Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Анализ технологий ремонта деталей сельскохозяйственной техники методами электродуговой сварки и наплавки 9
1.2 Анализ оборудования для реализации технологий восстановления деталей сельскохозяйственной техники 22
1.3 Анализ основных параметров схем выпрямления 35
1.4 Анализ процессов горения дуги и методов повышения ее технологических свойств 49
1.5 Выводы 61
2 Разработка принципиальной схемы сварочного выпрямителя и теоретический анализ ее основных параметров 63
2.1 Разработка принципиальной схемы выпрямителя 63
2.2 Определение основных параметров схемы выпрямления 72
2.2.1 Режим работы при включении трансформаторов Т1, Т2 на линейные напряжения 72
2.2.2 Режим работы при включении трансформаторов Т1, Т2 на фазные напряжения 80
2.2.3 Режим работы при включении трансформатора Т1 на фазное, аТ2 на линейное напряжение 87
2.3 Выводы 96
3 Экспериментальные исследования сварочного выпрямителя 97
3.1 Цель и основные задачи экспериментальных исследований.. 97
3.2 Разработка стенда и выбор средств аппаратно-программного обеспечения 97
3.3 Результаты экспериментальных исследований в статических режимах 101
3.4 Экспериментальная оценка качества и стабильности процесса сварки 109
3.5 Результаты экспериментальных исследований динамических режимов выпрямителя 117
3.6 Исследование влияния сварочного оборудование на отклонение напряжения трехфазной сети 0,4 кВ 122
3.7 Выводы 127
4 Моделирование процессов в сварочных выпрямителях 128
4.1 Выбор среды математического моделирования 128
4.2 Задание параметров модели 129
4.3 Моделирование режимов работы выпрямителя 136
4.4 Выводы 146
5 Экономическая эффективность сварочного выпрямителя 148
5.1 Расчет капитальных вложений 148
5.2 Комплексная оценка качества разработанного устройства... 149
5.3 Формирование цены на разработанное устройство 154
5.4 Расчет основных экономических показателей 155
Основные выводы по работе 159
Литература 161
Приложения 173
- Анализ оборудования для реализации технологий восстановления деталей сельскохозяйственной техники
- Режим работы при включении трансформаторов Т1, Т2 на линейные напряжения
- Разработка стенда и выбор средств аппаратно-программного обеспечения
- Моделирование режимов работы выпрямителя
Введение к работе
Актуальность работы. Современное сельскохозяйственное производство России находится в стадии становления новых форм ведения хозяйства Появляются мелкие частные производители сельскохозяйственной продукции, которые арендуют небольшие площади посевных земель и имеют в собственности минимальное количество сельскохозяйственной техники Скоротечность и сезонность работ заставляют производителей проводить ремонт техники децентрализовано, своими силами Экономически целесообразно восстанавливать 70 % деталей сельскохозяйственной техники при условии наличия соответствующих технологий и оборудования Большинство технологических операций по ремонту сельскохозяйственной техники, и особенно навесного и прицепного оборудования, связано с применением методов восстановления и ремонта с помощью дуговой сварки, использование которой ограничено отсутствием надежных и экономичных источников питания сварочной дуги
Анализ парка сварочного оборудования в фермерских хозяйствах Ставропольского края показывает, что в большинстве своем используются однофазные источники сварочного тока для сварки штучными электродами на переменном токе Несмотря на наличие большой номенклатуры сварочных электродов, данный вид сварки имеет низкую производительность, а источники — низкий КПД и коэффициент мощности, что в конечном итоге негативно влияет на показатели качества электроэнергии сельскохозяйственных сетей Трехфазные источники предполагают наличие трехфазных питающих сетей, имеют повышенные массогабаритные показатели, требовательны в обслуживании, настройке и ремонте
Таким образом, недостаточное наличие источников сварочного тока с высокими энергетическими и эксплуатационными показателями для технологий ремонта и восстановления сельскохозяйственной техники приводит к повышенным затратам на восстановление оборудования
Целью диссертационной работы является повышение энергетических и эксплуатационных показателей сварочного выпрямителя при сохранении качества сварочного процесса для технологий ремонта деталей сельскохозяйственной техники путем использования фазового метода формирования выпрямленного напряжения
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:
— провести анализ оборудования для технологий ремонта и восстановления деталей сельскохозяйственной техники электродуго-
вой сваркой и наплавкой и определить требования к сварочному выпрямителю,
разработать принципиальную схему сварочного выпрямителя, провести теоретический анализ ее основных параметров, разработать методику расчета и проектирования,
