формы — в тех местах,
где прилегание заготовки к матрице происходит в последнюю
очередь.
Такими местами, как правило, являются внутренние углы
и ребра, в которых прилегание материала ухудшается с умень-
шением внутренних радиусов. Диаметр отверстий принимают
меньше толщины материала штампуемой заготовки, глубину
сверления а не менее 10 мм, а диаметр перехода D (рис. 56) должен
быть в пределах 5 10 мм. Выполнение этих условий обеспечивает
своевременное удаление воздуха и качественную штамповку
деталей.
152
а. технологическая оснастка для листовом
штамповки крупногабаритных деталей
Рассмотрим общую схему и основные элементы конструкции
технологической оснастки для штамповки деталей типа эллипти-
ческих днищ (рис. 57). Заготовка 7 прижимается между вытяж-
ным кольцом 4 вкладыша 2 матрицы 1 и прижимной плитой 5.
По периметру окна вытяжного кольца матрицы в 5 -8 мм от точки
выхода перетяжного радиуса на прижимную поверхность в ка-
навке укладывается герметизирующееся уплотнение 6. Уплотни-
тельные элементы обычно выполняют из трубок вакуумной ре-
зины или круглых резиновых шнуров. Размеры канавки под
уплотнение могут быть определены из условия постоянства ее
сечений и уплотнительных элементов
,, я^2 1 А
'к — 4
где FK — площадь канавки; d — диаметр сечения уплотнитель-
ного резинового кольца; и hK — ширина и глубина канавки
соответственно.
2
Глубина канавки принимается обычной равной /гк = ак.
Тогда t/к = 3/8nd2 или dK #=? l,18d. Концы трубки или шнура
обрезаются под углом 15—30° и склеиваются.
В ряде случаев при штамповке между матрицей и прижимной
плитой устанавливается промежуточное кольцо или трафарет 3,
обеспечивающее гарантированный относительно толщины заго-
товки зазор. После отработки формы и размеров заготовки про-
межуточное кольцо сменяется трафаретом с соответствующей
толщиной и уточненной формой окна. Трафарет, закрепляемый
на направляющих штифтах матрицы, служит для фиксации заго-
товки в ее исходном положении.
Заготовка при деформировании переходит через перетяжной
радиус матрицы /?п. Последний определяется формой детали, ее
относительной глубиной h/D, механическими свойствами дефор-
мируемого материала и допускаемой величиной утонения металла
детали. Так в области пе-
ретяжного ребра матрица
испытывает наибольшие
нагрузки, целесообразно
оформить ее отдельным
конструктивным элемен-
том — вытяжным коль-
цом 4. При штамповке
деталей с конструктивным
фланцем и радиусом пе-
рехода, меньшим необхо-
димого перетяжного, мож-
Рис. 57. Схема технологической оснастки элек-
трогидравлического пресса «Удар-11»
153
йо использовать два вытяжных кольца. В Этом случае па вто-
ром кольце производится калибровка детали, в основном в ре-
зультате растяжения металла.
Вытяжное кольцо, как наиболее нагруженный элемент осна-
стки, изготавливают из высококачественного материала, обеспе-
чивающего необходимую прочность, износостойкость, отсутствие
задиров, наплывов, царапин и т. п. В настоящее время для штам-
повки крупногабаритных деталей широкое распространение полу-
чили литые матрицы, внутренняя поверхность которых обрабо-
тана по форме штампуемой детали. Получение деталей, точных
по форме и размерам, определяет высокие требования к прочности
и жесткости матрицы.
Расчет напряжений в стенке матрицы в первом приближении
можно провести при известном значении скорости перемещения
элементарного объема заготовки в момент ее соударения с матри-
цей. Допуская, что кинетическая энергия элементарного объема
преобразуется в работу упругого формоизменения материала
матрицы, правомерно записать
где т и — масса и скорость элемента обрабатываемой детали
соответственно.
Учитывая закон Гука и принимая схему одноосного напряжен-
ии.'? о2
ного состояния 2Л = — определяем напряжение в стенках
матрицы о = | 0,5/пД. Определение толщины стенки матрицы
для штамповки сферических днищ в первом приближении можно
провести по следующей формуле
П (1 - Ц) (Л2 + 2й2) [СГр]2 ’
где W — энергия, передаваемая матрице; Е — модуль упругости;
ц — коэффициент Пуассона; h — глубина матрицы (шагового
сегмента); 2а— диаметр матрицы; [ор]—допустимые напряже-
ния растяжения.
Анализ работ, посвященных динамической прочности и устой-
чивости оболочек [121 ], показывает, что эффект динамичности
в случае осевого сжатия и умеренной скорости возрастания на-
грузка выражается в увеличении напряжения в 1,5—1,6 раза.
В случае импульсной нагрузки следует ожидать увеличения коэф-
фициента динамичности до 2 раз. Кроме того, следует учитывать,
что при импульсном приложении нагрузки происходит локали-
зация деформации в области ее приложения. Для повышения
жесткости и прочности матриц их выполняют с ребрами. Число
ребер и их расположение принимается в зависимости от нагрузки.
При энергии в импульсе до 40 кДж на матрицах ребер не приме-
няют.
154
Так, на прессах «Удар-1» и «Удар-1м» с энергией в импульсе
до 15 кДж использовались матрицы из стали СтЗ размерами
1250x2500 мм, толщиной стенки 50 мм с восемью продольными
и тремя поперечными разъемами. На прессах «Удар-4», «Удар-4м»,
«Удар-7» «Удар-7ж» и «Удар-11», с энергией в импульсе до 150 кДж
применялись матрицы диаметром 2990 мм, высотой 825 мм и
толщиной стенки 80 мм из литой стали 35ЛШ. Они снабжались
восемью радиальными ребрами и литыми стальными и свинцово-
цинковыми вкладышами диаметрами 1500, 1000, 800, 600 мм.
При разработке оснастки следует стремиться к созданию
комплекта матриц для деталей, близких по геометрии. В этих
случаях для деталей меньших размеров выполняются вкладыши,
внутренняя поверхность которых соответствует форме требуе-
мой детали, а наружная — поверхности детали больших размеров.
Во избежании забоин рабочей поверхности матрицы целесообразно
наружную поверхность вкладышей обклеивать мягкой резиной.
В оснастке для штамповки панелей необходимо предусматривать
секционные матрицы, чтобы комбинация их позволяла штампо-
вать все типоразмеры как прямого, так и зеркального отобра-
жения деталей. Примером такого решения может служить ос-
настка установки «Удар-1м» для штамповки полупанелей пластин-
чатых теплообменников, позволяющая получать более десяти
типоразмеров подобных деталей.
Для удобства транспортировки оснастку для штамповки
крупногабаритных деталей выполняют с отверстиями для поста-
новки рым-болтов. Их располагают в двух взаимно перпен-
дикулярных диаметральных направлениях. С целью удаления
воздуха из загерметизированной полости матрицы в ее стенках
предусматриваются отверстия, число и размеры которых могут
быть выбраны по приведенным выше рекомендациям.
з. технологическая оснастка для вытяжки
И ЛИСТОВОЙ ЧЕКАНКИ
Типовая технологическая оснастка для вытяжки и листовой
чеканки методом общего нагружения схематически изображена
на рис. 58. Прижим заготовки осуществляется промежуточным
кольцом 1 и матрицей 3. Промежуточное кольцо 1 служит переход-
ным элементом между универсальной разрядной камерой и ма-
трицей 3 и может использоваться при штамповке группы деталей.
Для фиксации заготовки и создания гарантированного зазора
служит ограничительное кольцо 2, высота которого выбирается
на 10 20% больше толщины заготовки. Гарантированный зазор
необходим для уменьшения трения между матрицей и заготовкой.
Нижний предел его ограничен утолщением фланца при вытяжке,
а верхний — допустимой высотой складок, возникающих в ре-
зультате потери устойчивости фланца, резко увеличивающих
сопротивление вытяжке. Если фланец конструктивный и явля-
155
Рис. 58. Схема типовой технологиче-
ской оснастки для вытяжки и листо-
вой чеканки:
/ — промежуточное кольцо; 2 — ограничи-
тельное кольцо; 3 — матрица; 4 — отвер-
стия для выхода воздуха; 5 — рабочая
ж идкость
ется элементом детали, реко-
мендуется выбирать зазор на
нижнем пределе, при техноло-
гическом (удаляемом) фланце
величина зазора может быть
увеличена до 20% толщины
материала.
Кроме ограничительных ко-
лец, используются и другие
типы фиксаторов заготовки:
штифты, утопающие упоры и
т. п. Однако все они обладают
рядом недостатков: низкой
стойкостью, сложностью регу-
лировки размеров заготовки и
др. Как показала практика,
наиболее технологичным и надежным способом создания га-
рантированного зазора и фиксации размеров и положения за-
готовки могут служить ограничительные трафареты в виде колец
и т. п. При отработке технологии в случае необходимости уточне-
ния размеров исходной заготовки такой трафарет или кольцо
могут быть легко переделаны или заменены. Их применение
исключает возможные поломки.
В некоторых случаях при неглубокой вытяжке и листовой
чеканке применяют резиновую диафрагму, которая устанавли-
вается между промежуточным кольцом и заготовкой. Она пре-
дохраняет полость матрицы от попадания жидкости во время
извлечения отштампованной детали и позволяет сократить время
заполнения разрядной камеры водой и повысить производитель-
ность процесса.
При необходимости увеличения глубины вытяжки поверх-
ность прижима может быть выполнена конусной с увеличением
угла перетяжки [83]. Н. В. Максимов и И. А. Нага рекомендуют
прижимную поверхность матрицы выполнять с конусностью 5°
(рис. 59). В связи с тем, что электрогидравлические прессы имеют
более мощные механизмы прижима, чем прессы двойного дей-
ствия, прижимные поверхности разрядной камеры и матрицы
можно выполнить с большей конусностью — до 15°. Заготовка
в этом случае предварительно деформируется уже в процессе
прижима, дальнейшая вытяжка также облегчена из-за увеличе-
ния угла перетяжки, что позволяет достичь более высоких сте-
пеней деформации. Увеличение угла перетяжки более 90° (до
105°) осложняет изготовление и ремонт оснастки, поэтому оно
может быть рекомендовано лишь в тех случаях, когда это оправ-
дано сокращением числа операций и оснастки.
При вытяжке пуансоном деталей со сферическими и кониче-
скими стенками на поверхности заготовки от действия сосредото-
ченной силы в результате потери устойчивости могут образо-
156
ваться гофры. Во избежании этого приходится штамповать детали
за несколько операций, уменьшать зазор для заготовки и увели-
чивать усилие прижима.
В процессе электрогидравлической штамповки жидкость рав-
номерно нагружает всю поверхность заготовки, уменьшается
возможность потери устойчивости и образования на ее поверхности
гофр. Это позволяет увеличить зазор для заготовки, облегчить
ее выход из-под прижима и обеспечивает получение деталей со
сферическими и коническими стенками за одну операцию. Таким
образом, увеличение угла перетяжки до 105° можно быть реко-
мендовано при проектировании оснастки для вытяжки деталей
со сферическими и коническими стенками.
При проектировании оснастки для листовой чеканки следует
учесть, что более четкое изображение по контуру может быть
получено, если внутренний контур промежуточного кольца сме-
щен па величину 6 = 105 (рис. 60) при высоте /г = (2ч-3)6 и
а = 20ч-30°, где S •— толщина заготовки, подвергаемой листо-
вой чеканке.
Исполнительные размеры матрицы для вытяжки детали, за-
данной наружным размером, могут быть рассчитаны по формуле
ОМ = (О-Д)+Ч
где DM — диаметр матрицы; D — номинальный наружный размер
детали; А — допуск на ее наружный размер; 6М — допуск на
изготовление матрицы, который рекомендуется выбирать на два
класса выше допуска детали.
Если штампуемая деталь задана внутренним размером, то
исполнительные размеры матрицы рассчитывают по формуле
DM = (DB+^ + 2S)+\
где £)в — номинальный внутренний размер детали, Ав — допуск
на внутренний ее размер.
Рис. 59. Матрица с конусным захо-
дом
Рис. 60. Построение внут-
реннего контура промежу-
точного кольца к оснастке
для листовой чеканки
157
В этом случае при выборе допуска на размер матрицы следует
предусматривать, чтобы 6М
При завершении проектирования оснастки определяют вели-
чину радиуса перетяжного ребра. Р. В. Пихтовников рекомен-
дует брать его равным двум-трем толщинам заготовки. Эту вели-
чину можно считать минимальной. Там, где это возможно, целе-
сообразно ее увеличение до четырех-пяти толщин заготовки.
Матрицы для вытяжки деталей должны иметь такие размеры
и форму, чтобы обеспечить свободную выемку отштампованной
детали. Это достигается введением небольшого конуса по ходу
выталкивания. В матрицах для штамповки электродов для элек-
троэрознонной обработки, штампов горячей штамповки, пресс-
форм и т. п. может быть использовано наличие штамповочных
уклонов. Если на штампуемых деталях такой уклон не преду-
смотрен, он может быть создан путем неравномерности распре-
деления поля допуска; в этом случае верхний и нижний диаметры
матрицы рассч ггываются отдельно.
При проектировании технологической оснастки для вытяжки
и листовой чеканки может быть использована возможность сов-
мещения операций: вырубки заготовок и вытяжки, вытяжки и
калибровки и т. п. с использованием усилия, развиваемого ме-
ханизмом прижима.
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ФОРМОВКИ
И КАЛИБРОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК
В различных отраслях машиностроения используется обшир-
ная номенклатура изделий из трубчатых заготовок: переходники,
патрубки, сильфоны, диффузоры, трубы с местной радиальной
деформацией!, обечайками с радиальными и осевыми рифтами,
ребрами и т. п. Опыт показал, что изготовлять такие детали
целесообразно с использованием энергии высоковольтного раз-
ряда в жидкости.
Необходимость изготовления различных обечаек с диаметром
до 2000 мм с точностью до 4-го класса, особенно с ребрами, при-
водит к необходимости применения электрогидравлической ка-
либровки независимо от предшествующей технологии. Техноло-
гическую оснастку для формовки и калибровки деталей из труб-
чатых заготовок по конструкции делят на два типа: I тип с вер-
тикальным разъемом (рис. 61, а); II тип —с несколькими разъе-
мами (рис. 61,6). Выбор типа определяется габаритными разме-
рами и формой обрабатываемых заготовок и условиями ведения
технологического процесса, либо методом локального нагруже-
ния, либо общим нагружением всей поверхности заготовки.
Существенное влияние на эффективность технологического
процесса при деформировании трубчатых заготовок оказывает
конструктивное решение по выполнению уплотнения технологи-
158
5)
Рис. 61. Схема технологической оснастки:
а — с вертикальным разъемом; б — с разъемом и вкладышем; / — крышка; 2 —
прижимное кольцо; 3 — уплотнительное кольцо; 4 — полуматрица; 5 — донышко;
6 — отражатель; 7 — вкладыш
ческой оснастки. Для деталей из трубчатых заготовок со свобод-
ными торцами уплотнение (рис. 61, б) обеспечивается установкой
по свободным торцам колец 3 из вакуумной или мягкой масло-
бензостойкой (ГОСТ 7338—65) резины. Заготовка типа «стакан»
уплотняется по своей внешней поверхности у свободного торца
(рис. 61, а). Для заготовок, значительно изменяющихся по вы-
соте в процессе формообразования, уплотнительные кольца 3 уста-
навливают также у свободных торцов по внешней поверхности,
которые поджимаются в процессе деформирования прижимным
кольцом 2 и крышкой 1.
Так, при формовке трубчатых изделий диаметром от 6 до
300 мм высокую эффективность показала технологическая схема
одновременного осевого сжатия и электрогидравлического удара
(рис. 62). Между деформируемой деталью 3 и разрядной каме-
рой 1 устанавливается в полость матрицы 4 подвижный контей-
нер 2, позволяющий под действием электрогидравлического удара
осуществлять заданный осевой подпор. Такое совмещение внутрен-
него радиального давления и осевого сжатия заготовки обеспе-
чивает получение деталей (из титановых и других высокопроч-
ных сталей и сплавов) со степенью деформации, превышающей
результаты обычной формовки на 30—50% без заметного измене-
ния толщины стенки детали. Для удобства извлечения детали
после формовки или калибровки трубчатых заготовок матрицы
выполняют разъемными. Плоскость разъема выбирается в зави-
симости от конфигурации детали. Чаще всего разъем выполня-
ется по диаметральной плоскости.
159
Надежное соединение Полу-
матриц 4 (см. рис. 61), обеспечи-
вающее их нераскрытие в момент
разряда, создается сжатием их
усилием прижима между крыш-
кой 1 и донышком 5, снабженных
запирающими конусами. Высота
последних выбирается в преде-
лах 20—50 мм, в зависимости от
размеров детали, а угол состав-
ляет 20° ± 5'. Для формовки и
калибровки крупных деталей
(размером более 300 мм) мат-
рицы выполняют с фланцами по
разъему. При сборке полумат-
риц фланцы стягивают болтами.
С целью повышения жесткости
и снижения массы больших ма-
триц целесообразно их выпол-
нять с ребрами жесткости. Эффек-
тивность оснастки для обработки
трубчатых заготовок может быть
повышена путем применения от-
ражателей 6 (см. рис. 61, б),
обеспечивающих направленное
воздействие жидкости в зону наи-
большей деформации и уменьшение ее объема. Большую эффек-
тивность обеспечивают отражатели параболической формы.
Подвод воды в рабочую полость осуществляется через до-
нышко 6 и отражатель 5 в нижней его точке, а слив их верхней
точки рабочей полости — через крышку 1. Для обеспечения
постоянного подпора воды в рабочей полости отверстие на сливе
целесообразно выполнять на 1—2 мм меньше, чем на подводе.
Размеры рабочих частей матриц могут быть рассчитаны по зави-
симостям, приведенным для вытяжных матриц.
Особое внимание должно быть уделено определению минималь-
ной толщины стенки матрицы по максимальному возникающему
давлению. В связи с тем, что давления носят импульсный, а
возникающие напряжения — местный характер, то известные
расчеты на прочность оболочек не могут быть использованы для
расчета матриц, так как дают завышенные, практически непри-
емлемые, результаты.
Обобщение опыта работы позволяет рекомендовать данные
для выбора толщин стенок матриц в случае формовки и калибровки
в зависимости от энергии в импульсе, внутреннего диаметра и
материала матрицы. В каждом отдельном случае в зависимости
от конкретных условий с учетом опыта, обобщенного в табл. 21,
могут быть выбраны данные для проектирования матриц.
160
21. Характеристики некоторых конструкций оснастки для формовки и калибровки деталей из трубчатых заготовок
Размеры матрицы, мм i Твер- Толщина Наличие „„„Х. „ Наличие вкладышей тч я. 1 тч.. мятпипы мятпнтгы мятпипы. Их ХйПЯК- и рЭЗЪеМОВ, диаметр ** сота | | HRC | мм | теристики | их характеристики 360 220 38—42 30 Нет Продольный и попереч- 135 50 Сталь 45 44—48 15 ный разъем и вкла- Конус 78/200 185 38—42 30 дыши Конус 78/200 155 Сталь 45 38—42 40 Нет Продольный разъем 329 530 — 45 442Х 202 в сечении — конус 417Х 178 Конус: 450/550 725 Сталь — 75 Шесть про- Вкладыши 35ГЛ дольных Два по- перечных 150/450 545 — 80 Шесть про- дольных Одно по- перечное £ донус учо L-таль — ои пет вкладыши, продоль- 303/430 35Л ный разъем 1126 — 60 Два по- 143/308 перечных 559 — 80 Три по- 1404/1463 перечных
К ® Q.3 Ф а CD с С 1 г с С. 5“ х г: ff 2 1 кДж Е «Удар-12» 10 — С CN А О CN G сз >> А С СХ с ГС «Удар-16к» 80 — «Удар-14» 150 «Удар-14» 150 ст
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ВЫРУБКИ И ПРОБИВКИ
Чистота среза и точность изделий в большой степени зависят
от величины зазора между режущими кромками пуансона и мат-
рицы. Величина зазора зависит от ряда параметров, из которых
основными являются механические свойства и толщина матери-
ала. В зависимости от этих факторов величина зазора может
колебаться в пределах от 0 до 30% толщины материала. С умень-
шением зазора повышается качество среза, но растет усилие де-
формации.
Экспериментально установлено, что для получения минималь-
ного усилия вырубки, повышения качества среза и точности
размеров контура, а также для повышения стойкости оснастки
диапазон колебания зазора может быть сужен до оптимальных
пределов 2—15% для грубой вырубки и 1—2% от толщины обра-
батываемого материала для чистовой вырубки [83]. С уменьше-
нием твердости материала и его толщины величина зазора в про-
центном отношении к толщине материала уменьшается, что при-
водит к технологическим трудностям при изготовлении оснастки
для вырубки и пробивки тонких материалов. Это особенно усу-
губляется при изготовлении штампов для вырубки и пробивки
контуров сложной формы с повышенными требованиями к точ-
ности размеров. Попытка удовлетворить этим требованиям при-
водит к созданию сложной и дорогой оснастки невысокой стой-
кости и к необходимости выполнения дополнительных чистовых
операций.
Использование высоких скоростей деформирования, обеспе-
чиваемых электрогидравлическими прессами и установками, облег-
чает решение этой проблемы. При высоких скоростях деформиро-
вания, когда деформация быстро нарастает и не успевает распро-
страняться по всей заготовке, происходит локальное разрушение
материала, обеспечивающее качественные вырубку и пробивку.
Оснастку для выполнения разделительных операций на элек-
трогидравлических прессах по своей конструкции в зависимости
от воздействия рабочей среды на обрабатываемую сталь делят
на два типа: 1) с непосредственным воздействием (или через
диафрагму) без пуансонов; 2) с воздействием через пуансоны.
Первый тип оснастки дает удовлетворительные результаты
при вырубке и пробивке листовых заготовок небольшой толщины
(до 0,8 мм).
Второй тип оснастки может быть использован для вырубки
и пробивки больших толщин (до 4 мм).
Схема и элементы конструкции оснастки первого типа пред-
ставлены на рис. 63. Заготовка 3 прижимается резиновой диаф-
рагмой 4 между матрицей 2 и проставкой 1. Положение заго-
товки 3 ограничивается направляющими в съемнике 5. Вырубка
контура и пробивка производятся по матрице 2. Резиновый амор-
тизатор 6 и съемник 5 служат для съема детали. Отходы удаляют
162
через паз в донышке 7, с по-
мощью которого оснастка крепится
к столу пресса. В качестве мате-
риала для диафрагмы рекоменду-
ется использовать высокоэластич-
ную каучуковую резину марки
5в или полиуретановый ненапол-
неииый каучук марки СКУ-7Л.
Толщина диафрагмы может быть
2—3 мм и более в зависимости
от конкретных условий. Сборка
элементов оснастки 2, 5, 7 осу-
Рис. 63. Конструктивная схема
оснастки для вырубки контура
и пробивки отверстий с примене-
нием диаграммы
ществляется по ходовой посадке.
Схема конструкции оснастки для пробивки отверстий в ци-
линдрической заготовке представлена на рис. 64. Заготовка 1
зажимается между проставкой <3, матрицей 4 и донышком 5. Для
уменьшения объема жидкости в полости матрицы и для концен-
трации энергии в рабочей зоне в полости заготовки устанавли-
вается отражатель 2. В зависимости от расположения и конфигура-
ции пробиваемых отверстий отражатели могут быть различной
формы.
Схема конструкции оснастки для пробивки отверстий пуан-
сонами представлена на рис. 65. Заготовка 10 зажимается между
матрицей 2 м. кондуктором 4. Прижим заготовки осуществляется
через проставку 7, плиту 5 и донышко 1, которое устанавли-
вается на столе пресса. Для обеспечения соосности кондуктора,
матрицы и пуансонов служат колонки 3. Импульсы давления
жидкости передается пуансоном 9 через диафрагму 8 и поршень 6,
которые осуществляют пробив-
ку заготовки 10. Отходы соби-
Рис. 65. Конструктивная схема ос-
настки для пробивки отверстий пуан-
сонами
163
Рис. 64 Конструктивная схема ос-
настки для пробивки отверстий в ци-
линдрической заготовке
11*
К пуансонам для высокоскоростной пробивки предъявляют
менее жесткие требования по точности и чистоте. Использование
пуансонов улучшает условия высокоскоростной пробивки, что
дает возможность зазор между матрицей и пуансоном выполнить
увеличенным. Так, например для пробивки коррозионно-стойкой
стали толщиной 1,5 мм на механическом прессе рекомендуется
зазор между матрицей и пуансоном принять в пределах 0,02—
0,03 мм. Проведенные на электрогидравлическом прессе экспери-
менты по пробивке таких же отверстий в этой же стали при зазоре
между матрицей и пуансоном 0,05—0,09 мм показали высокое
качество среза. После пробивки на электрогидравлическом прессе
не требуется дополнительных зачистных операций, так как чистота
среза достигает 8-го класса шероховатости. Размеры рабочих
частей матриц можно определять по рекомендациям, предусмо-
тренным для штамповки на механических прессах [83]. Размеры
рабочих частей пуансонов рассчитывают аналогично с учетом
зазора, увеличенного в 2—3 раза.
При разработке присоединительных элементов оснастки, к
которым относятся места крепления ее верхней и нижней частей,
присоединения шлангов подвода воды, нужно знать, на какое
оборудование она проектируется. С этой целью рассчитывается
необходимая энергия деформации для вырубки и пробивки, ве-
личина которой должна быть меньше энергии в импульсе данного
пресса при максимально возможных энергетических параметрах
с учетом КПД операции:
Wn = PS < 0,
где Р — усилие деформации; S — толщина материала; т] — КПД
операции; Wo — энергия в импульсе данного пресса.
Усилие деформации при вырубке и прибивке с высокой ско-
ростью может быть рассчитано по формуле
Р = kZSaBKn,
где Z — длина линии реза (для деталей сложной формы целесо-
образно проводить ее непосредственное измерение с помощью
курвиметра); сг„ — предел прочности материала; Дд — коэффи-
циент динамичности может быть принят по данным гл. VI; k =
= 1,25 — коэффициент, учитывающий анизотропию и отклоне-
ния по толщине штампуемого материала, возможные надбавки
усилия на проталкивание отходов, притупление кромок и т. п.
[831. Полученные результаты могут быть использованы и для
расчетов на прочность рабочих элементов оснастки.
Проведенное на ряде заводов сравнение стоимости штамповой
оснастки для механических и электрогидравлических прессов
для изготовления аналогичных деталей показывает, что стоимость
последней в 3,5—4,0 раза меньше.
164
6. ПАТРОНЫ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ТРУБ
Закрепление труб в трубных решетках теплообменных аппа-
ратов на установках типа «Молния» осуществляется с помощью
специальных электровзрывных патронов. В них происходит
непосредственное преобразование электрической энергии высоко-
вольтного разряда в механическую энергию импульса сжатия,
которая воздействует на внутреннюю поверхность трубы и осу-
ществляет ее деформирование. По характеру получения нагрузки
и в соответствии с принятой классификацией (схема 2) патроны
для крепления труб делят на патроны с внутренним образованием
ударной волны непосредственно в зоне закрепления трубы и
наружным — с вынесенной нагрузкой, а по характеру воздей-
ствия —• на патроны многократного и разового действия.
Патроны многократного действия применяют для разваль-
цовки соединений из труб диаметром более 30 мм. При работе
такого патрона в камере происходит электрический разряд в
жидкости, импульсы давления которой воздействуют на закреп-
ляемую трубу через эластичный или жесткий элемент.
Наибольшее распространение получил электровзрывной патрон
разового действия (рис. 66). Основными элементами его явля-
ются корпус, состоящий из гильзы 2 и юбки /, наполнитель или
передающая среда 5, взрывающийся проводник 3 с токоподво-
дящим стержнем 8. Корпус патрона должен быть изготовлен из
материалов, обладающих достаточными электроизолирующими
свойствами и способных передавать давление взрыва проводника
на стенки трубы. Гильза патрона может быть либо сплошной,
либо иметь форму полого цилиндра. Сплошной патрон с линейным
проводником (рис. 66, а) рекомендуется применять для труб с
внутренним диаметром до 6 мм, патрон с линейным проводником
Схема 2. Классификация операций и инструмента для крепления труб в трубных
решетках теплообменных аппаратов
165
Рис. 66. Основные типы электровзрывных патронов:
а, б — сУемы развальцовки; в — схема сварки
и наполнителем (рис. 66, б) — для труб с внутренним диаметром
от 6 до 16 мм, патрон с пространственным проводником и напол-
нителем (рис. 66, в) для труб с внутренним диаметром свыше
16 мм.
У патрона с наполнителем внутренняя полость гильзы запол-
нена малосжимаемым веществом. Тип наполнителя имеет суще-
ственное значение, так как от него зависит скорость радиального
перемещения стенки трубы. Максимальная скорость наблюдается
при применении жидких и аморфных материалов, обладающих
относительно высокой плотностью. Лучшие результаты дает вода.
Герметизация жидкого наполнителя осуществляется специальной
заглушкой 6 или пленкой вязко-линейного вещества 7, например,
на основе резиновой смеси № 31-М с бутилформальдегидной
смолой.
Для уменьшения переходного сопротивления между проволо-
кой и трубой торец гильзы покрывают слоем токопроводящей
краски 4, что увеличивает площадь контактных поверхностей и
предохраняет наполнитель от усыхания.
Размеры рабочей части корпуса (гильзы) выбирают согласно
геометрическим характеристикам закрепляемого соединения. На-
ружный диаметр гильзы определяют по формуле
d1 = 4 — 2(6 + Д6),
где 4 — наружный диаметр трубы; 6 — толщина стенки трубы;
Д6 — допуск на толщину стенки.
Для надежной фиксации патрона в трубе на наружной части
гильзы предусмотрен посадочный поясок 9, максимальный диа-
метр которого определяется из выражения d2 = 4 — 2(6 — Д6).
Размеры юбки выбирают из условия обеспечения электрической
прочности. Для установок с рабочим напряжением до 10 кВ
рекомендуется применять патроны длиной юбки не менее 15 мм,
а с рабочим напряжением до 50 кВ — не менее 36 мм.
166
Взрывающийся элемент выполняется в виде проводника пере-
менного сечения (рис. 66, б) и состоит из токоподвода 8 и взрыва-
ющейся части 3. Изготовляется он обычно из алюминиевой про-
волоки марок AM или АПТ по ГОСТ 6132—71 ротационным обжа-
тием или контактной сваркой. Диаметр токопровода выбирается
из условия невзрываемости и находится в пределах 1,5—2,0 мм.
Размеры взрывающегося проводника рассчитывают по формулам,
приведенным выше.
Основным недостатком патрона разового действия является
сложность приготовления наполнителя аморфного типа и ограни-
ченные возможности его применения из-за загрязненности вну-
тренней поверхности трубы после ее закрепления. При примене-
нии жидких видов наполнителей осложняется их герметизация.
Применение различных видов патронов для крепления труб в
трубных решетках теплообменных аппаратов совмещается с
систематическими поисками путей совершенствования их кон-
струкций, повышения технологичности, стабильности, снижения
трудоемкости изготовления и повышения экономической эффек-
тивности их использования.
7. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ОСНАСТКИ
Под стойкостью оснастки понимают время ее работы на задан-
ном режиме, обеспечивающем получение качественных деталей
в пределах заданных размеров и допусков, исчисляемое числом
импульсов до первого ремонта любого из ее элементов. Пара-
метрами, определяющими электрогидравлический процесс, явля-
ются: выделяемая энергия, КПД процесса, передающая среда. Все
элементы технологической оснастки подвержены многократным
импульсным нагружениям, определяющим ее стойкость. Харак-
тер возникающих напряжений в каждом из элементов оснастки
может быть различным. Оценку стойкости можно провести со-
гласно эмпирическим зависимостям с использованием теории
подобия [54 ].
Достаточная стойкость оснастки во многом определяется
схемой нагрузки при деформировании. В конец процесса обра-
ботки заготовки воздействующие на нее ударные волны распро-
страняются по матрице. В результате их длительного воздей-
ствия на рабочей поверхности матрицы и внутри ее могут возни-
кать усталостные микротрещины, которые увеличиваются под
действием попадающей в них смазки, сжатой между деталью и
матрицей, а также последующих нагружений. Зарождение этих
трещин начинается, как правило, в зоне больших концентраций
напряжений.
На стойкость матриц влияет процесс формообразования. Рабо-
чая поверхность вытяжных матриц после длительной эксплуата-
ции изнашивается: меняются геометрические размеры, появля-
167
ютсй царапины, задиры. Причинами этого, кроме указанного
выше, можно считать неудовлетворительные условия смазки
поверхностей трения заготовки и матрицы или ее недостаточная
твердость. Если дальнейшее увеличение твердости рабочей по-
верхности приводит к хрупкому разрушению последней, то
можно рекомендовать применение вытяжных матриц с конусным
заходом (см. рис. 59). Применение смазок на основе олеиновой
кислоты, стеарина и серы (78 ] при высокоскоростном деформиро-
вании, а также матриц с конусным заходом может увеличить
их стойкость в 5—6 раз.
По данным Е. М. Бельского и Р. И. Томилина, повышению
стойкости матриц способствует гальваническое хромирование
рабочей поверхности. При этом особое внимание необходимо
уделить правильной подготовке поверхности к покрытию. Хо-
рошие результаты дает предварительное уплотнение поверхно-
стного слоя матрицы, а затем электрополировка. Твердость по-
верхности должна быть HRC 38—45. После хромирования матрицы
подвергают термической обработке: нагреву до 100° С с выдерж-
кой 1 ч, затем нагреву до 250° С с выдержкой 18—20 ч. При этом
стойкость может быть повышена в 5—10 раз.
По некоторым данным, приведенным В. П. Романовским, азо-
тирование, уменьшая налипание металла и увеличивая износо-
стойкость поверхности, может повышать стойкость матриц. В ряде
случаев может оказаться целесообразным предварительное соз-
дание в матрицах напряжений, противоположных по знаку на-
пряжениям, возникающим в процессе деформирования. Это воз-
можно, например, при изготовлении составного инструмента с
напрессованной внешней обоймой. Объемное сжатие во внутрен-
ней части матрицы повышает ее сопротивление деформированию
и уменьшает пластическое смятие.
Дальнейшее повышение стойкости всех элементов оснастки
должно идти по пути продолжения исследований, разработки
новых конструктивных решений, использования современных
материалов и передовой технологии.
Глава IX
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОМЕЩЕНИЯМ,
РАСПОЛОЖЕНИЮ И МОНТАЖУ ОБОРУДОВАНИЯ
Расположение электрогидравлических прессов и установок
в цехе зависит от их назначения, технических характеристик и ха-
рактера производства. Электрогидравлическое оборудование, не
требующее специальных помещений, при использовании в серий-
ном производстве может встраиваться в технологические линии
с учетом технологических потоков. При индивидуальном и мелко-
серийном производстве, когда в цехе планируется установка
нескольких единиц импульсного оборудования (электрогидравли-
ческого, магнитно-импульсного, взрывного и др.), целесообразно
выделение участка импульсной обработки. Расположение электро-
гидравлического оборудования в цехах должно обеспечить удоб-
ство его обслуживания, безопасность работ, максимальную отдачу
продукции с 1 м2 площади. Размеры производственной площади
определяются в зависимости от типа применяемого оборудования.
Производственная площадь, занимаемая разными типами элек-
трогидравлического оборудования, приведена ниже.
Запасаемая энергия. кДж ... 10 20 40 80 160
Занимаемая площадь, м2 ... 10—12 12 — 30 30 — 50 90—1100 145—220
Ширина проходов между ними устанавливается 1,5 м, ширина
проездов — 2,25—3,0 м. Нормы расстояний от электрогидравли-
ческих установок до элементов здания и до границы прохода
или проезда и расстояний между электрогидравлическими уста-
новками приведены ниже.
Запасаемая энергия, кДж 10 20 40 80 160
Расстояние, м: от колонн 1.0 1.2 1.5-2,0 2,2—3.0 3.2 —3.5
от стены 1,2 1.4 1.5 —2,0 2.2 —2.8 3.0—3,5
от границы проезда или прохода 0.5 0.5 0,6 0,8 1,2
между электрогидра- влическим оборудо- ванием 1.2 1.5 1,5 3.0 —
169
Расположение мест хранения заготовок и складирования де-
талей, стеллажей с оснасткой должно быть выполнено с учетом
удобства обслуживания и в соответствии с общим направлением
грузопотоков в цехе. Электрогидравлпческое оборудование не
следует располагать вблизи нагревательных печей большой мощ-
ности, молотов и другого оборудования, способного вызвать
нарушение рабогы генераторов импульсных токов и элементов
автоматики.
С точки зрения правил техники безопасности расположение
электрогидравлического оборудования для обработки металлов
давлением должно удовлетворять требованиям, предъявляемым
к кузнечпо-пресссвому и высоковольтному оборудованию [711
Электрогидравлические прессы, скомпонованные в едином
агрегате («Удар-12», Т1220 и др.) устанавливаются непосред-
ственно в помещении цеха, не требуют специального с'ундамепта
и крепления их к полу (последний должен бьгь б<з выбоин,
с неровностями не более 3 мм/м2 и выдерживать нагрузку
2-10 Н/м2).
Установки для электрогидравлической штамповки крупнога-
баритных деталей типа «Удар-11» и развальцовки типа «Молния»
требуют отдельных помещений: сператорской, помещений для
высоковольтного оборудования и технологического узла.
При разработке проекта строительной части для размещения
установок учитывают требования «Правил технической эксплуа-
тации и обслуживания электроустановок» [711 и «Правил устрой-
ства электроустановок». Несущие, ограждающие конструкции
и перекрытия рекомендуется выполнять с максимальным исполь-
зованием сборных железобетонных элементов промышленного
изготовления, которые должны соответствовать I и II степеням
огнестойкости согласно требованиям «Правил устройства электро-
установок».
В качестве материала для стен можно использовать кладку
толщиной не менее 1,5 кирпича или пиленого ракушечника тол-
щиной не менее 380 мм. Стены помещения для технологического
узла должны обладать необходимой звукоизоляцией согласно
требованиям «Санитарных норм и правил по ограничению шума
па производстве». Согласно требованиям ВЦНИИОТ необходимо,
чтобы с целью снижения напряженности импульсных электро-
магнитных полей до уровня 100 А/м операторское помещение было
экранировано. Для этого могут быть использованы стальные
листы толщиной 1—2 мм.
Двсрп и ворота технологического и операторского помещений
оборудуются механической пли электрической блокировками,
при этом открываются они наружу и должны иметь самозапнра-
ющиеся замки, открываемые без ключа с внутренней стороны
помещения.
Необходимо, чтобы рабочее помещение было оборудовано
приточно-вытяжной вентиляцией, а остальные помещения — при-
170
точной. Пол в операторском помещении должен быть деревянным,
а в остальных он может быть бетонированным или асфальтовым.
В высоковольтном помещении следует предусмотреть прцям©к
для слива масла из ВТМ согласно «Правилам устройства электро-
установок».
Установки типа «Удар-14» для штамповки крупногабаритных
деталей требуют отдельных фундаментов, удовлетворяющих тре-
бованиям «Строительных норм и правил» на фундаменты машин
с динамическими нагрузками, условиям прочности, устойчивости
и экономичности.
Заземление высоковольтной части установки должно быть
произведено на специальный заземляющий контур с сопротивле-
нием растеканию тока в любое время года не более 0,5 Ом. Закладка
контура и проверка его сопротивления производятся после окон-
чания земляных работ до бетонирования с составлением акта
на выполнение скрытых работ.
Общие требования к монтажу электрогидравлических прессов
и электрооборудования и правила техники безопасности при про-
ведении монтажных работ аналогичны требованиям и правилам,
изложенным для установок и электрооборудования очистки
отливок.
Монтажные работы сводятся к сборке и соединению узлов,
монтажу магистралей подвода воды, воздуха, аппаратуры управ-
ления, низковольтного и высоковольтного электрооборудования,
заземлению установки, подключению ее к цеховой электросети,
сети сжатого воздуха, водопроводу и дренажу.
При установке технологического узла должно быть обесценено
горизонтальное расположение плоскости стола. По окончании
монтажных работ электрогидравлической пресс или установка
подвергаются проверке, снимается консервация, производится
смазка, заполняются и проверяются на плотность системы.
Завершающим этапом являются пусконаладочные работы.
Производится внешний осмотр пресса или установки, всех его
узлов, проверяется правильность монтажа, соответствие выпол-
ненных соединений узлов и систем требования документации.
Проверяется работа системы управления, правильность и после-
довательность выполнения команд.
В соответствии со схемой производится смазка пресса, при
этом проверяется доступ к смазываемым точкам, удобство подачи
смазки, проникновение ее на место. Затем проверяется работа
масляной системы, гидроагрегата и гидроприводов. Предвари-
тельно проверяется количество масла в баке и системе. Давление
масла до заданного значения настраивается и фиксируется предо-
хранительным клапаном по манометру. Проверяется работа ме-
ханизма прижима. Время перемещения клиньев до упора должно
соответствовать циклограмме. -д
Для дальнейших проверок устанавливается и подключается
оснастка, после чего проверяются системы водоснабжения и осу-
171
шения, механизмы выдвижения оснастки, перемещения электро-
дов и т. п. Регулируется и фиксируется скорость перемещения
оснастки, проверяются и уточняются остальные элементы цикла
работы установки. После пусконаладочных и регулировочных
работ проводят проверку работы установки на всех режимах и во
всем диапазоне регулирования напряжения. По окончании такой
проверки монтажные, пусконаладочные и регулировочные работы
считаются законченными, а установка — готовой для проведения
дальнейших испытаний и эксплуатации.
2. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА.
ОБЯЗАННОСТИ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА
Рабочее место оператора снабжается смазочно-обтирочными
материалами, инструментом для наладки, защитными сред-
ствами, предусмотренными для эксплуатации электрогидравли-
ческих установок [71].
Особое внимание уделяется освещению, при этом руковод-
ствуются действующими нормами [71 ], четко определяют зоны
освещения. Основными объектами наблюдения должны быть при-
боры пульта управления, положение электрода, состояние
оснастки и т. п. При штамповке мелких деталей рабочие места
электрогидравлических установок и прессов оснащаются стан-
дартными ящиками. В этом случае рациональнее располагать
детали справа от оператора, а заготовки — слева. При штамповке
крупных деталей рабочее место оборудуется стеллажами или пло-
щадками для материалов, полуфабрикатов, отходов. Если пульт
управления установкой или прессом находится в отдельной ком-
нате — пультовой, то в ней предусматривают место для отдыха
и оборудуют мебелью, соответствующей эстетическим требова-
ниям и антропометрическим данным обслуживающего персо-
нала [74].
Основные обязанности и принципы подготовки обслуживаю-
щего персонала при эксплуатации электрогидравлических уста-
новок изложены в гл. V.
Отличительной особенностью электрогидравлического обору-
дования для обработки металлов давлением является возмож-
ность его использования как на крупных, так и на мелких пред-
приятиях. Подготовка операторов и проверка их знаний на
последних затруднительна.
Так как каждый оператор должен пройти двухнедельную ста-
жировку на электрогидравлической установке или прессе под ру-
ководством опытного работника, то она может быть проведена
на любом другом предприятии, располагающем соответствующим
оборудованием и специалистами. Проверка знаний оператора
должна производиться комиссией того предприятия, где он ра-
ботает или будет работать. В другой какой-либо организации
172
проводить проверку знаний оператора не допускается. Если опе-
раторы работают па мелких предприятиях пли учреждениях, не
имеющих персонала для состава комиссии, то проверка их знаний
может производиться в комиссиях, созданных при вышестоящих
организациях.
При эксплуатации электрогидравлических прессов и уста-
новок обслуживающий персонал обязан строго руководствоваться
соответствующими правилами технической эксплуатации и тех-
ники безопасности [71]. Пуск установок разрешается согласно
письменному распоряжению начальника участка или смены.
Ответственными за эксплуатацию установок назначаются лица
с квалификацией не ниже IV группы. Работа на установках про-
изводится оператором с квалификацией по технике безопасности
не ниже III группы.
При передаче смены каждый оператор должен сдать пресс
или установку заступающему на дежурство, оформив прием-сдачу
соответствующей записью в эксплуатационном журнале, где
должны быть указаны состояние и режим работы установки, изме-
нение технологических режимов, замеченные неполадки, коли-
чество изготовленных деталей.
Периодически, не реже одного раза в неделю, проводится
профилактический осмотр электрооборудования. Ежедневно про-
веряется состояние технологической оснастки.
3. ИСПЫТАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ОСНАСТКИ И ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
Электрогидравлическое оборудование для обработки металлов
давлением подвергается испытаниям как на заводе-изготовителе,
так и на заводе-заказчике. Испытания проводятся согласно
техническим условиям, программе и методике проведения
испытаний, разработанным и утвержденным в установленном
порядке.
В состав испытаний включаются внешний осмотр, проверка
на холостом ходу и под нагрузкой. Внешним осмотром устанавли-
ваются габаритные и установочные размеры, тщательность сборки
и затяжки креплений, качество окраски, правильность марки-
ровки выводных концов и т. п.