провести лабораторные исследования и производственные испытания разработанного выпрямителя и получить основные характеристики в различных режимах работы, оценить показатели качества и стабильности процесса сварки на основе методов математической статистики, проверить соответствие экспериментально определенных коэффициентов схемы их теоретическим значениям,
разработать имитационную модель источника для исследования режимов работы сварочного выпрямителя и оптимизации его параметров в статических и динамических режимах,
выполнить технико-экономическое обоснование эффективности разработки
Объектом исследования является источник сварочного тока в сети соизмеримой мощности
Предметом исследования являются статические и динамические процессы в системе «питающая сеть — сварочный выпрямитель — электрическая дуга»
Методы исследования базируются на теории электрических цепей, теории сварочных процессов, методах математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики Экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного стенда, современных информационных технологий и оборудования для регистрации и обработки данных
Научная новизна работы заключается в следующем
на основе фазового способа формирования выпрямленного напряжения получена принципиальная схема двухтрансформатор-ного источника сварочного тока,
разработана методика расчета и проектирования основных параметров сварочного выпрямителя по схеме двухтрансформаторно-го источника,
разработана имитационная модель для исследования режимов работы сварочного выпрямителя и оптимизации его параметров в статических и динамических режимах,
определены количественные показатели качества и стабильности процесса сварки для разработанного выпрямителя, которые соответствуют лучшим из известных промышленных образцов
Практическая значимость результатов работы:
полученные постоянные коэффициенты, характеризующие двух-трансформаторную схему выпрямления, позволяют провести инженерный расчет и выбор элементов предлагаемого сварочного выпрямителя,
имитационная модель позволяет исследовать влияние параметров различных элементов разработанной схемы выпрямления, а также параметров питающей сети на течение сварочного процесса,
разработанная принципиальная электрическая схема выпрямителя позволяет снизить массогабаритные показатели сварочного оборудования в 2 3 раза и улучшить комплексный показатель качества проектируемого источника в 1,13 раза по сравнению с ближайшими аналогами
На защиту выносятся следующие положения:
методика расчета и проектирования сварочного выпрямителя и его основных элементов, основанная на использовании постоянных для разработанной схемы коэффициентов,
имитационная модель сварочного выпрямителя и результаты моделирования,
результаты экспериментальных исследований разработанного сварочного выпрямителя для основных режимов его функционирования,
новое схемотехническое решение сварочного выпрямителя с улучшенными массогабаритными показателями, защищенное патентом РФ на изобретение № RU2688102, МПК В23К 9/10
Реализация и внедрение результатов работы.
По результатам исследований на предприятии ООО «Линкор» (г Ставрополь) освоено серийное производство сварочных выпрямителей в составе полуавтоматов «ПДГ—193» и «ПДГ—303», которые используются на предприятиях АПК в процессах ремонта деталей сельскохозяйственной техники Внедрение пятнадцати полуавтоматов в ОАО «Сельхозтехника» (г Павлово, Нижегородская область) показало высокую эффективность их работы Методика расчета и математическая модель применяются в разработках сварочного оборудования ООО «Линкор», используются в учебном процессе на факультете электрификации сельского хозяйства СтГАУ по дисциплине «Электрические машины» Образцы сварочного оборудования экспонировались на международных выставках «Нижегородская сварка» (г Нижний Новгород, 1998-2003 гг) и «Сварка» (г С -Петербург, 1998-2003 гг ) в составе экспозиции ООО «Линкор» и отмечены рядом почетных грамот и дипломов
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях СтГАУ (1997—2006 гг.), Краснодарского высшего военного авиационного училища летчиков {2005 г.), Азово-Чериоморской государственной агро-инженерной академии, г. Зерноград (2000-2004 гг.), Ставропольского технологического института сервиса (2003 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы И работ, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 108 наименований, и приложения. Общий объем диссертации составляет 195 страниц машинописного текста, включая 81 рисунок, 2! таблицу, 23 страницы приложения.
Анализ оборудования для реализации технологий восстановления деталей сельскохозяйственной техники
Дуговая наплавка в среде защитных газов - наиболее простой метод восстановления изношенных деталей [101, 102, 103]. Установка для наплавки плавящимся электродом состоит из механизма подачи проволоки в зону сварки со сварочной головкой и запасом проволоки, источника питания дуги и газовой аппаратуры, обеспечивающей подачу защитного газа к месту наплавки, рисунок 1.2.
Наплавка происходит следующим образом - углекислый газ из баллона 3 через электрический подогреватель 4, осушитель газа 5 и газовый редуктор 6 направляется в зону горения дуги. Для формирования газовой струи используется газовая насадка, закрепленная на горелке 10. Струя охлаждающейся жидкости по каналу 11 подводится к наплавляемой детали 12 вне зоны горения дуги. В качестве источника питания дуги используются трансформатор 1 с жесткой внешней характеристикой и выпрямитель 2. Дроссель 14 необходим для ограничения скорости нарастания токов короткого замыкания, что повышает устойчивость сварочного процесса и уменьшает разбрызгивание металла сварочной ванны.
Важнейшим преимуществом дуговой наплавки в среде углекислого газа является высокая стойкость наплавленного металла против образования трещин. Даже при наплавке высоколегированными электродными проволоками (например, Х20Н10Г6, 2X13 и др.) можно исключить образование трещин путем выбора оптимальных значений погонной энергии и охлаждающего действия жидкости [57, 72, 73, 74].
На данный момент разработано множество универсальных и специализированных аппаратов для дуговой сварки и наплавки плавящимся электродом. Независимо от производителя и технологических особенностей они содержат в той или иной компоновке все или некоторые из перечисленных выше элементов и устройств. Рассмотрим их характерные особенности и принципы действия основные.
Сварочные горелки (головки) - предназначены для подвода к месту сварки, наплавки электродной проволоки, тока и защитного газа. Сварочная горелка - сменный инструмент, конфигурация, размеры и устройство которого должны соответствовать типоразмеру наплавляемого изделия. При сварке в защитных газах на токах до 500 А обычно применяют горелки без охлаждения (рисунок 1.3), при сварке на больших токах - горелки с водяным охлаждением.
Для получения стабильного процесса и небольшого разбрызгивания необходимо обеспечить постоянство вылета электрода и исключить прихватывание проволоки к токоподводу. Для поддержания постоянного вылета электрода необходимо обеспечить контакт проволоки с токоподводом в одном месте. Этого достигают за счет пружинящих свойств самой проволоки и конструкцией токоподвода.
Изготовление токоподводов по технологии порошковой металур-гии позволяет значительно повысить износостойкость и дугостоикость данного узла, это позволяет снизить потери металла на разбрызгивание и угар.
Надежность газовой защиты в значительной степени определяется конструкцией горелки. Струя газа должна истекать из сопла сплошным равномерным потоком. Для этого в горелке отверстия для выхода газа в сопло располагают равномерно по окружности перпендикулярно к оси горелки. Металлические сопла горелок изолируют от токоведущих частей. Подающий механизм - основной узел сварочной головки. Современные подающие механизмы два или более подающих роликов. Усилие подачи зависит от прижимающего усилия п, мощности привода, конструкции роликов, шероховатости поверхности. Для электродных проволок диаметром 0 0,5... 1,2 мм как правило применяют двух-роликовый механизм с гладкой канавкой ведущего ролика, (рисунок 1.4) или без канавки но с тупой насечкой на ведущем ролике, который позволяет получать усилие подачи до 30...60 кГс [65, 68, 71, 101].
В аппаратах для сварки проволоками диаметром свыше 0 1,2 мм используют механизм подачи с двумя парами роликов. При необходимости больших усилий необходимо применять ролики канавки, которых имеют насечку. Но при этом на проволоке появляются заусенцы, сокращающие срок службы подающих каналов и токоподводов.
Порошковые проволоки не допускают больших усилий сжатия и требуют применения механизма подачи с большим углом обхвата с двумя парами роликов, все ролики сделаны ведущими. Для предупре ждения смещения и сминания проволоки перед роликами и после них устанавливают направляющие трубки, которые располагают как можно ближе к роликам на одной линии, перпендикулярной к оси вращения роликов и касательной к окружности одного из роликов.