При работе пресса под нагрузкой проверяется: рабочее на-
пряжение, частота следования импульсов; надежность защиты от
перенапряжения; величина нагрева отдельных элементов высоко-
вольтного оборудования; время обработки деталей; время всех
вспомогательных операций; время простоя пресса или установки
и его причины; соответствие изготовленных деталей чер-
тежам.
Проверка производится при изготовлении партии деталей
в количестве, установленном техническими условиями.
173
Во время испытания и эксплуатации оснастки могут быть
выявлены неполадки. Основные неполадки и способы их устра-
нения приведены ниже.
Утечка воды . . ... Проверяются элементы уплотнения, их
качество и сборка, при необходимости
их заменяют
Отсутствие или нестабильность разряда при
нормальных показаниях киловольтметра Изменяется величина разрядного про-
межутка
Наличие прижогов на Детали..............Увеличивается расстояние между элек-
тродом и заготовкой
Искрение в районе подсоединений силового
или заземляющего кабелей ....... Проверяются и подтягиваются контакты
Могут быть и другие неисправности при испытании пресса
и оснастки. При их устранении обязательно: отключить питание
пресса; проверить положение электроблокировок (они должны
быть замкнуты); снять разрядной штангой напряжение с конден-
саторов; соблюдать общие правила техники безопасности.
После испытания технологической осиастки приступают к от-
работке технологии. При освоении штамповки каждой новой
детали расчетные предварительные параметры технологического
процесса уточняются экспериментальным путем. Уточняются
как параметры операции, выполняемой на электрогидравличе-
ских прессах и установках, так и параметры предшествующих
и последующих операций.
Отработка технологии начинается с проверки марки материала,
сортамента и размеров исходной заготовки.
В связи с тем, что расчет размеров исходной заготовки произ-
водится приближенно без учета ее утонения в процессе дефор-
мирования, на практике уточненный размер устанавливается
экспериментально из условия минимального расхода материала.
В соответствии с уточненным минимальным размером исходной
заготовки уточняются размеры приемника, фиксирующего поло-
жение заготовки в оснастке.
Анизотропия свойств материала и колебания толщины исходной
заготовки требуют экспериментального уточнения энергетических
параметров выполняемой операции. Скорость деформации зави-
сит от напряжения разряда: с увеличением напряжения скорость
увеличивается. Таким образом, в заданных пределах регулировки
напряжения и числа импульсов для каждого материала толщины
и формы детали можно подобрать оптимальные параметры, обес-
печивающие максимальную деформируемость при минимальных
затратах энергии.
Глубина вытяжки зависит от величины зазора между заготов-
кой и прижимной плитой, которая уточняется до оптимального
значения путем постепенного уменьшения его от максимальной
величины.
Заготовки, особенно при толщине менее 0,6 мм, при штамповке
склонны к складкообразованию и разрывам. Для улучшения
условий процесса иногда подвергают вытяжке одновременно не-
сколько сложенных в пачку тонких заготовок — это так называе-
174
мая многослойная вытяжка. При этом за счет возрастания отно-
п
сительной толщины У, S/D увеличиваются технологические воз-
1
мощности и улучшается качество штампуемых деталей. Однако
точность их изготовления снижается и, если отштампованные
детали не укладываются в пределы допуска, приходится вводить
дополнительную операцию калибровки внутренних деталей
в той же матрице.
Большое внимание при отработке технологии, особенно при
вытяжке, уделяется смазке поверхностей заготовок. Внешнее
трение увеличивает работу деформации, сокращает срок службы
оснастки, снижает качество поверхности штампованных деталей,
вызывает неоднородность деформаций и напряжений, оказывает
влияние на структуру и свойства деформированного металла.
Согласно Л. А. Шофману, применение эффективных смазок позво-
ляет снизить потребную работу в 3—5 раз по сравнению с обра-
боткой без смазки. Известна способность поверхностно-активных
смазок делать поверхностные слои металла более пластичными.
Поверхностную активность смазки повышают активизирующие
вещества (олеиновая кислота, сера, хлор и др.) [89]. Проведенные
эксперименты показали, что при штамповке на электрогидравли-
ческих прессах лучшие результаты дает смазка следующего
состава: олеиновая кислота — 78%, стеарин— 17%, сера — 5%.
При вытяжке степень деформации можно повысить реверсив-
ной деформацией. В этом случае осуществляется предварительный
набор материала заготовки на вкладыш с последующим вывора-
чиванием и калибровкой по матрице.
В процессе штамповки под воздействием ударных волн металл
изменяет свои физические и механические свойства [1081. Вели-
чина максимальной деформации заготовки лимитируется деформа-
ционным упрочнением и наклепом, в результате чего при штам-
повке относительно глубоких деталей приходится вводить меж-
операционный разупрочняющий отжиг. Последний приходится
иногда вводить и для достижения малых радиусов в штампуемой
детали.
К предварительной термической обработке прибегают при
штамповке деталей, ранее подвергавшихся деформации или
сварке.
При электрогидравлической штамповке по сравнению с много-
операционной вытяжкой на механических прессах удельные энер-
гетические затраты на термическую обработку могут быть сокра-
щены более чем в 2,5 раза.
Отработка технологии считается законченной после уточне-
ния технологических и энергетических параметров, обеспечи-
вающих стабильное получение детали в соответствии с требова-
ниями чертежа при минимальных затратах материала, энергии,
труда,
175
4. УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ
Электрогидравлическое оборудование для обработки металлов
давлением сочетает в себе особенности высоковольтных элек-
троустановок и обычного кузнечно-прессового оборудования с при-
сущими как тем, так и другим требованиями техники безопас-
ности [71].
Предусматривается комплекс технических, организационных
и санитарно-гигиенических мероприятий, обеспечивающих без-
опасную работу на электрогидравлических прессах н установках.
Технические мероприятия обеспечиваются необходимыми эле-
ментами конструкции, технологическим процессом производства,
испытаниями оборудования и освещены в соответствующих раз-
делах книги.
Мероприятия организационного характера включают в себя
правильное расположение оборудования, организацию и содер-
жание в порядке рабочего места, периодический инструктаж и
проверку знаний правил техники безопасности обслуживающего
персонала, запрещение работы на неисправном оборудовании,
обеспечение защитными средствами и т. п.
К техническому персоналу, обслуживающему электрогидра-
влические прессы и установки, предъявляются требования как
к персоналу с квалификационной группой не ниже III при обслу-
живании электроустановок напряжением свыше 1000 В [711
с прохождением обучения по программе, утвержденной главным
инженером предприятия.
Перед включением пресса или установки оператор проверяет
исправность блокирующих устройств и заземления, наличие
и пригодность защитных средств, а после включения внимательно
следит за работой всего оборудования, контролируя включение
сигнализации и показания приборов. Все операции производятся
в строгом соответствии с технологической картой. Работа не-
медленно прекращается при обнаружении неисправности, и по-
вторное включение производится только после выявления причин
неисправности и их устранения.
Категорически запрещается самовольное отключение блокиру-
ющих и защитных устройств, снятие ограждений, принудитель-
ное заклинивание кнопок управления и блокирующих устройств.
Во избежание травм при установке заготовок и снятии деталей
пользуются пинцетами, а в случае габаритных и тяжелых деталей
применяют перчатки и специальные приспособления. По оконча-
нии рабочей смены или прекращении работы на длительное время
электрогидравлическое оборудование отключается от сети и
заземляется. Санитарно-гигиенические мероприятия предусма-
тривают соответствующие требования к оборудованию помещений
для электрогидравлических прессов и установок и их конструк-
тивным элементам, обеспечивающие снижение уровня шума и
вибраций, напряженности импульсного магнитного поля и зага-
зованности воздушной среды до установленных норм.
176
Нормы допустимых уровней шума для рабочих мест при обслу-
живании электрогидравлического оборудования определены «Ги-
гиеническими нормами допустимых уровней звукового давления
и уровней звука на рабочих местах» № 1004—73 и устанавливаются
техническими условиями на каждый тип электрогидравлического
пресса или установки с учетом импульсного характера шума
и суммарной длительности его воздействия за рабочую смену.
Величины вибраций в производственных помещениях, не выше
значений, установленных «Санитарными нормами проектирования
промышленных предприятий» СН 245—71, обеспечиваются кон-
струкцией фундаментов и амортизирующих подушек электро-
гидравлических установок.
На основе проведенного Харьковским НИИ гигиены труда
и профзаболеваний и Всесоюзным ЦНИИ охраны труда ВЦСПС
комплекса исследований, позволивших выяснить характер и сте-
пень стойких изменений, возникающих в организме при воздей-
ствии импульсного магнитного поля низкой частоты (1—30 кГц),
допустимый уровень напряженности его с учетом коэффициента
запаса установлен до 100 А/м.
Для нормальной организации эксплуатации электрогидравли-
ческих прессов должны быть учтены общие требования к эксплуа-
тации электрогидравлических установок для очистки отливок,
высоковольтного оборудования и систем управления, изложенные
в соответствующих разделах книги.
|2 Г. А. Гулый
РАЗДЕЛ IV
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Глава X
НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРОВ
ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ
1. БЛОК-СХЕМА ГЕНЕРАТОРА
Источником высоковольтных импульсных токов электроги-
дравлических установок в настоящее время являются генераторы
с конденсаторными накопителями энергии [30, 119]. Генераторы
импульсных токов впервые начали применять при моделировании
процессов, возникающих в электрических аппаратах и газовой
изоляции при прямых ударах молнии. В 1937 г. А. А. Горев пред-
ложил использовать емкостные накопители энергии для модели-
рования процессов в высоковольтных выключателях при разрыве
цепей в мощных энергосистемах. За последние 20 лет генераторы
находят широкое применение в исследованиях по термоядерному
синтезу, импульсному ускорению плазмы в космических двига-
телях, для моделирования мощных взрывов. В 60-х годах гене-
раторы получают широкое распространение в промышленной
технологии, использующей высоковольтные искровые разряды
в жидкости и импульсные магнитные поля для обработки мате-
риалов. Генераторы состоят из следующих основных узлов:
зарядного устройства и устройства преобразования энергии.
Кроме указанных основных узлов, генераторы содержат эле-
менты управления, контроля и защиты электрооборудования.
Блок-схема генератора электрогидравлических установок при-
ведена на рис. 67. Зарядное устройство призвано обеспечить
зарядку конденсаторной батареи до рабочего напряжения. Оно
состоит из токоограничивающего устройства ТУ, повышающего
устройства ПУ и высоковольтного выпрямителя ВБ.
Одним из важных показателей зарядного устройства является
КПД зарядки емкостного накопителя энергии. Зарядные схемы
с индуктивным (рис. 68, а) и емкостным токоограничением
(рис. 68, б) имеют наиболее высокие энергетические показатели.
(КПД таких зарядных устройств составляет 50—65%). К недо-
статкам индуктивного токоограничения следует отнести низкий
коэффициент мощности, который не превышает 0,5. Зарядные
178
устройства с емкостным токоограничеипсм выгодно применять
преимущественно при больших временах заряда (/3 > 10 с).
Наименьший КПД имеют зарядные схемы с активным токо-
ограннчивгющим устройством (рис. 68, в), вследствие чего их
применяют только в генераторах, мощность зарядных устройств
которых не превышает нескольких киловатт. Одним из наиболее
эффективных способов увеличения КПД зарядных устройств
генераторов является стабилизация зарядного тока емкостных
накопителей, которая в настоящее время осуществляется с по-
мощью магнитных элементов, полупроводниковых регуляторов
и индуктивно-емкостных преобразователей.
В настоящее время лучшие характеристики имеют схемы за-
рядных устройств генераторов, в которых стабилизация тока
осуществляется индуктивно-емкостными преобразователями
(рис. 68, г). Для зарядных устройств таких генераторов КПД
составляет 70—85% при коэффициенте мощности, близком
к единице.
В качестве повышающего устройства ПУ генераторов в настоя-
щее время используются трансформаторы. Для выпрямления
зарядного тока широко применяют селеновые выпрямители. Они
способны выдерживать кратковременные перегрузки, надежны
в работе. Однако высоковольтные выпрямители, выполненные
на основе селеновых столбов, имеют большие габаритные размеры
и требуют интенсивного охлаждения. Этих недостатков лишены
кремниевые выпрямители. Они имеют высокую надежность в ра-
боте и позволяют значительно уменьшить габаритные размеры
и массу зарядных устройств генераторов.
Устройство преобразования энергии состоит из накопителя
энергии НЭ, высоковольтного коммутатора ВК, электродной
системы и линии передачи энергии. Нагрузкой генератора Н
служит искровой канал в жидкости.
В качестве накопителей энергии генератора НЭ широкое при-
менение находят импульсные конденсаторы, рассчитанные на
большие импульсные токи. Сравнение различных типов накопи-
телей энергии [40, 77] показывает, что импульсные конденса-
торы обладают меньшим энергосодержанием в единице объема,
12*
Рис. 67. Блок-схема генератора:
СУ— элементы схемы управления; ТУ — токоограничивающее
устройство; ПУ — повышающее устройство; ВВ— высоковольтный
выпрямитель: НЭ — накопитель энергии; В К — высоковольтный
коммутатор; Н — электродная система и нагрузка; БЗ — блок
защиты
179
О' О' о*
Рис. 68. Схемы зарядных устройств
чем аккумуляторные, ударные и индуктивные накопители энер-
гии. Однако они позволяют обеспечить значительно больший
ток при разряде благодаря меньшему внутреннему сопротивлению
и, следовательно, значительно большую мощность в импульсе.
Высоковольтные коммутаторы импульсных токов В К пред-
назначены для коммутации энергии, запасенной накопительной
емкостью. В качестве коммутаторов больших энергий исполь-
зуются воздушные, газонаполненные и вакуумные искровые
разрядники, а также игнитроны и тригатроны. Наиболее широко
в генераторах электрогидравлических установок используются
воздушные искровые разрядники. Они конструктивно просты
180
и доступны для изготовления не только на специализированных
предприятиях. Однако такие разрядники работают нестабильно,
требуют постоянного ухода и являются источником высокоча-
стотных шумов. Этих недостатков лишены ингитроны и тиратроны,
но при коммутации больших токов они имеют низкий срок службы
(104—106 импульсов).
Передача энергии конденсаторной батареи к нагрузке Н
осуществляется с помощью электродной системы и линии передачи
энергии, являющейся составной частью общей ошиновки генера-
тора. Для защиты энергетического электрооборудования при на-
рушении режима эксплуатации генератора, а также для обеспе-
чения безопасности обслуживания используется специальное
оборудование, входящее в блок защиты БЗ. Основным элементом
этого блока является система электроблокировок для заземления
конденсаторов после отключения генератора от сети. Схема
управления СУ включает в себя элементы управления, контроля
и сигнализации работы электрических цепей генератора. Электро-
оборудование, входящее в схему управления, размещается в щите
и на пульте управления.
Генераторы импульсных токов электрогидравлических уста-
новок работают следующим образом. При подключении генератора
к питающей сети происходит повышение напряжения и выпрямле-
ние зарядного тока накопителя. Через промежуток времени,
определяемый мощностью конденсаторной батареи, мощностью
и КПД зарядного устройства, конденсаторная батарея заряжается
до заданного значения рабочего напряжения. При срабатывании
высоковольтного коммутатора накопительная емкость с помощью
линии передачи энергии и электродной системы подсоединяется
к нагрузке. В результате приложенного напряжения происходит
пробой межэлектродного промежутка в жидкости и последующий
разряд конденсаторной батареи. При этом форма и длительность
импульса мощности, выделяемой в нагрузке, определяется как па-
раметрами разрядной цепи генератора, так и параметрами нагрузки.
2. СХЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА
Одним из важнейших показателей генераторов импульсных
токов является среднее значение КПД зарядного устройства
11 = 1ГС
си2
где Ц7С = —-2°---энергия заряженного конденсатора; —
‘з
= i2 di—энергия, теряемая в активном сопротивлении за-
fl
рядного контура.
181
Рис. 69. Схемы зарядки конденсаторов
с активным токоограниченнем (р
время переходного процесса в с
Снижение потерь энергии
в зарядном устройстве позво-
ляет уменьшить массу, габа-
ритные размеры и энергетиче-
ские показатели генераторов.
КПД зарядного устройства за-
висит от выбранной схемы и
характеристик применяемого
оборудования.
Существует несколько ос-
новных схем зарядных уст-
ройств генераторов. Как уже
отмечалось выше, наиболее про-
стой в исполнении является
схема зарядного устройства
ис. 69, а). Напряжение и ток во
RC изменяются по закону
_ t
1—е Т
U - '
R е
(61)
(62)
где U—напряжение источника питания; Т = RC—постоян-
ная времени зарядной цепи.
Мощность, передаваемая из сети в нагрузку, определяется
из выражения
/ ___О
Ct7g\l — е___
2С
(63)
где Uo—напряжение на конденсаторе в момент включения его
к нагрузке; t3— время заряда конденсатора.
Величина сопротивления, при котором можно получить задан-
ную частоту следования разрядов, находится из соотношения
____1з___
Г I и
и-ив
(64)
КПД схемы RC ограничен 50% и находится из выражения
1 I --—
T13 = 4v~e *с
(65)
Из-за низкого КПД зарядные схемы RC применяют только
в генераторах небольшой мощности.
182
Величина мощности, передаваемой из зарядной цепи в раз-
рядную при заданных значениях /? н С, имеет максимум в пре-
дельных случаях:
Uo -> U t3/RC -► оо, N —0 и при Uo -> О,
t3IRC —О, М О,
а так как функция мощности непрерывная и на границах интер-
вала 0 < tJRC < сю равна нулю, то в этом интервале она имеет
максимум. Исследовав выражение (63) на максимум, получим
оптимальное значение tJRC = 1,26, при этом U0 = 0,7166/,
a т>3 = 0,358.
При заряде емкости от источника постоянной ЭДС через
активное сопротивление КПД может быть больше 50%, если
остаточное напряжение на конденсаторе не равно нулю Un =/- 0.
Если емкость разряжается от Uo до Un, то энергия в импульсе
будет
IE >4(^-6/;,), (66)
при этом КПД
2U
(67)
При Un-+U0 КПД зарядки т]3 -> 1. Однако в этом режиме
работы используется не вся запасенная энергия, поэтому необ-
ходимо брать завышенные емкости конденсаторов.
КПД зарядной цепи может быть существенно больше 50%
при заряде емкости от источника постоянной ЭДС в случае нали-
чия в зарядном контуре индуктивности L3 > 0 (рис. 69, б). Токо-
вая характеристика для этого случая по типу может быть аперио-
дической, критической и периодической. Для первых двух типов
характеристик т]3 < 50%, для характеристики периодического
типа т]3 50%.
Максимально достижимый КПД, если напряжение выклю-
чить в конце первого полупериода, составит
1 ( ---М
»1зп,ах=4И+Р 2 RCh
(68)
При этом
ной работы:
должно выполняться основное условие полупериод-
4__2Г-к_ (/
4R [ RC ± (\RC J п )
(69)
Величина индуктивности цепи L3 определяется заданными R,
С и t3. Однако использование схемы LC в ряде случаев затрудни-
тельно вследствие жестких требований к условиям синхронизации.
183
Незначительная ошибка в синхронизации приводит к нежелатель-
ным изменениям тока, что ведет к дополнительным потерям энер-
гии и затруднению работы коммутаторов. Величина индуктив-
ности в такой схеме (см. рис. 69, б) может быть большой. Часто
такую индуктивность можно получить только в дросселях с же-
лезным сердечником. Наличие последнего может привести к зна-
чительным колебаниям индуктивности вследствие насыщения
железа, а эго в свою очередь приводит к дополнительным по-
терям энергии. Выполнить дроссель с линейной характеристикой
возможно только при наличии немагнитного зазора, что ведет
к увеличению габаритных размеров и массы дросселя, а следо-
вательно, и его стоимости.
Чтобы избавиться от жестких требований к синхронизации,
а также получить возможность регулировать частоту следования
импульсов, заряд емкости можно осуществлять через последо-
вательно включенные индуктивность и диод (рис. 69, в). В тече-
ние положительной полуволны тока конденсатор зарядится до
максимального напряжения и будет сохранять заряд до момента
срабатывания коммутатора
^omax = 2t/o(l--^), (70)
где б = R/Xt — затухание цепи.
Однако включение диода снижает добротность зарядной цепи,
а следовательно, и ее КПД. При низких частотах следований
импульсов здесь начинают сказываться потери энергии в резуль-
тате утечек конденсаторов.
Повышения экономичности процесса заряда конденсаторов
можно добиться применением схем с промежуточной накопитель-
ной емкостью (рис. 69, д). В этих схемах для питания рабочей
емкости С применяется накопительная емкость Сн, величина
которой должна быть Са = (10-^—15) С. Если Сн С, то изме-
нение напряжения на Сн при заряде С невелико и КПД 'зарядной
цепи высокий. Недостаток этих схем заключается в необходимости
использования батареи накопительных конденсаторов значитель-
ной емкости.
Зарядку емкостного накопителя энергии можно производить
непосредственно и от источника переменного тока без выпрями-
теля (рис. 69, г). Известен резонансный режим зарядки емкости.
Эту схему можно применять при больших частотах следования
импульсов (порядка десятков и сотен импульсов в секунду),
однако она требует строгой синхронизации работы коммутатора.
Для практического осуществления такой схемы необходимы
конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе.
Применение указанной схемы для низкочастотных генераторов
(несколько импульсов в секунду) нерационально из-за их значи-
тельной массы и габаритных размеров. Для генераторов импульс-
ных токов с низкой частотой следования импульсов наиболее
184
приёмлеМы схемы заряда емкостных накопителей от источника
переменного тока с выпрямителями (рис. 69, е). Наиболее жела-
тельным режимом зарядки конденсаторов является режим за-
рядки за большое число периодов переменного тока, так как при
этом мощность питающей сети может быть значительно меньше.
Зарядка емкостных накопителей энергии в мощных установках
через активное сопротивление энергетически невыгодна. Для
уменьшения потерь энергии в качестве токоограничивающего
элемента применяют реактивные сопротивления. В работах
Г. С. Берлинских исследован вопрос рационального выбора
электрических параметров зарядных устройств и их инженерного
расчета. В основу исследования различных зарядных схем были
положены следующие допущения: а) вентили считаются идеаль-
ными; б) активные сопротивления реактивных токоограничива-
ющих элементов приняты равными нулю; в) время зарядки намного
больше полупериода питающего напряжения.
Все зависимости, характеризующие процесс зарядки, по-
строены в функции относительного времени
(71)
где Z — токоограничивающее сопротивление (активное или реак-
тивное) в цепи переменного тока; С — емкость батареи рабочих
конденсаторов.
В схемах с реактивными токоограничивающими элементами
|Z| = |X|. Здесь
Х = Хф + Хкз, (72)
где Хф — фазное реактивное (индуктивное или емкостное) сопро-
тивление; Хкз — индуктивное сопротивление короткого замыка-
ния фазы трансформатора, приведенное к его вторичной цепи.
При расчетах зарядных устройств токи и мощности выражены
в относительных единицах. В качестве базисных величин при-
няты средние значения зарядного тока
/с = (73)
*3
и полезной мощности
N _ W _ си*
G 2<э
(74)
В результате изучения процесса зарядки определены основные
величины, необходимые для расчета зарядного устройства:
среднеквадратический первичный (вторичный) фазный ток
h
(75)
185
Рис. 70. Процесс зарядки конденса-
тора в трехфазной мостовой схеме
с индуктивным токоограничивающим
сопротивлением:
£7Тр — напряжение на трансформаторе;
/3 = 0.44с; 7 = 0.552 А; 1/ф =
= 422 В; Uc тах = 52 кВ; Ц3 = 57.9%:
cos q> = 0,553
расчетные мощности зарядного
устройства по первичной и вто-
ричной обмоткам трансформа-
тора
(76)
М2 = m2U2l2, (77)
где mlt т2 — число фаз пер-
вичной и вторичной обмоток
трансформатора; Ult U2 — дей-
ствующее значение первичного
и вторичного фазного напря-
жения;
максимальный вторичный
фазный ток при Uo = 0
г ____ 1^2 U2 . /7й\
' 2 max ' ' 2 ’ ' ' °'
максимальная мощность
с первичной стороны
Mi m.ix = m\I'i (79)
где Лзф — действующее значе-
ние первичного тока фазы при
Uo = 0;
расчетная мощность тран-
сформатора
N = Л+Лз-. (80)
На рис. 70 приведены графики основных величин, характери-
зующих процесс зарядки для одной из лучших схем — трехфаз-
ной мостовой с индуктивным токоограничивающим сопротивле-
нием. Графики показывают, что существует режим зарядки, ха-
рактеризуемый наименьшими значениями максимальной и расчет-
ной мощностей источника питания.
Для выбора оптимальных параметров необходимо ориентиро-
ваться на область t*, находящуюся между минимумом N* и М*таХ.
Минимумы мощностей выражены нерезко, поэтому целесообраз-
ную область режимов следует смещать влево относительно t*,
соответствующего минимуму зависимости N* = f (t*). Это ведет
к благоприятному уменьшению /2max и МГтах- Схемы зарядки
с индуктивными токоограничивающими сопротивлениями выгодно
применять при малых t3, так как в этом случае индуктивность
невелика; при больших временах заряда лучше применять емкост-
ное токоограничение.
Одним из важных способов увеличения КПД процесса заряда
конденсатора является регулирование входного напряжения во
186
время зарядного цикла. И. В. Волковым и И. В. Пентеговым с по-
мощью методов вариационного исчисления показано, что наи-
более выгодный режим зарядки будет при неизменном токе
i= С-^~-= const (81)
at
и при входном напряжении, изменяющемся по линейному закону,
UBK = iR -\-Uc = (<з + 7?С). _|_ Ucot (82)
*3
где UCH — поминальное напряжение на конденсаторе; Uco — оста-
точное напряжение на конденсаторе.
Для удовлетворения этих требований схема должна питаться
не от источника напряжения, а от источника тока.
В качестве источника тока возможно применение емкостных
генераторов, которые, однако, пока широкого распространения
не получили из-за присущих им основных недостатков — малой
удельной мощности и низкого КПД.
Из схем, обеспечивающих постоянство зарядного тока, наи-
более широкое распространение получили схемы с дросселями
насыщения и магнитными усилителями. На рис. 71 приведена
одна из возможных схем стабилизации тока зарядки конденсатора
при помощи статических бесконтактных магнитных элементов.
Регулятор состоит из дросселя насыщения, суммирующего ма-
гнитного усилителя и диодного ограничителя. Регулятор прост
в настройке и эксплуатации.
Внедрение в преобразовательную технику управляемых крем-
ниевых вентилей позволяет использовать их в качестве исполни-
1(1 Тр1
Рис. 71. Регулятор зарядки емкости с дросселем насыщения
187
Рис. 72. Схема зарядки емкости с индуктивно-емкостным преобразо-
вателем
тельных органов систем автоматического управления. Это дает
возможность существенно снизить массу и габаритные размеры
зарядных устройств, повысить быстродействие систем регулиро-
вания и решить вопросы защиты.
В последнее время для стабилизации зарядного тока емкостных
накопителей энергии применяются индуктивно-емкостные пре-
образователи источников напряжения в источники тока [15].
На рис. 72 представлена схема зарядки емкости с индуктивно-
емкостным преобразователем (ИЕП). Такие схемы надежны в ра-
боте, просты в настройке и имеют высокие энергетические пока-
затели.
3. СХЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Задачей устройства преобразования энергии является форми-
рование импульса разрядного тока и преобразование на нагрузке
электрической энергии, запасенной накопительной емкостью,
в механическую и другие виды энергии. Известно несколько схем
разрядного контура, способных обеспечить выполнение этой за-
дачи [110].
Самой простой и распространенной является электрическая
схема разрядного контура, в которой все основные элементы
(конденсатор С, высоковольтный коммутатор ВК и нагрузка Н
соединены последовательно, рис. 73, а). Поставленная задача
может быть выполнена и с помощью схемы, приведенной на
рис. 73, б, в которой высоковольтный коммутатор включен парал-
лельно нагрузке. В этой схеме
зарядка накопительной емкости С
осуществляется через нагрузку,
подсоединенную последовательно
в цепь зарядки конденсатора.
Схема, приведенная на рис.
73, б, удобна при монтаже, однако
а> е) она не получила широкого при-
Рис. 73. Схемы разрядного контура менения в генераторах электро-
генератора гидравлических установок. Это
188
связано с тем, что при срабатывании коммутатора цепь питания
закорачивается, а в разрядной цепи возникают высокочастотные
перенапряжения.
В электрогидравлических установках, где по технологическим
соображениям необходимо осуществить одновременный разряд
нескольких батарей конденсаторов каждой на свою нагрузку,
находят применение схемы разрядного контура, приведенные
на рис. 74. Они представляют собой несколько одпоэлектродных
схем, соединенных параллельно и подключенных к одному источ-
нику питания. Так как время формирования пробоя в жидкости
и время разряда каждого из параллельных контуров могут иметь
некоторое различие даже при одновременном срабатывании комму-
таторов ВК1 и ВК2, то в схеме, приведенной па рис. 74, а, в цепь
заряда конденсаторов устанавливают соответствующие сопротив-
ления R.
Их задачей является уменьшение доли энергии, переходящей
во время разряда из одного контура в другой. Сопротивления
могут быть активными и реактивными. Они применяются в основ-
ном в генераторах с числом параллельных контуров 2—4 и ем-
костью конденсаторной батареи каждого контура 2—4 мкФ.
При увеличении числа параллельных контуров и емкости кон-
денсаторных батарей возрастает доля энергии, перераспределяю-
щейся между контурами. Это приводит к снижению эффектив-
ности работы генератора и может служить причиной длительного
горения дуги на воздушных искровых разрядниках. Исключение
перераспределения энергии между разрядными контурами до-
стигается с помощью использования в качестве развязок высоко-
вольтных диодов Д (рис. 74, в).
189
Рис. 75. Схемы замещения разрядного контура генератора
Изучение процессов, происходящих в разрядном контуре
в период разряда, может быть проведено на эквивалентной схеме
замещения (рис 75, а). В параметры разрядного контура входят:
эквивалентные значения емкости Сс, индуктивности Lc и активного
сопротивления Rc батареи конденсаторов, токоведущих шин или
кабелей (Сл, Ьл, Ял), разрядника (С,„ Lp, Rp), индуктивности L„
и активного сопротивления R„ нагрузки. Так как в генераторах
промышленных электрогидравлических установок накопительная
емкость значительно превосходит емкости остальных элементов
схемы, то ими можно пренебречь. Активные сопротивления эле-
ментов разрядной цепи по сравнению с активным сопротивлением
нагрузки, за исключением разрядов на очень короткие межэлек-
тродные промежутки, малы, и ими также можно пренебречь.
Суммарное значение индуктивности всех элементов разрядного
контура вследствие изменения индуктивности канала разряда
изменяется незначительно. На основании изложенного схема
замещения генератора значительно упрощается (рис. 75, б).
Рабочий режим разряда может быть описан уравнением
t
Uo=L + И ' ® dt + (83)
б
Здесь URt — изменение напряжения на межэлектродном про-
межутке в жидкости. Решением уравнения (83) могут быть найдены
основные электрические характеристики разрядного контура и
искрового канала в жидкости — временные зависимости разряд-
ного тока i (0 и напряжения URt, временные зависимости мощ-
ности N(t) и энергии 1F(/), выделившейся в канале при разряде,
необходимые для анализа явлений, происходящих в элементах
разрядной цепи и в нагрузке — подводном искровом канале.
Однако сопротивление нагрузки генератора в электрогидравличе-
ских установках изменяется в процессе разряда, что значительно
затрудняет решение уравнения (83).
Эффективное преобразование электрической энергии в механи-
ческую при искровом разряде в воде достигается при выделении
основной доли энергии разрядного контура за первый полупе-
риод разряда. За этот отрезок времени происходит и основное
190
изменение активного сопротивления нагрузки. Таким образом,
зная зависимость изменения электрических параметров в разряд-
ном контуре за первый полупериод разряда, можно определить
электрические и энергетические характеристики контура в целом.
Для решения уравнения (83) может быть использована мате-
матическая теория преобразования функций. Уравнение (83)
в безразмерном виде
X
1 = 4-^-+л(1'(л)£к+^-- (84)
о
где
i (Q /L ,
и0Ус ’
t
I (х) =
I! — Ulit
Изменение напряжения на нагрузке с достаточной для практи-
ческих целей точностью может быть описано полиномом третьего
порядка
URx = b0+ ЬуХ + Ь2х2 4- Ь3х3. (85)
Так как при х = 0 URx = 1, то b0 = 1.
Подставив выражение (85) в уравнение (84) и решая получен-
ное выражение с помощью преобразований Лапласа, получим
зависимость изменения разрядного тока
i (х) = -^3 [ л2/ц (cos лх — 1) -|- 2лЬ2 (sin лх — лх) +
-]— бл^з
--COS ЛХ------2—
(86)
Коэффициенты blt b2, Ь3 уравнения (86) могут быть найдены
с помощью характерных точек разрядного тока:
а) при х = Xj i(x) = 0, где хг — длительность первого полу-
периода разряда;
б) при х = хт i(x) = im, где хт — время достижения разряд-
ным током максимума im\
в) при х = хт Г(х) = 0.
Значения хь хт и im могут быть определены на основании
экспериментальных данных по влиянию на них характеристики
разряда Цр
Xi = 1 — 0,2t]i 1,2qi; (87)
xm = 0,5 —0,1тц + 0,75т]?; (88)
= 1—0,1111 —0,6 Irin (89)
Характеристика разряда т) 1т выражающая отношение энергии,
выделившейся в первом полупериоде разряда, и энергии, запасеп-
191
ной конденсаторной батареей гц = WJWq, может быть определена
из выражения
где А — искровая постоянная, равная 0,25-105 В2 с/м2; /р — ре-
альная длина канала разряда.
При пробое жидкости реальная длина канала разряда /р
практически всегда больше межэлектродного расстояния I. На ос-
новании экспериментальных данных И. 3. Окунем установлено,
что в практических расчетах без значительной погрешности можно
принять
lp = 2L
Коэффициенты blt Ь3, Ь3 находятся путем решения системы
уравнений, составленных с помощью выражений (87)—(89), для
характерных точек
л2/у (1 — cos ллу) — 2лЬ2 (sin ллу — ллу) —
— 6Ь3 [ (1 — cos лх) — 1 == 0; (90)
л2/?! (1 — cos лхт) — 2л/?2 (sin лхт — лх,„) —
— 6b2 [(1 — cos лхт)— —^т-] = — n3im; (91)
л2/у sin лхт 4- 2лЬ2 (1 — cos лхт) — 65а (sin пхт—лхт) — 0. (92)
Для практических расчетов i (/) в пределах значения т] =
= 0,24-0,9 коэффициенты Ьъ Ь2, Ь3 могут быть найдены из урав-
нений зависимости каждого коэффициента от полученных
с помощью численного метода:
bi = — 13,2335 + 20,6678т)1 — 3,015щ—4,815т]?; (93)
Ь2 = 42,4338 — 110,3236т]! + 88,858т]1 — 20,9125т]?; (94)
b3 = — 30,8551 + 93,5694т]! — 93,1583тр -ф 30,4075т]?. (95)
Данный метод расчета i (/) не имеет ограничений по пар аметрам
разрядной цепи, однако является довольно громоздким. Временная
зависимость разрядного тока и выделившаяся при этом мощность
могут быть также определены из условия рассмотрения разрядной
цепи как линейной электрической цепи, к которой вместо на-
грузки подключен источник переменной во времени ЭДС:
е = — U„p = Une~6t cos at (96)
и которая описывается дифференциальным уравнением 2-го по-
рядка:
LC^-A-RC^- + U0-Un^ cosat = 0. (97)
192
Из уравнения (97) находим
i (/) = A sin Mot -|- В cos inot — е~ Ь( (В cos aot — В sin со/); (98)
X (t) = Uyt-bi cos со/[(Д sincoot-|- В cos cot) — e~6((B coscot — D sin cot)],
(99)
где
A = Un (-A- - Cco„) ; В = ;
\ / L-t
D = ^~ (Л4б + Л4); Ay = 2 •
cot ' 1 1 47 1 (coj — co,)- + 462cog
. _ cog (cog — cop + 2<V<x>(7 .
2 (cog-co?)3+ 4C2cog ’
. co| (cog — cog) + 262cof
4 (cog — co2)'2 + 46-cog ’
COi = 6 CO , COq =
Характеристики разряда 6 и co могут быть определены экспе-
риментальным путем. Так, для параметров разрядного контура
Uo = 204-50 кВ, С = 14 20 мкФ: L = 24-15 мкГ, / = 404-120 мм
при удельном сопротивлении воды р = 15 Ом-м с помощью
математической теории планирования экстремальных экспери-
ментов б и со могут быть определены из следующих выражений:
б = 4J5 _ 0,792Х2 — 3,052Х4 + 0,612XjX2 +
+ 0,226X1Xs + 0,389ХхХ4 — 0,427Х2Х3 +
+ 0,559Х2Х4 — 0,854Х1Х2Х3 — О^Х^Ха +
+ 0,435Х1Х3Х4; (100)
со = 6,96 + 0,556Xj — 1,741Х2 — 1,745Х3 — 1,296Х4 +
+ 1,261Х1Х2 — 0,421X^8 + 0,454Х2Х3 +
+ 0,255Х2Х4 + 0,814Х3Х4 + 0,194Х2Х3Х4. (101)
Здесь Ху — напряжение на конденсаторной батарее U0; Х2 —-
емкость конденсаторной батареи С, Х3 — индуктивность разряд-
ного контура L; Х4 — межэлектродное расстояние /.
Экспериментальная проверка показывает, что приведенные
выражения для временной зависимости разрядного тока и мощ-
ности в первом полупериоде разряда вполне приемлемы для прак-
тических расчетов при создании генераторов импульсных токов
электрогидравлических установок. Данный метод расчета не-
сколько проще предыдущего, однако при параметрах разрядной
цепи, отличных от приведенных здесь, требуется проведение до-
13 Г Л. Гулый 193
ПОлпительных экспериментов для нахождения бив. Для обеспе-
чения заданных параметров разрядной цепи генератора необхо-
димо, чтобы основное энергетическое оборудование, входящее
в него, отвечало соответствующим требованиям.
4. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Высоковольтные импульсные конденсаторы, предназначенные
для работы в генераторах импульсных токов, должны обладать:
возможно большим запасом энергии в единице объема; доброт-
ностью и малой внутренней индуктивностью; высокой динамиче-
ской устойчивостью всех контактных соединений; конструкцией,
способной обеспечить минимальные габаритные размеры и удобное
соединение конденсаторов в батарею с малой индуктивностью;
достаточным сроком службы в режиме многократных разрядов
па малые активные и индуктивные сопротивления.
Особенность работы импульсных конденсаторов в электро-
гидравлических схемах состоит в том, что нагрузкой для них
является переменное сопротивление подводного искрового про-
межутка. Среднее значение активного сопротивления искрового
промежутка невелико и в зависимости от остальных параметров
разрядной цепи может составлять от нескольких Ом до десятых
долей Ома. Индуктивность существующих генераторов электро-
гидравлических установок составляет 0,5—20 мкГ. Такие пара-
метры нагрузки обусловливают колебательный затухающий раз-
ряд импульсного конденсатора при амплитудах разрядного тока
в несколько десятков и сотен тысяч ампер.
Кроме того, импульсные конденсаторы электрогидравличе-
ских установок должны допускать 5—10% разрядов в режиме
короткого замыкания. Разряд конденсаторов в этом режиме
сопровождается значительным возрастанием амплитуды разряд-
ного тока и малым декрементом затухания. Доля потерь энергии
в самом конденсаторе и динамические усилия, испытываемые
секциями и выводами, при этом резко возрастают.
В промышленных электрогидравлических установках особенно
высокие требования предъявляются к сроку службы импульсных
конденсаторов и их стоимости. Генераторы первых электрогидра-
влических установок были созданы в основном на базе серийных
конденсаторов типа ИМ, ИМГ (табл. 22). Как видно из приве-
денной таблицы, большинство нх имеют низкие удельную энерго-
емкость и срок службы. При этом высокая стоимость конденса-
торов увеличивала стоимость генераторов и снижала экономиче-
ские показатели электрогидравлических установок.
Рост потребности в электрогидравлических установках раз-
личного назначения требовал создания конденсаторов с более
высокими технико-экономическими показателями. На основе бу-
мажно-масляных диэлектриков было создано несколько типов
импульсных конденсаторов типа КЭМ, ИК, ИКВГ и ИКГ (см.
194
Рис. 76. Импульсные конденсаторы:
/ — ИМГ-80-1; 2 — КЭМ-50/1; 3 — ИКГ-50-IVY
табл. 22 и 23). Срок службы этих конденсаторов на 2—3 порядка
выше, чем конденсаторов типа ИМ и ИМГ. Они имеют меньшие
габаритные размеры, массу и более удобны при монтаже малога-
баритных генераторов (рис. 76).
Конденсаторы типа КЭМ имеют металлический корпус и ди-
электрическую крышку (винипласт, текстолит). Оба вывода изо-
лированы от корпуса. Пакет конденсатора состоит из плоскона-
борных секций, соединенных параллельно с помощью обкладок
выступающих с торцов секций. Выводы выполнены в виде плоских
медных шин, припаянных к латунной шпильке, выведенной через
изолятор на поверхность крышки конденсатора.
Так как все секции конденсатора соединены параллельно,
то внутренняя индуктивность конденсатора невелика. Такая кон-
струкция обеспечивает надежные соединения между секциями
и выводами конденсатора, оптимальное сжатие пакетов плоско-
наборных секций. Для удаления выделившихся газов во время
работы конденсатора, образующихся в результате ионизацион-
ных процессов, он снабжен специальным устройством.
Эксплуатация конденсаторов в электрогидравлических уста-
новках показала, что средний срок их службы составляет
3,5 • 107 разрядов при гарантийном числе разрядов 3-106. Для за-
щиты выводов от загрязнения при эксплуатации конденсатор
может быть снабжен специальным кожухом с сальниковыми вы-
водами. К недостаткам данной конструкции следует отнести на-
13* 195
22. Основные технические данные конденсаторов типа ИМ и ИК
Технические О О 6X2 О
данные кон- СО 6 Ю О
денсаторов х £ ЧЭ к О О О О О ю X г', ОО
X й S £ X g S
X X S X X X X X X X X X
Номинальное напряжение, кВ 5 5 6 20 20 30 50 50 100 45 80 50
Номинальная
емкость, мкФ . . Индуктивность, 140 140 72 0,5 8 3 1,5 3 0,1 0,1 0,1 1,0
пГ 600 СО 60 400 30 60 40 400 250 — . 400 500
Частота следо
вания разрядов, имп/мин 50 6 6 780 1 1 1 1 1200 600 10 120
Разрядный ток, кА — 150 1 0,5 300 200 200 200 10 10 7,5 20
Энергоемкость:
Дж/кг . . 30,7 29,2 26,6 — 11 9,4 17 13 16,6 0,32 4,38 8
Дж/дм3 . . 51,1 51,1 47,0 — 18,4 15,5 27 19,3 22,4 0,43 5,13 18,2
Ресурс, имп. . . 3000* 103 Ю4 ю4 103 • 103 З-Ю3 1б4 10з * 10° 2,5- 10е 1,5-Ю7
Масса, кг . . . Габаритные раз- 57 60 48 — 145 140 ПО 350 32 310 750 НО
меры, мм .... ЗЮХ 138Х 310Х 138Х ЗЮх 150Х — 314Х314Х 314Х314Х 314Х314Х 510Х 520Х 455X150Х 362Х 766Х 725Х 651X 380Х 380Х
Х800 Х800 Х585 Х880 Х800 Х680 Х986 Х326 Х800 Х1010 Х905
* Ресурс, ч
23. Основные технические данные новых импульсных конденсаторов
Технические данные конденсаторов КЭМ50/1С КЭМ50/1К КЭМ50/5 КЭМ50/1К.М КЭМ50/1СМ КЭМ50/5М ИК50/1 ИК 10/800-200 ИКВГ-50-5 ИКУ50/1
Номинальное напряже- ние, кВ ... Номинальная емкость, мкФ Индуктивность, нГ . . . Частота следования раз- рядов, имп/мин Разрядный ток, кА . . Энергоемкость: Дж/кг Дж/дм3 Ресурс, имп Масса, кг Габаритные размеры, мм 50 1 300 120 25 4,3 5,2 З-Ю3 402 485Х 585Х Х1225 50 1 300 120 25 4,4 5,62 3-10® 405 740 X 505Х X 1275 50 5 400 15 75 16 13,5 10е 810 600Х 1040Х X 1085 50 1 300 120 25 4,3 5,6 З-Ю3 447 520Х 750 X X 1290 50 1 300 120 25 4,4 5,6 3-10® 415 485Х 585Х X 1150 50 5 800 15 75 16 3,5 10е 840 595Х 1040Х X 1255 50 1 300 120 25 4,0 5,14 З-Ю7 480 640Х 640Х X Ю50 5—10 800—200 400 15 200 22 25,4 10е 720 575Х815Х Х955 50 5 400 15 75 22 27 5-10® 360 685Х 580Х Х1120 50 1 400 120 25 8,2 5,2 1,5 Ю7 150 185Х560Х Х1060
195
197
личие плосконаборных секций, изготовление которых требует
значительных затрат ручного труда
Были созданы конденсаторы типа ИК, ИКВГ и ИКУ на основе
касторового масла. Их секции изготовляются на намоточном
станке с дискретной укладкой фольги. Это позволило увеличить
энергоемкость конденсаторов в сравнении с конденсаторами типа
КЭМ приблизительно в 1,5, а срок службы в 2—2,5 раза. Корпус
конденсатора металлический, прямоугольной формы. Для сигна-
лизации о повышении давления в конденсаторе на крышке уста-
навливается реле давления.