Привод системы подачи совместно с источником питания определяет стабильность параметров режима сварки. Аппаратура управления приводом должна надежно функционировать в условиях помех, создаваемых сварочным процессом. В качестве двигателей подающих механизмов применяют машины постоянного тока и асинхронные ко-роткозамкнутые двигатели. Для машин постоянного тока в настоящее время наиболее распространен тиристорный привод. Для регулирования скорости вращения якоря двигателя используется принцип фазового управления тиристорами. Для получения более широкого диапазона регулирования частоты вращения и точности ее поддержания используют более сложные схемы транзисторных приводов, использующих принцип ши-ротно-импульсной модуляции ШИМ. Отечественной промышленностью освоено производство комплектных тиристорных и транзисторных приводов, которые позволяют получить кратность регулирования частоты вращения до 10000 и более [2, 79, 80].
Асинхронные двигатели наиболее распространены в сварочных установках вследствие сравнительно низкой стоимости и высокой надежности. Однако до недавнего времени данный привод использовался в системах с механическим ступенчатым переключением скорости привода. В последние годы при совершенствовании микроэлектронной и силовой полупроводниковой техники все шире применяют схемы частотного управления асинхронным электроприводом [2, 41, 42, 79, 80]. При этом наметились два основных направления: амплитудно-частотное регулирование (АЧР) и частотно-токовое регулирование (ЧТР).
Режим работы при включении трансформаторов Т1, Т2 на линейные напряжения
Для схемы приведенной на рисунке 2.1 определим среднее значение выпрямленного напряжения Ud. Сдвиг фаз выпрямленных напряжений составляет я/2. Определим пределы интегрирования функций напряжений, рисунок 2.12. Мгновенные значения напряжений образующие выпрямленное напряжение описываются следующими уравнениями 1. В результате анализа токов, напряжений и мощностей в различных элементах схемы выпрямления получены постоянные соотношения, которые позволяют определить количество витков и сечения обмоток трансформаторов, оценить габаритную мощность выпрямителя, выбрать вентили по классу тока и напряжения 2.
С учетом уменьшения числа фаз выпрямления по сравнению со схемой Ларионова для изготовления первичной обмотки трансформатора требуется на 15% меньше меди. 3. Падения напряжения и потери мощности в вентилях по сравнению со схемой Ларионова уменьшаются за счет уменьшение количества вентилей и исключения их последовательного включения. 4. По значению коэффициента пульсаций данный выпрямитель занимает промежуточное положение между однофазными и трехфазными схемами выпрямления. Отсутствие нулевых значений в выпрямленном напряжении по сравнения с однофазными схемами повышает стабильность горения сварочной дуги и снижает индуктивность сглаживающего дросселя, уменьшая его габариты и массу. По сравнению с трехфазными схемами выпрямления рассматриваемый выпрямитель имеет меньшую стоимость из за использования двух однофазных силовых трансформаторов и четырех вентилей. Исследования разработанного сварочного выпрямителя проводились на кафедре электрических машин СтГАУ, ОАО «Линкор» и ОАО «Сельхозтехника» г. Павлово. Основной целью экспериментальных исследований является подтверждение полученных теоретических результатов.
Более конкретными задачами ставилось: - проверить работоспособность схемы выпрямления; - проверить пригодность основных расчетных зависимостей к практическому использованию; - снять основные характеристики выпрямителя в различных режимах работы; - получить статистические показатели качества и стабильности процесса сварки. - оценить влияние выпрямителя на сельскохозяйственные сети малой мощности
Разработка стенда и выбор средств аппаратно-программного обеспечения
Для исследования сварочного выпрямителя в статических и динамических режимах разработан и изготовлен специальный стенд, который состоит из исследуемого источника, измерительных приборов, регулируемой активной нагрузки, привода подающего механизма и газовой аппаратуры. Внешний вид стенда изображен на рисунке 3.1. Схема электрическая принципиальная стенда приведена на рисунке 3.2. Первичные обмотки трансформаторов подключаются к трехфазной сети через комплект измерительных приборов К505 и пакетные переключатели SA1, SA2 с помощью которых на выходе сварочного выпрямителя получается девять значений напряжения. В качестве выпрямителей применены управляемые вентили VS1-VS4, которые коммутируются К1.2 по сигналу от схемы привода подающего механизма (рисунок 3.2) или вручную посредством переключателя SB1. Регулируемая активная нагрузка R„ и приборы PV, РА позволяют исследовать статические внешние характеристики выпрямителя. Регистрацию динамических характеристик производили с помощью платы АЦП L-264. Канал сварочного напряжения подключается к точкам 1, 2, а канал сварочного тока к точкам 2, 3. Регистрация первичных токов проводилась с помощью трехфазного трансформатора тока И508 из комплекта К505, (4-7, 5-7, 6-7). Фазные напряжения регистрировались с помощью однофазных трансформаторов ОСМ-0,16 кВА, (8-Ю, 9-Ю, 11-10). Для уменьшения нелинейности использовались обмотки на 380 В. Регистрация токов в ветвях вторичных обмоток трансформаторов проводилась с использованием шунтов RS2-RS7 типа 75ШСМОМЗ 200A-75mV.