Хорошие характеристики имеет конденсатор типа ИКГ-50-1УУ
(рис. 76), выпускаемый серийно (см. табл. 22). Он выпускается
в металлическом сварном прямоугольном корпусе с металличе-
ской крышкой. Герметичность соединения крышки с корпусом
конденсатора осуществляется с помощью сварки. Выемная часть
его состоит из 14 последовательно соединенных пакетов. Выводы
расположены симметрично на крышке конденсатора в виде двух
разных по высоте фарфоровых изоляторов. Гарантийное число
разрядов конденсатора ИКГ-50-1УУ 1,5-10’ импульсов. Конден-
сатор используют в серийных генераторах электрогидравлических
установок для очистки отливок.
При проектировании или выборе импульсного конденсатора
очень важной характеристикой является стоимость одного разряда
где Nc — стоимость конденсатора; п — среднестатистический срок
службы конденсатора, выраженный в числе разрядов до выхода
его из строя.
Стоимость одного импульса у конденсаторов типа КЭМ, ИК,
ИКГ, ИКВГ па два порядка ниже, чем у конденсаторов типа ИМ
и ИМГ. Это позволило создать ряд малогабаритных генераторов
и на их основе — высокоэффективные электрогидравлические
установки.
5. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАТОРОВ
Одним из важных элементов разрядного контура генератора
является высоковольтный коммутатор. Он предназначен для
разъединения разрядной цепи в период зарядки конденсатора
и включения конденсатора к нагрузке при достижении на нем
заданного напряжения.
Роль высоковольтных коммутаторов в силовой импульсной
технике выполняют различные типы разрядников: вакуумные,
высокого и атмосферного давления, с твердым диэлектриком.
Тип разрядника, его конструкция, используемые для изготов-
ления материалы, способ инициирования пробоя выбираются
в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к нему.
198
Последние вытекают из тех задач, которые он призван обеспе-
чить, и основных параметров генератора импульсных токов.
Разрядники должны удовлетворять следующим основным тре-
бованиям: 1) выдерживать длительное время без пробоя и перекры-
тий по поверхности изоляции рабочее напряжение генератора;
2) иметь относительно малую индуктивность в сравнении с индук-
тивностью соединительных шин; 3) обладать относительно малым
сопротивлением сравнительно с сопротивлением нагрузки; 4) вы-
держивать коммутацию необходимой энергии при заданных
параметрах максимального значения разрядного тока и периода
его колебаний; 5) обеспечивать заданную частоту следования
импульсов тока; 6) обладать необходимой точностью срабаты-
вания; 7) удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям,
предъявляемым к электрогидравлическим установкам; 8) иметь
срок службы, обеспечивающий длительную и надежную эксплуа-
тацию установки; 9) иметь небольшую стоимость; 10) быть удоб-
ными для монтажа и эксплуатации.
В большей степени этим требованиям удовлетворяют воздуш-
ные искровые разрядники, получившие широкое применение
в электрогидравлических установках различного назначения.
Выпускаемые промышленностью игнитронные и тригатронные
разрядники при работе в режиме чередующихся одиночных им-
пульсов имеют пока незначительный срок службы. Даже лучшие
образцы игнитронных разрядников при коммутации тока с ампли-
тудой порядка 20 кА за несколько микросекунд имеют гарантий-
ный срок службы 10* срабатываний. При этом после выхода из
строя игнитронные разрядники не могут быть отремонтированы
в производственных условиях, а подлежат замене новыми. Для
широкого использования игнитронных разрядников, обладающих
целым рядом достоинств, необходимо увеличить срок их службы
на 2—3 порядка.
Вакуумные разрядники имеют незначительную индуктивность
и малое активное сопротивление в сравнении с воздушными. Они
бесшумны, легко управляемы и способны обеспечить коммутацию
большой энергии. К недостаткам следует отнести ограниченность
их быстродействия и необходимость комплектовать генераторы
вакуумным оборудованием для постоянной откачки продуктов
эрозии электродов разрядника.
В разрядниках с твердым диэлектриком достигаются предельно
низкие значения длины и индуктивности искрового промежутка.
Однако разрядники такого типа предназначены для разового
действия, так как после пробоя необходимо осуществлять замену
вышедшего из строя диэлектрика.
Воздушные искровые разрядники также не лишены определен-
ных недостатков. Так, стабильность срабатывания их невысокая
и зависит от состояния поверхности коммутирующих элементов
(шаров, торов), величины атмосферного давления, влажности
и запыленности воздуха. Разрядник является источником мощного
199
высокочастотного звукового давления. В воздушном искровом
зазоре образуются окисли азота и озон, оказывающие вредное
воздействие на организм человека. Однако такие разрядники
просты в изготовлении, удобны в обслуживании, позволяют
коммутировать достаточно высокие энергии и при соответствующем
обслуживании имеют высокую надежность и длительный срок
службы.
В настоящее время в электрогидравлических установках раз-
личного назначения работают закрытые воздушные искровые
разрядники, рассчитанные на рабочее напряжение 5—100 кВ,
максимальный разрядный ток 5—500 кА и коммутацию энергии
от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч джоулей при
длительности импульса тока от нескольких десятков до 100 и
более микросекунд. В зависимости от величин рабочего напря-
жения, коммутируемой энергии, амплитуды разрядного тока,
частоты следования разрядов и собственной индуктивности раз-
рядники имеют различное конструктивное исполнение.
Так как у большинства электрогидравлических установок вы-
сокая стабильность срабатываний разрядника не является опре-
деляющей, то наибольшее применение получили неуправляемые
воздушные искровые разрядники.
На рис. 77 приведена конструкция воздушного искрового
разрядника, позволяющего производить коммутацию конденса-
торной батареи напряжением 50 кВ, энергией 5000 Дж с частотой
следования разрядов 2 имп/с. Максимально допустимая амплитуда
коммутируемого тока 40 кА при длительности импульса тока
до 10 4 с. Собственная индуктивность разрядника 0,55 мкГ.
Разрядник состоит из корпуса 1, изолятора 2, подвижного
электрода 5, неподвижного электрода 6, воздуховода 7, втулки 3,
контактных винтов 4. Напряжение от конденсаторной батареи
подается на неподвижный электрод разрядника, выполненный
в виде усеченного конуса. Кабель, соединяющий разрядник
с нагрузкой, подключен к подвижному электроду, который позво-
ляет производить регулировку разрядника в период его кали-
бровки. Включение осуществляется при достижении напряжения
на конденсаторной батарее 50 кВ путем искрового пробоя воздуш-
ного зазора между электродами. С помощью вентилятора через
воздуховод осуществляется удаление продуктов разряда из вну-
тренней полости разрядника. Кроме того, при разряде на элек-
трическую дугу действует электродинамическая сила, способству-
ющая выдуванию продуктов разряда.
Разрядники подобного исполнения применяются в установках
для очистки отливок, развальцовки труб, дробления материалов
и другого назначения, где не требуется высокая точность сраба-
тывания.
В электрогидравлических установках, работающих на более
низких напряжениях, используют управляемые разрядники.
На рис. 78 приведена конструкция искрового воздушного разряд-
200
ника для коммутации энергии конденсаторной батареи в 10—
20 кДж при напряжении 5—10 кВ. Разрядник состоит из наруж-
ного 1 и внутреннего 2 электродов, изолятора 3, инициирующего
подвижного элемента 4, приводного штока 5. Инициирование
разряда осуществляется с помощью подвижного элемента 4,
который перемещается в воздушном зазоре между электродами
с помощью штока, соединенного с электромагнитным приводом.
Такая конструкция позволяет избежать сваривания электродов
при коммутации больших импульсных токов и низком напряже-
нии, а также самопроизвольного срабатывания. С этой целью
воздушный зазор между основными электродами устанавливается
на напряжение (2—5) Uo. Во избежание приваривания подвижного
инициирующего электрода его выполняют из графита или медно-
графита. Разрядники такой конструкции применяют в электро-
гидравлических прессах, работающих на напряжении 10—20 кВ.
Они обеспечивают коммутацию тока до 100 кА с частотой следова-
ний импульсов 0,2 имп/с.
При коммутации энергии с большой амплитудой и длитель-
ностью разрядного тока происходит значительный эрозионный
износ электродов воздушных
разрядников. В результате
этого на электродах образу-
ются кратеры и наплывы ме-
талла, изменяющие картину
электрического поля между
электродами и изменяющими
I ЕДИ
Рис. 77. Неуправляемый воздушный
искровой разрядник на 50 кВ, 40 кА
Рис. 78. У правляемый воздушный
искровой разрядник на 5—10 кВ,
80-100 кА
201
Рис. 79. Кольцевой электрод раз-
рядника с разрезом
характеристики разрядника. Для
уменьшения эрозионного износа
электроды разрядников изгото-
вляют из эрозионио-стойкнх ма-
териалов на основе металлокера-
мики. Кроме того, их выполняют
с разрезом (рис. 79). Это обеспе-
чивает движение дуги по поверх-
ности электрода, что позволяет
снизить его эрозионный износ.
Уменьшение последнего осущест-
вляется и с помощью изготовле-
ния многосекционных разрядни-
ков. В малоипдуктивьых разряд-
ных контурах исполь.уются иск-
ровые разрядники, конструкция
которых обеспечивает минималь-
ную собственную индуктивность.
Расчет эрозионного износа электрода в воздухе может быть
осуществлен с помощью выражения, полученного Г. С. Белки-
ным и В. Я- Киселевым
/гвС/;а
0 ЗСрТпл ’
(102)
где ти — количество металла, выброшенного за разряд с элек-
трода; и'э — эквивалентный энергетический потенциал; kB — коэф-
фициент выброса металла; а — интеграл от модуля разрядного
тока; Ср — удельная теплоемкость материала электрода; Твл —
температура плавления материала электрода.
При искровых разрядах в воздухе U'3 для электродов, явля-
ющихся анодом и катодом, можно принять И'эа = (Дк!=« 10 В.
Интеграл от модуля разрядного тока может быть определен из
выражения
“ = <?4Нт’ <103>
где Q6 — начальный заряд конденсаторной батареи; А — декре-
мент затухания тока в разрядном контуре, определяемый на
основании осциллограмм.
Работа воздушного искрового разрядника сопровождается
распространением в воздухе интенсивного звукового давления.
Для его снижения разрядники помещают в звукоизолирующие
защитные кожухи, одновременно выполняющие роль защиты от
радиопомех. Применение звукоизолирующих кожухов из стали
(6 = 3-4-5 мм) позволяет снизить в основном высокочастотную
составтяющую часть звукового спектра и уменьшить уровень
звукового давления от 90—120 до 50—60 Дб.
202
В последнее время ведутся работы по созданию надежных
игнитронных разрядников, рассчитанных для работы в электро-
гидравлических установках. Создание таких разрядников позво-
лит избежать целого ряда недостатков, свойственных современ-
ным генераторам, изготовленным па основе воздушных искровых
разрядников.
6. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ЭЛЕМЕНТЫ
ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРОВ
Соединение элементов зарядного контура и схемы управления
генератора выполняется кабелями и проводами, рассчитанными
па заданное напряжение и величину проходящего тока. При соеди-
нении элементов разрядного контура генератора необходимо
обеспечить ряд требований, характерных для импульсных гене-
раторов: 1) индуктивность соединительных элементов, связыва-
ющих емкостной накопитель с нагрузкой, должна быть минималь-
ной; 2) изоляция соединительных элементов должна иметь доста-
точную электрическую прочность при импульсных напряжениях;
3) конструкция соединительных элементов должна обеспечивать
исключение возможности развития скользящих разрядов по по-
верхности изоляции; 4) наружная изоляция огрицательной коакси-
альной линии передачи энергии должна иметь электрическую
прочность по отношению к заземлителю не менее (0,4—0,5) U0;
5) сечение тоководов соединительных элементов должно обеспе-
чить прохождение больших импульсных токов без термического
разрушения изоляции; 6) тоководы, изоляция и элементы крепле-
ния линии должны быть достаточно гибкими и противостоять
ударным электродинамическим нагрузкам; 7) срок службы соеди-
нительных элементов должен превышать срок службы конденса-
торов и других элементов разрядного контура (за исключением
электродов).
Электроды электрогидравлических установок являются одно-
временно и элементами разрядного контура генератора и элемен-
том технологического узла установки. Особенности конструкции
и требования, предъявляемые к электродам, изложены в гл. XIII.
В генераторах импульсных токов в качестве изоляции соеди-
нительных элементов используют полиэтилен, винипласт и ва-
куумную резину. В малоиндуктивных разрядных контурах соеди-
нение элементов осуществляется с помощью малоиндуктивных
и радиочастотных кабелей марки КПВ, РК и РКГ (КПВ 1/50,
КПВ 1/75, РК 50-11-11, РКГ-10, РКГ-15 и др.). В установках,
где используются подвижные электроды, участок линии передачи
энергии от разрядника к электроду выполняют с помощью гиб-
кого провода, помещенного в шланг из вакуумной резины с тол-
щиной стенки 10—20 мм.
Во время разряда в различных элементах установки, в том
числе и в наружной оплетке коаксиального кабеля, может воз-
203
Рис. 80. Включение элементов за-
щиты в разрядный контур генера-
тора
иа изоляторах, рассчитанных
Никать значительная разность по-
тенциалов по отношению к за-
землителю (особенно в режиме ко-
роткого замыкания па межэлек-
тродном промежутке). Наружной
изоляции кабеля иногда оказы-
вается недостаточно, что является
причиной ее пробоя в местах ка-
сания с конструкцией генератора
или установки. Во избежаниеэтого
малоиндуктивные кабели крепят
на напряжение (0,4—0,5) Un или
к панелям из изоляционного материала.
С целью обеспечения безопасного обслуживания и функцио-
нирования его элементов в заданных параметрах генератор осна-
щается элементами защиты.
Чтобы снять напряжения с конденсаторов после их отключе-
ния, используют высоковольтные блокировки, замыкающие раз-
рядный контур накоротко. Для повышения надежности закорачи-
вания выводов конденсаторов обычно используют две параллельно
подключенные блокировки (рис. 80). Одна из них—ЭБ1, замы-
кающая первой, подсоединена к разрядному контуру через со-
противление которое обеспечивает разряд полностью заряжен-
ной батареи конденсаторов за время, не превышающее 1 с.
С целью защиты электрооборудования от превышения напря-
жения выше номинального параллельно защитным блокировкам
включается защитный искровой разрядник РЗ и сопротивление
R2 (рис. 80). Разрядник РЗ калибруется на заданное напряжение
и призван закоротить конденсаторы через сопротивление R2,
как только напряжение на нем превысит номинальное. Согласно
требованиям техники безопасности, генератор должен быть осна-
щен разрядной штангой.
Кроме электроблокировок генератор оснащается элементами
защиты от коротких замыканий на межэлектродном промежутке
в воде и другими элементами защиты.
7. КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ
Основными параметрами генераторов, характеризующих их
возможности, являются: рабочее напряжение U 0, индуктивность
разрядного контура L, энергия в импульсе W и емкость батареи
конденсаторов С, вид нагрузки, а также максимальная частота
следования импульсов.
Генераторы импульсных токов электрогидравлических уста-
новок можно классифицировать по следующим параметрам:
энергии в импульсе — малых энергий (до 103 Дж); средних энер-
гий (103—104 Дж), больших энергий (свыше 104 Дж); числу кана-
лов — одноканальные и многоканальные; длительности импуль-
204
сов — наносекундпые и микросекундные; частоте следования
импульсов; низкочастотные (до 10 Гц) и высокочастотные (свып.е
10 Гц).
Из многочисленных конструкций генераторов здесь рассмо-
трены лишь конструкции для технологических установок, исполь-
зующих электрический разряд в жидкости. Среди таких установок
наиболее широкое применение нашли установки для очистки
отливок. Базовым генератором для этих установок является
ГИТ 50-5/4с (рис. 81), имеющий следующие параметры: энергию
в импульсе — 5 кДж; рабочее напряжение—50 кВ; частоту
следования импульсов — 2 имп/с.
Генератор состоит из следующих основных узлов: высоковольт-
ного трехфазного выпрямителя; коммутационного разрядника;
токоограничпвающего устройства; линии передачи энергии; аппа-
ратуры защиты и блокирующих устройств.
Высоковольтный выпрямитель состоит из повышающего трех-
фазного трансформатора и селенового выпрямителя, собранного
по схеме Ларионова, помещенных в общий бак, заполненный транс-
форматорным маслом.
Конструкция коммутационного разрядника описана в гл. X, п 5.
205
24. Параметрический ряд
Номер генератора
Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8
Энергия в импуль- се, кДж Рабочее напряже- ние, кВ 5 10 20 40 40 80 150 315
10 10 10 10 50 50 50 50
Частота следова- ния импульсов, имп/с 0,5 0,25 0,125 0,125 0,25 0,5 0,2 0,1
Для повышения КПД зарядки конденсаторной батареи в гене-
раторе применена схема зарядного контура с индуктивным токо-
ограничением. При этом средний КПД равен 0,6, коэффициент
мощности 0,7. С целью линеаризации реактивного сопротивления
токоограничивающего дросселя его магнитопровод выполнен с не-
магнитным зазором.
Модификацией данного генератора является двухканальный
генератор с энергией в импульсе на каждый канал 2,5 кДж.
При этом для коммутации энергии накопителей применен сдвоен-
ный коммутирующий разрядник. Благодаря значительной иони-
зации внутреннего пространства при срабатывании одного канала
происходит инициирование другой секции разрядника. Электро-
гидравлические установки для очистки отливок выполняют как
с одним рабочим электродом, так и многоэлектродные. Последние
комплектуются двухканальными или несколькими отдельными
генераторами.
Для электрогидравлнческой обработки металлов применяют
генераторы импульсных токов с сильно различающимися пара-
метрами.
Основные из них — энергия в импульсе и его длительность —
могут изменяться в широких пределах. Если при формовке мелких
деталей энергия разряда составляет несколько килоджоулей,
то в мощных электрогидравлических прессах, применяемых для
штамповки крупногабаритных деталей, энергия разрядов дости-
гает 150 кДж и выше. Длительности импульсов лежат в диапазоне
100—500 мкс.
Разработанный в ПКБ электрогидравлики перспективный па-
раметрический ряд для генераторов импульсных токов (табл. 24)
позволяет использовать их для обработки деталей широкого
диапазона.
Базовой моделью генератора для маломощных прессов служит
генератор импульсных токов № 2 (табл. 24) пресса мод. Т1220
(рис. 82).
Стабилизация зарядного тока емкостного накопителя генера-
тора осуществляется Т-образным индуктивно-емкостным преобра-
206
Рис. 82. Схема ГИТ пресса Т1220:
БЗП — блок защиты от перенапряжения; ВТМ — высоко-
вольтный трансформатор-выпрямитель
зователем с трехстержневым магнитопроводом дросселя. Для ком-
мутации разрядного тока применен электромеханический ком-
мутирующий разрядник.
Электрогидравлический пресс «Удар-20» имеет автономный
генератор. Пресс характеризуется энергией в импульсе 20 кДж
и имеет более широкие возможности по сравнению с прессом
мод. Т1220 как по величине обрабатываемых деталей, так и по
толщине металла. Для коммутации энергии накопителей в гене-
раторе применен игнитронный коммутационный разрядник
ИРТ-2 [5], представленный на рис. 83. Управление игнитроном
осуществляется газонаполненным искровым разрядником Р22.
Параметры зажигающего импульса: напряжение—2,5 кВ, вели-
чина импульса тока — 300 А, длительность импульса — 15 мкс.
Линия передачи энергии выполнена коаксиальным кабелем
РК50-11-11, индуктивность разрядного контура составляет 1 мкГ,
ток короткого замыкания — 100 кА.
207
Для штамповки и калибровки
крупногабаритных детален в элек-
трогпдравлическом прессе «Удар-14»
применен генератор импульсных то-
ков с энергией в импульсе 150 кДж
(№ 7, табл. 24).
Конденсаторная батарея генера-
тора состоит из 24 конденсаторов
ИКВГ-ПН-50/5 суммарной емкостью
120 мкФ (рис. 84) и располагается
па эстакаде над технологическим уз-
лом. Конденсаторная батарея раз-
делена на шесть секций, подклю-
ченных к высоковольтному выпря-
мителю через сопротивления Такое
разделение секций необходимо для
предотвращения разрушения проби-
того конденсатора при выделении
в нем всей энергии емкостного на-
п О0 ,, „ копителя.
Рис. 83. Игнитронный комми-
тационный разрядник Каждая секция
батареи через свой
конденсаторной
разрядник ком-
мутируется па общую нагрузку. В схеме применены воздуш-
ные искровые разрядники, работающие при атмосферном да-
влении п коммутируемые с помощью отдельных каналов под-
жига.
Развальцовку труб в трубных досках теплообменных аппаратов
производят на электрогидравлической установке «Молния-бУ»
Генератор выполнен в виде автономного блока и характеризуется
следующими параметрами; максимальная энергия в импульсе
20 кДж, регулируемое рабочее напряже-
ние 25—50 кВ, частота следования им-
пульсов 0,5 имп/с. Накопительная бата-
рея состоит из четырех конденсаторов
Рис. 84. Принципиальная схема ГИТ пресса чУдар-14» 150 кДж
20Ь
ИКВГ-ПН-50/5 суммарной емкостью 20 мкФ. Разрядный контур
выполнен коаксиальным кабелем КПВ 1/60. Особенностью работы
генератора в этой установке является необходимость подачи
импульса тока в нагрузку в строго определенный момент вре-
мени при касании электродов вывода взрываемого патрончика,
помещенного в развальцовываемую трубу. Для синхронизации
срабатывания коммутатора с моментом образования электриче-
ского контакта электрода и патрончика в схеме предусматри-
вается отключение генератора от сети при достижении на
конденсаторной батарее заданного напряжения. Заряд конден-
саторов сохраняется до момента подачи управляющего сигнала
на воздушный искровой разрядник тригатронного типа Поджи-
гающий импульс на электрод управления разрядника подается
с импульсного трансформатора. Время перемещения электрода
выбрано исходя из времени заряда емкостного накопителя на
максимальную энергию.
Широкое внедрение электрогидравлических методов обра-
ботки материалов требует создания новых типов генераторов
импульсных токов. В настоящее время разработан ряд генерато-
ров, отличающихся основными параметрами — энергией в им-
пульсе и частотой следования импульсов. Если для возбуждения
упругих колебаний в системе инструмент—обрабатываемый
металл требуются высокочастотные генераторы с энергией в им-
пульсе сотни джоулей, то для разрушения горных пород необ-
ходима энергия в десятки и больше килоджоулей.
Для интенсификации процессов обработки металлов при на-
ложении на обрабатываемую деталь упругих колебаний находят
применение электрогидравлические вибраторы, которые позво-
ляют получать любые заданные характеристики вибрации дета-
лей. Высокочастотный генератор импульсных токов, применяе-
мый в этих установках, имеет энергию в импульсе 500 Дж, рабочее
напряжение 50 кВ, частоту следования импульсов, регулируемую
от 0 до 50 имп/с (рис. 85).
Для стабилизации и регулирования в широких пределах за-
рядною тока в этом генераторе применен индуктивно-емкостной
преобразователь [161, в котором магнитопровод трехфазного
дросселя выполнен по типу индукционной машины с затормо-
женным ротором, позволяющим плавно и экономично регулиро-
вать ток в переменной нагрузке. Питающая сеть подводится
к началам статорных, а высоковольтный выпрямитель — к кон-
цам роторных обмоток. Одноименные фазные обмотки статора и
ротора соединены согласно, в точке соединения включены емкости
преобразователя. Таким образом, связь между всеми обмотками
дросселя осуществляется вращающимся магнитным полем.
Регулирование выходного тока, а следовательно, и скорости
заряда емкостного накопителя энергии осуществляется путем
поворота ротора относительно статора на определенный угол,
чго эквивалентно плавному изменению коэффициента связи индук-
14 г. л. Гулиа 209
тивных элементов, которые образуют плечи трехфазного дросселя.
Изменение коэффициента связи не влияет на резонансную на-
стройку элементов схемы, так как сопротивление, вносимое в ем-
костную и индуктивную ветви преобразователя, имеют противо-
положные знаки.
Для коммутации энергии конденсаторной батареи в генераторе
применен каскадный разрядник с жидкостным охлаждением ра-
бочих электродов и вентиляцией разрядных промежутков для
сокращения времени деионизации.
Рис. 86. Схема первой ступени генератора для диспергирова-
ния каолина:
(ДИ — датчик-интегратор)
210
Рис. 87. Схема ГИТ для разрушения негабаритов
Одной из сложных проблем является диспергирование каолина
и глинистых тампонажных смесей. При решении этой проблемы
положительные результаты получены при применении электро-
гидравлического метода. Обработка веществ происходит в два этапа
с помощью двухступенчатого генератора, принципиальная схема
первой ступени которого представлена на рис. 86. Питание каждой
ступени генератора производится от отдельных высоковольтных
выпрямителей. Обработка на первой ступени осуществлялась
во вращающемся барабане, что требовало передачи больших
импульсных токов через скользящие контакты.
Эта задача была решена путем применения плазменных кон-
тактов. Конструктивно технологический узел выполнен в виде
14’
Рис. 88. Схема ГИТ для очистки корпусов судов
211
барабана с шестью электродами, расположенными равномерно
по окружности. Электроды и линия передачи энергии оканчи-
ваются металлическими сферами диаметром 62 мм, минимальное
расстояние между которыми составляет 3 мм. При вращении бара-
бана в момент прохождения подвижной сферой минимального
расстояния подается управляющий сигнал на поджиг разрядника.
Разрядник срабатывает с частотой 6 имп/с (энергия в импульсе
2,5 кДж). После предварительной обработки раствор подается
в камеру второй ступени, генератор которой состоит из четырех
секций, работающих иа отдельные нагрузки. Коммутация разряд-
ного тока осуществляется четырехсекционным разрядником. Ини-
циирование срабатывания отдельных секций осуществляется пу-
тем подсветки всех разрядных промежутков искрой первого сра-
ботавшего промежутка. Разброс срабатывания разрядников со-
ставляет не более нескольких микросекунд.
В настоящее время разработан метод разрушения солевых
шлаковых глыб при помощи высоковольтных импульсных разря-
дов в жидкости. Технологический цикл построен таким образом,
что необходим двухступенчатый генератор импульсных токов
(рис. 87). Первая ступень собрана из восьми конденсаторов
ИКВГ-ПН-50/5 (максимальная энергия в импульсе 50 кДж,
рабочее напряжение 50 кВ, частота следования импульсов
0,25 имп/с). Вторая ступень состоит из двух конденсаторов (энер-
гия в импульсе 12,5 кДж, рабочее напряжение 50 кВ, частота сле-
дования импульсов 1 имп/с).
Обе конденсаторные секции получают питание от одного вы-
соковольтного выпрямителя через электромеханические блоки-
ровки. Генератор предназначен для работы в проводящих жидко-
стях, для этой цели электродные системы обеспечивают постоян-
ный приток пресной воды в зону искрового разряда.
Несколько отличается генератор импульсных токов электро-
гидравлической установки для разрушения глыб в грунтозабор-
ном устройстве земснаряда. Генератор имеет морское исполнение
и располагается на плавучем понтоне. Генератор двухканальный
с суммарной энергией в импульсе 37,5 кДж, частота следования
импульсов 0,4 имп/с.
Для очистки корпусов судов от обрастания [109] разработан
автономный четырехканальный генератор импульсных токов. Все
его высоковольтные токоведущие части закрыты крышками
(рис. 88). Энергия в импульсе каждого канала 1,25 кДж.
Глава XI
ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ОБСЛУЖИВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ
ИМПУЛЬСНЫХ токов
1. РАЗМЕЩЕНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ В УСТАНОВКАХ
Конструктивное исполнение генераторов импульсных токов
и их расположение в электрогидравлических установках опре-
деляется рядом требований, которым они должны удовлетворять.
1. Для осущестлвения различных технологических операций
высоковольтные установки располагаются непосредственно в цехе,
что вызывает необходимость предусматривать дополнительные ме-
роприятия для обеспечения безопасности их обслуживания.
2. При высоковольтном импульсном разряде в жидкости
образуются мощные ударные волны, воздействующие как на
обрабатываемый объект, так п на элементы установки. Это вы-
зывает необходимость принять ряд мер по их защите от разру-
шения.
3. Для оптимального использования энергии емкостных нако-
пителей параметры генераторов импульсных токов должны быть
строго определенными и согласованы с нагрузкой.
По конструктивному оформлению генераторы выполняют в двух
вариантах: в виде набора отдельных элементов, располагаемых
в специальном высоковольтном помещении, и отдельного авто-
номного блока 130, 96]. В наборном генераторе легко обеспе-
чивается свободный доступ ко всем его элементам — высоко-
вольтному выпрямителю, силовым импульсным конденсаторам,
коммутатору и др., но применение его требует дополнительных
капитальных затрат для строительства специального помещения.
Кроме того, такие генераторы имеют повышенную индуктивность
разрядного контура, так как их невозможно расположить в не-
посредственной близости от технологического узла, а наличие
большого числа открытых токоведущих частей создает повы-
шенную электрическую опасность поражения электрическим то-
ком при обслуживании. На рис. 89 показано высоковольтное
помещение электрогидравлической установки (ЭГУ) для очистки
отливок.
213
Рис. 89. Высоковольтное помещение ЭГУ
для очистки отливок
В генераторах им-
пульсных токов, выпол-
ненных в виде авто-
номного блока (см.
рис. 81), все элементы
помещаются в металли-
ческих шкафах, распо-
ложенных на общем ос-
новании Генераторы
собираются и налажи-
ваются на заводе-изго-
товителе и поступают
для монтажа на уста-
новки в готовом виде.
Генераторы компактны,
занимают небольшую
площадь, надежны в
работе и безопасны
в обслуживании, могут
располагаться рядом с
технологическим узлом,
что обеспечивает ми-
нимальную индуктив-
ность разрядного контура. При необходимости они могут распо-
лагаться на подвижной платформе и перемещаться совместно
с электродом.
Автономные генераторы целесообразно выполнять с максималь-
ной энергией в импульсе 20—40 кДж, так как при более высоких
значениях энергии возрастают их габаритные размеры и масса.
В связи с чем для их перемещения и перевозки требуются спе-
циальные подъемные и транспортные средства, поэтому генератор
мощного электрогидравлического пресса с энергией в импульсе
150 кДж выполнен в виде стационарного блока, располагаемого
рядом с технологическим узлом (см. рис. 30).
Конденсаторная батарея помещена на эстакаде. Коммута-
ционные разрядники располагаются рядом с рабочим электродом
технологического узла.
Генератор электрогидравлической установки для разрушения
негабаритов во всасывающем патрубке земснаряда с целью умень-
шения длины кабельных линий разрядного контура расположен
на плавучем понтоне, что обеспечивает удобство и безопасность
обслуживания.
2. регулировка, настройка И ОБСЛУЖИВАНИЕ
ГЕНЕРАТОРОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Перед вводом генератора в эксплуатацию должны быть про-
ведены необходимые проверки и регулировки* оборудования.
После монтажа необходимо убедиться в отсутствии повреждений
214
изоляторов и корпуса генератора, а также течи масла в местах
уплотнений и сварки. В случае утечки масла необходимо устра-
нить этот недостаток и долить недостающее количество масла.
Затем необходимо: а) проверить электрическую прочность масла
высоковольтного выпрямителя; б) измерить сопротивление изо-
ляции цепей высокого и низкого напряжения относительно кор-
пуса генератора, при этом пробивной предохранитель, шунти-
рующие конденсаторы и импульсные конденсаторы должны быть
отключены; в) проверить исправность пробивного предохрани-
теля; г) протереть спиртом изоляторы импульсных конденсато-
ров, высоковольтного выпрямителя, коммутационного разряд-
ника, места разделки коаксиальных кабелей.
Если при этом не будет обнаружено отклонений от требований
технической документации, генетатор можно подключать к пи-
тающей сети. В генераторе с селеновыми выпрямителями, дли-
тельно находившемся в нерабочем состоянии (более шести меся-
цев), следует произвести подформовку селеновых выпрямителей.
Для этого необходимо отключить импульсные конденсаторы от
высоковольтного выпрямителя и закоротить их выводы, подклю-
чить генератор к сети через автотрансформатор на напряжение
10% от номинального Uu, повышая напряжение на 5 кВ, с вы-
держкой времени на каждой ступени 3—5 мин, довести его до
50% Uu, затем подать полное напряжение и выдержать 1—2 ч.
При отсутствии автотрансформатора для подформовки выпря-
мителя допускается включение его на полное напряжение сети
с выдержкой под напряжением в течение 2 ч. После этого произ-
водят подсоединение импульсных конденсаторов и включение
генератора в сеть в соответствии с принципиальной схемой уста-
новки. Перед пуском проверяют рабочий промежуток комму-
тационного разрядника, который должен соответствовать задан-
ному рабочему напряжению.
После включения генератора проверяют частоту следования
импульсов. В случае отклонения частоты от заданной величины
ее регулируют настройкой зарядной схемы генератора. При
индуктивном токоограничении настраивают дроссель, для чего
изменяют величину немагнитного зазора в его магнитопроводе.
Увеличение зазора влечет за собой рост частоты, уменьшение
зазора — ее снижение. При активном токоограничении изменяют
величину зарядного сопротивления.
Для контроля состояния и работоспособности электрооборудо-
вания необходимо производить его ежесменный осмотр, ежене-
дельные профилактические работы, ежегодный текущий и капи-
тальный ремонт с проведением испытаний электрооборудования.
Ежедневный осмотр осуществляют при полностью отключенном
генераторе два дежурных оператора — сдающий и принимающий
смену; при этом визуальным контролем проверяется: исправность
ограждений, целость запоров, отсутствие в высоковольтном поме-
щении посторонних предметов; отсутствие пыли, грязи, трещин
215
на изоляторах: отсутствие вспучивания стенок конденсаторов
и следов вытекания пропитывающей жидкости; целость плавких
вставок у предохранителей открытого типа; исправность цепи
разрядного контура; состояние токоведущих и изоляционных
частей рабочего электрода; исправность всех контактов в электри-
ческой схеме генератора (токоведущпе шины, заземлители, разъ-
единители и т. д.); исправность блокировок безопасности; наличие
и качество защитных средств и средств тушения пожара.
Пробивные предохранители проверяют только в предполо-
жении их срабатывания. В случае обнаружения дефектов на изо-
ляционных поверхностях электродов их заменяют. Если длина
выступающего токоведущего стержня электрода менее 30 мм,
производится его удлинение до 80 мм или замена электрода.
Все обнаруженные дефекты высоковольтного оборудования не-
медленно устраняются.
Внеочередные осмотры высоковольтного оборудования про-
изводят в случаях появления разрядов (треска) в конденсаторах
и высоковольтном выпрямителе, повышения рабочего напряжения
или температуры окружающего воздуха до значений, близких
к предельно допустимым, и при других ненормальных явлениях
в работе оборудования. Результаты осмотра должны быть зафик-
сированы в эксплуатационном журнале.
Ежегодный текущий или капитальный ремонты проводят при
выработке силовыми импульсными конденсаторами ресурса, износе
выше допустимого предела рабочих поверхностей коммутацион-
ного разрядника, выходе из строя выпрямителя и др. В этом
случае заменяют вышедшие из строя элементы.
3. ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ КОНТУРЫ И ЭКРАНЫ
Заземления электрогидравлических установок должны выпол-
няться в соответствии с «Правилами устройства электроустано-
вок». Электрогидравлические установки относятся к электро-
установкам с большими токами замыкания на землю. Сопротив-
ление заземляющих устройств в любое время года должно быть
не более 0,5 Ом. В качестве естественных заземлителей в первую
очередь используют проложенные в земле водопроводные трубы
и другие металлические не покрытые изоляцией трубопроводы
(за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих
и взрывчатых газов); металлические и железобетонные конструк-
ции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с зем-
лей; колонны, эстакады, конструкции подъемников и т. д.; ме-
таллические оболочки кабелей, проложенных в земле, за исклю-
чением алюминиевых.
Преимущество протяженных естественных заземлителей — ма-
лое сопротивление растеканию тока. Использование их значи-
тельно упрощает осуществление заземлений. При отсутствии
таких устройств или если их сопротивление велико, выполняют
216
искусственные заземлители, под которыми понимают заклады-
ваемые в землю металлические стержни, предназначенные для
осуществления связи с землей. В качестве материала для зазем-
лителей обычно используют стержни, изготовленные из стального
уголка или трубы диаметром 25—50 мм, длиной 2,5—5 м. Их
преимущества заключаются в простоте проникновения в углуб-
ленные слои земли, что обеспечивает благоприятные условия для
работы заземлителя в отношении температуры и влажности
и в достаточной механической прочности.
Увеличение диаметра или толщины заземляющего стержня не
дает существенного уменьшения сопротивления растеканию тока.
Увеличение длины трубы от 1 до 3 м при диаметре 50 мм приводит
к уменьшению сопротивления заземлителя почти в 2,5 раза.
Для того чтобы уменьшить колебания величины сопротивления
заземлителей, связанных с изменениями температуры, их распо-
лагают ниже уровня земли не менее чем на 0,5—0,8 м.
Для расчета заземлителей до настоящего времени широко
применяют метод коэффициентов использования заземлителей
[111], который обеспечивает надежные результаты лишь для тех
типов заземлителей, для которых эти коэффициенты были опре-
делены экспериментальным путем. В настоящее время разрабо-
таны аналитические методы, позволяющие производить расчет
сложных заземлителей, избегая субъективной оценки, имеющей
место при использовании расчетных коэффициентов [76, 112].
Электрические характеристики заземлителей зависят от струк-
туры земли, в которой находится заземлитель, ее свойств и со-
стояния; вида элементов, из которых сделан заземлитель (стержни,
уголковая сталь, трубы полосы); их размеров, числа и взаимного
расположения.
Электрофизические свойства земли характеризуются величи-
ной ее удельного сопротивления р, под которым понимается сопро-
тивление куба грунта с ребрами 1 м. Для измерения удельного
сопротивления в испытываемый грунт забивают стальные кон-
трольные трубы, зонд и вспомогательный заземлитель Удельное
сопротивление грунта в Ом-м определяют по формуле
Р=-^Ц,-> (Ю4)
0,366 1g -
где /?ь — сопротивление одного вертикального электрода, Ом;
I — длина заземлителя, см; d — внешний диаметр заземлителя, см.
В зависимости от условий, имевших место при измерениях,
удельное сопротивление определяется умножением измеренной
величины р на повышающий сезонный коэффициент (К{ — если
грунт влажный и времени измерения предшествовало выпадение
большого количества осадков; /G — если грунт средней влаж-
ности и Кз — если грунт сухой и времени измерения предшество-
вало выпадение небольшого количества осадков) (табл. 25).
217
25. Сезонные коэффициенты земли
и расчетная мощность слоя
сезонных изменений
Климатическая зона йс, м *'1 К2 *3
Первая .... 2,2 7,0 4,0 2,7
Вторая .... 2,0 5,0 2,7 1,9
Третья .... 1,8 4,0 2,0 1,5
Сезонные коэффициенты земли
и расчетная мощность слоя се-
зонных изменении hc имеют
определенную величину для
различных климатических зон
[115].
В расчетах сложных зазем-
лителей должна также учиты-
ваться неоднородность земли.
Это дает возможность исполь-
зовать для устройства заземлителей слои земли с меньшим удель-
ным сопротивлением. Для практических расчетов без особой
погрешности принимают условно, что земля состоит из двух,
а не многих слоев, в пределах которых удельное сопротивле-
ние постоянно.
Двухслойная модель отражает также изменение удельного
сопротивления вследствие промерзания и высыхания почвы даже
при однородной земле.
Сопротивление группы вертикальных электродов
/?э =
3 ПТ]
(105)
где п — число единичных заземлителей; ^ — коэффициент исполь-
зования заземлителей.
Сопротивление одного вертикального стержня, конец которого
находится ниже уровня земли, может быть рассчитано по обще-
известной формуле
= 2£ , _L1 4Д+1
Ль I d 2 ё 4/ — I
(Ю6)
где I—глубина заложения, равная расстоянию от поверхности
земли до середины электрода, м.
Сопротивление вертикального электрода, находящегося в двух-
слойной земле, определяют из выражения
_ ож(,4-
д/1Р1 + д/2Ра
(107)
где и р2 — удельные сопротивления соответственно верхнего
и нижнего слоев земли, Ом -м; Д/х и Д/2 — части длины электрода,
находящиеся соответственно в верхнем и нижнем слое земли, м.
При вертикальных электродах из стальных уголков ее экви-
валентный диаметр следует исчислять исходя из активной по-
верхности растекания тока, по равенству
dy = 0,95b, (108)
где b—ширина сторон уголка.
218
Сопротивление горизонтального полосового электрода (в Ом)
определяют по формуле
<109>
где I — длина полосы; b — ширина полосы; t — глубина заложе-
ния полосового электрода.
Обычно заземлители выполняют из нескольких, а иногда из
большого числа стержней (труб, уголков, полос). Для того чтобы
коэффициент использования заземлителей был близок к единице,
необходимо чтобы расстояние между ними было достаточно ве-
лико. В действительности расстояние между электродами из-за
недостатка необходимой площади и в целях выравнивания по-
тенциалов на площадке невелико, и, как следствие, возникает
взаимное влияние их электрических полей. Вследствие наложе-
ния последних происходит как бы уменьшение действующего
сечения земли около стержня и увеличение его сопротивления
растеканию. Чем больше стержней в земле и чем меньше расстоя-
ние между ними, тем больше сказывается их взаимное влияние
на увеличение сопротивления заземления в целом.
Пользуясь приведенными соотношениями, можно произвести
расчет контура заземления. Определив число заземлителей,
уточняют их размещение на располагаемой территории с учетом
того, что расстояние между вертикальными электродами должно
быть не менее их длины. Обычно стержни размещают по пери-
метрам установок, если позволяет площадь, их забивают и внутри
контура. Верхние концы стержней соединяются стальными го-
ризонтальными полосами. Для подсоединения к заземлению кор-
пусов электрооборудования, разрядных цепей и переносных схем
от заземлителей предусматривают выводы.
Для того чтобы образованная горизонтальными стальными
полосами «сетка» заземляющего контура уменьшала сопротивле-
ние заземлителя, ее необходимо располагать на такой глубине,
1де грунт мало подвергается высыханию.
С целью безопасного обслуживания электрогидравлических
установок наряду с заземлением корпусов электрооборудования
необходимо выполнить мероприятия по защите обслуживающего
персонала от воздействия электромагнитного поля, которое обра-
зуется при протекании разрядного тока в открытых участках
разрядного контура.
Методы защиты от воздействия электромагнитного поля можно
разделить на пассивные и активные. К первым относятся такие
меры, как сокращение времени пребывания людей в зоне воздей-
ствия ИМП, расположение рабочих мест на достаточно больших
расстояниях от источника излучения, автоматизация работ с источ-
никами ИМП и дистанционное управление ими. Ко вторым —
разнообразные технические средства, позволяющие уменьшить
219
интенсивность воздействия ИМП до предельно допустимых вели-
чин, определяемых санитарными нормами.
Одним из наиболее эффективных способов защиты является
экранирование источника ИМП при расположении его в оболочку,
изготовленную из листового металла. Защитное действие таких
оболочек обусловлено поглощением электромагнитного поля в тол-
щине экрана и физически может быть объяснено возникновением
токов в его стенках, создающих поле, которое компенсирует
поле, их вызывающее. Эти токи могут рассматриваться как вих-
ревые. Защитное действие экрана растет с увеличением толщины
стенки, частоты электромагнитного поля, удельной проводимости
и магнитной проницаемости материала. При высоких частотах
экран обычно изготовляют из хорошо проводящего материала
(меди, алюминия), при низких — используют ферромагнитный
материал.
Качество экрана характеризуется коэффициентом экраниро-
вания kly равным отношению напряженности магнитного поля
в защищенной области Н' к напряженности первоначального
поля Н-.
(ПО)
Теоретически нельзя получить полной защиты, поэтому коэф-
фициент экранирования всегда удовлетворяет неравенству
0<Л<1. (111)
Для цилиндрического экрана радиуса г0 с толщиной стенки а
(причем а г0), помещенного в однородное синусоидальное
поле, коэффициент k определяется из выражения
k =-------Г~г—гх—: 12>
ch pa + -g- ( т + — 1 sh ра
т = ^рг0, р=’|//(0(ху,
и
где р. — магнитная проницаемость материала экрана; р0 — ма-
гнитная проницаемость вакуума; со — круговая частота тока;
v — удельная проводимость материала экрана.
Расчет защитных устройств проводят с учетом того, что из-
вестна величина допустимого уровня напряженности импульс-
ного магнитного поля (ИМП). Согласно данным ВЦНИИОТ,
предельно допустимый уровень напряженности ИМП на рабочем
месте составляет 100 А/м для частот 1—30 кГц.
Эффективность экранирующих устройств зависит от наличия
в них щелей и отверстий. Особенно существенное влияние оказы-
вают длинные щели, пересекающие пути токов, протекающих по
экрану. Если имеется отверстие прямоугольной формы, суще-
ственно нарушающее распределение токов и зарядов на внутрен-
220
пей поверхности сплошного экрана, то эффективность экраниро-
вания с учетом влияния отверстия определяется из соотношения
3=т(^Г' <|13>
где 5экр — площадь поверхности экрана; 50Э—площадь экви-
валентной поверхности отверстия.
4. ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
И ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Надежная работа высоковольтного электрооборудования опре-
деляется диэлектрическими свойствами изоляционных материалов
и напряжениями, которые воздействуют на эту изоляцию. В ге-
нераторах импульсных токов на изоляцию воздействует напряже-
ние питающей сети, напряжение вторичной обмотки трансформа-
тора и высоковольтного выпрямителя. В процессе рабсты на
отдельных элементах генератора могут появляться напряжения,
величина которых превышает номинальное, их обычно называют
перенапряжениями. Они могут вызвать пробой изоляции и выход
из строя элементов установки.
Все перенапряжения подразделяются на внешние и внутренние.
Причиной первых являются атмосферные грозовые явления.
Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом
ударе молнии в линию или подстанцию. В месте удара молнии
возникают кратковременные напряжения, достигающие величины
миллионов вольт, т. е. выше импульсной прочности изоляции ли-
ний электропередач даже наивысшего класса. Вследствие электро-
магнитной индукции близкий удар молнии создает индуктирован-
ные перенапряжения. Воздействие внешних перенапряжений на
генераторы электрогидравлических установок маловероятно, так
как эффективная грозозащита линий, тщательная профилактика
изоляции, разрядников, заземлителей обеспечивают надежную
работу сетей. Внутренние перенапряжения вызываются колеба-
ниями электромагнитной энергии, запасаемой в элементах элек-
трической цепи или поступающей в нее от генераторов.
В зависимости от условий возникновения и возможной дли-
тельности воздействия на изоляцию различают квазистанционар-
ные, стационарные и коммутационные перенапряжения. Основной
причиной возникновения значительных квазистационарных пере-
напряжений является емкостный эффект, обусловленный, напри-
мер, наличием линии электропередачи. Источником высших и
низших гармонических и соответствующих феррорезопансных
перенапряжений может явиться элемент системы с существенно
нелинейными характеристиками, например, трансформатор с на-
сыщенным магнитопроводом. Стационарные перенапряжения могут
возникнуть в электрогидравлических установках при отказах
221
в работе коммутационного разрядника. Коммутационные перена-
пряжения возникают в результате внезапных изменений пара-
метров цепи и для генераторов импульсных токов являются наибо-
лее характерными.
Основными причинами возникновения перенапряжений яв-
ляются: а) заземление ь двух или нескольких точках разрядного
контура; б) индуктивные и емкостные сьязи между отдельными
элементами генератора; в) электрический взрыв проводников
в технологическом узле; г) излучение электромагнитного поля
элементами разрядного контура.
На рис. 90 показана эквивалентная схема разрядного контура
генератора с заземлением в двух точках. При протекании разряд-
ного тока с большой амплитудой и крутизной нарастания участок
разрядного контура между точками заземления приобретает
высокий потенциал (падение напряжения на активном сопротив-
лении /?обр и индуктивности £обр), распространяющийся иа
некоторую длину заземляющих устройств. Эти всплески напряже-
ния прикладываются к корпусам низковольтной аппаратуры,
присоединенной к контуру заземления, и приводят к пробою
и перекрытию изоляции аппаратов. Заземление разрядного кон-
тура генератора в двух точках или использование отдельных
участков заземляющего контура в качестве обратного токопро-
вода недопустимо.
Однако в аварийных ситуациях может появляться две точки
заземления разрядного контура. В этом случае для защиты от
повреждения изоляция оборудования низкого напряжения (об-
мотки электродвигателей, автотрансформаторов, измерительных
устройств и др.) шунтируется включенными на землю конденса-
торами емкостью 2—3 мкФ (на рабочее напряжение 600—800 В),
поглощающими всплески напряжений на «земле».
Рис. 90. Схема разрядного кон-
тура ГИТ с заземлением в двух
точках
Рис. 91. Осциллограмма напря-
жения и тока при электрическом
взрыве проводника
222
Для повышения эффективности высоковольтного импульсного
разряда в жидкости часто используется электрический взрыв
проводников. Как известно, при определенных условиях после
взрыва проводника сопротивление разрядного промежутка резко
возрастает. В этом случае энергия, накопленная в индуктивных
элементах разрядного контура, выделяется в рабочем промежутке,
вызывая на нем значительные всплески напряжения. В наиболее
неблагоприятных условиях они могут достигать 5—7-кратной
величины от номинального напряжения (рис. 91), вызывая пробой
изоляции отдельных элементов разрядного контура. Уменьшение
этих перенапряжений достигается соответствующим выбором па-
раметров взрываемого проводника.
При разряде емкостных накопителей энергии на водный про-
межуток в разрядном контуре протекают импульсные токи в сотни
килоампер, собственная частота контура достигает десятков
килогерц. С незаэкранированных участков линии (электрод,
коммутационный разрядник) излучается импульсное электро-
магнитное поле, которое в обмотках трансформаторов, электро-
двигателей, электромагнитов и других элементах конструкции
наводит ЭДС. Она может достигать величины, опасной для изо-
ляции этих элементов. Для снижения величины наведенной ЭДС
необходимо разрядный контур выполнять коаксиальным кабелем,
а открытые участки контура экранировать сплошным стальным
экраном.
Вследствие эрозии рабочих поверхностей коммутационного
разрядника или выхода последнего из строя возможен рост на-
пряжения на емкостном накопителе энергии до величины напря-
жения холостого хода выпрямителя, которое может вызвать
пробой конденсатора и других элементов разрядного контура.
Для устранения стационарных перенапряжений в схему генера-
тора вводят блок защиты от перенапряжений (БЗП). Такие устрой-
ства отключают генератор при превышении напряжения на емко-
стном накопителе свыше номинального на 3—5%.
Простейшая схема БЗП приведена на рис. 92. С активного
делителя R1R2, подключенного к выводу емкостного накопителя
Рис. 93. Датчик блока защиты от
короткого замыкания
Рис. 92. Схема блока
защиты от перенапря-
жений
223
энергии, снимается напряжение на пороговый элемент — газо-
наполненный разрядник Рр, имеющий высокую стабильность
срабатывания. В цепь последовательно с разрядником включается
токоограничивающее сопротивление R4 и пусковое реле Р, которое
при срабатывании коммутирует цепи отключения генератора от
сети. В качестве порогового элемента можно использовать ти-
ристор.
С целью защиты от токов короткого замыкания используют
индуктивные датчики (рис. 93). Датчик состоит из двухплечевой
обмотки с подключенными через диоды емкостями. При прохож-
дении в разрядном контуре импульса тока в катушках индуци-
руется ЭДС, заряжающая конденсаторы С1 и С2 до напряжения
срабатывания поляризованного реле Р. Причем индуктивности
плеч обмотки выбираются таким образом, что контактная группа
реле срабатывает при заданном (или большем) отношении энергий
полуволн разрядного тока, соответствующего заданной токовой
перегрузке.
5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ
И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ
Генераторы импульсных токов относятся к категории промыш-
ленных установок с повышенной электрической опасностью.
Основные факторы электрогидравлической обработки по убыва-
ющей степени потенциальной опасности могут быть расположены
в следующей последовательности: высокое напряжение; шум,
создаваемый разрядом; электромагнитное излучение; газы, обра-
зующиеся при разряде.
Л^онтаж, наладка, испытания и эксплуатация установок должны
производиться со строгим соблюдением всех требований, уста-
новленных правилами [71 ]
К числу обязательных мер электробезопасиости относятся:
1) проведение приемо-сдаточных и поверочных испытаний электро-
оборудования; 2) затруднение доступа к токоведущим частям
путем различных ограждений; 3) заземление нетоковедущих ча-
стей оборудования, могущих случайно оказаться под напряже-
нием; 4) устройство блокировок, снимающих напряжение при
любом приближении к находящимся под высоким потенциалом
частям установок; 5) запрещение производить ремонтные и на-
ладочные работы в одиночку; 6) использование индивидуальных
средств защиты, сигнализации о наличии напряжения.
Все вновь вводимые в эксплуатацию генераторы должны
подвергаться приемо-сдаточным испытаниям. Основными видами
испытаний являются: измерение сопротивления изоляции и испы-
тание изоляции повышенным напряжением.
Затруднение доступа к токовсдущим частям достигается рас-
положением генератора в специальном высоковольтном помещении
и особенно созданием автономных генераторов, в которых все
224
элементы электрической схемы размещаются в металлических
шкафах, что полностью исключает возможность прикосновения
к находящимся под напряжением узлам и элементам.
К числу обязательных правил безопасной эксплуатации гене-
раторов электрогидравлических установок относится требование
надежного заземления их металлических корпусов. Необходи-
мость защитного заземления вызывается возможностью случай-
ного попадания повышенного напряжения на корпус, в резуль-
тате чего он становится опасным для прикосновения. Человек,
прикасающийся к корпусу электрооборудования, находящемуся
под напряжением, оказывается подключенным к цепи замыкания
на участке между корпусом и землей. Защитное заземление
создает между металлическим корпусом защищаемого устройства
и землей электрическое соединение достаточно малого (по сравне-
нию с человеческим телом) сопротивления. При этом ток через
параллельно присоединенное тело человека снижается до вели-
чины, которая не опасна для жизни.
Кроме обеспечения безопасности людей, заземление имеет
также и другое назначение — ограничение перенапряжений в элек-
трических цепях, обеспечение функционирования релейной за-
щиты, а также определение режимов работы установки при нор-
мальной эксплуатации.
Применение блокировок (электрических, механических и др ),
устраняющих напряжение с токоведущих частей при доступе
к ним, является одной из наиболее важных и надежных мер,
обеспечивающих электробезопасность. В генераторах преду-
сматривается две электроблокировки, одна из которых замыкает
конденсаторную батарею на разрядное сопротивление, вторая
с выдержкой времени— накоротко. Однако независимо от нали-
чия блокирующих устройств при работе на токоведущих частях
генератора обязательна установка переносных заземлителей.
В цепи питания генератора должно быть не менее двух разрывов,
в том числе один видимый. Рядом с ним должно быть оборудовано
место для хранения разрядной штанги, диэлектрических перчаток,
бот, ковриков, указателей напряжения, плакатов, средств пожа-
ротушения.
Эксплуатация генераторов импульсных токов запрещается
в следующих случаях: а) напряжение на импульсных конденса-
торах превышает номинальное; б) температура окружающего
воздуха превышает предельно допустимую наивысшую темпера-
туру и находится ниже предельно допустимой низшей темпера-
туры; в) наличие вспучивания стенок конденсаторов; г) повы-
шение частоты следования импульсов выше допустимой величины;
д) увеличение разрядного тока на 30% выше номинального;
е) повреждение изоляторов; ж) наличие капельной течи пропи-
тывающей жидкости.
Обслуживание электроустановок осуществляется оперативным
обслуживающим персоналом. Лица оперативного персонала,
15 г а гулый 225
обслуживающие установку единолично, и старшие в смене или бри-
гаде, закрепленные за данной установкой, должны иметь квали-
фикационную группу нс ниже IV. При одиночном обслуживании
электрогидравлических установок дежурному запрещается откры-
вать крышки генератора или пользоваться ключами от высоко-
вольтных помещений, ремонтировать и заменять электроды,
а также проводить работы, выполнение которых не предусмотрено
местной инструкцией по обслуживанию электрогидравлических
установок. Все работы по ремонту, настройке аппаратуры и ре-
гулировке технологических режимов должны осуществляться не
менее, чем двумя лицами, причем одно из них должно быть со
стажем практической работы и иметь квалификацию не ниже
IV группы.
Работа электрогидравлических установок сопровождается ин-
тенсивным импульсным шумом, возникающим в коммутационном
разряднике и разрядном промежутке, величина которого при
больших мощностях в разряде становится недопустимой с точки
зрения безопасности обслуживающего персонала. Основной мерой
борьбы с шумом является звукоизоляция элементов и узлов,
являющихся источником шума, или удаление их в звукоизолиро-
ванные камеры. Менее удобным и менее надежным является при-
менение индивидуальных защитных средств в виде различных
шлемофонов и противошумов.
Звукоизоляцию коммутирующего разрядника осуществить не-
сложно, так как форма и размеры позволяют надежно и компактно
закрыть его изолирующим кожухом. Звукоизоляция рабочей
части установок, содержащей основной рабочий промежуток,
значительно более сложна из-за крупных габаритных размеров
установки. В этих случаях следует помещать рабочие узлы в звуко-
изолированные камеры.
Электрогидравлическая обработка сопровождается радиоча-
стотным излучением, интенсивность которого может достигать
значительных величин. Основные меры, обеспечивающие безопас-
ность, — закрытие всех излучающих частей экранирующими
кожухами.
Работа воздушных искровых разрядников сопровождается
выделением окислов озона и других вредных для организма газов.
Для безопасного обслуживания установок необходимо произво-
дить местную вентиляцию разрядника, а газы выбрасывать выше
аэродинамической тени здания.
Глава XII
УПРАВЛЕНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
1. ТИПОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В связи с работой установок в конвейерных линиях поточного
производства к системам управления предъявляются жесткие
требования в отношении надежности и ремонтопригодности.
Классические системы управления не могут быть полностью
использованы в связи с тем, что на систему управления наклады-
вается ряд ограничений, обусловленный использованием электро-
гидравлической установки (вибрация, толчки тока и всплески
напряжения в питающей сети, явление «растекания» разрядных
токов по конструкции и т. д.).
Большое неудобство представляет еще и тот факт, что рабочий
орган (электрод) почти всегда полностью скрыт от оператора,
и за его взаиморасположением по отношению к обрабатываемому
материалу нужно следить по косвенным признакам. Все это
накладывает особый отпечаток на проектирование и эксплуатацию
систем управления электрогндравлическимн установками.
По мере совершенствования электрогидравлических установок
развивались и усложнялись системы их управления: от неавто-
матизированных систем произошел переход к автоматизированным.
Рассмотрим принципы построения автоматических систем упра-
вления (АСУ), которые осуществляют управление различными
технологическими процессами без непосредственного участия
человека. АСУ состоит из объекта управления и автоматического
управляющего устройства (рис. 94). Состояние объекта управле-
ния характеризуется рядом контролируемых (выходных) величин,
непрерывно измеряемых в процессе управления с помощью дат-
чиков.
Под влиянием внешних возмущающих воздействий (изменения
режима работы генератора импульсных токов, удельного сопро-
тивления воды, величины питающего напряжения) изменяется
15* 227
I
Возмущающие Воздействии I
(удельное электросопротивление
Воды, напряжение сети и т д )
Рис. 94. Схема автоматического управления электрогидравлической
установкой (Д — датчик короткого замыкания, перенапряжения,
конечные выключатели, счетчики и т. д.)
состояние объекта управления, что приводит к отклонению кон-
тролируемых величин от заданных значений. Для ликвидации
этих отклонений вырабатываются управляющие воздействия, по-
ступающие на объект управления от автоматического управля-
ющего устройства [82].
АСУ могут быть построены по разомкнутому и замкнутому
циклам. В первом случае управляющее устройство связано с объ-
ектом управления только одним каналом связи. При этом поток
информации движется только в одном направлении — от управ-
ляющего устройства к объекту управления.
Примером может служить АСУ установки «Искра-2». В ней
программа обработки задавалась копиром. При проходе щупа
по копиру вырабатывались сигналы управления, которые по-
ступали на механизмы перемещения электрода, обрабатываю-
щего деталь.
Очевидно, что с помощью АСУ, построенных по разомкнутому
циклу, можно обеспечить необходимое качество управления
только при отсутствии внешних возмущающих воздействий и
точном выполнении сигналов управления объектом управления.
Так как оба эти условия не всегда выполнимы, применение систем,
построенных по разомкнутому циклу, ограничено.
Широко распространены АСУ, построенные по замкнутому
циклу, т. е. имеющие канал передачи сигналов управления и ка-
нал обратной связи (рис. 94), по которому передается информа-
ция о значении контролируемых величин в объекте управления.
228
Именно наличие линии обратной связи, по которой передаются
фактические значения регулируемых величин, является главным
и определяющим признаком основной группы систем автоматиче-
ского регулирования. Подавляющее большинство АСУ электро-
гидравлических установок построено по замкнутому циклу, что
делает их достаточно сложными в проектировании и эксплуатации.
АСУ установок, применяемых в мелкосерийном производстве.
Система управления установкой по очистке отливок мод. 36121 А,
применяемой в мелкосерийном и единичном производстве, яв-
ляется типичной для машин подобного типа Цепи управления
(рис. 95) обеспечивают включение и защиту генератора импульс-
ных токов, реверсивное управление приводами лебедки, верти-
кальное и горизонтальное перемещение электрода, каретки и
моста. АСУ предусматривает также коммутацию и защиту дви-
гателей насосов шламоудаления и водного размыва шлама, а также
вентилятора разрядника.
Цепи управления подключены к сети (ПО В) через понижа-
ющий трансформатор ТрЗ и защищены от токов короткого замы-
кания и перегрузок предохранителем ПрЗ. От всплесков напря-
жений цепи управления защищены конденсатором С1. Схема
управления разбита на функциональные звенья, которые опи-
сываются соответствующими уравнениями.
1. Сеть (реле Р2). Включение сетп осуществляется кнопкой Кнб
и возможно только при закрытии всех технологических дверей.
Цепь включения сети описывается уравнением
Р2 = В15-В18 (Кн2-Р2 + Кнб).
О подаче питания из сети сигнализирует лампа Л5.
2. Подготовка пуска генератора импульсных токов (реле Р8).
При подготовке пуска загорается табло «Высокое напряжение»,
включается вентилятор разрядника и генератор подготовляется
к работе (размыкаются защитные блокировки). Уравнение цепи
имеет следующий вид:
Р8 = Р2-КнЗ{Кн9 t-P8).
3. Пуск генератора импульсных токов (реле РЗ). Пуск гене-
ратора импульсных токов осуществим только при условии вы-
полнения операции «Подготовка пуска», а также при условии,
что вентилятор разрядника работает и блоки защиты от пере-
напряжений и от короткого замыкания электрода на отливку
не подают аварийных сигналов. Цепь пуска генератора импульс-
ных токов описывается уравнением
РЗ= Р2-КнЗ (Кн9-\ Р8) Кнб-Pl-PlO ~РП- Р12(Кн14 + РЗ).
При выполнении пуска загорается сигнальная лампа Л6.
При выключении генератора импульсных токов (кнопкой Кн2
«Стоп» или при любой аварийной ситуации) с задержкой во вре-
229
~24B
P2 2
PS
Puc. 95. Электрическая схема устаночки мод. 36121
PfO
P20
Л7
PH г™
"'I—^7
pi? гЛ9
Л10
*
P25 ™
“1 I
Переносное освещение ^12В
Освещение кожуха установки эеннее
наруж- ное
Сеть
Подготовка пуска Г ИТ а
Пуск ГИТа
Вентилятор разрядника
Задержка замы- кания электро - блокировок
Защита ГИТа и>
Т>
Вертикальное перемещение элентроа в В ер* вниз
Горизонтальное перемещение электрода Каретка назад вперед
Мост вправо влево
Автома- тичес- кий режирн
Запрет горизонта- льного перемеще - пая при вертикален
Шламовый насос
Насос водного размыва шлама
1 S § вверх
вниз
230
Менк, осуществляемой реле Р21, замыкаются защитные блоки-
ровки генератора импульсных токов: сначала блокировка с со-
противлением, снимающая остаточный заряд с батареи конденса-
торов генератора импульсных токов, а затем для надежности
замыкается блокировка, соединяющая выводы конденсатора на-
коротко. Уравнение цепи реле времени имеет вид
Р21 = Р2-Р8.
Защита генератора импульсных токов от перенапряжения осу-
ществляется с помощью максимального реле напряжения Р1,
подключенного к первичной обмотке ВТМ: при достижении
напряжением величины U 396 В (L/H = 380 В) реле срабаты-
вает и отключает генератор импульсных токов. Защита генера-
тора от токов короткого замыкания, имеющих место при умень-
шении величины рабочего промежутка до 30 мм и менее, осуще-
ствляется блоком автоматики.
3. Вертикальное перемещение электрода (Р5В—Р5Н). Основ-
ной задачей вертикального перемещения электрода при работе
установки является поддержание оптимального рабочего про-
межутка между нижним концом электрода и поверхностью обра
батываемой детали. Для воды с удельным электросопротивлением
р = 1500 Ом-см, (7раб = 50 кВ длина оптимального рабочего
промежутка составляет 100 ± 20 мм. Как уже отмечалось, при
увеличении длины рабочего промежутка уменьшается разрядный
ток и качество обработки детали ухудшается, а при его умень-
шении создается режим, близкий к режиму короткого замыкания.
Разрядный ток возрастает выше номинального, что сокращает
срок службы конденсаторов генератора импульсных токов.
Вертикальное перемещение электрода имеет два режима
управления: ручной и автоматический. При ручном управлении
тумблер В8 переводится в положение «Ручной» и команды на
перемещение электрода подаются с помощью кнопок КнК) «Вверх»
и Кн7 «Вниз». Цепи управления вертикальным перемещением
электрода «Вверх» и «Вниз» описываются соответственно уравне-
ниями
Р5В = Р2-В17- Кн7- Кн 10 Р5Н\
Р5Н = Р2-~В16- Кн7 КнЮ Р5В.
Контроль за изменением величины рабочего промежутка осу-
ществляется микроамперметром, с помощью которого оператор
принимает решение о вертикальном перемещении электрода.
При автоматическом режиме тумблер В8 переводится в положение
«Автомат» и в дальнейшем команды на перемещение электрода
подаются и выполняются автоматически при помощи блока авто-
матики.
1. Горизонтальное перемещение электрода. Горизонтальное
перемещение электрода складывается из перемещения моста
231
влево и вправо и каретки вперед и назад. Горизонтальное пере-
мещение электрода имеет два режима управлении: ручной и авто-
матический. В первом случае тумблер В22 переводится в положе-
ние «Ручное» и дальнейшее управление перемещением осущест-
вляется при помощи крестового переключателя В21, направление
наклона рукоятки которого должно соответствовать направ-
лению движения электрода. Для прекращения движения переклю-
чатель устанавливается в нейтральное положение. Уравнения
цепи управления перемещением каретки «Вперед» и «Назад» соот-
ветственно имеют вид
Р6В = Р2-Кн1.В21- В24- Р6Н;
Р6Н = Р2-Кщ1 -В21 В25-Р6В.
Уравнения цепи управления перемещением моста «Влево» и
«Вправо» соответственно следующие:
Р7В = Р2-Кн1 В21-Р19 В26 Р7Н;
Р7Н = Р2-КЙ1-В21-Р19-В27-Р7В.
Конечные выключатели В24 и В25 и соответственно В26 и В27
ограничивают движение каретки и моста в крайних точках. При
автоматическом управлении тумблер В22 переключается в поло-
жение «Автомат». Затем крестовым переключателем В21 задается
последовательно два направления движения, например, ка-
ретка — «Вперед», мост — «Вправо», после чего переключатель
В21 необходимо возвратить в нейтральное положение. При этом
включится пускатель Р6В, коммутирующий цепь двигателя
каретки «Вперед» и с помощью промежуточного реле Р17 запоми-
нается команда па подачу моста «Вправо». После выполнения
команды «Вперед» и наезда на конечный включатель В24 начи-
нает выполняться команда «Вправо». Обе команды описываются
соответственно уравнениями
Р6В = P2jUtl-TT9-P6B-B24-P6H,
Р7Н = Р2.~Кн1-Р19-В27-Р7В.
Аналогичным образом осуществляется перемещение каретки
«Назад» и моста «Влево», которое описывается соответственно
уравнениями
Р6Н = Р2-1(н1-РТ9-РТЗ-В25-Р6В,
Р7В = Р2-1<н1-В22 .Р18-Р19-Р7Н-В26.
Таким образом осуществляется зигзагообразное движение
электрода над обрабатываемой деталью, что ускоряет и улучшает
технологический процесс очистки отливок.
5. Запрет горизонтального перемещения электрода при его
вертикальном движении. Эта операция осуществляется с помощью
232
пускателя Р23, контакты которого коммутируют цепи автоматов
и пускателей моста и каретки, т. е. при вертикальном перемеще-
нии электрода (пускатели Р5В и Р5Н) разрывается цепь пуска-
теля Р23 и обесточиваются силовые цепи моста и каретки. Цепь
включения Р23 описывается уравнением
Р23 = Р2-КнГ-Р5В-Р5Н.
6. Шламовый насос. Уравнение цепи включения шламового
насоса имеет вид
Р24 = Р20 = Р2-КнГ-Кн4(Кн11 -}-Р24).
О включении шламового насоса сигнализирует лампочка ЛЮ.
7. Насос водного размыва шлама. Уравнение цепи включения
имеет вид
Р25 = Р2 КнЬКн5(Кн12 + Кн24 -|- Р25).
О включении насоса водного размыва шлама сигнализирует
лампочка ЛИ.
8. Лебедка. Для того чтобы предотвратить поломку электрода
при подъеме тележки с отливками, работа лебедки предусмотрена
только в случае крайнего верхнего положения электрода и край-
него левого положения моста. Уравнения цепи управления ле-
бедки «Вверх» и «Вниз» соответственно имеют вид
Р26В = Р2-Кн1-В17-Р16-В20-В23-Кн8-Кн13-Р26Н,
Р26Н = Р2-КнТ-В17-Р16-В19-Кн8-Кн13-Р26В.
АСУ современных конвейерных установок. Установка
«Искра-22». Система автоматического управления конвейерными
установками — это качественно более высокая ступень по сравне-
нию с системой управления тупиковыми установками Жесткий
режим работы конвейера предъявляет особые требования ко вре-
мени работы элементов управления, поэтому создание установки
начинается с составления циклограммы.
Циклограмма конвейерной установки «Искра-22» представляет
собой графическое изображение последовательности работы от-
дельных элементов установки во времени. Работа элементов
дискретного действия в схеме управления характеризуется появ-
лением и исчезновением сигналов в определенной последователь-
ности. Наличие и отсутствие сигналов соответствующих элемен-
тов отмечается на циклограмме (рис. 96). Система управления
установкой «Искра 22», построенная по представленной цикло-
грамме, представляет систему конечного управления: в этой
системе выполнение операций контролируется с помощью обычных
пли бесконтактных путевых выключателей, а программа после-
довательности выполнения операций задается с помощью шагового
искателя типа ШИ-25/4.
233
1 Наименование операции Циклограмма роботы Общее Вре- н> роботы за /цикл
Цена одного деления 3 с
— М-5 <3 Ю Г-х. «5 12 S G S & 2? <2 Г-J ! *2 С
Загрузка разгрузка левого контейнера 7
Опускание левого контейнера В
ВозВрат загрузочного устройства В исходное положение 3
Ожидание ко нон dot 14
Перемещение электродов ВлеВо подъем V
перемещение 5
опускание 2.5
Очистка от пи Вок В пеВом контейнере А. Ill 70
Подъем правого контейнера Обмыв отлиВок ВВерх J
Вниз
ВВерх
Вниз J
ВВерх J
Вниз
подъем д
Загрузки - разгрузка правого контейнера 1; 7
Опускание праВого контейнера II В
Возврат загрузочного устройства В исходное положение 1 3
Ожидание команды 24
Перемещение электродоб Вправо подъем 15
перемещение 5
опускание is
Очистка от пи Вок В проВим контейнере й 70
Подъем леВиго к он тек ера ОбмыВ отлиВок ВВерх 3
Вниз 3
ВВерх || 3
Вниз 3
ВВерх 3
Вниз 3
подъем 1 ' । । Л 6
Удаление шпамо ’'•--•С' •< ’ Л-1* ? ь - /во
Насос маспяный /60
Насос Водного разными шлами » 4 А| /60
Вентиляторы разрядники II И /40
1
Насос аварийного осушения приямка 1 1 II Ггт 1 23 мин В час
Насос перекачки Виды на ос- ветление 1 Jj и J 11^ 1 -LJ л L 4-^- j ц- -J
Рис. 96. Циклограмма работы потребителей анергии установки чИскра-22»
Современные электрогидравлические установки характери-
зуются сложностью технологических требований, предъявляемых
как к отдельным блокам, так и к системам управления в целом.
Это приводит к резкому увеличению числа коммутационных
электрических аппаратов в САУ, в первую очередь в функцио-
нальной их части. Системы управления с контактными аппара-
тами становятся сложными, громоздкими и, что самое главное,
недостаточно надежными. Резко возрастают затраты времени на
устранение неисправностей, на текущее обслуживание.
Представление о степени напряженности работы электрических
контактных аппаратов в современных конвейерных электроги-
дравлических установках дают следующие статистические пока-
затели: цикл работы установки «Искра-22» — 160 с; за время
цикла некоторые аппараты (конечные выключатели, промежуточ-
ные реле и электромагниты, участвующие в подъеме и опускании
контейнера) срабатывают 4 раза; учитывая трехсменную работу
установки, число срабатываний составит 2-Ю3 за одни сутки.
Учитывая, что вероятность отказа в работе контактных аппара-
тов по случайным причинам составляет величину порядка 10“5,
в системе, имеющей 1000 контактов на каждые 100 срабатываний,
может быть один сбой. Радикальное решение проблемы надеж-
ности может быть найдено на основе применения бесконтактных
аппаратов [106].
Дискретные системы со статическими бесконтактными аппара-
тами управления подчиняются тем же логическим законам, что
и релейно-контактные системы, поэтому бесконтактные аппараты
можно рассматривать как аналоги релейно-контактных аппаратов.
Бесконтактные элементы не являются идеальными отключающими
аппаратами; в запертом состоянии на выходе таких элементов
существует сигнал, отличающийся от пуля (помеха). Поэтому
коммутационный коэффициент бесконтактного элемента, т. е.
отношение сигнала к помехе, ниже, чем у контактных электро-
механических устройств. Однако, учитывая, что для надежной
работы релейных элементов в дискретной системе не требуется
значений коммутационного коэффициента больше чем 20—30,
он может быть обеспечен бесконтактными элементами с ферро-
магнитными сердечниками, полупроводниковыми диодами, тран-
зисторами и другими элементами с нелинейными характеристи-
ками. Бесконтактные логические элементы имеют следующие
преимущества по сравнению с электромеханическими (релейно-
контактными) аппаратами: отсутствие контактов н быстроизнаши-
вающихся механических частей; независимость выходных пара-
метров (тока, напряжения, времени) от механических воздей-
ствий: нечувствительность к вредным воздействиям окружающей
среды (пыли, влаги, химическим активным газам); высокое быстро-
действие, не ограничиваемое механическими связями и пара-
метрами; компактность блоков и панелей с элементами, удобство
их монтажа и наладки; отсутствие необходимости в постоянном
235
уходе и надзоре. Вместе с тем бесконтактные логические элементы
не лишены и ряда недостатков: они более чувствительны к внеш-
ним электрическим помехам, к действию магнитных полей и
температуре [73].
Схемы управления на бесконтактных логических элементах
значительно отличаются от их релейно-контактного эквива-
лента. Связано это с тем, что электромеханические реле имеют
обычно одну входную цепь (втягивающую катушку) и несколько
электрически не связанных между собой выходных цепей в виде
замыкающих и размыкающих контактов, а бесконтактные логи-
ческие элементы, наоборот, имеют несколько входных цепей и
одну или две инверсивные выходные цепи К последним, как
правило, подключается несколько других элементов пли выходных
усилителей.
Вследствие указанного различия механическая замена элек-
тромеханических реле бесконтактными логическими элементами
или механический перевод релейных контактных схем в бескон-
тактные эквиваленты не представляются возможными Обычно
при изображении схем управления с бесконтактными логическими
элементами указываются только логические связи: пе показы-
ваются цепи питания.
В случае применения в бесконтактных схемах управления,
построенных на элементах серии «Логика-Т», контактных датчиков-
кнопок, пакетных и путевых переключателей, они должны под-
ключаться к логическому элементу через согласующий элемент
ЭТ Ф01 При соответствии напряжений выхода датчика и входа
элемента (учитывая, что на вход элементов ЭТ должно быть
подано пе более 12 В) согласующее устройство пе требуется.
В ПКБ электрогидравлики проведена работа по переводу
логической части АСУ схемы управления установки «Искра-25»
с релейно-контактного варианта на бесконтактный на основе
элементов серин «Логика-Т». Были изготовлены два взаимозаме-
няемых блока автоматики, релейно-контактный и бесконтактный,
позволяющих включаться в схему без дополнительной переком-
мутации. Последовательность операций на установках «Искра-25»
и «Искра-22» идентичны.
Созданные АСУ также осуществляют защиту генератора при
режимах работы, близких к аварийным. Они упрощают работу
оператора по обеспечению оптимальной длины рабочего проме-
жутка.
Система защиты генератора по току конструктивно входит
в блок автоматики УЗ и датчик-интегратор У2 (рис. 97).
Основной задачей этого блока является отключение генера-
тора при увеличении разрядного тока, протекающего в цепи при
длине рабочего промежутка 30 мм и менее.
При работе генератора в обмотке L2 датчика-интегратора
индуктируется сигнал, пропорциональный величине разрядного
тока генератора, который подается в блок автоматики УЗ на одну
236
Рис. 97. Электрическая схема датчика-интегратора У 2 и блока авто-
матики УЗ
из катушек поляризованного реле Р1. На другую катушку реле Р1
подается постоянное «опорное» напряжение. Потенциометром R6
настраиваем величину опорного напряжения так, чтобы произо-
шло отключение генератора при длине рабочего промежутка
30 ± 5 мм. В этот момент сигнал рассогласования (разность
потенциалов еу2 — еэп, где еу2 — потенциал сигнала датчика-
интегратора У2, еоп — опорное напряжение) достигает величины,
достаточной для срабатывания реле Р1. Включившись, реле Р1
включит промежуточное реле РЗ, замыкающий контакт которого
в свою очередь включит исполнительное реле Р11 в цепи управ-
ления. Контакты реле Pit (см. рис. 95) размыкают цепь «Пуск»
генератора.
Устройство, осуществляющее автоматическую регулировку
длины рабочего промежутка, работает следующим образом (рис. 98).
Через полый сердечник датчика-интегратора У2 проходит высоко-
вольтный минусовый кабель генератора. При работе генератора
в обмотке датчика-интегратора У2 индуктируется ток, пропор-
циональный разрядному току генератора. Его величина зависит
от величины рабочего промежутка, это значит, что ток,
индуктирующийся в обмотке Lt датчика-интегратора У2, также
Рис. 98. Устройство для автоматического регулирования рабочего промежутка
237
I
t
S)
Рис. 99. Формирование сигнала
датчиком-ин'пеграгпором У2:
а — сигнал на катушках датчика-
интегратора; б — сигнал после вы-
прямления; я — сигнал на входе
датчика-интегратора при подклю-
ченной нагрузке
зависит от величины рабочего промежутка: с уменьшением
последнего ток в обмотках У2 увеличивается, а с увеличением
промежутка — уменьшается. Разрядный ток при одной и той же
длине рабочего промежутка может колебаться в пределах ±10/6
из-за непостоянства параметров внешней среды (неоднородности
воды в технологической ванне, ионизации воздушного зазора
разрядника и т. д.).
Кроме того, импульсный характер разрядного тока обуслов-
ливает наличие значительных бросков тока (рис. 99, а), поэтому
сигнал, индуктируемый У2, должен быть интегрированным за
2—4 разряда, чтобы стабилизировать работу поляризованного
реле Р2. Сигнал, индуктируемый в обмотке (рис. 99, а), выпрям-
ляется (рис. 99, б, в) и подается па интегрирующую цепочку R1—
R2—С2. К этой цепочке подключена одна из обмоток поляри-
зованного реле Р2. Интегрирующая цепочка стабилизирует сиг-
нал, подаваемый с У2, и предупреждает включение реле Р2 при
одиночных больших бросках тока.
Величину сопротивления R1 подбирают при настройке блока
регулировки рабочего промежутка, входящего в УЗ. Изменяя
величину сопротивления R1 и R2, можно изменять частоту
срабатывания реле Р2 в зависимости от числа нестабильных
разрядов, тем самым подбирая оптимальный режим работы блока
регулировки рабочего промежутка УЗ. При уменьшении величины
рабочего промежутка, т. е. когда сигнал рассогласования (раз-
ность потенциалов между подаваемым сигналом с У2 и опорным
напряжением) на обмотках Р2 достигает определенной величины,
реле Р2 сработает и замкнет цепь катушки реле Р4 (при еу2 >
>еоп). Включившееся Р4 подает команду на движение электро-
дов вверх, при этом рабочий промежуток начинает увеличиваться,
соответственно уменьшая еу2 и при достижении величины еу2 =
= еоп подъем электрода прекратится, т. е. будет отработана опти-
мальная величина рабочего промежутка. При условии еу2 < есп
якорь реле Р2 притянется к другому полюсу и подключится цепь
питания реле Р5, подающая сигнал на движение электрода вниз.
Движение будет продолжаться до состояния, при котором еу2 =
= <?оп и т. д.
238
2. СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
РЕЖИМОВ РАБОТЫ
Программные устройства в настоящее время находят все более
широкое применение в различных отраслях машиностроения для
автоматизации управления агрегатами. Понятие «программное
управление» установками охватывает все системы, которые обес-
печивают работу установки по заранее заданному автоматическому
циклу. Системы программного управления электрогидравличе-
скими установками могут быть разделены на несколько больших
групп [75].
Системы конечного управления. В этих системах перемещения
контролируют с помощью обычных или специальных (малога-
баритных, бесконтактных) путевых выключателей, на которые
действуют расставленные в требуемых местах упоры. Системы
конечного управления перспективны для внедрения в промышлен-
ность и могут составлять большую группу в системах программ-
ного управления электрогидравлических установок [28].
Преимущественное внедрение систем конечного управления
диктуется соображениями не только меньшей стоимости систем,
более простой организаций их выпуска, меньшими трудностями
в изготовлении и отладке, но и отсутствием необходимости созда-
ния специальных служб программирования, меньшими эксплуа-
тационными затратами. При этом, в ряде случаев, это обору-
дование может иметь и достаточно высокую производитель-
ность [75].
Импульсные системы программного управления. В этих систе-
мах информация о перемещении рабочего органа выражена со-
ответствующим числом импульсов. Каждому импульсу отвечает
определенная величина перемещения каретки, моста, электрода,
называемая элементарным шагом. Приводной двигатель 1 (рис. 100),
перемещая рабочий орган (каретку, электрод) 7, одновременно
вращает расположенные на его оси 6 крыльчатки 8. Датчики 5,
представляющие собой бесконтактные путевые выключатели БВК,
регистрируют вращение крыльчаток и подают команду на сумми-
рующее устройство 4. Путь, который необходимо пройти рабо-
чему органу и который соответствует определенному числу сигна-
лов-импульсов, определяется задающим устройством 3. После
прохождения необходимого пути суммирующее устройство выдает
сигнал на коммутирующее устройство 2, прекращающее вращение
приводного двигателя.
Подобным образом выполнена система управлением электро-
дом в установке типа «Молния» по развальцовке труб в трубных
досках, где перемещению электрода от трубы к трубе на опре-
деленный шаг соответствует такое же определенное число сигналов-
импульсов от датчика 4.
Способы задания программы. Одним из способов задания про-
граммы может служить шаблон, при повторении обхода которого
239
Рис. 100. Устройство дм точной
остановки рабочего органа
рабочий орган обходит обрабатываемую деталь. Способ задания
программы с помощью шаблона был применен на нескольких
установках по очистке отливок. Но изменение типа отливок
требует замены шаблона и в многосерийном литейном производ-
стве затрудняет работу оператора.
Перфорирование программы. В будущем для электрогидравли-
ческих установок по очистке сложных отливок и для разваль-
цовки труб необходимо создание систем со сложной программой
обхода рабочим органом обрабатываемой поверхности. Одним из
способов записи программы является запись на лентах или кар-
тах, производимая пробиванием отверстий. Считывание информа-
ции как с лент, так и с карт производится электромеханическим
ощупыванием отверстий или фотоэлектрическим датчиком. На
рис. 101, а показана принципиальная схема блока считывания
с помощью щеток. Щетка 3 касается контактного ролика 2 п
замыкает соответствующую электрическую цепь тогда, когда
против нее находится отверстие в перфорированной ленте 1.
Скорость считывания можно существенно увеличить, применяя
вместо щеток фотодиоды (рис. 101, б). При прохождении отверстия
в перфорированной ленте 1 под фотодатчиком 3, луч света из
осветителя 2 падает на фотоэлемент, включая соответствующую
электрическую цепь. Скорость движения ленты может доходить
до 5—6 м/с 128J.
Программное управление. Система программного управления
установкой типа «Молния» (рис. 102) предназначена для управле-
ния перемещением электрода в оптимальном прямоугольнике
по рядам, параллельным любой из сторон его при выборе начала
перемещения из любого угла этого прямоугольника, для поиска
цели и выдачи импульса электрической энергии на нее.
В оптимальном прямоугольнике электрод может перемещаться
либо по горизонтальным, либо по вертикальным рядам.
240
Рис. 102. Функциональная схема системы программного управления
перемещением электрода установки «Молния»:
1 — схема подачи питания па систему; 2 — схема отключения управления;
3 — блок фиксации выполнения программы; 4 — блок пи гания; 5 — счет-
ный блок № |; 6 — счетный блок № 2; 7 — блок подготовки системы управ
лення; 8 - блок набора программы; 9 — блок программного управления;
10 — схема заряда генератора импульсных токов; // — схема выдачи сиг-
нала на перемещенпе электрода; 12 — блок фиксации разряда и возобновле-
ния заряда генератора импульсных токов; 13 — канал перемещения влево;
14 — капал перемещения вправо; /5 — канал перемещения вверх; 16 — ка-
нал перемещения вниз; 17 — датчик разряда; 18 — канал прохождения
сигнала управления разрядом; 19 — схема фиксации заданного уровня
напряжения генератора импульсных токов; 20 — схема поиска цепи; 21 —
панель сигнализации
Набор программы осуществляется следующим образом: пред-
положим, что нам необходимо перемещать электрод согласно
диаграмме, представленной на рис. 103. В данном случае элек-
трод должен перемещаться по вертикальным рядам. Согласно
диаграмме начальное перемещение должно осуществляться от
точки А вниз к точке В.
Последующее перемещение от точки В происходит вправо
к следующему вертикальному ряду. Эти два направления пере-
мещения в строгой последовательности набираются на блоке 8
соответствующими органами управления. На панели сигнали-
зации 21 (см. рис. 102) загорятся транспоранты «Вниз вправо»
и «Ряды вертикальные». Это означает, что началом координат
перемещения выбран верхний левый угол оптимального прямо-
угольника с движением электрода по вертикальным рядам с пере-
ходом с ряда на ряд слева направо. В зависимости от выбранной
схемы и набранной программы один из счетных блоков будет
считать число целей в ряду, другой — число рядов.
Предположим, что в нашем случае блок № 1 считает цели
в ряду, а счетный блок № 2 — число рядов. Тогда на установке
счетного блока № 1 необходимо выставить число, определяющее
количество целей в одном ряду, а на установке счетного блока
№2 — число, определяющее число рядов оптимального прямо-
угольника ABCD. Нажатием на кнопку «Подготовка» в блоке 7
(см. рис. 102), подготовляем генератор к работе и производим
возврат элементов системы в исходное положение. При нажатии
на кнопку «Пуск» схемы заряда генератора 11 идет заряд рабочих
конденсаторов до необходимого для технологического процесса
напряжения.
Функцию контроля высокого напряжения осуществляет схема
фиксации заданного уровня напряжения генератора 19. При
достижении напряжением заряда заданного уровня со схемы 19
поступает сигнал па блок программного управления 9 и в канал
прохождения сигнала управления разрядом 18. Этот сигнал
является разрешением перемещения электрода, а также, при
наличии сигнала со схемы поиска цели 20, при помощи разряд-
ника генератора коммутирует энергию рабочих конденсаторов
на цель. Сигнал с блока 9 поступает на схему выдачи сигнала 10
на перемещение электрода и при наличии сигнала с блока набора
программы 8 с выхода схемы 10 сигнал поступает в нужный
канал перемещения (в нашем случае — в канал перемещения
вниз 16, где он усиливается и поступает на двигатель перемеще-
ния вниз).