При регистрации сварочного напряжения применялись делители напряжения И22.727.011-7, входная емкость Свх 15пФ, коэффициент деления 1:10, входное сопротивление RBX 10MOM. Измерение тока сварочной дуги проводились с помощью шунта 75ШСМОМЗ 300A-75mV. АЦП L-264, является быстродействующим и надежным устройством для ввода и обработки аналоговой и цифровой информации в комплекте с персональным компьютером [81, 97]. АЦП L-264 имеет следующие технические характеристики, таблица 3.1. Программное обеспечение для платы L-264 состоит из программы GeMiS Осциллоскоп и GeMiS Win. GeMiS Осциллоскоп - обеспечивает непрерывную регистрацию сигналов с помощью АЦП, отображение формы и спектра сигналов на экране компьютера в реальном времени, сохранение зарегистрированных данных в файл. GeMiS Win - позволяет отображать зарегистрированные с помощью GeMiS Осциллоскоп массивы отчетов в виде графиков, проводить обработку исходных данных во временной или частотной областях, фильтрацию, сглаживание и другие функции, а также выполнять экспорт файлов в текстовый формат ASCII для дальнейшей обработки другими программами [35, 81].
Моделирование режимов работы выпрямителя
Согласно таблице 4.1 выпрямитель работает в трех характерных режимах, напряжение холостого хода которых последовательно уменьшается с дискретностью в 4з раз, рисунки 4.5, 4.6, 4.7. Форма напряжения холостого хода соответствует осциллограммам полученным в ходе аналитических и экспериментальных исследований, глава 2, глава 3. В режимах 1 и 3 напряжение выпрямителя состоит из двух полуволн отличающихся в 4з раз и сдвинутых друг относительно друга на ЇЇ/2. В режиме 2 полуволны одинаковы по величине и сдвинуты на ЇЇ/З. Данная форма выпрямленного напряжения повышает напряжение повторного зажигания и улучшает процесс горения сварочной дуги.
Среднее значение выпрямленного напряжения определяется количеством витков обмоток трансформаторов Т1 и Т2. Задача оптимизации линейного дросселя сварочного выпрямителя является основополагающей для получения устойчивого сварочного процесса. При ее решении необходимо контролировать непрерывность сварочного тока и скорость нарастания токов короткого замыкания. Первый параметр определяет фильтрующие свойства дросселя, а второй динамические параметры выпрямителя в целом. Увеличение индуктивности: уменьшает скорость нарастания тока коротко -138 го замыкания, т.е. увеличивается постоянная времени выпрямителя, ухудшает процесс повторного зажигания дуги, затягивает процесс разрыва перемычки расплавленного метала, увеличивает время перехода капли расплавленного металла с конца электрода в сварочную ванну, что в конечном итоге приведет к укрупнению капель металла и увеличению разбрызгивания. Чрезмерное уменьшение индуктивности может привести в появлению прерывистого тока, что недопустимо для течения качественного дугового процесса. На рисунке 4.8 изображены осциллограммы тока и напряжения при варьировании индуктивности от 0,25 мГн до 2 мГн. Исследуем на имитационной модели влияние формы выпрямленного напряжения на величину индуктивности сглаживающего дросселя. Для сравнения промоделируем одновременно работу разработайного и однофазного выпрямителя, рисунок 4.9, причем параметры сварочного контура в обеих моделях одинаковы. Результаты моделирования приведены на рисунке 4.10. Анализ рисунка 4.10 показывает, что однофазный выпрямитель при индуктивности линейного дросселя Ld =0,5мГп имеет значительные провалы в кривых сварочного напряжения, а в кривых тока провалы достигают нулевых значений, следовательно, наблюдается режим прерывистого тока, в котором нормальное течение сварочного процесса невозможно. С помощью варьирования индуктивности L12 модели однофазного выпрямителя установлено, что для обеспечения непрерывности сварочного тока необходимо увеличить индуктивность линейного дросселя на 40...50% по сравнению с разработанным выпрямителем.