В момент выделения энергии на цель датчик разряда 17 вы-
дает сигнал на схему фиксации разряда и возобновления заряда
генератора 12. С выхода схемы 12 усиленный сигнал необходимой
длительности поступает на схему 11 для возобновления заряда
генератора через блок 9 на блок 5, считающий число целей в ряду.
Если сигнал о наличии следующей цели со схемы 20 поступил
на схему 10, по рабочие конденсаторы не успели зарядиться до
необходимой величины, перемещение электрода прекратится до
момента заряда рабочих конденсаторов генератора. Если же
заряд происходит раньше, чем время перемещения к следующей
цели, то выделение электрической энергии на цель происходит
при движении электрода.
242
При совпадении числа разрядных импульсов с индексом па-
мяти счетного блока № 1 сигнал с блока 5 поступает на блок 9,
который выдает управляющий сигнал на перемещение вправо.
На панели сигнализации 21 загорается транспорант «Вправо»
Счетный блок 2 отсчитывает один ряд. Электрод перемещается
к следующему вертикальному ряду. При достижении первой
цели следующего ряда схема поиска цели 19 выдает сигнал не
только на управление разрядом, но и на блок 9, который адресует
этот сигнал посредством схемы 10 в канал перемещения вверх.
На панели сигнализации 21 загорается транспорант «Вверх».
В момент перехода на следующий ряд счетный блок 2 отсчиты-
вает его.
Электрод перемещается вверх по вертикальному ряду и т. д.
Когда он перейдет на последний ряд, счетный блок 2 выдаст
сигнал на блок фиксации выполнения программы 3. Блок 3 «за
поминает» этот сигнал и при поступлении на него сигнала со
счетного блока 1, т. е. при разряде электрической энергии на
последнюю цель последнего ряда оптимального прямоугольника,
выдает сигнал на схему отключения управления 2.
Схема 2 посредством воздействия на схему подачи питания
на систему 1 обесточивает ее. Программа выполнена. С помощью
блока набора программы 8, при наличии одного и того же опти-
мального прямоугольника, можно набрать восемь разных про-
грамм в зависимости от выбора вида рядов и начала перемещения
из любого угла прямоугольника. Максимальные размеры опти-
мального прямоугольника обусловливаются емкостью счетных
блоков. Погрешность системы поиска цели не превышает 1 мм,
а схемы фиксации заданного уровня напряжения генератора
0,5%.
3. СЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ
Для того чтобы знать положение рабочего электрода по отно-
шению к обрабатываемой детали (будь то очищаемая деталь,
помещенная в ванну с водой, или трубка в трубной доске), в элек-
трогидравлических установках применяют следящие системы.
Следящая система в АСУ является устройством, от которого
в значительной степени зависит качество работы и производитель-
ность установки в целом, точность и качество обрабатываемой
детали Одним из основных требований, предъявляемых к сле-
дящему приводу электрогидравлических установок, является
обеспечение заданной точности, которая, например, в установках
по развальцовке типа «Молния» должна иметь высокое значение
(1—3 мм).
В схемах управления электрогндравлпческимп установками
применяют в основном следящие системы, работа которых осно-
вана на применении сельсинов-датчиков и сельсинов-приемников,
16* 243
работающих в трансформаторном режиме. Принцип действия всех
систем слежения, рассматриваемых здесь, основан на равенстве
углов поворота сельсина-датчика и сельснна-прнемника. Сель-
сины-датчики устанавливают на приводах всех перемещений
рабочего органа электрогидравлических установок (горизонталь-
ного и вертикального перемещений в установках по развальцовке;
продольного, поперечного и вертикального — в установках по
очистке отливок; осевого, наклона и поворота — в установках
для крупногабаритной штамповки).
Сельсины-приемники устанавливают в самом корпусе следя-
щей системы, расположенной в пультовом помещении, и электри-
чески соединяют с сельсинами-датчиками.
При перемещении рабочего органа на некоторое расстояние
(угол) сельсин-датчик совместно с двигателем привода выполнит
определенное число оборотов. Такое же число оборотов повторит
сельсин-приемник и на определенное расстояние (угол), равное
перемещению рабочего органа электрогидравлической уста-
новки с учетом масштаба слежения, переместится указатель пере-
мещения.
На таком принципе, но с различными кинематическими схе-
мами и конструктивными исполнениями, выполнены рассматри-
ваемые ниже системы слежения.
По месту установки все рассматриваемые системы слежения
разделяют на системы слежения, устанавливаемые на пульте
управления (рис. 104), и системы слежения, устанавливаемые
в смотровом окне операторского помещения (рис. 105, 106).
По назначению различают следующие системы слежения:
а) для установок по очистке отливок (рис. 104), для установок
по развальцовке (рис. 105), в) для установок для крупногабарит-
ной штамповки (рис. 106).
Система слежения для установок мод. 36131, 36141 по очистке
отливок, устанавливаемая на пульте управления, конструктивно
выполнена следующим образом. На основании 3 (рис. 104) уста-
новлен сельсин-приемник 4 продольного перемещения указателя
и связанный с ним посредством муфты винт 1 с накидной гайкой 2,
которая жестко соединена с другим основанием 9, перемещаю-
щимся по специальным направляющим. На этом основании уста-
новлен сельсин-приемник 5 указателя поперечного перемещения
рабочего органа-электрода и связанный с ним винт 6 с накидной
гайкой 7 и установленной на ней электрической лампочкой 8.
На пульте управления сверху системы слежения устанавливают
экран с нанесенным на нем в определенном масштабе контуром
рабочего бака установки. На экране закрепляют шаблоны очи-
щаемых отливок.
При перемещении рабочего органа установки на определенные
расстояния на определенное число оборотов повернутся и сель-
сины-датчики, жестко соединенные с приводами продольного и
поперечного перемещений рабочего органа, и на то же число
244
Рис. 104. Система слежения для установок по очистке отливок
оборотов повернутся сельсины-приемники с винтами, которые
переместят гайки на определенное расстояние, а так как на гайке 8
установлена лампочка, то она покажет местонахождение рабочего
органа относительно шаблона детали, закрепленного на экране
с координатной сеткой в масштабе, соответствующем рабочему
баку.
Системы слежения (рис. 105, 106), встраиваемые в смотровое
окно операторского помещения, конструктивно отличаются от
системы слежения, показанной на рис. 104. Системы слежения
для установок по развальцовке и установок по очистке отливок
имеют аналогичную конструкцию. Только в системах слежения
в установках по развальцовке нет указателя вертикального пере-
мещения. Примером может служить система слежения электро-
гидравлической установки типа «Молния» для закрепления труб
в трубных досках теплообменных аппаратов.
В корпусе этой системы (см. рис. 105), состоящем из двух
половин: каркаса 1 и крышки 4, вмонтировано прозрачное смо-
245
Рис. 105. Система слежения установок типа «Удар»
тровое стекло, через которое оператор наблюдает за работой
установки. На каркасе установлены сельсины-приемники 2,
получающие сигналы от сельсинов-датчиков, установленных на
приводах перемещений рабочего органа. Сельсины-приемники
вращают барабанчики 7, с намотанными на них тросиками, по-
средством которых, на специальных направляющих 6 переме-
щаются тележки 3. Между ними натянуты струны 5 таким обра-
зом, что получается перекрестие. Перемещение одной струны
представляет собой указатель продольного перемещения рабочего
органа, а другой струны — поперечного перемещения. Пере-
крестие этих струн будет обозначать местонахождение рабочего
органа по отношению к отверстию в трубной решетке.
Для установок по очистке отливок в этих системах введен
еще один указатель — указатель вертикального перемещения
рабочего органа. Привод этого указателя устроен аналогично
приводам указателей продольного и поперечного перемещений
рабочего органа. Только тросик перемещает не тележку со стру-
ной, а непосредственно указатель в виде стрелки. Для ограниче-
ния движения указателей перемещений рабочего органа, а также
для дублирования ограничения движения самого рабочего органа
на системе слежения установлены бесконтактные путевые пере-
ключатели типа БВК 222—24 М. Эти переключатели останавли-
246
Рис. 106. Система слежения установок по крупногабаритной штамповке
вают рабочий орган и указатель на системе слежения при вхожде-
нии алюминиевой пластины, закрепленной на тележке, в паз
выключателя.
В установках типа «Удар», предназначенных для крупногаба-
ритной штамповки, перемещение электрода отличается от пере-
мещений его в установках по очистке отливок и установках по
развальцовке тем, что электрод перемещается по оси вверх и
вниз, выполняя наклон и обход по кругу, поэтому конструктивно
система слежения этих установок отличается от предыдущих.
Она выполнена следующим образом. Как и в системе слежения,
представленной на рис. 105, рассматриваемая система слежения
представляет собой одновременно и смотровое окно. Внутри
корпуса 1 установлены приводы (рис. 106) указателей положения
рабочего органа: наклона, осевого перемещения, кругового вра-
щения.
Привод наклона электрода представляет собой сельсин-прием-
ник 2, соединенный при помощи муфты с червячным редуктором.
На валу червячного редуктора закреплено основание,на котором
установлен привод осевого перемещения, представляющий сель-
син-приемник 3 с червячным редуктором, на валу червячного
колеса которого закреплен барабан с тросиком, перемещающим
указатель осевого перемещения 5. На основании закреплена
также направляющая 4, на которой перемещается указатель —
247
стрелка осевого перемещения электрона, н на которой нанесена
градуировка, показывающая величину перемещения рабочего
органа в осевом перемещении, а сама направляющая при наклоне
показывает наклон электрода в градусах.
Указатель кругового вращения вынесен отдельно. Он пред-
ставляет собой сельсин-приемник с редуктором 7. От вала редук-
тора через валик приводится во вращение стрелка 6, указыва-
ющая положение электрода по кругу. Все сельсины-приемппки
этих указатечей получают импульс на поворот от сечьсинов-
датчиков, установленных на соответствующих приводах пере-
мещений рабочего органа.
РАЗДЕЛ I
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
И ТЕХНОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Глава XIII
СИЛОВЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ СИСТЕМЫ — СРЕДСТВО
ЭФФЕКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
1. ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ РОЛЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
В ОБЕСПЕЧЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Параметры генератора определяются параметрами исполни-
тельных органов электрогидравлических установок, которые
в свою очередь диктуются технологическим процессом.
Таким образом, главным элементом электрогидравлических
установок и устройств, обеспечивающим преобразование электри-
ческой энергии в механическую и другие виды, является та или
иная система электродов, осуществляющая ввод энергии, запасае-
мой накопителем, в рабочую среду и формирующая разряд.
Параметры современных электродных систем варьируют в широ-
ких пределах: по величине преобразуемой энергии от 1 до К)5 Дж;
по току — от 102 до 10в А; по напряжению -— от 1 до 60 кВ.
Успешное применение электрогидравлических устаг овок свя-
зано с дальнейшим наращиванием энергии в импульсе и частоты
следования импульсов. Оценочные расчеты показывают, что для
решения задачи калибровки крупных заготовок понадобятся
энергии (0,5 — 1)-10° Дж, а для виброимпульсной прокатки не-
обходима частота посылок импульсов до 1 103 Гц. Прямые потери
энергии в исполнительных органах, с точки зрения электроги-
дравлического эффекта, достигают 10—60% от запасенной. Это
зачастую объясняется неоправданно высоким уровнем активного
и индуктивного сопротивления, конструктивными недостатками
отдельных узлов электродных систем, особенно в разрядной зоне
и высоковольтных разъемах, недостаточной изученностью фи-
зики быстропротекающпх процессов и их возможностей.
При расчете и конструировании исполнительных органов
электрогидравлических установок исходят из требований задан-
ного технологического процесса. В конечном итоге они сводятся
к получению максимальной величины амплитуды и скорости на-
растания тока в нагрузке, если известны параметры последней
(величина индуктивности; активного сопротивления и законы их
изменения при протекании тока по известным энергетическим
249
Характеристикам процесса). Они позволяют определить Энергию
накопителя, рабочее напряжение и произвести электрический и
электродинамический расчет всех элементов. Успешное решение
задачи расчета и конструирования генератора зависит от правиль-
ного выбора типа исполнительных органов и точности оценки
их параметров. Это особенно относится к генераторам больших
энергий (100 и более килоджоулей) и высокой частоты посылок
импульсов (свыше 20 Гц), когда определяющими становятся
вопросы стоимости.
Исполнительные органы электрогидравлических установок от-
носятся к технике высокого напряжения и работают в весьма же-
стких условиях, когда не удается исключить вредное влияние
очень больших динамических нагрузок, сильных электрических
и магнитных полей, ультрафиолетового излучения, загрязнений
и вредного влияния непосредственно рабочей среды. В таких
условиях трудно обеспечить необходимую промышленную на-
дежность. Следовательно, в целом надежность электрогидравли-
ческой установки определяется надежностью исполнительных
органов. Опыт проектирования, внедрения и эксплуатации элек-
трогидравлических установок различного назначения позволяет
рекомендовать описанные ниже конструкции исполнительных
органов и некоторые методы расчета, имеющие общее значение.
2. ЭЛЕКТРОДНЫЕ СИСТЕМЫ
Классификация. Электродные системы являются исполнитель-
ными органами электрогидравлических установок. Эффектив-
ность электродных систем электрогидравлических установок, на-
дежность, правильность выбора основных их элементов — вот
те основные задачи, которые решают конструкторы при создании
оборудования, использующего электрический разряд в жидкости.
Электродные системы электрогидравлических установок класси-
фицируют по конструктивному признаку на следующие: линей-
ной геометрии со стержневыми противостоящими электродами,
стержневые параллельной геометрии; коаксиальной геометрии;
специального назначения, при создании которых используются
различные сочетания геометрий электродных систем.
По принципу возбуждения электрического разряда в разряд-
ном промежутке различают электродные системы свободного
разряда и инициируемые.
По величине преобразуемой энергии электродные системы
разделяют на системы малых энергий (до 0,1 кДж), средних —
(до 25 кДж) и больших (до 100 кДж и выше). Кроме того, имеются
конструктивные особенности систем, зависящие от величины
рабочего напряжения электрогидравлических установок, лежащей
в пределах 1—60 кВ.
По сроку эксплуатации различают электродные системы разо-
вого действия, разрушаемые после одного разряда, и постоянные,
250
имеющие срок службы от нескольких десятков тысяч до несколь-
ких миллионов разрядов.
По технологическим признакам различают следующие элек-
тродные системы: для процессов высокоскоростного деформирова-
ния металлов; для разрушения материалов; для интенсификации
химико-технологических процессов; для средств преобразования
энергии — инструмента воздействия (вибраторов, пульсаторов и
т. п.), когда электродные системы размещаются не непосредственю
в среде обработки, а возмущение на объект обработки передается
через промежуточные звенья.
Для формирования направленности воздействия можно при-
менять специальные отражатели, концентраторы, акустические
линзы.
Конструкция электродных систем должна отвечать двум
основным требованиям: обеспечивать высокий коэффициент пре-
образования электрической энергии, запасенной в накопителе
генератора, в работу пластической деформации заготовки, работу
разрушения и т. д. и экономически целесообразную стойкость
электродов, т. е. число разрядов без его разрушения до ремонта.
Первое требование выполняется путем правильного выбора
геометрии электродной системы и особенно ее разрядной зоны,
величины индуктивности и электропроводности, размещения по
отношению к объекту обработки и наличия активных и пассивных
элементов для направленного излучения потока преобразованной
энергии на объект обработки, обеспечивающих в зоне обработки
необходимые параметры внешнего воздействия с минимальными
затратами электрической энергии.
Параметры внешнего воздействия определяются параметрами
исходной заготовки или другого объекта воздействия и осуще-
ствляемой технологической операции (табл. 26) [материалом,
геометрическими размерами и формой, видом технологической
операции н величиной работы основного процесса].
Определяющие факторы надежности и эффективности. Элек-
тродные системы электрогидравлических установок работают
(как показано выше) в очень жестких условиях, и поэтому вопрос
их надежности является главным и подчас определяющим при
создании практических конструкций электрогидравлических уста-
новок, которые должны обладать высокими эксплуатационными
показателями.
Наибольший вред приносит эрозия активных поверхностей
разрядной зоны и разрушение изоляции. При электрическом
разряде между двумя’электродами ток протекает через среду по ка-
налу относительно небольшого сечения, поэтому площади поверх-
ностей разрядного промежутка, участвующих в разряде, полу-
чаются весьма малыми и, как следствие, плотность тока — чрезвы-
чайно высокой. При этом механизм разрушения сводится к плав-
лению металла и последующему его сдуванию с поверх-
ности.
251
26. Основные характеристики, учитываемые при проектировании
электродных систем электрогидравлических установок для штамповки
металлов, очистки отливок и других технологических процессов
Учитываемые характеристики Отличительные признаки Примеры применения
Единичное воздействие Энергетические параметрь Энергия в импульсе, Штамповка
Время воздействия кДж; Е„> 10 1 < £„ < 10 Частота следования им- пульсов, Гц: до 1 1 — 10 Кратковременное Очистка отливок Единичные разряды или штамповка Очистка отливок Очистка отливок
Источник энергии Продолжительное * Накопитель энергии по- Штамповка Конденсатор, индуктив-
Преобразователь энергии ЛЯ Электрогидравлический ность Свободный разряд, взры-
Воздействующий фактор Технологические признаки Локальное вающаяся проволочка, разряд с поджигом Штамповка
нагружения По плоскости Штамповка и очистка от-
Характер движения Простр а иственное Неподвижная (переме- ливок Калибровка по цилиндри- ческой поверхности Штамповка и очистка от-
электродной системы щается объект обра- ливок
Способ передачи воздей- ботки) Поступательное (криво- линейная траектория) Вращательно-поступа- тельное (качение на подвеске и по винто- вой линии) Прерывистое равномер- ное Непосредственный Очистка отливок Штамповка крупногаба- ритных изделии Штамповка и очистка от- ливок Штамповка и очистка от-
ствия объекту обра- ботки Через промежуточные ливок в зоне разряда Штамповка через резино-
Преодолеваемое сопроти- звенья Механическое (деформа- вую диафрагму; штам- повка, очистка и упроч- нение импульсной стру- ей жидкости Штамповка и очистка от-
вление ция, разрушение и пе- ливок
ремещение материала) Инерционное (масса за- готовки) Трепне (скольжение по поверхности матрицы и под прижимным кольцом) Штамповка Штамповка
252
Продолжение табл. 26
Учитываемые 1 Отл пчительные Примеры
характеристики признаки применения
Конструктивные признаки
Характеристики элек- тродной системы Наличие вспомогатель- Линейная с противосто- ящими электродами Коаксиально-цилиндри- ческая Дисковая плоско-па- раллельная Системы: Прямой разряд на отлив- ку Листовая штамповка в от- крытом объеме, очистка изложниц и точных от- ливок Калибровка цилиндриче- ских оболочек
ных систем инициирования раз- ряда прокачки технологи- ческой среды в зо- ну разряда регулирования раз- рядного проме- жутка Штамповка и очистка от- ливок Очистка отливок Очистка отливок
Способ присоединения кабеля разрядной це- Разъемный Штамповка и очистка от- ливок
пи
Защита ог электрическо- го пробоя между токо- водами Посредством изоляцион- ного материала Путем обеспечения соот- ветствующего расстоя- ния Штамповка и очистка от- ливок То же
Относительные подвиж- ки кабелей при со Коаксиальные Штамповка и очистка от- ливок
единении
Контактное соединение Гарантия против само- произвольного размы- Стыковое Способ замыкания: замыкание формой Штамповка и очистка от- ливок
кания замыкание силой Штамповка и очистка от- ливок
Гарантия против пута- ницы в контактах Расположение контактов Форма контактов Общие признаки Штамповка и очистка от- ливок
Климатические характе- ристики Температура, влажность, вредители, атмосфер- ное давление, облуче- ние Штамповка и очистка от- ливок
Характеристики среды Удельное электросопро- тивление; плотность; температура; химиче- ская активность Штамповка и очистка от- ливок
В диапазоне длительности электрогидравлического эффекта.
253
Результаты выполненных исследований [14, 18] позволили
установить некоторые закономерности эрозии электродов.
1. Эрозия электродов при высоковольтных импульсных раз-
рядах зависит от материала электродов. Если определять эрозию
в объемных единицах (см3/разряд или см3/Кл), то металлы могут
быть расположены по мере уменьшения эрозионной стойкости
в определенный ряд: W, Mo, Ni, Fe, Со, Си, Ag, Zn, Pb, Cd, Sn,
Bi. Снижению эрозионной стойкости металлов соответствует
закономерное изменение целого ряда теплофизических (темпера-
тур плавления и кипения, теплоты сублимации, удельной тепло-
емкости и др.), а также механических (прочности, твердости и др.)
свойств металлов.
[ 2. Эрозия зависит от природы жидкости.
3. С увеличением межэлектродного расстояния при прочих
равных условиях величина эрозии изменяется по кривой, имею-
щей максимум.
4. Эрозия при высоковольтных импульсных разрядах в жидко-
сти прямо пропорциональная количеству энергии, выделившейся
в канале разряда.
5. Эрозия анода превосходит эрозию катода.
6. Следует различать два режима эрозии электродов: в период
приработки в рабочем режиме.
7. В настоящее время из эрозионно-стойких материалов
лучшими для электродов являются композиции медь—карбид
вольфрама—никель (МКВ70НЗ) и медь—вольфрам—никель
(МВ70НЗ) — мелкодисперсная. Они обеспечивают наименьшую
потерю энергии в предпробойной стадии разряда и обладают
высокой эрозионной стойкостью. В ряду эрозионно-стойких
материалов достаточно высокое место занимают железо и никель,
поэтому при создании электродных систем широко используются
сплавы на их основе.
Твердая изоляция при многократном воздействии импульс-
ного напряжения и ударных нагрузок подвержена заметному
старению, приводящему к снижению ее электрической прочности.
Активационный механизм нарушения целостности решетки и
разрушения твердых диэлектриков может иметь место при нагре-
вании, электрическом пробое, облучении, механической нагрузке
и происходить вследствие активизации процесса разрушения
связей между частицами в результате вызванных внешних воздей-
ствий, причем все вышеперечисленные внешние воздействия имеют
место при электрогидравлическом эффекте [17].
Известны результаты экспериментальных исследований стой-
кости изоляционных материалов, идущих на изготовление кон-
структивных элементов электродных систем, которые позволяют
раскрыть механизм разрушения этих материалов. При подаче
напряжения между электродами возникает неоднородное электри-
ческое поле, имеющее нормальную и касательную составляющие
напряженности. Касательная составляющая обусловливает раз-
254
вптие разряда на поверхности и ее разрушение вдоль Пути разряда.
Пондеромоторные силы, возникающие при подаче напряжения,
понижают поверхностную энергию тела и облегчают его разруше-
ние. Трещины, возникающие при скользящем разряде, прояв-
ляются в виде системы пирамидальных ямок травления, а области,
окружающие трещины, оказываются заполненными плоскодон-
ными ямками травления, характерными для мест, из которых ушли
дислокации [18].
Таким образом, поверхность изоляции электродов может
разрушаться в результате развития трещин. Они развиваются
в областях максимального скопления дислокаций, где имеются
и наибольшие механические напряжения.
Установлено, что на стойкость деталей изоляторов электрод-
ных систем влияют следующие факторы.
1. Выбранный материал. Лучшими из технологически испытан-
ных и экономически целесообразных материалов являются стекло-
пластик, полиэтилен и вакуумная резина. Некоторые из мате-
риалов, например фторопласт, имеющие более высокие диэлектри-
ческие и механические характеристики по сравнению с назван-
ными, совершенно не пригодны для работы в условиях электрод-
ных систем электрического разряда.
2. Природа жидкости, поскольку скользящий разряд разви-
вается на границе раздела твердой изоляции и рабочей жидкости.
3. Время работы. Вероятность разрушения деталей в зоне
разряда выше в период приработки электродов.
4. Конструктивные характеристики детали (расположение по
отношению к тоководам, наличие амортизирующих элементов
и т. п.) и в целом всей электродной системы. Так, например, нали-
чие систем инициирования и стабилизации разряда значительно
улучшает условия работы изоляторов в зоне разряда при одно-
временном повышении эффективности преобразования энергии,
вводимой в разряд.
Ниже даны некоторые практические рекомендации по увели-
чению КПД разряда и эффективности преобразования энергии
электродными системами, приведенные в работах Н. В. Трофи-
мова и В. С. Трухова.
1. На стабильность и эффективность процесса разряда влияют
характеристики предпробивного процесса: время формирования
канала, длина и число сформировавшихся каналов, наличие не-
развившихся лидеров. Их необходимо учитывать.
2. На рабочий электрод, как правило, должен подаваться
положительный импульс напряжения (относительно земли).
3. Предпочтительно использовать анод с минимально разви-
той поверхностью.
4. Желательно использовать системы инициирования разряда,
особенно при рабочих напряжениях меньше 30 кВ.
5. Конфигурация поля должна обеспечивать максимальную
напряженность поля у анода.
255
6. Межэлектродпое расстояние следует выбирать возможно
большим; однако оно не должно выходить за границу области
стабильного разряда.
7. Электропроводность рабочей жидкости должна быть воз-
можно меньшей.
8. Скорость ввода энергии в канал разряда должна быть мак-
симально возможной.
9. При пульсации большой газовой полости, происходящей
в послеразрядный период времени, затрачивается 50 65"<> от
всей энергии, выделявшейся в канале искрового разряда. Вслед-
ствие этого для некоторых процессов следует искать пути умень-
шения энергии кавитационной полости и соответственно увели-
чения доли энергии в акустической форме. Это достижимо, напри-
мер, при осуществлении разряда в ограниченном тоководами
пространстве.
10. Важное значение имеет направленность воздействия со
стороны разряда на обрабатываемые объекты, что следует учиты-
вать взаиморасположением электродных систем (их разрядного
промежутка) и объектов обработки.
Электродные системы линейной геометрии выполняют по типу
острие острие или острие—плоскость. Причем обычно предпочте-
ние отдается последней в силу ее большей эффективности при
пробое жидких диэлектриков или слабых электролитов, так как
при такой геометрии разрядного промежутка достигается макси-
мальное искажение внешнего поля у анода, ориентирующего и
поляризующего молекулы жидкости при пробое больших меж-
электродных расстояний. Это приводит к уменьшению времени
предпробойпой стадии разряда и соответственно к уменьшению
потерь энергии, запасенной батареей конденсаторов.
Указанные электродные системы отличаются простотой кон-
струкции, что в значительной мере способствовало их широкому
применению.
На рис. 107 представлена принципиальная схема электродной
системы линейной геометрии со стержневыми противостоящими
электродами и разрядным промежутком типа острие—плоскость.
В этом предельно простом варианте стержень—токовод, подклю-
чаемый к обкладке конденсатора под положительным потенциалом,
выполняется изолированным ио всей длине, за исключением
острия в разрядном промежутке, а
стержень—токовод электрода проти-
воположной полярности имеет раз-
витую поверхность на оконечности
в разрядном промежутке. Показано
распределение потенциала в меж-
электродном разрядном промежутке
(потенциал у острия стержня принят
равным нулю, цифры у эквипотен-
циалей обозначают значения потен-
Рис. 107. Схема электродной си-
стемы линейной геометрии со
стержневыми противостоя-
щими электродами
256
циала в киловольтах); градиент потенциала вблизи границы
диэлектрик — стержень примерно такой же, как и у острия
стержня.
Такие электродные системы весьма неэффективны, неудобны
и ненадежны в эксплуатации, но тем не менее их можно поставить
во главе большой группы электродных систем линейной геоме-
трии. Они достаточно широко используются в установках для
листовой штамповки, очистки отливок, дробления материалов,
эмульгирования и др.
Электрические параметры разрядного контура с такими элек-
тродными системами (в особенности начальная напряженность
поля Up/lonl, длина межэлектродного промежутка /опт, геометри-
ческие размеры стержня и изоляции, их взаимное расположение,
площадь смачиваемой поверхности электродов) также существенно
влияют на место локализации и развития канала разряда. Кроме
того, увеличение площади смачиваемой поверхности электрода
при прочих равных условиях резко снижает КПД преобразо-
вания электрической энергии в механическую из-за возрастания
предразрядных потерь, которые могут достигать в этом случае
значительных величин. Именно для ослабления или исключения
этого вредного влияния стержень электрода по всей длине покры-
вают слоем изоляции, оставляя лишь на оконечности, обращенной
к противостоящему электроду, небольшое острие стержия-токо-
вода [39, 40].
Естественно, что реальные конструкции электродных систем
рассматриваемого типа значительно сложнее, так как снабжаются
рядом элементов, обеспечивающих их надежную работу, крепле-
ние или ввод в рабочие камеры, подключение кабелей разрядного
контура и т. п.
Для обеспечения защиты полиэтиленовой изоляции от мощ-
ного механического воздействия стержень-токовод со стороны
разрядного промежутка иногда снабжают конусным наконечни-
ком (рис. 108). Испытания электродов показали, что срок службы
изоляции возрастает в 2—3 раза, однако наличие такого, нако-
нечника приводит к увеличению потери энергии за время форми-
рования разряда и, конечно, снижает эффективность процесса
и экономические показатели электродной системы. Такое конструк-
тивное решение целесообразно в электродных системах с иниции-
руемым разрядом.
Одной из наиболее простых, приводящих к значительному
увеличению срока службы диэлектрика, является конструкция
электрода с разделением водяной прослойкой оконечности стержня-
токовода и оконечности изолятора (рис. 109).
Отличительная особенность такого электрода — наличие ра-
диально-щелевого зазора шириной 3—5 мм на длине (от торца
изолятора) 15—30 мм, отделяющего зону непосредственного кон-
такта стержня токовода с изолятором. Независимо от напряжения,
энергии и толщины изоляции (в диапазоне энергий 500—1800 Дж
17 Г. А. Гулый 257
1 2. 3
Рис. 108. Схема электрода с конус-
ным анодным наконечником:
/ — изолятор; 2 — металлический
стержень-токовод; 3 — конусный на-
конечник
Рис. 109. Оконечность стержневого
электрода-анода с кольцевой жидко-
стной прослойкой
и рабочем напряжении 25 60 кВ) прохождение скользящих
разрядов по поверхности торца изолятора исключается, благодаря
чему резко повышается долговечность изоляции.
Опытами установлено, что интенсивность обгорания внутрен-
них кромок резины зависит в основном от длины оконечности
стержня токовода, выступающей за торец изолятора. По мере ее
увеличения степень разрушения изолятора уменьшается. Уста-
новлена минимальная длина — 3 мм. Кроме того, целесообразно
округление угла кромки торца изолятора, ближней к стержню-
тоководу.
Для заданных напряжения и емкости конденсатора существует
предельная величина оголенной поверхности стержня-токовода,
при превышении которой эффективность электродной системы
снижается. В диапазоне энергий от 0,1 до 10 кДж опа лежит
в пределах 2,5—5 см2.
Обычно в электродных системах электрод — анод снабжается
сменным наконечником изолятора и подвижным ядром стержня-
токовода, что значительно увеличивает долговечность электрод-
ной системы в целом, так как по мере разрушения изоляции заме-
няется быстросъемный наконечник, а по мере эрозионного износа
оконечности стержня-токовода подвижное ядро его подается
в зону разряда, сохраняя неизменным рабочий промежуток.
Следует отметить, что в такой электродной системе внешняя часть
стержня-токовода (трубка) может выполняться из металла, обес-
печивающего минимальное активное сопротивление, а следо-
вательно, уменьшающего потери энергии в разрядном кон-
туре.
В связи с поверхностным эффектом при увеличении частоты
тока активное сопротивление проводника растет и, например,
для медного проводника диаметром 12 мм при частоте тока 200 кГц
оно в 20 раз больше сопротивления того же проводника постоян-
ному току. При тех же условиях активное сопротивление сталь-
ного стержня возрастает в 120 раз, причем оно в 34 раза больше
активного сопротивления медного проводника (/ = 200 кГц).
Отсюда видно, насколько важен правильный конструктивный
подход при создании тоководов электродных систем.
I Существует очень большое число вариантов исполнения элек-
тродных систем линейной геометрии с противостоящими электро-
258
дамп со свободным разрядом, которые отвечают требованиям
удобства эксплуатации в рабочей зоне, эффективного взаимодей-
ствия в случае применения многоэлектродных систем, отличаются
применяемым материалом стержня-токовода (причем лучшим
материалом для промышленных условий являются стали аустенит-
ного класса).
Размещение электродов в рабочих ваннах и камерах и форма
оконечностей стержня-токовода имеют большое значение в связи
с тем, что зазор между электродами должен быть достаточным
для формирования искрового разряда и для образования равно-
мерного фронта волны давления, пересекающей всю ширину по-
лости. Это создает условия максимального использования энергии,
вводимой в разряд. Расстояние между оконечностями электродов
не должно превышать расстояние между электродом и соседней
с ним стенкой камеры.
Не менее важна глубина погружения разрядного промежутка
электродных систем. Эффективность электроискровых разрядов
в воде несколько повышается с увеличением глубины погружения
разряда от поверхности жидкости, достигает максимума при
некотором ее значении и в дальнейшем снижается.
Экспериментальные исследования показали, что геометрия
оконечности стержней-тоководов оказывает значительное влияние
на условия технологического процесса. Многоэлектродные системы
применяют при листовой штамповке или очистке крупных и
сложных деталей, хотя в некоторых случаях целесообразнее
перемещать одиночную электродную систему последовательно
над всей обрабатываемой поверхностью.
Для упрощения регулирования длины разрядного промежутка
применяется электрод /, размещаемый в промежутке между проти-
востоящими стержневыми электродами 4 и 3 электродной системы
(рис. НО). Регулирование зазора производится вертикальным
перемещением стержня 2. Электроды 3 и 4 могут перемещаться
в горизонтальной плоскости, что позволяет располагать разряд-
ные промежутки над участками заготовки, требующими наиболее
глубокой вытяжки.
Правильно спроектированная электродная система может
повысить эффективность процесса листовой штамповки на 25%
по сравнению с электродной системой, построенной произвольно.
Для увеличения надежности электродных систем их размещают
над открытыми ваннами и камерами в амортизирующих подвес-
ках, а оконечность изолятора устанавливают на эластичной
прокладке или на свободном подвесе (рис. 111), который, воспри-
нимая ударную нагрузку, перемещается в направляющих вверх
по электроду и плавно тормозится, вытесняя воду, находящуюся
в полости 1, через каналы 2. Такая конструкция наконечника
изолятора позволяет увеличить надежность в 1,5—2 раза.
В отдельных случаях электродным системам линейной геоме-
д ни с противостоящими электродами по требованиям, которые
17* 259
Рис. ПО. Электродная система
линейной геометрии со стержне-
выми противостоящими элек-
тродами и вспомогательным
электродом
Рис. 111. Оконечность
электродной системы
со свободным подвесом
наконечника:
I — полость амортизп-
рующая; 2 — каналы гид-
равлической разгрузки
накладывает обеспечиваемый процесс, приходится придавать
самую разнообразную форму. Кроме того, в зависимости от
назначения электродной системы линейной геометрии ее элементы
могут быть выполнены и скомпонованы весьма необычно, напри-
мер, в гндроцилиндре пресса, в камере-корпусе вибратора
(рис. 112, а) с очень малым объемом рабочей жидкости или импуль-
сатора (рис. 112,6), в прямоточном канале судового движителя
или в фотозатворе аппарата для регистрации атмосферных разря-
дов (рис. 113) [12].
Стержневые электродные системы параллельной геометрии,
сохраняя простоту конструкции, имеют значительно меньшую
собственную индуктивность и большую компактность по сравнению
со стержневыми электродными системами линейной геометрии.
Кроме того, в таких электродных системах (рис. 114) возможно
преобразование большой части энергии, накопленной в конден-
саторе, в кинетическую энергию плазмы, т. е. некоторая направ-
ленность воздействия.
Применение этих систем позволяет значительно упростить
конструкцию электрогидравлического оборудования. Так, напри-
мер, для электрогидравлическом листовой штамповки их удобно
встраивать в разрядные камеры и подсоединять к генератору
импульсных токов. Но они обладают чрезвычайно низкой надеж-
ностью из-за близости плазмы разряда к поверхности изолятора,
260
относительной сложностью изготовления, малой жесткостью и
поэтому применяются редко.
Электродные системы коаксиальной геометрии наиболее эффек-
тивны в электрогидравлических установках. Практически часто
применяется такое исполнение электродной системы, когда до
самой зоны разряда токоподвод выполнен коаксиальным, а эле-
менты, между которыми возбуждается разряд в той или иной
форме, повторяют линейную геометрию электродных систем.
Аналогичные конструкции (рис. 115) применяют для устано-
вок очистки отливок. В рассматриваемом случае ось разряда
выбирается параллельной оси коаксиальной системы, что и опре-
деляет переход в рабочей зоне к линейной геометрии. Эти электрод-
ные системы малоиндуктивны, компактны, логично встраиваются
в электрогидравлическую установку и допускают работу с при-
менением любых систем инициирования разрядного промежутка.
Как достоинство коаксиальных электродных систем следует
отметить возможность их работы в узких и длинных полостях
независимо от расстояния до токопроводящих элементов объекта
обработки и характеристик окружающей среды.
Рис. 112. Электродная система:
а — вибратора: 1 — поршень; 2 — корпус; 3 — штуцер; 4 — электрод анод; 5 — изо-
лятор; б — импульсатора: 1 — основание; 2 — нижняя опора; 3 — стяжка; 4 — матрица;
5 — прижим; 6, 7 — элементы винтового зажима; 8 — электр од-ан од; 9 — проходной
изолятор; 10, 11 — элементы крепления токоподвода; 12 — упорный пояс; 13 — верхняя
запорная втулка; 14 — верхняя опорная втулка; 15 — кольцевая эластичная диаграмма;
16 — электрод-катод; 17 — нижняя запорная втулка; 18— нижняя опорная втулка;
19, 20 - эл 1енты крепления токоподвода и регулировки разрядного промежутка
261
Рис. 114 Стержневая электрод-
ная система параллельной геомет-
рии
Рис. 113. Электродная ситема электро-
разрядного устройства (ЭГУ) автомати-
ческого фоторегистратора молний:
1 — блок запуска н управления; 2 - гибкая
мембрана; 3 — разрядная камера из диэлек-
трического материала; 4 — электродная си-
стема; 5 — фотозатвор, 6 — привод фотозат-
вора
избежать трудностей штамповки
Коаксиальная электрод-
ная система с конусной раз-
рядной зоной позволяет
осесимметричных деталей из
замкнутых кольцевых заготовок, которые возникали при исполь-
зовании электродных систем линейной геометрии. При приме-
нении последних возникал пробой на внутреннюю поверхность
заготовки из-за близости к поверхности объекта обработки,
что недопустимо. Коаксиальная электродная система значи-
тельно увеличивает эффективность преобразования энергии
и позволяет производить разряд в непосредственной близости
Рис. 115. Коаксиальная электрод-
ная система с подвижным кон-
тактом:
I — электрод-анод: 2 — проходной
изолятор; 3—корпус-iоковод; 4 — то-
ковод подвижного контакта; 5 — уп-
ругая армировка; 6 — подвижный от-
ражатель; 7 — подвижный контакт
от поверхности объекта обра-
ботки.
Помимо электрической проч-
ности среды для возникновения
искровой стадии разряда и эф-
фективного выделения энергии
в канале разряда имеет значение
сопротивление искрового проме-
жутка. Оно понижается (при "сво-
бодном разряде) от значения,
близкого к бесконечности, перед
разрядом до величины, порядка
долей ома, и в тем большей степе-
ни, чем больше сила тока. Отно-
шение сопротивления разрядного
промежутка при разряде к об-
щему сопротивлению разрядной
цепи является электрическим КПД
установки. Поскольку сопроти-
вление искрового промежутка
становится большим с увеличе-
нием длины, а последняя возра-
стает с увеличением напряжения
зарядки батареи конденсаторов,
262
То обычно предпочтительным является большее рабочее напря-
жение.
При формировании разрядов высоковольтным пробоем жидко-
сти основную роль играют процессы образования и развития
лидеров. При снижении напряжения напряженность поля у элек-
тродов может оказаться недостаточной для образования лидеров.
Для водопроводной воды проводимостью КГ2 (Омм)'1 крити-
ческая напряженность поля составляет 36 кВ/см [40]. При более
низких напряженностях пробой межэлектродного промежутка
происходит по газовому мостику, образующемуся в результате
разогревания и испарения воды током проводимости. Некоторый
вклад в образование газовых пузырьков у электродов вносит
также электролиз [57].
Однако ряд обстоятельств ограничивает величину напряжения:
проблема изоляции, срок службы конденсаторов, стоимость заряд-
ного устройства, увеличение индуктивности разрядного контура
и в том числе электродов из-за больших толщин изоляции, потерь
в короне.
Электродные системы коаксиальной геометрии прочны, очень
удобны в работе и могут использоваться при любой энергии раз-
ряда. К их недостаткам следует отнести малую надежность, так
как непосредственно в зоне разряда находятся ответственные
элементы конструкции — изоляторы и элементы крепления элек-
тродов. При проектировании их этому вопросу следует уделять
особое внимание.
Электродные системы специального назначения. В ряде слу-
чаев традиционные схемы электродных систем, рассмотренные
выше, не могут удовлетворить всем требованиям технологического
процесса или условиям эксплуатации средств преобразования.
В таких случаях применяют в различных комбинациях описанные
выше электродные системы и некоторые элементы, обеспечиваю-
щие дополнительные звенья преобразования энергии в форму,
доступную для использования.
Целесообразно использовать возможности электрического раз-
ряда в замкнутом ограниченном объеме (рис. 116), приводящем
в движение поршень, снабженный акустическим волноводом-кон-
центратором. Это позволяет воздействовать на объект обработки
в одном цикле и энергией импульса сжатия и энергией колебаний
акустического спектра, возбуждаемых в системе разрядом. При
прочих равных условиях давление в жидкости существенно
зависит от того, происходит разряд в открытом или закрытом
объеме жидкости Благодаря отсутствию свободной поверхности
и малой сжимаемости жидкости теоретически не должен возни-
кать газовый пузырь при условии, что стенки камеры абсолютно
жесткие. Вследствие этого в закрытом объеме должен существо-
вать только один источник давления — ударная волна.
Однако вследствие податливости стенок камеры и электродов,
трудности обеспечения идеальной герметизации сосуда практн-
2G3
|-O О—U
Рис 116. Электроразрядный гид-
равлический импульсный вибратор
(ЭР Г И В) с электродными^систе-
мами линейной геометрии
Рис 117. Электродные системы
параллельной геометрии скользя-
щего разряда
чески газовый пузырь возникать будет, но значительно меньших
размеров, чем при электрическом разряде в открытом объеме.
После прохождения ударной волны, благодаря ее многократным
отражениям от стенок камеры, а также вследствие развития
газового пузыря, в закрытом объеме установится и некоторое
время будет поддерживаться квазистатическое давление, которое
затем относительно медленно будет спадать до нуля.
В некоторых случаях используют электродные системы сколь-
зящего разряда [38] (рис. 117), позволяющие осуществить неко-
торую направленность воздействия.
3. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
В существующих технологических схемах обработки материа-
лов с использованием электрогидравлического эффекта зачастую
объект обработки располагается по одну сторону от разрядного
промежутка электродных систем. Таким образом, 50—75% энер-
гии, преобразованной в разряде, рассеивается, не производя
полезной работы, так как не попадает на объект обработки. Элек-
трогидравлический процесс обработки осуществляется в резуль-
тате воздействия на объекты обработки ударной волны и гидро-
потока. Начальная стадия нагружения ударной волной носит
волновой характер и поэтому оправдано применение различных
отражающих поверхностей (рис. 118) размещаемых в районе
разрядного промежутка, со стороны, противоположной объекту
обработки. Правильно спроектированный отражатель позволяет
на 25—50% увеличить долю энергии ударных волн, передаваемых
на объект обработки.
Для эффективности отражателей большое значение имеет
характер фронта ударной! волны. Фокусирующее действие, на-
пример, сферического и параболического отражателя максимально,
264
если источник волн точеч-
ный и располагается по
оси симметрии. Если ис-
точник волн линейный и
расположен перпендику-
лярно оси симметрии, то
фокусирующее действие
уменьшается по мере уве-
личения длины разряд-
ного промежутка [97].
Средние значения отно-
шения энергии гидропо-
тока к энергии ударной
волны для открытого
объема всегда превышает
единицу, т. е. энергия,
Рис. 118. Пневмоотражатель электродных
систем линейной геометрии
передаваемая заготовке гидропотоком, превышает энергию, пе-
редаваемую ударной волной; значения указанного отношения
находятся в пределах 2,1—3,7.
Полученные результаты показывают, что концентрирование
гидропотока должно быть очень эффективным при введении
процессов обработки в открытых объемах. Но тем не менее отра-
жатели достаточно часто применяют для увеличения эффектив-
ности использования энергии ударных волн электрического раз-
ряда в жидкости. Обычно это жесткие параболические или цилинд-
рические вогнутые поверхности, которые для увеличения отра-
жательной способности снабжают пневматическими «подуш-
ками».
В некоторых случаях им придают форму выпукло-конических
тел вращения, устанавливаемых по оси цилиндрических загото-
вок для выравнивания давления на фронте ударных волн и рас-
пределения более или менее равномерно по обрабатываемой
поверхности.
Конструктивно возможно для увеличения эффективности ис-
пользования энергии, вводимой в разряд, разместить большое
число матриц или другой оснастки вокруг зоны разряда, осуще-
ствляемого в единичной электродной системе, хотя это приводит
к значительным конструктивным усложнениям технологических
установок.
Интересен способ увеличения эффективности электродных
систем, заключающийся в создании многоволновой конфигурации
сходящихся ударных волн. В зоне разряда электродных систем
генерируются ударные волны сферической или цилиндрической
симметрии, а затем с помощью акустических волноводов трансфор-
мируются в ударные волны плоской симметрии и направляются
в зону взаимодействия, которую следует располагать непосред-
ственно у поверхности объекта обработки. При схождении удар-
ных волн образуется головная ударная волна, давление на фронте
265
которой в 3—5 раз больше, чем на фронте каждой из взаимодей-
ствующих волн.
Эффективность концентрации ударной волны и гидропотока
определяется геометрией рабочей камеры. В общем случае эффек-
тивность оценивается коэффициентами использования энергии
ударной волны и гидропотока, законом распределения макси-
мального давления ударной волны в выходном сечении и законом
распределения удельной энергии ударных волн в выходном сече-
нии. Эти показатели определяются только геометрией рабочих
камер и не зависят от энергии и режима разряда.
Эффективность рабочих камер возрастает с уменьшением объема
камеры вне телесного угла, подходящего к выходному сечению.
Уменьшение телесного угла позволяет получить более равномер-
ное распределение максимального давления и удельной энергии
ударных волн по выходному сечению.
4. СИСТЕМЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ РАЗРЯДА
Обычно электродные системы линейной геометрии достаточно
сложны из-за применения целого ряда устройств и систем, уве-
личивающих их эффективность, надежность. В первую очередь
к ним следует отнести системы инициирования и стабилизации
разряда, а также амортизирующие устройства оконечностей
изолятора и стержней.
Чаще всего используемой средой для получения электрогид-
равлического эффекта является техническая вода с удельным
сопротивлением, находящимся в достаточно узком диапазоне,
границы которого определяются как физическими, так и экономи-
ческими соображениями. Идеальным случаем явилось бы приме-
нение жидкости с высокими сопротивлениями в предионпзацион-
ный период и проводимостью во время инициирования разряда,
иными словами, жидкости, позволяющей получить минимальное
время для ионизации разрядного промежутка и максимальное
сохранение потенциала на обкладках конденсатора перед разрядом.
Решение этой задачи можно осуществить либо созданием
искусственной среды с заданными свойствами, либо созданием
непосредственно в разрядном промежутке условий, отвечающих
названным выше, независимо от свойств окружающей среды.
Условия в разрядном промежутке, отвечающие требованиям
эффективного преобразования энергии электродными системами,
независимо от характеристик примененной среды, создаются
принудительным инициированием разряда [57]. Основные эле-
менты систем инициирования разряда должны отличаться высо-
кой надежностью, дешевизной и легко поддаваться автоматизации.
В настоящее время в промышленных установках используются
два способа принудительного инициирования — ввод в разряд-
ный промежуток взрывающегося проводника и впрыск в него
струи вязкой жидкости на основе масел или отходов нефтепродук-
266
Рис. 119. Основные элементы
системы инициирования раз-
ряда взрывающейся прово-
лочкой
4 мм, диаметр напра-
Тов с различного рода Наполнителями.
Разновидностью этих способов является
впрыск в разрядный промежуток струи
жидкости из рабочей ванны (камеры)
с добавлением в нее взвешенных ме-
таллических частиц. Эти способы по-
зволяют в 1,5—2 раза повысить эф-
фективность преобразования энергии
даже в случае применения среды с от-
носительно высокой проводимостью.
Электрод, снабженный устройством
или системой для инициирования раз-
ряда, показан па рис. 119. Иниции-
рование происходит путем быстрого
испарения (взрыва) проволоки. Заря-
женная батарея конденсаторов 1 бы-
стродействующим включателем 7 за-
мыкается на электроды 5 и 2, зако-
роченные проволокой 3. Последняя
подается через направляющую втулку 8
и выходной канал 4 трубчатого элек-
трода 5, изготовляемого из низкоугле-
родистой стали. Размеры электрода:
наружный диаметр — 25 мм, внутрен-
ний — 10 мм, диаметр выходного канала
вляющей втулки — 2,5 мм. Проволока изолирована от электрода
изолятором 9, выдерживающим рабочее напряжение системы.
От возможного разрушения изолятор 9 защищен трубкой 6.
Работает эта электродная система следующим образом. Вна-
чале проволока подается до соприкосновения с электродом 5.
При срабатывании выключателя 2 происходит ее взрыв. Между
электродами 5 и 2 возбуждается электрический разряд и в окру-
жающей среде генерируется ударная волна. Затем процесс повто-
ряется.
Как крупный недостаток систем инициирования взрывающимся
проводником следует назвать трудность их использования при
относительно маломощных разрядах, когда диаметр проводника
очень мал и для надежного замыкания или длинных разрядных
промежутков приходится использовать дополнительные устрой-
ства, еще более усложняющие систему. Кроме того, применение
взрывающихся проводников в отдельных конструкциях электрод-
ных систем линейной геометрии значительно усиливает эрозион-
ное разрушение оконечности стержня токовода, что приводит
к необходимости применения сменных элементов оконечности
стержня токовода.
В некоторых случаях препятствием для применения таких
систем служит перенапряжение в разрядном контуре с взрываю-
щейся проволочкой, которое может в 5—6 раз превышать напря-
2G7
27. Результаты сравнительных исследований различных систем
инициирования разряда
Тип системы Активное сопроти- вление электро- дов R. Ом Индуктивность электродной системы £э, мкГ Напряжение про- боя (УПр, кВ Предпробивные потери ДИ7, % Относительное да- вление волны сжатия । Оптимальная дли- на промежутка /, см
Инициирование: вязкой жидкостью 0,031 1,3 47 Нс зарегистри- 1,23 9
проволочкой .... 0,027 0,64 47 рованы 50 1 9
ВЫСО КОБОЛ ьтн ым пробоем 0,058 3,25 35 43,4 0,25 4,5
Примечание. Удельное электросопротивление жидкости р = 3,75 Омм ем-
кость батареи конденсаторов С = 6 мкФ, напряжение заряда U $ = 4-=-7 кВ.
жение на конденсаторе и приводить к пробою изоляции контура
и сильным наводкам в остальных электрических цепях установки.
Практически всех этих недостатков лишены системы иниции-
рования разрядных промежутков впрыском струи вязкой диэлек-
трической жидкости или электролита с наполнителем из прово-
дящих и непроводящих частиц.
Были проведены сравнительные исследования систем иниции-
рования разряда вязкой жидкостью (веретенное масло — 70%,
алюминиевый порошок — 20%, порошкообразный мел — 10%)
железной проволочкой диаметром 0,75 мм и высоковольтным
пробоем при идентичных внешних условиях и при одинаковых
параметрах разрядного контура. Удельное электросопротивление
рабочей жидкости составляло 3,75 Ом-м.
Анализ результатов исследований (табл. 27) позволяет сде-
лать заключение о значительно большей эффективности системы
инициирования вязкой жидкостью. В этом случае практически
отсутствуют предпробивные потери, проявляющиеся при иниции-
ровании проволочкой в виде энергии сублимации и составляющие
в рассматриваемом случае 3—3,5 кДж при запасенной энергии
6,6 кДж. По расчету энергия сублимации должна составить
2 кДж. Это объясняется тем, что сопротивление проволочки во
время протекания становится сравнимым с сопротивлением раз-
рядного контура и поэтому дополнительная часть энергии выде-
ляется в самом контуре.
Так как инициирующая жидкость приготовлена на основе
жидкого диэлектрика, то в первый момент после приложения
напряжения разряд развивается по поверхности раздела иниции-
рующей струи и рабочей жидкости, процесс носит характер
268
Электронного пробоя, поэтому предпробив-
ные потери чрезвычайно малы, что видно
из характерных осциллограмм тока и на-
пряжения.
Увеличение площади смачиваемой по-
верхности положительного электрода в 20 раз
не оказывает заметного влияния на эффек-
тивность преобразования энергии в элек-
тродных системах с инициируемым вязкой
диэлектрической пастой разрядом.
Ведутся интенсивные разработки систем
инициирования разряда предшествующим
слаботочным высоковольтным разрядом ге-
нератора импульсов напряжения 157], а
также инициирующей плазменной струей,
инжектируемой через отверстие в одном из
электродов |1 ] (рис. 120). Экспериментально
показана возможность получения управляемых искровых раз-
рядов в жидкости путем инициирования вспомогательной искры
вблизи основного разрядного промежутка. Вспомогательная искра
оказывает наибольшее влияние на пробой в воде при подаче
напряжения на основной зазор с некоторой задержкой относи-
тельно момента пробоя вспомогательного зазора. При этом до-
стигается наибольшая амплитуда разрядного тока, наименьшее
время запаздывания пробоя и величина напряжения, при ко-
тором возможен пробой промежутка. Последние — электрофи-
зические способы инициирования, по-видимому, найдут прак-
тическое применение в недалеком будущем.
dl-o 0-4—1
Рис. 120. Схема элек-
тродной системы с ин-
жектирующим уст-
ройством
5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
Совершенствование метода обработки с использованием элек-
трогидравлического эффекта в значительной мере зависит от
развития силовых импульсных систем в целом и, естественно,
от совершенствования инструмента воздействия. Насущные воп-
росы — увеличение надежности исполнительных органов и эле-
ментов разрядного контура, повышение энергоемкости накопи-
телей энергии, увеличение эффективности преобразования и
использования энергии, создание бесконтактных технологиче-
ских процессов.
Разрушение электродных систем происходит в результате
механического и теплового воздействия канала разряда и после-
дующих гидродинамических явлений, а также воздействия элек-
трического поля на токоведущие части и изоляцию. Типичными
видами разрушения от механического воздействия являются
потеря устойчивости стержня-токовода, разрыв токоподводящих
шин, пластическое деформирование вплоть до разрушения наруж-
ной трубы — токовода в коаксиальных электродных системах,
269
Рис. 121. Тепловое разрушение проходного [изоля-
тора
выдавливание проходного изолятора из-под фланцев крепления
в корпусе камеры, выталкивание стержня-токовода из проход-
ного изолятора и т. п. Кроме того, возможны под действием
механических динамических усилий нарушения центровки вспо-
могательных устройств, например, привода системы инициирова-
ния или привода перемещения электродной системы и т. п.
Своеобразна картина теплового разрушения изолятора
(рис. 121), когда под длительным воздействием больших токов
разряда в неохлаждаемой водой зоне электрода происходит
выплавление и вытекание материала диэлектрика, что приводит
к последующему пробою и окончательному разрушению, так
как электрические и механические свойства изоляционных мате-
риалов ухудшаются с повышением температуры.
Необходимый тепловой режим электродной системы может
быть обеспечен правильным выбором материала тоководов и
токонесущих слоев, охлаждением тоководов водой или другой
охлаждающей средой, пропускаемой через специальные каналы.
С применением охлаждения тоководов возрастает стойкость элек-
тродных систем, работающих с большой частотой следования
разрядов в течение длительного времени.
Работоспособность и долговечность электродных систем в зна-
чительной мере зависят от качества применяемой изоляции.
Наряду с высокими электрическими показателями изоляция
электродных систем должна иметь достаточную механическую
прочность. Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям
стеклопластиковые материалы. Но зачастую при повышенных
требованиях к электрической прочности изоляции применяют
материалы из полиэтилена, лавсана и др. Их удобно применять
в комбинации со стеклопластиками. Имеются и другие конструк-
тивные пути повышения стойкости электродов, среди которых
можно отметить следующие.
Благодаря импульсному характеру приложения нагрузки
устойчивость электродной системы повышается с увеличением
массы токоведущих частей. Прочность трубчатых тоководов
может быть значительно увеличена путем применения элементов
270
механического усилия: бандажей, стяжек, многослойной конструк-
ции ит. п. В некоторых случаях тоководы и изоляторы могут быть
частично или полностью защищены от механического воздействия
магнитного и электрического полей путем применения специаль-
ных экранирующих поле вставок. Прочность и стойкость элек-
тродных систем при этом возрастает. Особое внимание следует
уделять выбору геометрии и конструкции разрядного проме-
жутка инструмента воздействия в электрогидравлических уста-
новках.
Типовые конструкции. Решению задачи создания высокопроч-
ных и эффективных электродных систем во многом способствует
правильное их расположение относительно объекта обработки.
Стержень-токовод может быть выполнен достаточно массивным
и прочным за счет увеличения поперечного сечения. Из-за дей-
ствия скин-эффекта и эффекта близости (в коаксиальной геоме-
трии) высокочастотный разрядный ток вытесняется в поверхност-
ные слои стержня-токовода и поверхностные внутренние слои
трубчатого токовода. Увеличение площади сечения этих слоев
благотворно сказывается на работе электродных систем, так как
ведет к уменьшению собственной индуктивности и активного
сопротивления, увеличению устойчивости. Часто несущие эле-
менты тоководов электродных систем выполняются стальными
(прочность, эрозионная стойкость), а токонесущие слои — мед-
ными, причем последние наносятся либо гальваническим способом,
либо механически напрессовываются, если длина тоководов
электродной системы невелика. За последние годы разработана
технология и расширен выпуск биметаллического проката и
в первую очередь проволоки, прутков п труб. Его следует в пер-
вую очередь рекомендовать для использования в электродных
системах.
На рис. 122, а приведена конструкция электродной системы
линейной геометрии для установок очистки отливок мод. 36121,
36131 и 36141. Она состоит из двух электродов, одним из которых
служит очищаемая деталь. Второй электрод представляет собой
стальной подвижный стержень, 4, имеющий внешнюю трубку-
токовод 3 из меди и снабженный устройством 2 для фиксации
стержня по длине. Трубка-токовод плотно посажена в полиэти-
леновом изоляторе 5, являющимся и несущим элементом кон-
струкции. Оконечность изолятора в районе разрядного проме-
жутка снабжена съемным наконечником 6 с кольцевой жидкост-
ной прослойкой 7, а электрод — высоковольтным разъемом 1
и элементом крепления на устройство перемещения электрода.
Для высокопроизводительных установок очистки отливок
типа «Искра-11» (см. гл. IV) и других применяют коаксиальные
электродные системы упрощенной конструкции: подвижный стер-
жневой электрод 4 линейной электродной системы (рис. 122, 6)
устанавливается в трубчатом корпусе-тоководе 8, снабженном
упругим контактным элементом 9, обеспечивающим токоподвод
271
Рис. 122. Электродная система установок
для очистки отливок:
а — линейной геометрии; б — коаксиальной
геометрии
непосрественно в зону раз-
ряда со стержня на элек-
трод-отливку. Следует ука-
зать, что такая электродная
система малоподвижна и не-
обходимо искать пути обес-
печения ее гибкости за счет
контактных элементов (см.
рис. 115).
Для установок листовой
штамповки и калибровки
ввиду их более высоких
энергетических характери-
стик электродные системы
проектируются значительно
более сложными, массивными
и снабжаются вспомогатель-
ными элементами. Нарве. 123
изображена электродная си-
стема установки для ли-
стовой штамповки, состоя-
щая из полого стержня-то-
ковода 1, снабженного нако-
нечником 3 с проточкой,
установленным через разде-
лительный изолятор в кор-
пусе 2. Сквозной канал то-
ковода служит для подачи
отрезков проволоки 4, фи-
ксируемых ловителем 5.
При этом центральная часть электродной системы, а именно
оба токовода, подвижна, что позволяет амортизировать механи-
ческие осевые усилия и использовать осевое перемещение системы
для подачи очередного отрезка проволоки 4 из бункера (или мага-
зина) 6 с помощью толкателя 7, перемещающегося вместе с отрез-
ком в направляющих 8 и сбрасывающего этот очередной отрезок
проволоки в кантователь 9.
После разряда проволока (отрезок) автоматически подается
и устанавливается в разрядном промежутке. Как можно заменить,
отрезок проволоки в ловителе имеет лишь две точки контакта,
причем на оконечностях отрезка. Это резко снижает эрозию нако-
нечника и полностью исключает приваривание проволоки в ка-
нале. Электродная система обеспечивает работу установки при
энергии разряда 150 кДж и рабочем напряжении 50 кВ. Система
инициирования может обеспечить частоту следования импуль-
сов 1 Гц при длине стержня-токовода до 2 м.
Несколько по-иному устроен механизм подачи проволоки
в разрядный промежуток в электродной системе для установок
?72
Рис. 123. Электродная система установок для штамповки:
а — внешний вид; б — устройство подачн проволоки; в — кантователь
электрогидравлической штамповки, представленной на рис. 124.
Здесь также используется механическое действие гидропотока
для привода механизма подачи проволочки, сматываемой с кас-
сеты.
Поршень 5, помещенный в проходном изоляторе 1 и имеющий
расположенные внутри эксцентриковые зажимы 2 и 6, под дей-
ствием гидропотока, падающего на него через окна 4, переме-
щается на расстояние, равное разрядному промежутку, сжимая
пружину 3. В верхней точке эксцентрики зажимают проволоку и,
перемещаясь вниз вместе с поршнем, подают ее в разрядный
промежуток. Система работоспособна при условии заполнения
полости, в которой движется поршень, воздухом (для этой цели
служит шланг 7).
Недостатки описанных систем исключаются в электродной
системе (рис. 125) установок для штамповки, использующих
систему инициирования разрядного промежутка вязкой жидко-
стью. В этой конструкции полый стержень / расположен в цилинд-
рическом тоководе 2 таким образом, что образует с ним радиально-
щелевой канал, переходящий в сопло. По этому каналу из техно-
логической камеры прокачивается жидкость, а через центральное
сопло в необходимый момент с помощью гидравлической системы 3
впрыскивается струя жидкого инициатора. Эффективность такой
системы выше по сравнению с эффективностью систем, исполь-
зующих взрывающуюся проволочку. Конструкции электродных
систем, обеспечивающие другие технологические процессы, ана-
логичны описанным и претерпевают изменения в части, касаю-
щейся лишь обеспечения отдельных особенностей этих процессов.
1В Г. А. Гулый 273
Рис. 124. Электродная система
установок для штамповки с меха-
низмом подачи проволочки, встроен-
ном в оконечности
Рис. 125. Электродная система
установок для штамповки, снабжен-
ная системой инициирования впры-
ском вязкой пасты
Геометрия электродных систем. Процессы формирования раз-
ряда в значительной степени влияют на дальнейшее протекание
искровой стадии разряда. Они определяют время задержки пробоя
межэлектродного промежутка, потери энергии в этот период,
длину канала искры, начальный диаметр канала и его сопротив-
ление. Важен правильный учет этих факторов при проектировании
геометрии разрядного промежутка. Особенно большое влияние
при свободном разряде имеет поверхность отрицательного элек-
трода. Распределение поля в промежутке, емкость и проводи-
мость межэлектродного пространства существенным образом оп-
ределяются формой и количеством прорастающих проводящих
лидеров. Проведенные зондовые измерения показали, что
сопротивление лидера на несколько порядков меньше удель-
ного электросопротивления воды, в которой он развивается
140].
Обычно радиус кривизны положительного электрода состав-
ляет 3—6 мм. При этом поверхность отрицательного электрода
(например, поверхность обрабатываемой детали) может изме-
няться от нескольких до сотен и более квадратных сантиметров.
Проведенные исследования [68] дают основание считать, что
274
28. Влияние на йеЛичИну rorta разряда емкости, активного сопротивлений
и индуктивности разрядного контура
с, мкФ R. Ом L, мкГ №. кДж ^гпах" кА с. мкФ R, Ом L. мкГ 1Г. кДж 'max’ кА
0,1 о,1 0,05 0,125 63,7 1,о о,1 0,3 1,25 79,6
0,1 0,5 0,05 0,125 45,0 1,0 0,4 3,0 1,25 24,1
0,1 0,4 0,3 0,125 24,2 1,0 0,4 0,05 1,15 87,7
1,0 0,1 0,1 1,25 126,0 5,0 0,4 0,3 6,25 140,0
1,0 0,5 0,1 1,25 68,0 10,0 0,4 0,3 12,5 210,0
Примечание. С/о = 50 кВ.
максимальная напряженность поля у положительного электрода
будет при соотношении поверхностей
•^- = 60-^100.
о
Следует указать, что количество лидеров почти не зависит
от удельного электросопротивления воды в диапазоне рв = 20н-
40 Ом • м п уменьшается с увеличением удельного электросо-
противления свыше 70 Ом-м. Увеличение их числа наблюдается
при значениях рв <10 Ом-м 168]. Следовательно, при проек-
тировании электродных систем необходимо учитывать харак-
теристики рабочей среды в разрядном промежутке и в зависи-
мости от этого определять необходимость использования системы
инициирования.
При всей простоте и повышенной надежности электродных
систем, не имеющих устройств инициирования разрядного про-
межутка, в них очень трудно обеспечить ощутимое уменьшение
потерь энергии в предпробойный период, что можно сделать
только созданием такого поля в межэлектродиом промежутке,
которое без дополнительных затрат энергии приводило бы к на-
правленному развитию разряда.
Исходя из этого можно сделать вывод о предпочтительности
применения во всех случаях систем инициирования и стабилиза-
ции разряда, причем таких, которые не дают больших предпро-
бивных потерь (например, жидкостное инициирование и т. п.)
или не влекут дополнительных затрат энергии. Геометрия раз-
рядного промежутка играет также значительную роль в форми-
ровании направленного воздействия на объекты обработки.
Активное сопротивление и индуктивность. Решающую роль
для увеличения параметров электрогидравлического эффекта
играет величина тока, протекающего через канал разряда и
в электродах, а также скорость ввода энергии в канал разряда.
В свою очередь они сильно зависят от активного сопротивления,
индуктивности и емкости разрядного контура (табл. 28).
18* 275
Illi_____I_I_I__I_I_I__I
0,2 0/t 0,6 0,8ЦмкГ
i_i__i_i_i_i_i__i_i_i__i
0,2 Q4 0,6 0,8 С,мкФ
Puc. 126. Характер зависимости тока
разряда от активного сопротивления,
индуктивности и емкости цепи
значение R/1 = 310-10 5 Ом/м.
Fla рис. 126 показано влия-
ние активного и индуктивного
сопротивления электродных си-
стем на ток в цепи разряда, а
также характер зависимости
максимального тока от емко-
сти. Важно оценить активное
сопротивление электродной си-
стемы в зависимости от мате-
риала стержня-токовода с уче-
том скин-эффекта, поскольку
практически частота тока раз-
ряда в электродных системах
находится в пределах 10—
200 кГц.
Следует сравнить вычислен-
ные значения активного сопро-
тивления для разнородных ма-
териалов и для разных частот.
Для медного стержня ра-
диусом г = 6 мм при частоте
тока f = 200 кГц вычисленное
Активное сопротивление того
же проводника постоянному току
R = р-^= 15,5-10-5 Ом,
О
где р — удельное электросопротивление; р = 0,0175 Ом-мм2-/м;
I — длина проводника, / = 1м;3 — площадь поперечного сече-
ния проводника.
Таким образом, активное сопротивление при частоте 200 кГц
увеличилось в 20 раз. Для стального стержня при г = 6 мм,
f = 200 кГц, RH = 0,105 Ом/м, а сопротивление этого же стержня
постоянному току — R = 0,867-10“3 Ом. Следовательно, для
стали при частоте 200 кГц сопротивление возрастает в 122 раза.
В то же время в этих условиях активное сопротивление стального
стержня в 34 раза больше активного сопротивления медного
стержня. Это обязательно следует учитывать при выборе мате-
риала токоведущих элементов электродных систем.
Конечно, чтобы удовлетворить другим условиям проектиро-
вания, обеспечить эрозионную стойкость, прочность и экономич-
ность необходимо применять различные стали для электродных
систем. Но в этом случае те участки, которые непосредственно
передают ток канала разряда, должны выполняться из хорошо
проводящих материалов. Переменный ток, проходящий по про-
воднику, распределяется неравномерно по сечению. Наибольшая
плотность тока па поверхности проводника, наименьшая — на оси.
Чем больше проводимость проводника, его магнитная проницае-
276
Рис. 127. Характеристики элек-
тродных систем в зависимости
от емкости:
1,2 — изменение индуктивности; 3,
4 — изменение активного сопротивле-
ния; ----------- экспериментальные
данные;---------расчетные данные
мость и частота тока, тем более
неравномерным будет распределе-
ние тока но сечению. Именно в
связи с поверхностным эффектом
изменяется активное сопротивле-
ние проводника (возрастает с уве-
личением частоты).
Глубину проникновения тока
(расстояние в м от поверхности
проводника, на котором плот-
ность тока уменьшается в е раз)
определяют по формуле
__ 503,42
Ину/
где t — частота тока, Гц; у —
удельная проводимость.
В рассматриваемом случае
для стержня-токовода диаметром
12 мм при частоте 200 кГц, выполненного из меди и стали,
t — 0,148 и 0,044 мм соответственно.
Для определения влияния индуктивности электродной си-
стемы на эффективность преобразования энергии были проведены
исследования на установке очистки отливок, где индуктивность
электродной системы изменялась от 6 до 3 мкГ. Удельное сопро-
тивление воды в рабочей ванне 12 Ом-м.
Из полученных данных следует, что уменьшение индуктив-
ности в 2 раза привело к возрастанию крутизны мощности также
в 2 раза: от 0,68- 10й до 1,33- 10й кВт/с. При увеличении крутизны
мощности, как указано выше, давление волны сжатия возрастает
от 157 до 210 МПа. Так, например, уменьшение индуктивности
разрядного контура от 6 до 3 мкГ позволяет на 25% уменьшить
емкость конденсаторной батареи. Для установки очистки отливок
мод. 36121 емкость батареи удалось уменьшить на 1 мкФ при
сохранении производительности установки. Зависимость актив-
ного сопротивления и индуктивности электродной системы от
емкости батареи конденсаторов была определена расчетом и
проверена экспериментально. На рис. 127 приведены эти харак-
теристики электродных систем в диапазоне от 0,1 до 10 мкФ.
Тепловые потери (нагрев тоководов). Перегрев тоководов и,
как следствие, изоляторов электродных систем значительно ухуд-
шает электрическую прочность изоляции и является одним из
факторов, уменьшающих их эффективность.
Процесс нагрева тоководов импульсными токами отличается
рядом характерных особенностей: большой амплитудой тока
в импульсе, превышающей номинальные значения для случая
длительной нагрузки на два-три порядка; малой длительностью
процесса отдельного разряда; сложным характером изменения
277
Рис. 128. Зависимость кривой
нагрева токовода от времени
тока во времени; значительным из-
менением температуры нагрева за
короткий промежуток времени; ди-
скретностью тепловой нагрузки.
3. Р. Малкиным показано, что
для одинакового прогрева одно-
родного стержня по всей толщине
тепловой баланс будет определяться
уравнением
PR — -ttt = C0dOx, (114)
‘'О
где / — ток в стержне; R — сопро-
тивление стержня; 0д — превышение
температуры стержня над темпера-
турой окружающей среды; R(t—
полное тепловое сопротивление; t — время действия тока;
Со — теплоемкость материала.
При установившемся тепловом режиме
PR = 0 или 0 = PRR0,
''о
где 0 — общий перепад температур между стержнем и окружаю-
щей средой.
Преобразовав уравнение (114) и интегрируя его, получим
t = Tin (0 — 0r) + Сх. (115)
Здесь Т = CUR() носит название постоянной времени нагрева
стержня-токовода. Значение ее лежит в пределах 0,1—0,6 ч.
Постоянная интегрирования = Т In 0 при t = 0, следо-
вательно,
t = Т 1п д 6 Q или 0Л. = 0 (1 — е т ) .
6 — 0Х
(И6)
Таким образом, зная 0 и Т, можно по уравнению (116) по-
строить кривую нагрева токовода (рис. 128).
В электрогидравлических установках электроды работают
в режиме кратковременных нагрузок, чередующихся с паузами,
во время которых ток отсутствует. Обозначим /п — ток пере-
грузки.
В случае, если стержень нагружен током / согласно урав-
нению (116), перепад температур между стержнем и окружающей
средой за время t = t„ — t0 будет равен
/ -
0v = I'RR0 (1 — е т
278
Здесь I2RR0 = G — максимально допустимый перепад темпе-
ратур па стержне в установившемся тепловом режиме; / — дли-
тельно допустимый ток нагрузки, соответствующий установив-
шемуся допустимому перепаду температур; /н — время действия
импульса; R, — время паузы между импульсами.
Аналогично, за время /„ действия тока перегрузки /п перепад
температур равен
G = I2„RRo
1 — е т
Для того чтобы при длительном действии прерывистой на-
грузки перепад температур на внутреннем проводе не превышал
допустимой величины 6, необходимо соблюсти следующие условия:
/
PRR0\\— е г ) = /2RR0\l—е т). (117)
Обозначим -у- = /<п— коэффициент перегрузки,
(Н8)
Таким образом, зная время действия между импульсами /п,
время действия импульса /и в тепловую постоянную времени Т,
можно ориентировочно определить зна-
чение допустимого тока перегрузки
для электродов
/П = АП/. (119)
Параметры разрядной цепи (U 0,
L, С и /0), электрические параметры
жидкости, а также конструктивные
параметры электрода при самопробое
определяют непроизводительные зат-
раты энергии разрядного контура
в период формирования пробоя. На
рис. 129 приведена конструкция око-
нечности электродной системы, ис-
пользуемой во многих электрогидра-
влических установках, работающих на
принципе самопробоя межэлектродного
водного промежутка. С целью повы-
шения стойкости изоляции и срока
службы электрода токопроводящий
стержень 1 выступает из изоляции на
Л=30-?-100 мм, а изоляция электрода 2
Рис 129. Конструктивная
и расчетная схема оконеч-
ности электродной системы
линейной геометрии с проти-
востоящими электродами
279
в этой зоне выполняется сменой (изолирующей сменный наконеч-
ник 3). Развитие стримеров с неизолированной части токопрово-
дящего стержня обусловливается общей картиной электрического
поля в промежутке, а также местным искажением поля.
К основным конструктивным параметрам электрода, рассчи-
танного на самопробой жидкости, характеризующим электрическое
поле в межэлектродном промежутке и оказывающим основное
влияние на стойкость изоляции и величину электрических потерь
в период формирования пробоя в жидкости, следует отнести
диаметр d и длину неизолированной части токопроводящего
стержня, величину 6 и глубину /гб зазора между изоляцией и
токопроводящим стержнем, а также радиус закругления конуса
токопроводящего стержня г. Однако, как показывают экспери-
ментальные исследования, независимо от первоначального зна-
чения г, в результате электрической эрозии электрод приобре-
тает в процессе работы форму полусферы с радиусом закругле-
ния г d/2 и в конечном итоге определяется диаметром стержня
электрода. Изменения величин 6 и h6 показывают, что наимень-
шая вероятность развития скользящих разрядов по поверхности
изоляции достигается при 6 = 2т-5 мм и h6 = 45-е-50 мм. Даль-
нейшее увеличение h6 практически не оказывает влияния на раз-
витие скользящих разрядов.
Уменьшение диаметра стержня d и его длины h приводит
к уменьшению неизолированной площади стержня S, контакти-
руемой с жидкостью. Это способствует тому, что потери энергии
в период формирования пробоя уменьшаются. Однако в резуль-
тате быстрого эрозионного износа такого стержня срок службы
электрода уменьшается. Кроме того, уменьшение h способствует
увеличению числа скользящих разрядов по поверхности изоля-
ции и быстрому ее разрушению. Об относительной стойкости
изоляции электрода можно судить по степени локализации разря-
дов на поверхности изоляции, выражающей в процентном отно-
шении число разрядов у поверхности изоляции пр к числу всего
произведенных разрядов Л/,,:
k = ^lOQ%.
Относительные потери энергии при формировании пробоя
определяют из отношения
1I
дц/ = х = -°-^-пр 100%,
где Wn — абсолютное значение потерь энергии за период форми-
рования пробоя; Дпр — напряжение на конденсаторе к моменту
завершения пробоя, характеризующееся на осциллограмме рез-
ким изломом кривой изменения напряжения
280
В интервале изменений Uo = 40-5-60 кВ, 1Э = 20-5-100 мм,
р == 5-5-30 Ом-м и h = 30-5-70 мм при постоянных остальных
параметрах разрядной цепи (С — 4 мкФ и L = 7 мкГ) и элек-
трода (d = 10 мм, 6=2 мм, /гб = 50 мм) степень локализации
разрядов и потери энергии за время формирования пробоя для
системы электродов стержень — плоскость (стержень—анод) мо-
гут быть определены из выражений, полученных с помощью пла-
нирования экстремальных экспериментов:
К = 21,44 + 10,19Xx + 3,87Х2 — 7,06Х4 — 5,25ХГХ4 +
+ 6,12X3X4 + 2,38Х3Х4 + 6,12X4X2X4 +
+ 6,12X4X3X4. (120)
AU7 = 4J1 _ 4,45X4 + 12,6Х2 — ЗО,6Х3 — 7,76X4 —
— 1,3X4X3 — 1,44X4X4 — 5,7Х2Х3 — 3,0Х 2Х4 —
— 3,86X3X4 + 1,26X4X3X4 + 4,9Х2Х3Х4 —
— 2,1XiX2X3X4. (121)
Здесь Х4 — напряжение на конденсаторе {70; Х2 — межэлек-
тродное расстояние /опт; Х3 — удельное сопротивление воды р;
Х4 — длина неизолированной части токопроводящего стержня
электрода h.
Значения всех факторов, входящих в выражения (120) и (121),
даны в кодированном виде. При конструировании электродов
необходимо знать время, в течение которого выступающая неизо-
лированная часть стержня электрода в результате электрической
эрозии уменьшится до опасной величины. Оно может быть опре-
делено по массе металла, уносимого с электрода в течение одного
разряда заданной мощности:
т -__________^пиэа________ (122)
,/1в ЧС (Т Т ) 4- г ’ '1
ОСП V ПЛ 7 Q) Г 'пл. t ,
--------77--------Г 'И
Кв
где Кл — коэффициент, учитывающий влияние диаметра токо-
проводящего стержня на эрозию; U'3 — эквивалентный энергети-
ческий потенциал; а — интеграл от модуля разрядного тока;
Сп — удельная теплоемкость материала стержня электрода; Т„„,
То — температура плавления и начальная температура материала
стержня электрода; гпл, г„ — удельная теплота плавления и
испарения материала электрода; Хв — коэффициент выброса
материала за разряд.
При подводных искровых разрядах средней мощности экви-
валентный энергетический потенциал частиц плазмы, взаимодей-
ствующих с электродом, может быть принят U3a = 17 В, U3K =
— 20 В. При колебательном разряде с малым декрементом зату-
281
хапня без значительной погрешности можно принять и для анода
и для катода U3^ 18,5 В [7]. Влияние диаметра стержня на
массу выброшенного за разряд металла учитывается коэффициен-
том 7Q, значение которого не зависит от материала электрода.
Значение коэффициента Kd для разрядов средней мощности
приведено ниже.
d, мм . 4 5 6 7 8 9 10
Kd 2,50 2,00 1,66 1,43 1,25 1,11 1,00
Коэффициент выброса, определенный экспериментальным пу-
тем, составляет для стали СтЗ—0,055, для меди -— 0,065, для
латуни — 0,06, для алюминия — 0,2, для молибдена — 0,025,
для вольфрама — 0,03.
Для нахождения интеграла от модуля разрядного тока можно
воспользоваться следующими выражениями:
/ = J i (0 dt = 2,5С(70ехр (— 6,9/7,У3),
о
П = ------р—- ,
к У1с
(123)
(124)
где Пк — критерий подобия электрических характеристик искро-
вого разряда; А — искровая постоянная; 1р — реальная длина
канала разряда.
При создании электродов диаметр и длину неизолированной
части токопроводящего стержня определяют из условия обеспе-
чения минимальных потерь энергии за время формирования про-
боя, эрозионной стойкости, а также способности стержня противо-
стоять значительным динамическим нагрузкам, сопровождающим
подводный искровой разряд.
Влияние среды в межэлектродном промежутке. При проведении
сравнительных исследований в различных жидких средах с раз-
ными плотностью, степенью сжатия, скоростью звука и т. д.
были получены данные, показывающие степень интенсивности
формообразования деталей в зависимости от энергии разряда.
Наилучшие характеристики имеют жидкости с высокой ско-
ростью распространения звука. Глубина деформации листовых
заготовок при использовании в качестве рабочей среды солевых
растворов меньше, чем при использовании водопроводной воды,
что объясняется значительным увеличением потерь энергии
в предпробойный период.
Расположение электродов. На результаты формообразования
деталей большое влияние оказывает схема расположения элек-
тродной системы по отношению к объекту обработки. При штам-
повке деталей сложных форм правильный выбор расположения
электродов дает возможность получить равномерное распределе-
ние утонений на детали, позволяет управлять течением металла.
282
Ограничения эффективности преобразования энергии при сво-
бодном разряде в жидкости в линейных электродных системах.
Как сказано выше, для многих технологических процессов харак-
терным является одностороннее расположение объектов обра-
ботки по отношению к электродным системам и каналу разряда.
Это установки — очистки отливок, крупногабаритной штамповки
в открытом объеме, для разрушения глыб солесодержащих алю-
миниевых шлаков, для очистки подводной части корпусов судов,
для диспергирования каолина и др. Поскольку процесс идет
лишь в ближней зоне разряда и при наличии свободного объема,
обработке фактически подвергается малая часть объекта. К редким
исключениям следует отнести процессы раздачи трубчатой заго-
товки, электрогидравлической штамповки в малых закрытых
объемах, разрушения негабаритов в полевых условиях.
В связи со все расширяющимся внедрением в производство тех-
нологических процессов и установок, использующих электро-
гидравлический эффект, необходимо предъявлять более высокие
требования к эффективности электродных систем. В связи с этим
станет актуальным вопрос создания и исследования таких систем,
которые смогут всю или почти всю энергию ударных волн, гидро-
потока и волновых излучений направлять на объект воздействия.
В принципе возможны два пути инженерного решения задачи:
а) направление ударных волн, гидропотока жидкости и вол-
новых излучений при помощи соответствующих пассивных отра-
жающих поверхностей;
б) создание направленных воздействующих возмущений среды
самой плазмой разряда, сформированной соответствующим обра-
зом при воздействии с магнитным полем.
Механическая энергия, выделяемая при электрическом разряде
в жидкости, сосредоточивается в волне сжатия, расходящейся
от канала разряда. Эту волну можно направить в одну (заданную)
сторону, преобразовав расходящуюся волну сжатия в плоскую
волну с помощью определенных, пассивных по отношению к раз-
ряду, акустических систем — волноводов и отражателей. Много-
кратные отражения волны от стенки волновода, взаимодействие
отраженных волн друг с другом формируют своеобразную взрыв-
ную волну, распространяющуюся в волноводе на значительные
расстояния с малыми потерями [22, 41].
Дифракционные явления подобного рода наблюдались ранее
в газах и теоретически были исследованы, причем было показано,
что ударный фронт, расположенный под малым углом к стенке,
стремится сделаться перпендикулярным к ней.
Большое влияние на параметры распространяющейся волны
оказывают конструктивные характеристики волновода. Так, уве-
личение толщины стенок стального волновода диаметром 114 мм
от 4 до 8 мм приводит к тому, что в распространяющейся внутри
волновода волне в точке замера давление возрастало в 1,8, удель-
ный импульс — в 1,25, а удельная энергия — в 2 раза.
283
Увеличение диаметра волновода при неизменной толщине
стенки приводит к уменьшению параметров ударной волны, рас-
пространяющейся по жидкости внутри его. Сравнивая параметры
волны в волноводах с толщиной стенки 8 мм, но разных диаметров
(220 и 114 мм), можно констатировать, что давление в волне волно-
вода большего диаметра меньше в 3 раза, удельный импульс
в 1,7 раз, а удельная энергия в 5 раз, чем в волне волновода
меньшего диаметра.
Подводный взрыв производился перед трубами в бассейне
с водой. Мпкросферические заряды из тэна массой 0,2 и 0,9 г
взрывались на различных расстояниях перед трубой. Получены
высокоскоростные фотографии процесса затекания ударной волны
в трубу методом Теплера. Осциллограммы показывают процесс
образования волны в трубе. Около начала трубы вслед за прямой
волной образуются волны — результат многократного отражения
входящей ударной волны от стенок. Отраженные волны нала-
гаются одна на другую и возникает волновой профиль, состоящий
из прямой волны и следующего за ней «горба», в области которого
давление затухает слабее, чем на ее фронте. Начиная с некоторого
расстояния это давление становится больше давления на фронте.
Применение труб при подводном взрыве позволяет значительно
увеличить давление по сравнению с его значением при взрыве
в безграничной жидкости и передавать импульс взрыва с малыми
потерями на большие расстояния. В качестве дополнительных
средств используют гидроакустические отражатели, в частности
пневматические, а также управляемый разряд в жидкости.
Для обеспечения радиально-цилиндрического пространствен-
ного распределения полей давлений и гидропотока среды можно
выбрать форму электродной системы в виде параллельных дисков,
энергия к которым подводится по коаксиальному тоководу. Такая
электродная система также достаточно просто сопрягается с аку-
стическими плоскими волноводами и позволяет размещать допол-
нительные средства воздействия на разряд. Работа этой элек-
тродной системы основана на обратном пинч-разряде, при котором
ток в центральном проводнике образует магнитное поле. По-
следнее, взаимодействуя с током разряда, образует цилиндри-
ческий токовой слой, который расширяется и под действием
силы магнитного давления передает^радиальное возмущение среде.
Необходимо отметить, что несмотря на то, что в акустическом
волноводе ударная волна передается на значительные расстоя-
ния, в электродных системах электрогидравлических установок
следует ограничивать длину и выбирать ее в пределах 100—
300 мм. В этом случае полностью используется энергия, выноси-
мая из зоны разряда высокоскоростной струей жидкости (до 30%
от энергии, вводимой в разряд). Пневмоотражатели в виде тонкой
воздушной оболочки вокруг акустического волновода позволяют
на 10—20% увеличить эффективность воздействия на объекты
обработки со стороны электродных систем.
284
Глава XIV
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
I. ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ
В обычных (механических) установках вещество дробится
в результате действия срезывающих усилий и поэтому частицы
по большей части имеют форму пластинок. В электрогидравли-
ческих установках при воздействии на объект обработки серии
ударных волн создаются растягивающие усилия, которые эффек-
тивно дробят его на частицы, имеющие округлую форму. Разру-
шение горных пород в большинстве случаев происходит по пло-
скостям спайности отдельных минералов. Для некоторых руд
наблюдается четко выраженная избирательность измельче-
ния [93, 100].
Исследования показали, что при разряде в жидкости вблизи
образца магнетитовой руды при формировании разряда по нему
наблюдаются разветвления канала на серию более мелких кана-
лов. Исследование поверхности до и после разряда показало,
что разряд преимущественно формируется по включениям магне-
тита, производя их отрыв от основной массы образца. В некоторых
случаях наблюдается оплавление и разбрызгивание вещества.
Формирование капала разряда по магнетиту объясняет изби-
рательный характер измельчения железных руд. Вырывы магне-
тита происходят как под действием высоких давлений в жидкости,
так и под действием температурных напряжений при локальном
разогреве до высокой температуры небольшого объема вещества
в местах прохождения канала разряда по образцу. Разряд на
образец, не содержащий токопроводящих включений, как пра-
вило, формируется по жидкости, огибая образец.
Благоприятным для многих материалов является сам факт
использования воды в качестве рабочей среды в процессе элек-
трогидравлического дробления и измельчения. Это подтверждается
сравнительными исследованиями по измельчению кварца в сухом
285
воздухе и в различных жидкостях и их парах, в том числе в таких
полярных, как ацетон и вода, и неполярных — бензин, пара-
фин [95]. Днсперность порошков, полученных в результате
обработки в соответствующей среде, определялась величиной их
удельной поверхности, измерявшейся методом Брунауэра, Эмметта
и Теллера по низкотемпературной адсорбции азота. В ходе иссле-
дований было установлено, что помол кварца в воде приводит
к многократному увеличению его удельной поверхности по сравне-
нию с удельной поверхностью порошков кварца, полученных
таким же по продолжительности помолом без воды. Вместе с тем
помол кварца в других жидкостях не вызывает такого значитель-
ного повышения эффективности диспергирования. Но тем не
менее электрогидравлическое дробление и измельчение характе-
ризуются повышенным расходом энергии для большинства основ-
ных технологических процессов.
Эффективность установок для дробления зависит от многих
факторов. Для мельниц барабанного типа важнейшими факторами
являются соотношение размера шаров и частиц измельчаемого
материала; число шаров и их плотность, твердость; диаметр
барабана; скорость вращения. Для вибромельницы столь же
важны факторы загрузки, а также частота и амплитуда колеба-
ний, для струйной — скорость газа, содержание частиц в смеси
с газом, его температура и длина разгонных трубок, для электро-
гидравлической — геометрия активной зоны камеры, энергия
в импульсе, длительность воздействия переднего фронта ударной
волны и ее амплитуда. Экспериментальная доводка машин сво-
дится обычно к нахождению их оптимальных значений по выходу
готовой продукции заданной дисперсности на единицу затрат
энергии, поэтому именно затраты энергии для экспериментально
выбранного оптимального режима являются определяющим фак-
тором, характеризующим процесс измельчения [95].
На основании известных в настоящее время данных можно
с уверенность утверждать, что не имеется установки для дробле-
ния, которая могла бы быть универсальной для всех случаев.
Выбор установок для промышленных целей должен осуществляться
с учетом конкретных свойств измельчаемого материала и условий
его применения. Электрогидравлические установки целесооб-
разно применять в тех случаях, когда механические способы и
оборудование вообще неприменимы или если в них благодаря
использованию электрогидравлического способа удается совме-
стить несколько процессов. К числу таких установок следует
отнести установку для электрогидравлической переработки шла-
ков алюминиевого производства 127, 61] «ЭПАШ-1» (рис. 130).
Материал шлаковых глыб состоит из смеси окислов, солей
и металлических включений. Распределение этих составляющих
по объему шлаковых глыб неравномерное и не отвечает какой-то
определенной закономерности. Большая их часть (2500 X 1500 X
х 1000 мм3) вверху имеет повышенное содержание солей. Соле-
286
9 10
Рис. 130. Конструктивная схема установки для пере-
работки солевых шлаков ч.ЭПАШ-1»:
1 — камера II ступени; 2 — камера I ступени; 3 — элек-
тродная система II ступени, 4 — электродная система I сту-
пени; 5 — каретка механизма продольного перемещения;
6 — распределитель гидросистемы; 7, 8 — смотровые окна,
9 — загрузочный люк; 10 — кожух; 11 — гидроцилиидр
привода вертикального перемещения электродных систем;
12 — каретка механизма поперечного перемещения; 13 —
рабочая ванна; 14 — аккумулирующая емкость; 15 — на-
сос перекачки пресной воды; 16 — опорная ферма; 17 — на-
сос перекачки насыщенного солевого раствора
вая и окисная составляющие отличаются значительной проч-
ностью, сравнимой с прочностью стержней из жидкостекольных
самотвердеющих смесей.
Шлаковые глыбы дробят в две стадии, каждая из которых
обеспечивается отдельной электродной системой направленного
воздействия (рис. 131). Эти системы отличаются подвижным
электродом-цилиндром, который, перемещаясь под действием
разряда на небольшое расстояние по тоководу-корпусу, гасит
динамические нагрузки, обеспечивая дополнительную надеж-
ность. Внутренние поверхности сменных электродов спрофили-
287
рованы таким образом, что
образуют акустический вол-
новод, формирующий пло-
ский фронт сильных ударных
волн или «схлопывающийся»
волновой фронт. Это значи-
тельно расширяет технологи-
ческие возможности элек-
тродных систем.
Следует отметить, что
в качестве технологиче-
ской среды в установке
«ЭПАШ-1»—используется на-
сыщенный раствор солей КС1
и NaCl с удельным сопроти-
влением 0,01 —0,1 Ом • м, что
диктуется необходимостью
совмещения двух процес-
сов — дробления гетероген-
ных по объему шлаковых
глыб и интенсивного выще-
лачивания солевой соста-
вляющей. Благодаря принци-
пиальной особенности элек-
тродных систем направлен-
ного воздействия — наличия
Рис. 131. Внешний гвид электродной
системы направленного воздействия уста-
новки «ЭП A 111-hi
активной зоны разряда, ограниченной со всех сторон, кроме
одной, удается создавать мощные импульсы давления в среде
со столь низким удельным сопротивлением. На первой стадии
переработки глыба измельчается до 50 мм; на второй — до фрак-
ции меньше 3 мм. Анализ продуктов первой стадии дробления
показал, что окисная и солевая составляющие шлака свободно
проходят через ячейки 50 X 50 мм2, а недробимые продукты
размером больше 50 мм (в основном слитки и корольки металла)
остаются на решетке и очищаются от окисных пленок и включе-
ний (рис. 132). Шлаковые частицы отслаиваются от поверхности
металла в результате возникновения растягивающих напряжений
при переходе ударных волн через границу металл—шлак. В данном
случае процесс электрогидравлического дробления носит изби-
рательный характер: разрушению подвергаются только солевая
и окисная составляющие шлака.
Из диаграммы (рис. 133) видно, что после первой стадии дроб-
ления извлекается 2,4% металла в концентрат (остается на ре-
шетке) и 11% солей (переводится в водный раствор), после второй
стадии дробления — 11,2% металла в концентрат и 33% солей.
Таким образом, после двухстадийного дробления извлечение
металла в концентрат в сумме составило 85%, солей
в раствор — 80%.
288
Рис. 132. Внешний вид шлаковой глыбы (а) размерами 2500х 1500 / 800 мм3
и та же глыба после 1/2 периода обработки на 1 ступени (б)
В некоторых случаях целесообразность использования элек-
тродных систем направленного воздействия диктуется необхо-
димостью полного исключения попадания тока разряда в объект
обработки, например, при разрушении и очистке нежелательных
покрытий с протяженных поверхностей. В этих случаях нецеле-
сообразно, а иногда и невозможно погружать весь объект обра-
ботки в рабочую жидкость, но локальное воздействие обеспечи-
вается электродными системами, в которых гарантирован внутрен-
ний разряд, а динамическое воздействие осуществляется ускоряе-
мой (до высоких скоростей) струей жидкости, по которой одно-
временно передается ударная
системы при обработке без
погружения (рис. 134) для
очистки подводной части кор-
пуса судна от плотной ржав-
чины показали ее высокую
эффективность (производи-
тельность 16—20 м2/ч на
одну электродную систему).
К этому же направлению
применения электрогидрав-
лического эффекта в техно-
логических процессах произ-
водства следует отнести все
процессы, связанные с отде-
лением нежелательных по-
крытий от основы, т. е.
процессы очистных операций
(например, процесс электро-
волна. Испытания электродной
Рис. 133. Распределение компонентов
шлака по продуктам переработки:
гидравлической очистки от-
ливок).
1 — состав исходного шлака; 2 — первая
стадия дробления; 3 — вторая стадия дроб-
ления; 4 — состав фракции меньше 3 мм
19 Г А Гулый
289
Рис. 134. Электродная
система направленного
воздействия беспогруж-
ной обработки протя-
женных поверхностей
Исследования показали техническую возможность и экономи-
ческую целесообразность сбивки катодных отложений металлов
в гидрометаллургическом производстве с помощью ЭГЭ. Процесс
идет при относительно небольших затратах энергии в конструк-
тивно несложных установках. Он может быть применен как для
отбивки хрупких отложений, например сурьмы, так и для сдирки
пластичных металлов, например меди.
Разрабатываются установки для очистки баковой аппаратуры
глиноземного производства алюминиевых заводов от алюмосили-
катных и железистых отложений. Сложность проблемы состоит
в том, что баковая аппаратура не подлежит демонтажу, а площадь
внутренних поверхностей с отложениями для отдельных единиц
оборудования доходит до 3000 м2. В целом даже по заводу средней
мощности общие площади автоклавов, подогревателей, сгусти-
телей, подлежащие очистке, составляют десятки тысяч квадрат-
ных метров. Проведенные исследования по разрушению и реге-
нерации футеровки электролизных ванн алюминиевого произ-
водства также позволяют рекомендовать метод электрогидравли-
ческого эффекта.
Свойство электродных систем создавать направленное воздей-
ствие целесообразно также использовать для увеличения пара-
метров ударных волн и струйных взаимодействий. Это явление
использовано в устройстве для тонкого измельчения каолина,
являющимся основным узлом установки «Микрон-2». Камеры
диспергирования установлены встречно и предназначены для
окончательного измельчения каолина до размера частиц 1—2 мкм.
В каждую камеру через коллекторы электродных систем непре-
рывно прокачивается пульпа с исходной крупностью частиц
100 мкм, полученная после первой ступени обработки в дезин-
теграторе.
При синхронном разряде ({70 = 45 кВ, Ео = 0,6 кДж) в обеих
электродных системах ударные волны взаимодействуют в средней
зоне камеры и при этом почти полностью измельчаются частицы
каолина до 1—2 мкм (выход 85%), чего не удается получить при
использовании линейных электродных систем на любых целесо-
290
образных режимах (выход пе более 55%). Кумулятивная струя
жидкости выносит обработанную пульпу из камеры через осевой
патрубок, производя доизмельчение частиц (за пределами патру-
бка выход увеличивается до 95%). При такой работе электродных
систем в результате эффекта направленности производительность
насоса перекачки пульпы увеличивается на 20—25%.
В ближайшие годы с учетом экономической целесообразности
будут разрабатываться и внедряться электрогпдравлические уста-
новки для тонкого измельчения металлов и сплавов, дробления
(в том числе выборочного) алмазов, смол, затвердевших на вну-
тренних поверхностях матриц, приготовления буровых промы-
вочных и тампонажных растворов, разрушения глыб минералов.
К особой группе следует отнести устройства для получения
коллоидных взвесей ферромагнитных материалов в жидкости-но-
сителе с целью создания ферромагнитных жидкостей (ФМЖ),
получивших в последние годы значительное развитие благодаря
своим замечательным свойствам. Создание мельчайших магнит-
ных частиц может быть обеспечено путем взрывания проводников
из соответствующего материала непосредственно в жидкости-
носителе, например керосине, в котором растворен диспергирую-
щий агент, скажем, олеиновая кислота, образующая на поверхно-
сти каждой частицы слой, препятствующий сближению частиц
после измельчения.
Получаемые таким образом частицы, типичный размер которых
100 А, довольно интесивно перемешиваются благодаря броунов-
скому движению, препятствующему оседанию частиц или их сепа-
рации под действием силы тяжести пли сильного магнитного поля.
Таким образом, коллоидальные взвеси этого рода ведут себя
в отношении механических свойств как однородные жидкости.
Но они, кроме того, обладают еще одной характерной особенно-
стью — высокой восприимчивостью к магнитным полям.
Целесообразно в таком случае ферромагнитные жидкости
получать как побочный продукт на технологических установках
для штамповки, упрочнения деталей машин и др., используя
в качестве рабочей среды для них жидкость-носитель ФМЖ,
а инициатор из ферромагнитного материала. Это в целом позво-
ляет увеличить эффективность использования энергии разряда.
Интерес вызывает предложение по применению электрического
разряда в воде для создания ультраструй, скорости которых
сравнимы со скоростью звука—инструмента, разрушающего гор-
ные породы. В лабораторных условиях с помощью электродных
систем направленного воздействия удается получать скорости
выброса струй воды до 2000 м/с.
Скорость струй, используемых для эрозии горных пород,
должна быть достаточно велика. Используя формулу акустики
р реи, где р — давление торможения струп; с — скорость
звука в воде; и — начальная скорость струи, можно подсчитать,
если начальная скорость струи превышает 1/2 с, то давление
19* 291
торможения будет больше 1,2 10® Па. Такие струи могут дробить
и откалывать от массива большинство материалов.
Следует назвать количественные характеристики процесса
дробления, которые позволяют в целом произвести оценку воз-
можности метода ЭГЭ. Показано, что куски гравия и корунда
размером 6,35—12,7 мм дробятся на частицы размером 300—
200 мкм в энергетически оправданном диапазоне. Дробление более
крупных кусков требует повторных разрядов и менее эффективно.
Дробление производили в вертикальных рабочих камерах диа-
метром 25,4 и 57,2 мм с горизонтально установленными стальными
электродами. Разрядный промежуток выбирался в пределах
2,5—40 мм, рабочее напряжение до 100 кВ, длительность разря-
дов 50—100 мкс. При длине разрядного промежутка 40 мм, напря-
жении на обкладках конденсатора 50 кВ и емкости кондесатора
0,0125 мкФ, число неэффективных разрядов составило около
30%, а при длине разрядного промежутка 30 мм — уменьшилось
до 10%.
Максимальный выход при индуктивности цепи 0,1—0,2 мкГ
составил: гравия с частицами размером 300 мкм при напряжении
20 кВ, емкости 0,025 мкФ (что соответствует энергии в импульсе
5 Дж) и длине разрядного промежутка 5 мм — 34,6 кг/кВт-ч;
корунда с частицами размером 200 мкм при напряжении 80 кВ,
емкости 0,029 мкФ (что соответствует энергии в импульсе 93 Дж)
и длине разрядного промежутка 10 мм — 4,4 кг/кВт-ч; графита
с частицами размером 750 мкм — 5 кг/кВт-ч.
Максимальный выход наблюдался при коэффициенте затуха-
ния тока разряда 0,4 при наибольшей концентрации выделяемой
энергии.
Таким образом, несмотря на относительно высокие энерго-
затраты при электрогидравлическом дроблении, определены об-
ласти целесообразного применения этого метода разрушения от
крупнокускового дробления до тонкого измельчения материалов.
Главное преимущество этих дробильных устройств будущего —
отсутствие движения конструктивных элементов, т. е. превраще-
ние механизмадля дробления в аппарат для переработки материала.
2. ВИБРОИМПУЛЬСНАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В современной технике особое место занимают вибрационные
способы интенсификации процессов обработки, уже применяемые
в металлургии для улучшения качества сталей и сплавов в про-
цессе выплавки и разливки, прокатке и волочении, объемной штам-
повке и прессовании; в машиностроении для упрочнения поверх-
ности и интенсификации технологических процессов сварки,
очистки деталей от загрязнения и нежелательных покрытий,
-диспергирования, отделения примесей от различного рода измель-
ченных материалов и др.
292
К вопросу вибрационной обработки металлов давлением про-
является значительный интерес, и лишь недостаточная изучен-
ность и сложность этого метода не позволяют пока применять его
повсеместно. Теоретические предпосылки и прикладные исследо-
вания, часть из которых выполнена в процессе эксплуатации
опытно-промышленных установок, указывают па возможность
получения значительных преимуществ при виброобработке в срав-
нении с известными способами обработки металлов. Так, например,
вибрационное нагружение при обработке металлов давлением
ведет к уменьшению контактного трения на поверхности деталь —
инструмент, увеличению степени деформации при заданном уси-
лии, уменьшению удельного сопротивления деформированию,
снижению остаточных напряжений в обрабатываемом ме-
талле.
Сущность вибрационного нагружения заключается в том, что
деформируемому металлу наносят повторяющиеся удары отно-
сительно небольшими импульсами с повышенной частотой. Таким
образом, способ вибрационного нагружения отличается как от
статического (динамичностью нагрузки), так и от жесткоударного
(воздействием на металл небольшой величиной импульсов с боль-
шей частотой).
Устройства, создающие обычное вибрационное деформирование
металлов, можно подразделить на механические, электромагнит-
ные: пневматические, гидравлические, ультразвуковые. В особую
группу следует выделить источники мощных упругих колебаний —
пульсаторы и электроразрядные гидравлические вибраторы с ис-
пользованием электрического разряда в воде.
Известно значительное число работ, освещающих результаты
исследований влияния упругих колебаний на интенсификацию
процессов обработки металлов давлением и на характер влияния
их на физико-механические свойства обрабатываемых металлов
и сплавов. Но практически в промышленности еще нет оборудова-
ния, которое реализовало бы преимущества рассматриваемого
метода.
Характерной особенностью машин вибрационного деформиро-
вания является возможность получения в них при незначительных
перемещениях больших скоростей и ускорений рабочих органов
в целом или их рабочих поверхностей, а это позволяет сделать
работу в пределах одного цикла более интенсивной. Весь рабочий
процесс в вибрационных машинах осуществляется в результате
суммарного воздействия отдельных импульсов, следующих с боль-
шой частотой один за другим. Поэтому, хотя за один цикл вы-
полняется и небольшая работа, благодаря высокой частоте коле-
баний производительность вибрационных машин значительно
повышается.
К основным показателям, которые должен иметь источник
упругих колебаний — вибратор (пульсатор) для данных техно-
логических целей относятся следующие [13]: мощность, достаточ-
293
ная для выполнения данной технологической операции; наиболь-
шая удельная мощность; долговечность, стабильные частотные
характеристики в пределах установленного допуска; простая
регулировка по частоте и амплитуде задаваемых упругих колеба-
ний в пределах, определяемых технологическими требованиями;
работа без паразитных влияний; несложность компоновки с рабо-
чим органом; стандартные источники питания.
Известно, что конструктивно электроразрядные гидравличе-
ские импульсные вибраторы несложны и представляют собой
систему поршень — цилиндр. В массивном корпусе электроги-
дравлпческого вибратора вмонтированы электроды. Он заполнен
жидкостью, в которой производится разряд. В отличие от вибра-
торов, дающих синусоидальные или сложные колебания, состоя-
щие из нескольких синусоид, электрогидравлические вибраторы
создают импульсные колебания с крутым фронтом нарастания
усилия во времени. Время действия максимальной силы у эле-
ктрогидравлических вибраторов на порядок меньше периода ко-
лебаний при максимально возможной частоте. Кроме того, время
действия ее, величина и ускорение не зависят от частоты, т. е.
механические импульсы и при единичном разряде, и при макси-
мально возможной частоте совершенно одинаковы. Другая от-
личительная черта электрогидравлических вибраторов — возмож-
ность работы с переменной частотой в зависимости от техноло-
гического процесса.
Такие вибраторы позволяют решать задачи по обеспечению
процессов при экстремальных значениях внешних воздействий
раскачкой системы с помощью мощных ударных волн, возникаю-
щих в жидкости при сильноточном электрическом разряде,
и совмещением нескольких факторов воздействия, таких, как
мощное акустическое поле самого разряда, широкий спектр упру-
гих колебаний, создающихся в инструменте и обрабатываемом
объекте при прохождении ударных волн, с выделением пика
на собственных частотах несимметричностью возмущения при
возникновении послеразрядного гидропотока и др.
В вопросе эффективности применения целенаправленных ви-
браций при обработке металлов давлением основное значение
имеет фактор изменения контактных условий на границе раздела
инструмент — обрабатываемый металл. Вибрация (пульсация)
сопровождается силой, которая то усиливает, то ослабляет дав-
ление на металл. При каждом ослаблении давления происходит
некоторая разрядка сил контактного трения из-за относительного
смещения контактных поверхностей, что ограничивает уровень
реализуемых сил трения. В случае'отрыва инструмента от дефор-
мируемого металла происходит не только разрыв мест холодного
схватывания, но и возобновление слоя смазки, чем автоматически
облегчаются контактные условия.
Замена статического режима деформирования при осадке
вибрационным методом приводитк уменьшению остаточных напря-
294
женин второго рода. Для каждой частоты существует диапазон
рациональных амплитуд.
Ряд работ, проведенных за последние годы, подтверждает
большие возможности впброимпульсной интенсификации про-
цессов обработки металлов давлением. Выше приводились данные
о том, что при низких температурах способность металла к пла-
стическому деформированию почти целиком зависит от так назы-
ваемых дислокаций — подвижных линейных дефектов кристал-
лической решетки. Выход одной дислокации из кристалла приво-
дит к заметной пластической деформации материала 1109].
Следовательно, чем больше дислокаций рождается в металле и
чем легче они выходят на поверхность, тем, грубо говоря, пла-
стичнее металл.
Управлять дислокациями внутри металла можно с помощью
ультразвуковых колебаний, вводимых в волновой форме, в форме
регулярных молекулярных колебаний и еще более мощно с по-
мощью направленных ударных волн, увлекающих дислокации
в сторону движения их большинства и как бы механически под-
талкивающих дислокации, облегчая таким образом пластическую
деформацию металла. Приложенные в плоскости скольжения
напряжения при движении дислокации совершают работу. Одна
часть ее идет на увеличение кинетической энергии дислокации,
другая — рассеивается в колебаниях решетки. Рассеяние может
идти несколькими путями. Различают: термоупругое рассеяние;
радиационное рассеяние; рассеяние звуковых волн.
Когда работа полностью затрачивается на эти процессы, ки-
нетическая энергия дислокации больше не возрастает, и дисло-
кация движется с той скоростью, какую позволяет развить при-
ложенное напряжение. Если пересекающие плоскость скольжения
звуковые волны создают в пей касательные напряжения, то они
вызовут колебания дислокаций и излучение упругих волн.
В пользу целесообразности совместного воздействия акустиче-
ских колебаний и ударных волн говорит и тот факт, что при уль-
тразвуковом нагреве температурное микрополе основных источ-
ников внутреннего трения (границ зерен) может не успевать вы-
равниваться из-за теплопроводимости в упругую среду, увели-
чивая пластичность материала.
Таким образом, применение метода совместного воздействия
акустических возмущений разряда и ударных волн па металлы,
обрабатываемые давлением, приводит к значительному увеличе-
нию их пластичности при одновременном возникновении техно-
логических эффектов вибрационного и чисто ультразвукового
способа обработки, к появлению возможности вибропмпульсной
интенсификации процессов при промышленных усилиях воздей-
ствия.
Авторами были проведены эксприментальные исследования
упругих колебаний массивных тел вращения, возбуждаемых
при электрическом разряде в воде. Оказалось, что после каждого
295
Рис. 135. Схема раз-
мещения разрядных
камер по отношению к
валку прокатного
стана
импульса в объеме металла распространя-
ется механическое возмущение, проявля-
ющееся на внешней поверхности в виде
сложного по характеру волнового движе-
ния, которое симметрично среднему сече-
нию тела.
Изучение влияния упругих колебаний
на процессы обработки металлов давлением
показало, что при совместном воздействии
статического усилия обжима и электрогид-
равлического эффекта степень деформации
значительно увеличивается — при усилии
исследованных схемах относительная эффек-
обжима до 40 тс в
тивность виброимпульсного осаживания составляет 125—200%.
Установлено, что относительная эффективность виброимпульс-
ного процесса обработки единичного объема металла, подвергае-
мого воздействию, зависит от числа импульсов воздействия на об-
жимаемый объем металла, т. е. фактически от энергии, введенной на
единицу объема, по не зависит от частоты следования импульса.
При исследовании различных схем воздействия на массивные
тела вращения типа валков прокатного стана оказалось, что
схемы внешнего воздействия эффективнее внутреннего воздействия,
а наилучшие результаты получены при расположении пуль-
сатора открытого типа под инструментом и на его торце (рис. 135).
Кроме того, определено, что в случае расположения оси разряда
параллельно поверхности, иа которую передается первичное
воздействие, его эффективность увеличивается по сравнению
с прямой схемой разряда на поверхность.
Внброимпульсные процессы в зоне деформации металла, на-
пример, валками позволяют: снизить давление металла на валки,
уменьшить силы трения между металлом и валком, повысить их
срок службы, уменьшить неравномерность деформации металла,
улучшить качество проката, повысить производительность про-
катных станов, прокатывать труднодеформируемые сплавы, сни-
зить массу основного оборудования. По-видимому, целесообра-
зным является применение таких схем воздействия на деформи-
руемый материал, которые совмещали бы воздействие электро-
гидравлического и электропластического эффектов.
Конечно, возможности использования мощных виборимпуль-
сов, создаваемых электрическим разрядом в жидкости в специ-
альном устройстве — вибраторе или пульсаторе, далеко не огра-
ничиваются интенсификацией процессов обработки металлов да-
влением, относительно подробно рассмотренных в этой главе.
Имеется множество процессов и устройств, где не только целесо-
образно, но уже сегодня необходимо применение электроимпульс-
ных вибраторов в силу их специфических возможностей: для соз-
дания корабельных устройств, облегчающих форсирование мощ-
ных льдов и мощных ударных вибростендов, для виборинтенси-
296
фикации процесса забора грунта из забоя земснарядов и землесо-
сов в процессе гидроразработки месторождений полезных ископае-
мых материкового шельфа в океане и проведение дноуглубитель-
ных работ; в качестве мощного впбропрнвода режущего инструмен-
та тяжелых землеройных машин и подземных снарядов, в качестве
ручного инструмента с целью выполнения различных технологи-
ческих операций на орбитальных станциях, для интенсификации
процессов переработки вязких сред, например переработки пла-
стических масс и синтетических каучуков, плохо поддающихся
или не поддающихся шприцеванию, для интенсификации про-
цессов пластификации и грануляции, приготовления различных
смесей, создания мощных датчиков дефектоскопов, излучателей
мощных сейсмоакустпческих установок и т. д. Каждое из них
может быть отдельным объектом рассмотрения и описания
3. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО
ЭФФЕКТА
При разработке новых электроимпульсных технологических
процессов и электрогидравлического оборудования, обеспечиваю-
щего их, необходимо учитывать следующие факторы.
1. Относительно ограниченные возможности техники импуль-
сов сильных токов. Эти ограничения проявляются с точки зре-
ния КПД преобразования энергии искровым разрядом в жидкости
в разрядных промежутках оптимальной геометрии; эффективно-
сти преобразования и использования энергии в системе инстру-
мент — объект обработки; надежности всех элементов разрядного
контура и электродных систем; частоты повторения импульсов;
целесообразной величины энергии в импульсе и особенно ско-
рости ее выделения.
Так, например, при всей заманчивости идеи разрушения и
дробления при первичной массовой переработке любых минераль-
ных сред в общепромышленном масштабе с помощью мощного
искрового разряда в воде ее нельзя осуществить из-за недости-
жимости техникой больших импульсных токов необходимых пара-
метров по всем перечисленным выше факторам. Именно поэтому
электрогидравлический эффект используется в технологии раз-
рушения и дробления материалов пока лишь локально, когда
хотя бы часть параметров может быть обеспечена, а остальные не
играют решающей роли.
2. Наличие конденсированной среды. Эти ограничения прояв-
ляются с точки зрения возможности удержания конденсированной
среды в заданном граничном технологическом объеме: агрессив-
ности ее по отношению к объекту обработки или инструменту
воздействия; возможности получения в данной среде мощного
искрового разряда; стоимости конденсированной среды первона-
чальной и эксплуатационной.
297
В качестве примера можно привести технологический процесс
получения тяжелых слитков, модифицируемых при кристалли-
зации электрическим разрядом. На первый взгляд, лучшей техно-
логической схемой, по крайней мере на период жидкофазного
состояния объекта обработки, является схема прямого разряда
в расплаве. Но в таком случае среда агрессивна по отношению
к инструменту воздействия из-за высокой температуры расплава,
возможность осуществления разряда в ней доступными средствами
не очевидна. Технологическая схема должна быть отвергнута.
Еще один пример. Полимеризация одного из видов пластмасс
в поле импульсов давления электрического разряда должна осуще-
ствляться при температуре 523—600 К. Для этих целей подходя-
щей средой являются силиконовые жидкости.
3. Возможности параллельно развивающихся других методов
импульсного воздействия на материалы. К ним относится взрыво-
гидравлический, светогидравлический, магнитоимпульсный, уль-
тразвуковой и др. Так, например, процесс получения изделия,
для обработки которого необходима энергия в импульсе несколько
мегаджоулей, значительно проще осуществить с использованием
взрыва химических ВВ; процесс получения изделия, для обработки
которого необходима энергия в импульсе несколько джоулей при
длительности десять наносекунд, значительно проще осуществить
гигантским импульсом лазера.
Еще одной особенностью разработки новых технологических
процессов является необходимость тщательного технико-эконо-
мического исследования целесообразности применения электро-
импульсной технологии.
Эти исследования должны дать ответы на следующие вопросы:
откликнется ли промышленность на разработку;
в каких масштабах можно организовать массовое производство.
Следует подчеркнуть, что ответ на последний вопрос можно
дать только после выпуска и внедрения в промышленность нового
оборудования и технологических процессов в ограниченном мас-
штабе.
4. ПРОГНОЗЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Экономически целесообразные области использования ЭГЭ не
ограничиваются вышеперечисленными. Серьезное внимание уде-
уделяется выявлению наиболее перспективных областей исполь-
зования электрогидравлического эффекта, исследование которых
осуществляется и с экономической точки зрения: создаются неко-
торые функциональные модели, достаточно точно отражающие
реальные экономические факторы, определяющие стоимость соз-
даваемых процессов и оборудования, оценивается стоимость
реализации основной идеи и устанавливаются допустимые пре-
делы затрат. Так, внедрение виброимпульсной обработки металлов
298
и сплавов в металлургической промышленности.с помощью элек-
троразрядпых гидроимпульсных вибраторов и генераторов упру-
гих колебаний позволит получить потенциальный годовой эконо-
мический эффект около 24 млн. руб.
Расширение областей применения мощного искрового разряда
в жидкости диктуется потребностями общественного производства
и определяется возможностями совершенствования как самого
способа преобразования энергии, так и техники, которая его
обеспечивает. Как показано выше, исключительно актуален
сегодня вопрос повышения КПД преобразования энергии, вводи-
мой в разряд, и эффективности ее использования, а также надеж-
ность исполнительных органов — электродных систем.
Поскольку источником явлений, характеризующих электро-
гидравлический эффект, является плазма разряда, необходимо
максимально использовать ее свойства, в частности, как провод-
ника с током. Чрезвычайно интересно придать направленность
воздействию плазмы на жидкость при помощи электрических и
магнитных полей, а значит, резко повысить эффективность раз-
ряда [50]. Исследовано несколько электродных систем, исполь-
зующих этот принцип, что позволило подтвердить значительное
повышение эффективности разряда, в том числе при взаимодей-
ствии тока в плазме с собственным электромагнитным полем си-
стемы [33].
В сильном импульсном продольном поле удается иницииро-
вать разряд в сильнопроводящей жидкости, а также значительно
повысить параметры плазмы в канале разряда и, следовательно,
в ближайшей зоне разряда. Проблему надежности электродных
систем можно решать классическим инженерным путем — при-
менением в разрядной зоне новых материалов тоководов и изоля-
торов с заданными свойствами. Но она может быть решена и соз-
данием принципиально новых форм электрогидравлического эф-
фекта, например, осуществлением безэлектродного разряда в жид-
кости с помощью высокочастотных электромагнитных полей,
возбуждением термоконвективного взрыва и волны сжатия
в ферромагнитной жидкости с помощью импульсного магнитного
поля, возбуждением волны сжатия путем пропускания сильного
тока без разряда на участке в проводящей жидкости и воздействия
на этот проводник с током сильным импульсным магнитным по-
лем и др.
Проблема надежности накопителя энергии решается также
двумя путями. Уже имеются электроизоляционные материалы,
позволяющие почти вдвое увеличить удельную энергоемкость
широко применяемого накопителя-конденсатора. Разрабатываю-
тся материалы и конструкции, которые дают возможность и этот
показатель увеличить примерно в 2 раза. Но еще большие перспек-
тивы открывает возможность использования принципиально иных
накопителей энергии — индуктивных, а тем более принципиально
новых — плазменных. Первые, при условии решения проблемы
299
коммутации и создания сверхпроводящих систем, позволят уве-
личить удельную энергию накопителя более чем на два порядка,
вторые — на три-четыре при условии решения проблем удер-
жания плазмы и управления ее.
Приоритет н наибольшие объемы использования электрогид-
равлического эффекта остаются и на будущее за технологическими
процессами современного машиностроения. Электрогидравличе-
ский метод имеет некоторые преимущества в первую очередь для
специальных применений.
Разработана схема сварки электрогидравлическим методом
с применением взрывающейся проволочки, помещенной в желе-
образную массу (по форме соединяемых деталей) и устанавливаемой
на поверхностях соединяемых деталей При разряде заряженного
конденсатора на электровзрывпой элемент происходит взрыв
проволочки, сопровождаемый образованием в окружающей среде
ударных волн. Под действием последних привариваемая пластина
с большой скоростью движется к основанию, в процессе их сбли-
жения происходит формирование кумулятивной струи, которая
срывает слой окислов и адсорбированных па поверхности металла
газов, открывая ювенильные поверхности. Последующее соуда-
рение привариваемой пластины с основанием сопровождается
значительной пластической деформацией поверхностных слоев
металла, что приводит к образованию сварного соединения.
Аналогичный механизм процесса наблюдается при сварке
электрогидравлическим методом труб в трубных досках. В зави-
симости от параметров теплообменных аппаратов, материалов
и других характеристик для сварки труб в трубных досках
могут применяться различные схемы электрогидравлической
сварки.
Выше говорилось о больших возможностях электрогидравли-
ческого эффекта для получения тонкоизмельченных (коллоидаль-
ных) частиц металлов и сплавов с целью использования их в порош-
ковой металлургии. Столь же велики возможности электроги-
дравлического метода для электроимпульсного прессования из-
делий из металлических порошков. Методы порошковой металлур-
гии дают возможность смешивать между собой взаимно нераство-
римые ни в жидком, ни в твердом состоянии составляющие металлы
и неметаллы (карбиды, окпслы) и т. д. Микроструктура таких
материалов представляет собой равномерную смесь двух или
более фазовых составляющих, каждая из которых сохраняет при-
сущие ей физические или химические свойства.
В области порошковой металлургии разработаны три новых
способа прессования металлокерамических деталей: прессование
с наложением ударных усилий от электроимпульсных разрядов
на статическое давление пресса, прессование металлических и
неметаллических порошков электрическим взрывом металличе-
ского проводника в промежуточной среде и прессование пустоте-
лых изделий с использованием электрического разряда в жидкости.
300
Способ прессования металлокерамических конструкции и иных
деталей с вибропмиульсным нагружением осуществляется нало-
жением па статическое давление пресса или другого оборудования
ударных импульсных нагрузок высокой! интенсивности.
Основным узлом установки является электроразрядный гид-
равлический импульсный вибратор, внутри которого возбуждают
электрические разряды в жидкости, создающие импульсы высокого
давления. Ударные нагрузки передаются через мембрану на боек,
а затем на пуансон и прессовку. В корпусе вибратора имеется
разрядная камера, в которую устанавливаются смепные электроды.
Прессование можно производить одним мощным или несколькими
менее мощными импульсами.
Способ прессования металлических и неметаллических порош-
ков электрическим взрывом металлического проводника позво-
ляет изготовлять металлокерамические детали типа втулок и колец
без использования прессового оборудования в бесстержневой и
беспуапсонной пресс-форме, в которой функцию внутреннего
пуансона (сердечника) выполняет промежуточная среда. Такой
способ обеспечивает получение малопористых и высокопрочных
изделий, так как процесс можно вести при высокой температуре
и с применением связующих металлов, например кобальта, кото-
рый действует как смазка и обеспечивает текучесть частиц порошка
для заполнения пустот и трещин.
Давление, необходимое для прессования порошков, создается
в промежуточной среде в результате электрического взрыва
проводника, расположенного по оси ее объема. Давление от взрыва
проводника передается через промежуточную среду на порошок,
расположенный между средой и матрицей. Промежуточную среду
выполняют из полиэтилена, воска, вакуумной резины, капрона,
каолина и т. п. Механические свойства изделий, спрессованных
в условиях импульсного нагружения, значительно повышаются.
Способ прессования пустотелых изделий с использованием
импульсного разряда в жидкости осуществляется непосредственно
в полости деформируемого изделия. Таким способом можно изго-
товлять однослойные и биметаллические металлокерамические
втулки, наносить на внутренние поверхности компактной втулки
тонкий антифрикционный слой из порошковых материалов или
твердосплавного слоя. Возможности использования электрогид-
равлического метода для прессования порошковых, гранулирован-
ных и других первоначально дискретных по структуре веществ
очень широки.
Кроме того, значительный интерес проявляется к прямому
использованию этого метода для объемной штамповки и выдавли-
вания металлов.
Предлагаемый метод предусматривает выдавливание заготовки
через матрицу, расположенную в основании камеры, заполненной
водой и имеющей определенную электродную систему, соединен-
ную с разрядным контуром генераторов импульсных токов.
301
Жидкость в камере находится под низким давлением, при котором
выдавливание не может быть осуществлено, но при разряде
в электродной системе в жидкости возникают ударная волна и
волна давления, действующие па заготовку, расположенную
в отверстии матрицы, п осуществляющие ее выдавливание.
Структурные изменения в металлах и сплавах, связанные с про-
теканием пластической деформации при ударном нагружении,
приводят в ряде случаев к заметному упрочнению, что уже нашло
применение в промышленности. Наибольшее внедрение получило
взрывное упрочнение высокомарганцовистой стали Г13 (стали
Годфильда). Из упрочнения других металлов и сплавов наиболь-
ший практический интерес может представлять упрочнение взры-
вом низкоуглеродистых сталей, латуней, бронз, титановых спла-
вов.
Установлено, что ударная термомеханическая обработка уско-
ряет распад аустенита, уменьшает мнкронапряжения и блоки,
вызывает выделение углерода из твердого раствора, повышает
прочность и твердость пнструметальных сталей, подавляет от-
пускную хрупкость. Пределы прочности, текучести и пропорцио-
нальности сталей 18ХНВА 40X1 ИВА после электрогидравлпче-
ской обработки в процессе закалки растут с увеличением энергии
разряда [103], причем более заметно повышается предел про-
порциональности. В стали 18ХНВА он увеличивается на 6—7%,
а в стали 40Х1НВА— на 11 -12%. Предел прочности так же,
как и предел пропорциональности, повышается больше в стали
40X1НВА, чем в стали 18ХНВА. Пластические свойства в обеих
сталях после элекгроразрядной обработки не изменялись.
С увеличением энергии разряда долговечность при испытании
на изгиб с вращением увеличивается в 5 раз, а при испытании
на кручение — в 25—30 раз по сравнению с обычным закаленным
состоянием. Электрогидравлическая обработка закаленных об-
разцов в холодном состоянии значительно проще, чем в процессе
закалки, и легко может быть осуществлена в производственных
условиях дтя деталей любой конфигурации и размеров [103].
Действием электрического разряда в воде может быть осуще-
ствлено и поверхностное упрочнение металлов и сплавов или их
наклеп. Особенно ценным следует считать возможность проведе-
ния процесса снятия внутренних напряжений или искусственного
старения изделий при совмещении с другими видами обработки,
например, снятие напряжений в крупных отливках при выбивке
из них стержней.
В ремонтных операциях метод электрогидравлического эф-
фекта применяют, например, для восстановления поршневых
пальцев двигателей, различных полых деталей и изделий. Раздача
пальцев по этой технологии производится без их предварительного
отжига на величины, достаточные как для восстановления перво-
начальных размеров диаметра, так и для получения увеличенных
размеров.
302
В каждом из описанных случаев можно создать условия для
интенсификации процесса обработки металлов давлением под
воздействием внешних возмущающих факторов, о чем говорилось
ранее. Электропластическая деформация металла, происходящая
при пропускании импульса тока плотностью 103 А/мм2 через
деформируемый объем металла, позволит органически соединить
оба процесса (электропластпческпй и электрогидравлический
эффекты).
Процессы химической технологии связаны с взаимодействием
гидродинамических, тепловых, диффузионных и химических яв-
лений. Современная химическая технология охватывает процессы
производства минеральных кислот и удобрений, щелочей и солей,
синтеза разнообразных органических соединений из природных
газов и продуктов переработки каменного угля п нефти, а также
многие другие процессы химической переработки синтетических
и природных веществ. Несмотря на разнообразие методов хими-
ческой технологии, получение различных химических продуктов
связано с проведением однотипных физических процессов, яв-
ляющихся общими для большинства химических производств.
Аппаратурное оформление современных химико-технологических
процессов также весьма разнообразно, однако для одних и тех
же целей в различных отраслях химической технологии в боль-
шинстве случаев применяют сходные по конструкции аппараты,
Применяемые в химических производствах вещества обычно
измельчаются, транспортируются, нагреваются, охлаждаются,
реагируют друг с другом, причем взаимодействие части их сопро-
вождается испарением, растворением и другими процессами,
связанными с переходом веществ из одной фазы в другую (массо-
обмен) или с образованием новых химических продуктов. Эти
процессы подчиняются законам гидромеханики тепло- и массо-
передачи и химической кинетики. В простейшем случае процесс
может быть охарактеризован лишь одним законом, например за-
коном движения жидкости. Чаще всего движение сопровождается
теплообменом, массообменом и другими явлениями, т. е. проте-
кает сложный процесс, зависящий от целого ряда факторов,
которые оказывают на его ход совместное и часто противоречивое
действие.
В последнее время значительно возрос интерес к исследова-
ниям в области использования электрических разрядов для осу-
ществления химических реакций. Применение разнообразных
типов и форм разрядов позволяет в широких пределах изменять
условия проведения процессов и в ряде случаев сочетать высокие
электронные температуры, необходимые для активации некоторых
реакций, с низкими молекулярными температурами среды. По-
следнее обстоятельство дает возможность значительно упростить
технологическое и аппаратурное оформление процессов, осущест-
вить закалку образующихся продуктов и предотвратить их повтор-
ное разложение.
303
В литературе подробно рассматривается только ударно-меха-
нический эффект электрического разряда в жидкости и его воздей-
ствие на тела и материалы в реакционном объеме, примыкающем
к зоне разряда. Эффект же от воздействия на жидкую среду и
растворенные в ней вещества других явлений, сопровождающих
разряд, а также механизм протекающих в воде пли растворе фи-
зико-химических процессов, не привлекали внимания исследова-
телей.
Под влиянием составляющих комплексного процесса, например,
в воде должен возникать ряд физико-химических эффектов, при-
водящих в конечном итоге к ионизации и разложению молекул
воды, сольватированию заряженных частиц (электронов) и обра-
зованию первичных радикальных продуктов (гидроксил, водород),
а также вторичных молекулярных продуктов их взаимодействия
(молекулярный водород, перекись водорода). Суммарный эффект
от такого воздействия должен быть сходен с результатами обра-
ботки водной среды проникающим излучением.
Исследование М. Губергрпца по воздействию электрического
разряда в воде на химические дозиметрические системы и ней-
тральную аэрированную воду показало, что в этом случае в вод-
ной среде протекают сложные физико-химические процессы,
качественно сходные по конечному эффекту с явлениями при
импульсном радиолизе с высокой мощностью дозы. Химический
КПД реакции окисления и восстановления, установленный для
изученных систем, достигает 30—50% по отношению к эффекту
от радиационно-химического процесса.
Электрические разряды в жидкостях ускоряют реакции окис-
ления-восстановления, вызывают внутримолекулярные перегруп-
пировки веществ, а также влияют на процессы поли- и диполимери-
зацин. К основным факторам, определяющим химическое действие
электрогидравлического эффекта на вещество, кроме названных
выше, следует отнести ударную волну, фронт которой является
мощным генератором дефектов структуры, при высокой концен-
трации которых облегчаются диффузионные процессы, т. е. уве-
личивается химическая активность вещества; мощный расходя-
щийся и сходящийся в зоне разряда поток жидкости; акустические
поля широкого спектра; электромагнитные излучения, а также
тепловые и световые потоки. Электрические разряды ионизируют
молекулы жидкости и растворенных в ней веществ, в результате
чего появляются валентно насыщенные свободные радикалы,
обладающие большой реакционной способностью.
Под действием электрогидравлического эффекта ускоряются
процессы кристаллизации, появляются мелкокристаллические
структуры. Гидравлические удары, возникающие при разряде и
в момент захлопывания парогазового пузыря и кавитационных
каверн, с успехом могут быть использованы для дробления и
диспергирования практически любых веществ в химической среде.
В поле электрогидравлического эффекта существенно ускоряются
304
диффузионные процессы, происходящие на границе раздела твер-
дой и жидкой фаз, как, например, растворение твердого тела в жид-
кости, диффузия жидкости в теле, процесс окрашивания и др.
К числу особенностей, отличающих вязкоупругие полимерные
материалы, как показано в работах Б. Б. Бойко, можно отнести
существование критических явлений при их деформировании,
частным проявлением которых, например, является потеря устой-
чивости течения таких сред, выражающаяся в появлении на глад-
кой поверхности экструдируемой струи возмущений в виде нере-
гулярной ряби, рисок и т. п. Концентрация напряжений на стенке
канала вблизи выхода может привести к тому, что имеппо здесь
раньше, чем в канале, произойдет переход полимера в высоко-
эластичное состояние и разовьется проскальзывание.
Следствием этого явится периодическая дефектность выхо-
дящей струи. Такое явление служит препятствием для повышения
производительности экструдеров, ио критические скорости исте-
чения экструдата могут быть значительно увеличены при возбу-
ждении колебаний с помощью электрогидравлического вибратора
в стенках контейнера и канала. Под действием механических
колебаний (вибраций) многие процессы в дисперсных средах
(подлежащих, например, сушке) протекают с большей интенсив-
ностью, чем в обычных условиях. Под влиянием вибраций дисперс-
ные среды приобретают подвижность и их вязкость значительно
понижается (до 90 раз и более).
Механизм повышения подвижности дисперсных сред под
влиянием вибраций в настоящее время мало изучен. Б. М. Гу-
менский, например, считает, что при этом происходит превраще-
ние физически связанной влаги в свободную. С точки зрения рео-
логии пастообразные материалы представляют собой упруго-
тиксотропно-пластичные материалы, причем упругие свойства
обусловлены образованием структуры из твердых несферических
,астиц. В клетках структуры заключена влага, ничем не отли-
чающаяся по своим свойствам от свойств свободной влаги. С точки
зрения формы связи влаги с материалом пастообразные материалы
являются квазикапиллярпо-пористыми с микрокапиллярами ве-
сьма малого радиуса, соизмеряемого со средней длиной пробега
молекул. В таких материалах перенос влаги происходит в виде
эффузии жидкости, а при низких влажностях—в виде эффузии пара.
Под влиянием вибраций наблюдается понижение предельного
напряжения сдвига, что обусловливается перераспределением
(гомогенизацией) всей массы. При этом происходит разрушение
ячеек, в которых заключена жидкость. Весь существующий кар-
кас в высококонцентрированных суспензиях (пастах) разрушается,
и отдельные твердые частицы ориентируются по направлению
потока. После вибрации пастообразные материалы по своим свой-
ствам приближаются к капиллярно-пористым телам.
Э. О. Ригером экспериментально доказано, что процесс вибри-
рования, которому предварительно подвергались пастообразные
20 Г. А. Гулый 305
материалы, сокращает общую длительность сушки. Предварите-
льное вибрирование паст существенно улучшает массопроводные
свойства вследствие разрушения каркаса и ориентации частиц
(образование каналов) в слое материала. Для данных процессов
существенным является возможность обработки большой массы
вещества при использовании электрогидравлического эффекта.
Рядом работ показано, что кинетика массобмена в значительной
степени определяется скоростью обтекания твердой фазы жид-
костью. С увеличением этой скорости увеличивается коэффици-
ент массообмена. Исследована возможность использования элек-
трогидравлического эффекта для интенсификации технологиче-
ского процесса кислотного разложения апатитового концентрата
и повышения коэффициента разложения сырья.
Для рассмотрения кинетики массообмена (растворения) между
твердым телом и жидкостью, в которой возбуждается колеба-
тельный процесс с помощью электрических разрядов различной
частоты, были проведены экспериментальные исследования раст-
ворения образцов соли KNO3 и взвешенных частиц природного
гипса в воде 170 ]. Частота импульсов изменялась в диапазоне
10—600 Гц, разрядное напряжение — 1—3 кВ, энергия разря-
дов — 0,5—1,5 Дж.
Результаты экспериментов, представленные на рис. 136,
показывают, что при указанных выше условиях критическая
частота разрядов находится в пределах 190—200 Гц. При этом
достигается ускорение процесса массоотдачи закрепленных ча-
стиц в 5 раз, а взвешенных — в 2, 3 раза.
Обработка результатов экспериментов в виде функции
1g — /(Igco), где k и k0 — концентрации (рис. 136), с учетом
того, что величина k0 для обеих солей в условиях всех опытов
была постоянной, позволила получить зависимости
k = /njd,0’467 при <o^wKp; k = т2 —^3- при со>а>кр.
Рис. 136. Зависимость отношения концентрации частиц от
частоты следования разрядов (о) и коэффициентов массо-
обмена от частоты ю (б) при различном напряжении;
I — 1 кв; 2 — 2 кв; 3 — 3 кв
300
Относительное увеличение коэффициента массообмена явля-
ется функцией частоты и при некотором значении последней
достигает максимума.
В значительной мере можно также интенсифицировать химико-
технологические процессы, связанные с теплообменом и кристал-
лизацией. В момент удара в толще жидкости возникает ударное
возмущение, которое распространяется в объеме полости, запол-
ненной кипящей жидкостью при давлении насыщения, и воздей-
ствует на паровые пузырьки. В результате этого через 10—15 мс
в наблюдаемом объеме исчезают все пузырьки [791. Анализ кино-
граммы показал, что при ударе все они сбрасываются с поверхно-
сти нагрева в ядро потока. Одновременно с отрывом паровых пу-
зырьков от поверхности нагрева происходит еще два процесса;
конденсация и всплытие пузырьков пара, причем при воздействии
ударных нагрузок скорость выноса пузырьков пара из наблюдае-
мого объема значительно больше, чем скорость их свободного
всплытия в нормальном гравитационном поле, и изменяется
в зависимости от величины ускорения от 1,16 до 3,5 м/с. Это яв-
ление можно объяснить возникающим при ударе потоком жидко-
сти, который увлекает за собой паровые пузырьки. Через 0,01 —
0,015 с после удара в наблюдаемом объеме жидкости прекращается
кипение и только через 0,03—0,07 с начинают на поверхности
нагрева появляться отдельные пузырьки. Прекращение кипения
в наблюдаемом объеме объясняется частичной конденсацией
пузырьков пара и выносом остальных. Образование же новых
пузырьков пара задерживается из-за некоторого переохлаждения,
вызванного увеличением давления и перемещением жидкости
(массообменом) при ударе. Кроме того, в момент удара все пузы-
рьки с поверхности нагрева сбрасываются и, возможно, имеют
место смыв перегретого слоя и нарушение центров парообразова-
ния. Все это приводит к тому, что полностью кипение восстанавли-
вается после воздействия ударной волны примерно через 0,4—0,5 с.
Процесс кристаллизации сложен и зависит от многих факторов:
наличия центров кристаллизации, степени пересыщения, внеш-
них воздействий и т. д. Были проведены исследования процесса
кристаллизации под действием механических перемещений, эле-
ктрических, магнитных, звуковых полей и радиоактивного излу-
чения. Все эти методы воздействия способствуют зарождению но-
вых центров кристаллизации и ускоряют процесс.
М. А. Большаминовым и В. Д. Кузнецовым изучено влияние
электрического разряда в жидкости на кинетику кристаллизации
пересыщенного водного раствора винной кислоты. Процесс иссле-
дования проводился при рабочем напряжении импульса 15 кВ,
длине межэлектродного промежутка 8 мм и частоте следования
импульсов 40 Гц. Анализ кривых (рис. 137) показывает, что эле-
ктрические разряды значительно сокращают латентный период
и увеличивают скорость процессов. Размеры полученных кри-
сталлов 0,1—0,5 мм.
20* 307
Рис. 137. Скорость кристалли-
зации винной кислоты из пересы-
щенного водного раствора под
воздействием различных интен-
сифицирующих факторов:
I — электрический разряд; II —
механическое перемешивание (про-
пеллерная мешалка); III — им-
пульсное облучение ультразву-
ком (УЗ) с частотой посылок 15 Гц;
IV — импульсное облучение уль-
тразвуком с частотой посылок
450 Гц
Как показало разложение в ряд
Фурье кривой изменения давления
во времени, полученной с помощью
пьезоманометра, спектр звукового
импульса, сопровождающего разряд,
сплошной, длительностью 50—60 мс
и содержит частоты от 0 до 30 кГц.
Разряд сопровождается электромаг-
нитным излучением и электролизом.
Совокупность этих факторов и при-
водит, по-видимому, к возникнове-
нию большого числа центров кри-
сталлизации. Кроме того, ударные
волны, возникающие в жидкости,
диспергируют уже имеющиеся цен-
тры кристаллизации и тем самым
приводят к ускорению процесса.
Таким образом, электрический раз-
ряд в жидкости может быть исполь-
зован как один из способов интенсив-
ного воздействия на процесс кристал-
лизации пересыщенных растворов.
В настоящее время нагрев вязких жидкостей осуществляется
неподвижными подогревателями и является неэффективным, огра-
ничивая некоторые технологические процессы. Теплоотдача от
подогревателей осуществляется свободной конвекцией, интенсив-
ность которой для вязких жидкостей очень мала. Теплоотдача
от теплоносителя (пара) к стенке может составлять 6000—
11 000 Вт/м2-°С, тогда как теплоотдача от стенки к нагреваемой
жидкости практически не превышает 50—90 Вт/м2-°С. Вследст-
вие этого неизбежна чрезмерная длительность подогрева, значи-
тельные потери теплоты, большие поверхности нагрева, габарит-
ные размеры и масса подогревательных устройств.
Интенсификация теплообмена в вязких малоподвижных средах
представляет одну из наиболее трудных теплотехнических задач,
поскольку обычные пути решения — увеличение скорости движе-
ния или искусственная турбулизация — оказываются невозмож-
ными или малоэффективными. Вибрация теплоотдающей поверх-
ности является одним из эффективных методов интенсификации
процесса теплообмена при подогреве вязких жидкостей. Тепло-
отдача от вибрирующих нагревателей осуществляется вынужден-
ной конвекцией при нестационарном режиме, что обусловливает
высокие значения коэффициентов теплоотдачи.
Опыты Д. Е. Главацкого по теплоотдаче вибрирующего нагре-
вателя диаметром 5 мм вязком минеральном масле (вязкость по
Энглеру 150° при 293 К) показали (рис. 138), что при вибрации
нагревателя можно добиться таких коэффициентов теплоотдачи
(а = 4004-500 Вт/м2-° С), которые не удается получить даже при
308
Рис. 138. Зависимость
коэффициента теплоот-
дачи от частоты посылок
импульсов
высоких скоростях движения ЖИДКОСТИ.
Степень интенсификации вибрирующего
нагревателя в вязком масле при амплитуде
колебании а = 4,4 мм и частоте /= 20 Гц
достигает десятикратной величины.
Широки возможное гп электрогндра-
влического эффекта в промышленности
основного органического синтеза и других
химико-технологических процессов.
Из большого числа актуальных обла-
стей применения мощного импульсного
электрического разряда следует показать
его возможности в технике освоения
океана.
Зарубежные исследователи [126, 128]
освещают практику и проводимые исследо-
вания в области разработки полезных ис-
копаемых, залегающих ниже морскогодна. Наличие трудных мете-
орологических условий исключает пока возможность непрерывного
в течение года ведения работ по извлечению полезных ископаемых.
Имеющееся в настоящее время оборудование способно вести
разработку только аллювиальных отложений континентального
шельфа, т. е. отложений, расположенных до глубины 45 м. Указы-
вается, что при разработке более глубоких формаций возникают
определенные технические трудности, связанные с расположением
оборудования и транспортировкой минерала на поверхность.
Известны значительные трудности обеспечения работы двигатель-
движительного комплекса аппаратов на больших глубинах.
В ряде случаев применение для этих целей силовых импульсных
систем оказывается наиболее предпочтительным. Предложен спо
соб извлечения ценных материалов со дна океана, основой которого
является применение высокоинтенсивной ударной волны, которая
создается образованием электрического разряда между электро-
дами. В перфорированную трубу, расположенную над бурильным
инструментом, вставляются два электрода, инициируемые тонкой
никелевой проволокой. После электрического взрыва проводника
ударные волны, выходя из отверстий, разрушают минерал, кото-
рый впоследствии извлекается на поверхность. Ударные волны
контролируют по интенсивности и направленности в соответствии
с характеристикой окружающей зоны. Одним из основных пре-
имуществ этого способа является его безвредность для флоры
океана по сравнению с химическим взрывом, хотя по силе взрыва
они равноценны. Достоинством способа является отсутствие дви-
жущихся частей механизма, привод которых сложно осуществить
на больших глубинах.
Практические рекомендации по разрушению скальных пород
и экскавационным работам под водой содержатся в исследованиях
американских ученых, предложивших для этой цели использовать
309
импульсные струи высокого давления. Для различных пород
сообщаются результаты экспериментов, показывающие зависи-
мость подводимой энергии, требуемой для разрушения единицы
объема породы, от соответствующего параметра. Давление тор-
можения струи жидкости изменялось от 350,0 до 35000,0 МПа.
Существует оптимальное расстояние от сопла до мишени,
обеспечивающее максимальную величину среза. Оно составляет
около 20 диаметров. При меньших расстояниях вода, отраженная
от кратера, по-видимому, нарушает поток струи и уменьшает
режущую способность ее. При больших расстояниях энергия
струи рассеивается из-за турбулентного перемешивания и струя
становится менее эффективной.
Поскольку выгодно использовать струю с давлением, по край»
ней мере в 10 раз превышающим прочность породы, для разруше-
ния крепких пород, аналогичных граниту, целесообразны давле-
ния до 2000 МПа и выше. Существуют несколько методов дости-
жения таких значений давления без приложения больших нагрузок
к элементам оборудования. Эти методы объединяют под названием
«методы с аккумуляцией энергии». К ним относится метод создания
неустановившегося гидродинамического режима, когда часть
жидкости достигает высокой скорости за счет отбора энергии от
остальной большей части жидкости. Высокоскоростная струя
служит в качестве инструмента. Последнюю можно также полу-
чить в электрогидравлическом устройства.
В значительной мере интенсифицировать процесс гидродобычи
можно наложением колебаний звуковой частоты на зону забоя,
например эрлифтного землесосного устройства, с помощью спе-
циальных электроразрядных импульсных гидравлических ви-
браторов. Этот способ позволит значительно увеличить произ-
водительность мощных землесосов, причем он может быть легко
скомбинирован с другими современными способами, повышаю-
щими эффективность мощных эрлифтных установок.
Производимые при освоении шельфа океанов работы характе-
ризуются широким применением геофизических методов разведки,
позволяющих исследовать обширные площади морского дна,
осуществлять большое число прецизионных эхолотных наблю-
дений за осадками, гидродинамической и метеорологической об-
становкой, органическим миром морей и океанов и решать другие
вопросы. Однако до сих пор остается недоступным непосредствен-
ное исследование толщ осадочного покрова на дне океанских
впадин, и неизвестна еще общая мощность осадочной толщи
в океанах, ее возраст, хотя сейсмические измерения предваритель-
но показали, что на дне океанов имеется осадочный покров, средняя
мощность которого составляет около 300 м 126 ].
За рубежом большое применение нашел прибор непрерывного
сейсмического профилирования «Спаркер» [26], позволяющий
проводить длительное изучение прибрежных площадей морского
дна. Это прибор непрерывного звукового отражения, аналогич-
310
ный эхолоту. Электрический разряд в воде дает импульс большой
активности и широкого спектра частот. Сигналы, отраженные от
морского дна и глубинных слоев, поступают в гидрофон, который
буксируется за судном. Эти сигналы усиливаются и записыва-
ются на график, который представляет собой разрез геологической
структуры под трассой судна, производящего съемку. «Спаркер»
используется для изучения неглубоких подводных структур (до
360 м), где требуется высокая степень дифференциации глубин
отражающих горизонтов.
К числу предложений об использовании электрических раз-
рядов для возбуждения интенсивных акустических импульсов
в воде следует отнести работу Л. А. Юткнна, в которой рассмотрен
способ возбуждения упругих волн в толще земной коры при сей-
смической разведке, по которому предлагалось возбуждать раз-
ряд между электродами, снабженными акустическими отражате-
лями, погруженными в водоем или скважину, заполненную жид-
костью.
Другой не менее важной и актуальной проблемой является
создание гндрореактпвиых движителей для аппаратов, с помощью
которых будут осваиваться океанические пространства. Инже-
нерная мысль работает над изобретением новых движителей,
преобразующих электрическую энергию непосредственно в работу
отбрасываемой воды. Если в прямоточном канале, спрофилирован-
ном специальным образом, установить этектроды л подать на них
мощные импульсы тока, то электрический разряд будет выбрасы-
вать воду из сопла движителя. Таких движителей можно устано-
вить па судне или подводном аппарате несколько десятков и тем
самым повысить живучесть двигатель-движительного комплекса
и управляемость аппарата. Особенно целесообразно применение
таких движителей на судах, располагающих высокоэнергетиче-
скими, например, атомными силовыми установками.
Подводный искровой разряд может найти большое применение
в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, авиационной
и космической технике в качестве инструмента для научных ис-
следований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксанов И. И., Бочаров В. К.. Смирнове. А. Возбуждение управляемого
разряда в жидкости. Харьков. ФТИ АН УССР, 1968, 9 с.
2. Аксенов П. И. Оборудование литейных цехов. М., «Машиностроение»,
1968. 458 с.
3. Альтшулер Л. В. Применение ударных волн в физике высоких давле-
ний. — «Успехи физических наук», 1965. вып. 2, с. 197—258.
4. Альшиц В. И., Инденбом В. Л., Штомберг А. А. Динамическая сила Пан-
ерлса. —ЭНЭТФ, 1971, т. 60, вып. 6, с. 2308 - 2320.
5. Арш А. П., Земскова Л. К- Перспективы создания импульсных разряд-
ников с ртутным катодом на токи до 300 000 А. — «Электротехника. Сер. 3.
Газоразрядные приборы», 1970, вып. 2 (18), с. 32—35.
6. Безгласный П. А., Вервейко Н. Д. О распространении ударных волн в уп-
руго-вязко-пластической среде.—«Механика твердого тела», 1971, № 5,
с. 71—76.
7. Бейлис И. И. О нагреве тела, подвергающегося воздействию перемещаю-
щегося мощного, концентрированного теплового источника. — «Физика и химия
обработки материалов», 1967, №3, с. 18—21.
8. Беликов О. А., Каширцев Л. П. Приводы литейных машин М., «Машино-
строение», 1971, 311 с.
9. Берлинер IO. И. Бриф В. М. Анализ применимости современных методов
крепления труб к трубным решеткам. — В кн.: «Методы крепления труб в труб-
ных решетках теплообменных аппаратов». Вып. 3. Волгоград, 1970, с. 3—13.
10. Бондаренко Г. С. О поле давлений ударных волн при мощном подводном
разряде. — «Изв. вузов. Электромеханика», 1968, № 5, с. 503—507.
11. Бочаров 10. А., Прокофьев В. Н. Гидропривод кузнечно-прессовых
машин. М., «Высшая школа», 1969, 248 с.
12. Браго Б. Н. Автоматический фоторегистратор молний. — «Приборы и
техника эксперимента», 1971, № 6, с. 116—118.
13. Быховский И. И. Основы теории вибрационной техники. М., «Машгиз»,
1968. 362 с.
14. Влияние материала электрода на предпробойпую стадию электрического
разряда в проводящей жидкости. - «Электронная обработка материалов», 1971,
№ 4, с. 64. Авт.: С. А. Бочек, Р. А.Волченкова, Г. В. Левченко и др.
15. Волков И. В. Заварихин В. А. Трехфазные индуктивно-емкостные пре-
образователи с совмещенными магнитопроводами дросселей. Киев. Изд-во АН
УССР, 1973. 27 с.
16. Волков И. В., Исаков В. Н. Трехфазный индуктивно-емкостной преобра-
зователь с плавным регулированием выходного тока. — В кн.: Проблемы техни-
ческой электродинамики. Вып. 41, Киев. 1973, с. 75—80.
17. Воробьев А. А. Импульсная прочность и разрушение диэлектриков. —
В кн.: Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. М., «Энергия»,
1970. с. 287—297.
18. Воробьев А. А., Завадовская Е. К- Обработка поверхности диэлектриков
и полупроводников импульсными электрическими разрядами. — В кн.: Электро-
физическая аппаратура н электрическая изоляция. М., «Энергия». 1970,
с. 500—502.
312
19. Гаманович В. И. Исследование упругих деформаций преграды под дей-
ствием импульсов высоковольтного разряда в жидкости. «Электронная обра-
ботка материалов», 1973, № 4, с. 69—70.
20. Гаманович В. И. К вопросу о классификации литья при удалении стерж-
ней электрогидравлическим способом.—«Труды Николаевского кораблестрои-
тельного института», 1971, вып. 45, с. 13 16.
21. Гаманович В. И. Элсктрщидравчическая выбивка стержней.—«Литей-
ное производство», 1972, с. 20—21.
22. Гераськин А. С., Корчагин В. Н., Ловля С. А. Экспериментальное иссле-
дование взрыва в волноводе. — ДАН СССР, 1970, т. 195, № 2, с. 325—328.
23. Гилман Дж. Дж. Динамика дислокаций и поведение материалов при удар-
ном воздействии. — «Механика», 1970, № 2, (120), с. 96—124.
24. Горохович А. Н. Оборудование для электрогидравлической штамповки. —
«Кузнечно-штамповочное производство», 1974, № 3. с. 44 45.
25. Действие лазерного излучения. Пер. с англ. М., «Мир», 1968, 390 с.
26. Добыча полезных ископаемых со дна морей и оксинов. Под род. В. Н. Ко-
стина. М., «Недра», 1970, 240 с. Авт.: Г. А. Нурок, В. Н. Костин, Ю. В. Бруя-
кин и др.
27. Дробление шлаков с помощью электрогидравлического эффекта. — «На-
учно-технический бюллетень ВИЛСа. Технология легких сплавов», 1971,
№ 6, с. 32—35. Авт.: В. М. Базилевский, В. М. Окунев, В. А. Попов и др.
28. А. X. Дубровский. Устройство электрической части систем автомати-
зации. М., «Энергия». 1972, 264 с.
29. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел.
М., «Металлургия», 1971, 264 с.
30. Заварихин В. А., Павленко А. К-, Ткаченко А. К. Малогабаритный ге-
нератор импульсных токов для электрогидравлических установок. — «Электро-
техническая промышленность», 1968, № 308, с. 2—4.
31. Исследование процессов высокоскоростного деформирования сталей и
цветных сплавов в холодном состоянии. — «Технология машиностроения». Тула,
1968, вып. 5, с. 199—209. Авт.: А. И. Максимов, Г. Л. Левицкая, Ю. А. Сер-
дюк и др.
32. Киржниц Д. А. Экстремальные состояния вещества. — «Успехи физи-
ческих наук», 1971, т. 104, вып. 3, с. 489—509.
33. Комельков В. С., Скворцов 10. В., Терещенко В. Н. Направленные удар-
ные волны в мощных искрах. — «Журнал технической физики», 1963, т. XXXIII,
вып. 6, с. 719—723.
34. Кривицкий Е. В. Исследование сопротивления канала подводного искро-
вого разряда.— «Журнал технической физики», 1972, т. XLII, вып. 11,
с. 2362—2365.
35. Кривицкий Е. В., Шамко В. В. О подобии подводных искровых разря-
дов. — «Журнал технической физики», 1972, т. XLI1, вып. 1, с. 83—87.
36. Кривицкий Е. В. О сопротивлении расширяющегося канала подводного
искрового разряда. — «Электронная обработка материалов», 1972, № 3,
с. 69—71.
37. Кривицкий Е. В., Шамко В. В., Апостоли В. JI. Оценка энергетических
параметров капала подводного искрового разряда. — «Электронная обработка
материалов», 1971, № 5, с. 48.
38. Кудашев Н. В., Сахаров Ю. И. Электроакустическая аппаратура систем
контроля и измерений. М., «Энергия», 1972, 104 с.
39. Кужекин И. П. Измерение распределения потенциала к напряженности
электрического поля при лидерном пробое проводящей жидкости. — «Труды
МЭИ», 1970, вып. 70, с. 71—76.
40. Кужекин И. П. Потребление энергии при формировании пробоя в про-
водящей жидкости. — «Труды МЭИ», 1970, вып. 70, с. 77—84.
41. Кузнецкий Р. С. Распределение скорости и давления жидкости вдоль
трубы с отверстиями. — «Инженерно-физический журнал», 1971, т. XX, вып. 1.
с. 129—133.
42. Кучинский Г. С. Высоковольтные импульсные конденсаторы. Л. «Энер-
гия», 1973. 175 с.
313
43. Леонард Т. Л. Простое устройство для получения и электрического взрыва
литиевых проволочек в вакууме. — «Приборы для научных исследований»,
1969, № 7, с. 100- 101.
44. Леонард Т. А., Бах Д. Р. Установка для изучения взрывающихся литие-
вых проволочек, приготовленных в вакууме. — «Приборы для научных иссле-
дований», 1968, № 9, с. 123—130.
45. Лопатин В. В., Кремнев А. А., Сатановский А. Л. Теплообмен при вибра-
ционном нагреве вязких жидкостей. — В кн.: Тепло- и массообмен в химиче-
ской технологии. Киев, 1967, с. 78—85. (АН УССР. Ин-т технической теплофи-
зики).
46. Мазуровский Б. Я-, Юшанцева Т. Б., Волочинская Л. М. Влияние им-
пульсных нагрузок иа свойства алюмипиево-магииевых сплавов. —- «Кузнечно-
штамповочное производство», 1971, № 7, с. 19—21.
47. Мазуровский Б. Я. О развальцовке теплообменных аппаратов с малой
степенью перфорации. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1974, № 2,
с. 22—24.
48. Мазуровский Б. Я. О температурно-силовом режиме горячей штамповки
алюмиииево-магниевых сплавов. — «Кузиечно-штамповочное производство»,
1969, № 12, с. 5—8.
49. Мазуровский Б. Я-> Иванов А. — Г. Г., Никонова Л. Н. Электрогидрав-
лическая установка для штамповки и развальцовки. — «Технология судострое-
ния», 1972, № 2, с. 44—45.
50. Малюшевский П- П- Применение и перспективы увеличения эффектив-
ности электрогидравлического эффекта. — «Электронная обработка материалов»,
№ 6, с. 62-64.
51. Машины литья под давлением. Под ред. Розенберга Б Е. М. «Машино-
строение», 1973, 286 с. Авт.: В. А. Антонов, М. Д. Белостоцкий, В. Э. Берии и др.
52. Мельников Н. П. К теории развития электрического разряда в жидкости
па предпробойпой стадии. — «Электронная обработка материалов», 1968, № 3,
с. 3—13.
53. Метод искровых разрядов для ускорения массообмеиа. — «Инженерно-
физический журнал», 1970, т. XVI11, вып. 2, с. 293. Авт.: А. Д. Молчанов,
Г. А. Аксельруд, А. И. Чернявский, И. Н. Фиклистов.
54. Методика оценки стойкости основных элементов оснастки электрогидрав-
лических прессов. — В кн.: «Импульсные методы обработки металлов давле-
нием. Тула, 1973, с. 3—13 (Тульск. политехи, ин-т). Авт.: И П Ренне, А. Н. Ха-
ритонов, В. Н. Поляков, Л. Н. Никонова.
55. Механизм квазистатического давления при элекгрогидравлической
штамповке. — «Весц! АН БССР», 1972, № 2, с. 10—16. Авт.: В. Н. Чачин,
Л. И. Санкович, В. А. Крылевский, Ю. Е. Шарин.
56. Найфельд М. Р. Заземление, защитные меры электробезопасности. М.,
«Энергия», 1971, 311 с.
57. Наугольных К- А., Рой Н. А. «Электрические разряды в воде». М.,
«Наука», 1971, 155 с.
58. Некрашевич И. Р., Бакуто А. И. О характере эрозионных следов на элек-
тродах со сложной структурой поверхности при сильноточном разряде. — «Из-
вестия АН БССР. Сер. физико-математических наук», 1971, № 6, с. 95—98.
59. Новое в электрофизической и электрохимической обработке материа-
лов. Под ред. Л. Я- Попилова. Л., «Машиностроение», 1972. 360 с.
60. Оборудование обработки металлов давлением с использованием электро-
гидравлического эффекта. — В кн Импульсные методы обработки металлов
давлением. Тула, 1973, с. 3—12 (Тульск. политехи, ин-та). Авт.: Б. Я- Мазуров-
ский, А. В. Цветков, В. В. Сологуб и др.
61. О возможности использования электрогидравлического эффекта для дроб-
ления и выщелачивания шлаков заводов вторичного алюминия. — В кн.: Ме-
таллургия вторичных цветных металлов и сплавов. Вып. XXXVI М-, 1972,
с. 46—51. Авт.: В. М. Базилевский, В. М. Окунев и др.
62. Окунь Н. 3. Исследование волн сжатия, возникающих при импульсном
разряде в воде. —• «Журнал технической физики», 1971, № 2, с. 292—307.
314
63. Окунь И. 3. Исследование электрических характеристик импульсного
разряда в жидкости. — «Журнал технической физики», 1969, т. 39, № 5,
с. 850—861.
64. Онуфриев И. А. Состояние и направление развития литейного произ-
водства в СССР. —«Литейное производство», 1973, № 11, с. 7—10.
65. О характере распределения сил сцепления в контактах между кристал-
лами при их поджиме. — «ДАН СССР», 1971, т. 200, вып. 5, с. 1077—1080. Авт.:
Р. И. Юсупов, Е. А. Амелина, Е. Д. Язухин, П. А. Ребипдер.
66. Очистка отливок. Л., «Машиностроение», 1969, 263 с. Авт.: С. И. Фом-
ченко, И. Я. Балакин, А. С. Докторовпч, Л. Е. Косгров.
67. Паршин И. П., Короткий И. М. Выбивка, очистка и обрубка отливок.
М., «Высшая школа», 1973. 192 с.
68. Петриченко В. Н. Изменение сопротивления разрядного промежутка
в лидерной стадии развития разряда в воде. — «Электронная обработка мате-
риалов», 1973, № 5, с. 59—61.
69. Пихтовников Р. В. Развитие листовой штамповки взрывом. — «Куз-
нечно-штамповочное производство», 1972, № 1, с. 16 -18.
70. Попилов Л. Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка ма-
териалов. М., «Машиностроение», 1969, 296 с.
71. Правила технической эксплуатации электроустановок — потребителей
н правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок — потре-
бителей. М., Атомиздат, 1971. 352 с.
72. Применение электрогидравлического эффекта в машиностроении. —
«Вестник машиностроения», 1973, № 6, с. 61—63. Авт.: Г. А. Гулый, А. К- Тка-
ченко, С. А. Петрусенко и др.
73. Проектирование бесконтактных логических схем автоматического управ-
ления. М., «Энергия», 1969, 183 с. Авт.: Г. Р. Грейнер, В. П. Ильяшенко.
В. П. Май и др.
74. Психофизиологические и эстетические основы НОТ. М., «Экономика»,
1971. 366 с.
75. А. А. Рабинович. Системы управления автоматических машин, Киев,
«Техника», 1973, 437 с.
76. Расчет заземлителей подстанций по допустимому сопротивлению расте-
кания. — «Электрические станции», 1970, № 2, с. 59—65. Авт.: А. А. Воронина,
Б. Г. Меньшов. Д. В. Розевич, Е. Я. Рябова.
77. Ренне В. Т. Электрические конденсаторы. Л., «Энергия», 1969. 589 с.
78. Санокоев Г. К-» Матьяш Б. А. Исследование смазок для высокоскорост-
ной штамповки. — «Кузнечно-штамповочное производство», 1971, № 8, с. 13—15.
79. Саркисов А. А., Попов И. А., Лукьянов А. А. О механике конденсации
паровых пузырьков в пароводяной смеси при воздействии ударных нагрузок». —
Инженерно-физический журнал, 1972, т. XXII, № 3, с. 429—434.
80. Свердлов В. И. Механизация процессов заливки форм, выбивки и очистки
литья. Л., «Машиностроение», 1969. 102 с.
81. Синицын В. И., Троицкий О. А., Глазунов П. Я. Электропластическая
деформация металла перед хрупким разрушением. —«ДАН СССР», 1971, т. 199,
№ 4, с. 810—813.
82. Сиротии А. А. Автоматическое управление электроприводами. М., «Энер-
гия», 1969. 560 с.
83. Скворцов Г. Д. Основы конструирования штампов для холодной листо-
вой штамповки. М., «Машиностроение», 1972. 359 с.
84. Смирнов В. С. Теория обработки металлов давлением. М. Металлургия,
1973. 496 с.
85. Спицын Б. И., Троицкий О. А., Глазунов П. Я- О радиационно-механиче-
ском эффекте. —«Физика н химия обработки материалов», 1971, №4, с. 130—135.
86. Справочник по технике безопасности, противопожарной технике и про-
изводственной санитарии, т. 1. Л., «Судостроение», 1970. 551 с.
87. Степанов В. Г., Шавров И. А. Импульсная металлообработка в судовом
машиностроении. Л., «Судостроение», 1968. 251 с.
88. Степанов В. Г. Основы технологии развальцовки труб в судовых тепло-
обменных аппаратах. Л., «Судостроение», 1972. 207 с.
315
89. Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением.
М., «Машиностроение», 1971. 424 с.
90. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М. Атомиздат,
1971. 472 с. Авт. : П. Н. Дащук, С. Л. Зайенц, В. С. Комельков и др.
91. Технико-экономические исследования в области новой кузнечно-прессо-
вой техники. Под ред. Н. Т. Деордиева. М., «Машиностроение», 1970. 160 с.
92. Тимошенко В. Н-, Гуляев Б. Б. Выбивка отливок. В кн.: Труды XIII
совещания по теории литейных процессов. Формирование качества поверхности
отливок. М., 1969, с. 161—164.
93. Тонкое измельчение руд электрическими разрядами в жидкости. —
В кн.: Новые физические методы разрушения минеральных сред. М., 1970, с. 302.
Авт.: Г. А. Кассир, В. И. Шперлипг, Е. М. Темников, В. А. Ивашкин.
94. Формирование качества поверхности отливок. Труды XIII совещания
о теории литейных процессов. М., 1969. 196 с.
95. Ходаков Г. С. Физика измельчения. М., «Наука», 1972. 307 с.
96. Цветков А. В., Мазуровский Б. Я. Пресс для электрогидравлической штам-
повки. — «Технология н организация производства», 1972, № 2, с. 44—46.
97. Чачин В. Н., Шарин IO. Е. Критерии эффективности процесса при элек-
трогидравлической штамповке. — «ДАН БССР», 1970, т. XIV, вып. 4, с. 321—324.
98. Чачин В. Н., Шарин Ю. Е. Методика экспериментального определения
КПД перехода ударной волны в работу пластической деформации. — «Известия
АН БССР. Сер. Физико-технические науки», 1970, № 1, с. 16—19.
99. Чертавских А. К-, Белосевич В. К. Трепне и технологическая смазка
при обработке металлов давлением. М., «Металлургия», 1968. 362 с.
100. Чубыкин М. М. Оценка дробящего действия импульсной нагрузки. —
«Научные труды Иркутского научно-исследовательского института редких и цвет-
ных металлов», 1970, вып. 20, с. 23—35.
101. Шамко В. В. О тротиловом эквиваленте мощного подводного искрового
разряда. — «Электронная обработка материалов», 1972, № 5, с. 16—19.
102. Шестопал В. М. Специализация и проектирование литейных цехов и за-
водов. М., «Машиностроение», 1969. 328 с.
103. Шигарев А. С. Электроразрядная обработка конструкционных сталей. —
«Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, № 2, с. 25—28.
104. Шматов В. Т. Описание дислокаций в гидростатически сжатой среде. —•
«Физика металлов и металловедение», 1971, т. 32, вып. 2, с. 227—235.
105. Электрогидравлическая развальцовка труб в трубных решетках тепло-
обменных аппаратов. — «Технология судостроения», 1973, № 8, с. 17—20. Авт.:
Б. Я- Мазуровский, В. С. Козловский, В. В. Буреева и др.
106. Электронные устройства автоматики. М. «Высшая школа», 1970. 496 с.
Авт.: Ю. В. Трунов, Ю. М. Довженко, Б. И. Белов, В. Н. Голубин.
107. Электроразрядная обработка материалов, т. 2. Л. «Машиностроение»,
1971. 206 с. Авт.: Е. М. Левинсон, В. С. Лев, Б. Г. Гуткин и др.
108. Эпштейн Г. Н., Кайбышев О. А. Высокоскоростная деформация и струк-
тура металлов. М., «Металлургия», 1971. 113 с.
109. Юткин Л. А. Электрогидравлическая обработка материалов. — В кн.:
Электроразрядная обработка материалов. М.—Л., 1971, с. 202—225.
ПО. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект, М.—Л., Машгиз, 1955. 50 с.
111. Якобс А. И. Метод расчета сопротивления растеканию сложных за-
землителей с помощью коэффициентов использования. — «Электричество», 1968,
№ 5, с. 38—44.
112. Якобс А. И. Применение многослойных электрических структур земли
к эквивалентным двухслойным при расчете сложных заземлителей. — «Электри-
чество», 1970, № 8, с. 19—22.
ИЗ. Якобс А. И., Коструба С. И., Сутин А. Г. Эксплуатация заземления
сельских электроустановок. М., «Колос», 1969. 171 с.
114. Якушева О. В., Якушев В. В., Дремин А. Н. О возможности протекания
диффузионных процессов в твердых телах за времена ударного сжатия. — «Фи-
зика горения и взрыва», 1971, т. 7, № 2, с. 264—266.
115. Яссневич Г. Н., Королев А. В., Тарский В. Л. Электрогидравлическая
выбивка стержней из отливок — фактор повышения производительностии куль-
316
туры труда литейного производства. — «Литейное машиностроение», 1969, вып. 4,
с. 3—6.
116. Bjorna Leif. Paper Amer. Soc. Meeh. Eng., 1969, N 42, Unt-1, 8 pp. 111.
117. Eiectrodeposited Metals Harvested with Electrohydraulic «Shaker»
Steel. — «The Metalworking Weekly», 1967, 160, N 4, p. 58—59.
118 Electro-hydraulic «forming—«Engineering», January 26, 1968, v. 265,
N 3310, p. 151—153.
119. Grungel G. Zum mechanichen Wirkungrad von Flussikcitfunken «Optik»,
1948, Band 3, Heft 1/r, s. 124—136.
120. Hollingam Jack Electrical method move into a wider world «Metalwor-
king Production», 1970, v. 144, N 14, p. 51—53.
121. Jeungdahl С. K. The Equivalence of Dynamic Loads for Final Deforma-
tion of a Tube — «Proceedings of the First International Conference on Pressure
Vessel Technology» CONF-690906, vol. 1, 1969, p. 89 — 100
122. Jurgen Jablonski. Sodervcrfaliren dec Blechumformung — «Metallverar-
eitung», 1973, N 6, p. 170—173.
123. Kroker H. Bedeutung des Umformmascliineiibaus und seine Enwick-
lung innerhalb der nachsten Jahrc — «Fcrtigungstcchn. und Bctr.», 1973, 23, N 12,
s. 706—708, 1.
124. Machine and Tosl Blue Book 1968, № 11, 2 103—111.
125. Omoti Masami and Inoue Tomoichi. Calculation of Pressure Produced
by Hydro-Spark-Bull — «Japan Soc. of Prec. Engng», 1971, v. 5, N 3, p. 79—80.
126. On the economic of offshore mining. — «Holland Shipbuild», 1971, v. 20,
N 8, p. 61—68.
127. Van Cleave David, Reid Marvin. High energy foming techniques improve
parts at reduced costs — «Pros Eng.», 1970 v. 41, N 27, p. 25—26.
128. Sasamannhausen G. Technische Probleme der Nutzung der marinen La-
gerstatten. lnterocean-70,. Int. Kongr. Ausstell. Mccresforsch. und Meeresnutz,
1970, Diiseldorf, Bd, 1, Obcrsichtsref. Diisseldorf, 1970. 284 s.
129. Sonic energy makes impssible shapes, profiles for new company. — «West.
Mach, and World», 1971, v. 61, N 12, p. 10-13.
130. Kronenberg M. Elektrische Mctallcarbcitung 4 Toil — «TZ pract Metall-
bearb», 1966. Jg 60H12, S 57—74
131. Electrohudraulic metal working — «Tooling and Production», 1968,34,
N 5, p. 65—68.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Раздел I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБОРУДОВАНИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Глава I. Электрогидравлический эффект 5
1. Общие сведения.......................... • 5
2. Формирование токопроводящего канала, замыкающего разрядный
межэлектродный промежуток....................................... 7
3. Электрические характеристики капала разряда при высоковольт-
ном разряде в воде ............................................ 14
4. Гидродинамические поля в ближней зоне разряда 21
5. Общая схема расчетов узла преобразования энергии ........... 26
Глава II. Особенности электроимпульсных процессов обработки мате-
риалов .......................................................... 32
1. Электрогидравлический эффект и его место в электрофизических
способах обработки материалов ................................. 32
2. Особенности использования электрогидравлического эффекта для
обработки материалов давлением................................. 33
3. Технологические возможности электрогидравлического эффекта
для разрушения материалов ..................................... 37
• Раздел II
ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ очистки отливок
Глава III. Технология и современное оборудование для очистки отливок 44
1. Современное оборудование для очистки отливок................ 44
2. Сущность технологического процесса электрогидравлической
очистки отливок ............................................... 47
3. Основные типы установок и их параметры...................... 49
4. Выбор типа установок........................................ 52
5. Основные направления развития электрогидравлических установок 53
Глава IV. Конструктивные схемы установок н их элементов .... 55
1. Тупиковые установки периодического действия................. 55
2. Проходные установки периодического действия ................ 60
3. Конвейерные установки .................................... 61
4. Специальные установки ...................................... 66
5. Конструкции механизмов и узлов установок ................... 68
Глава V. Монтаж, наладка и эксплуатация установок ................. 75
1. Размещение установок в цехе ................................ 75
2. Фундаменты установок...................................- • 76
3. Монтаж установок............................................ 78
318
4. Техника безопасности при производстве монтажных работ ... 81
5. Испытание установок ........................................ 82
6. Разработка технологических процессов и рекомендации но выбору
схем обработки................................................... 83
7. Организация рабочего места оператора. Обязанности и обучение
обслуживающего персонала .................................. 89
8. Периодичность ремонтов и профилактика установок ............. 92
9. Условия безопасной работы на установках ... 95
Раздел III
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Глава VI. Технология и современное оборудование .... 98
1. Особенности технологии высокоскоростного деформирования ме-
таллов и сплавов................................................. 98
2. Сущность технологического процесса электрогидравлической об-
работки металлов давлением ..................................... 102
3. Назначение, классификация и основные характеристики обору-
дования ........................................................ 105
4. Выбор типа оборудования .................................... ПО
5. Перспективы развития технологии электрогидравлииескон обра-
ботки металлов давлением ....................................... 112
G. Оценка экономической эффективности.......................... 114
Глава VII. Оборудование для обработки металлов давлением .......... 116
1. Особенности конструкций электрогидравлического оборудования
для обработки металлов давлением ............................. 116
2. Установки для штамповки и калибровки крупногабаритных
деталей ....................................................... 118
3. Прессы малых энергий ...... 122
4. Установки для крепления труб в трубных решетках теплообмен-
ных аппаратов ................................................. 125
5. Разрядные камеры .................... . . 128
6. Электроды и пути повышения их стойкости 131
7. Устройства для прижима оснастки и заготовок 135
8. Механизмы перемещения .................... . 136
9. Гидравлические системы .................................... 141
10. Устройства, обеспечивающие безопасность работы ............ 145
11. Пути совершенствования конструкций электрогидравлического
оборудования ................................................... 147
Глава VIII. Технологическая оснастка . . ........ 151
1. Основные правила проектирования технологической оснастки 151
2. Технологическая оснастка для листовой штамповки крупногаба-
ритных деталей ................................................ 153
3. Технологическая оснастка для вытяжки и листовой чеканки 155
4. Технологическая оснастка для формовки и калибровки деталей из
трубчатых заготовок............................................. 158
5. Технологическая оснастка для вырубки и пробивки............. 162
6. Патроны для крепления труб ................................. 165
7. Пути повышения стойкости технологической оснастки .......... 167
Глава IX. Особенности эксплуатации оборудования для обработки
металлов давлением ................................................. 169
1. Общие требования к помещениям, расположению и монтажу обору-
дования ........................................................ 169
319
2. Организация рабочего места оператора. Обязанности обслуживаю-
щего персонала ............................................... 172
3. Испытания оборудования, технологической оснастки и отработка
технологии ................................................... 173
4. Условия безопасной работы .................................. 17G
Раздел IV
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Глава X. Назначение и устройство генераторов импульсных токов 178
1. Блок-схема генератора.................................. 178
2. Схемы и элементы зарядного устройства ...................... 181
3. Схемы и элементы устройств преобразования энергии ........ 188
4. Высоковольтные импульсные конденсаторы ............ 194
5. Устройство и принцип действия высоковольтных коммутаторов 198
6. Линин передачи энергии и элементы защиты генераторов - . . 203
7. Конструкции генераторов импульсных токов ............ 204
Глава XI. Эксплуатация и обслуживание генераторов импульсных токов 213
1. Размещение генераторов в установках ........................ 213
2. Регулировка, настройка и обслуживание генераторов в процессе
эксплуатации .................................................. 214
3. Заземляющие контуры и экраны................................ 216
4. Элементы защиты от перенапряжений и токов короткого замыкания 221
5. Техника безопасности при обслуживании н эксплуатации генера-
торов ......................................................... 224
Глава XII. Управление и автоматическое регулирование электрогидрав-
лических установок...................................... 227
1. Типовые электрические схемы управления ......... ... 227
2. Системы программного регулирования режимов работы .... 239
3. Следящие системы автоматического регулирования........ 243
Раздел V
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Глава XIII. Силовые импульсные системы—средство эффективного пре-
образования энергии............................................. 249
1. Определяющая роль исполнительных органов в обеспечении техно-
логических процессов ....................................... 249
2. Электродные системы ..................................... 250
3. Пути повышения эффективности преобразования энергии - 264
4. Системы инициирования разряда ..................... 266
5. Перспективы развития силовых импульсных систем ........... 269
Глава XIV. Перспективы применения электрогидравлического эффекта
в технологических процессах .......................... 285
1 Процессы разрушения ..................................... 285
2. Виброимпульсная интенсификация различных технологических
процессов.................................................... 292
3. Особенности разработки новых технологических процессов с ис-
пользованием электрогидравлического эффекта ................. 297
4. Прогнозы дальнейшего применения электрогидравлического эф-
фекта ....................................................... 298
Сп и с о к литер ату р ы ........................................ 312
320