Навігація
Посилання


Збірник наукових праць

59. Н.В. Смирнова, В.В. Смирнов Определение параметров вольт-амперной характеристики дуги при изменении величины межэлектродного промежутка


Н.В. Смирнова, канд. техн. наук, В.В. Смирнов, доц., канд. техн. Наук Кировоградский национальный технический университет Определение параметров вольт-амперной характеристики дуги при изменении величины межэлектродного промежутка

Приводится описание определения параметров вольт-амперной характеристики дуги при перемещении электрода-инструмента в процессе размерной обработки деталей электрической дугой. Параметры определяются путем проведения измерений и вычисления экстремума выборочного коэффициента взаимной корреляции между током и напряжением дуги в межэлектродном промежутке

вольт-амперная характеристика, рабочая точка, коэффициент нелинейности, электрическая дуга

Размерная обработка дугой (РОД) является процессом, основанным на использовании электрической дуги, в котором обработка деталей осуществляется в поперечном потоке жидкости – диэлектрика [1].

Стабильность рабочего тока дуги является одним из основных показателей качества обработки, поскольку превышение величины заданного тока приводит к увеличению диаметра эрозионных лунок, что снижает класс чистоты обработки детали. Стабильность тока дуги может быть обеспечена постоянством величины межэлектродного промежутка (МЭП) при условии, что рабочая точка дуги находится в середине динамической вольт-амперной характеристики (ВАХ) дуги.

Анализ исследований и публикаций. Исследования ученых института Патона показали, что условие устойчивого горения дуги выполняется, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях тока Iд и напряжения дуги Uд [2]. Установившийся режим работы системы электрическая дуга - источник питания дуги определяется точкой пересечения внешней ВАХ источника питания дуги и ВАХ дуги. Дуга будет гореть устойчиво в той точке, для которой разность производных функций характеристики дуги и источника питания будет положительной. Коэффициент устойчивости ky определяется выражением:

В работе [2] сделан вывод, что для выполнения условия устойчивого горения дуги необходимо, чтобы внешняя характеристика источника питания дуги в рабочей точке имела большую крутизну, чем статическая характеристика дуги. Однако, при перемещении электрода-инструмента происходит изменение тока дуги, вызванное изменением положения рабочей точки дуги на ее ВАХ.

Цель статьи. С целью обеспечения стабильности тока дуги в процессе РОД необходимо определить оптимальные параметры рабочей точки дуги на ее ВАХ и поддерживать их стабильность в процессе обработки. Для решения этой задачи необходимо определить параметры ВАХ дуги путем установления взаимозависимости между током Iд и напряжением дуги Uд при перемещении электрода-инструмента в пределах рабочей области МЭП.

Основная часть. Определение параметров вольт-амперной характеристики дуги осуществлялось на основании измерений тока Iд и напряжения дуги Uд и выборочного коэффициента взаимной корреляции R в процессе перемещении электрода-инструмента от минимального значения (короткое замыкание) до максимального (обрыв дуги) следующим образом:

На станке РОД модели “Дуга-8М” с помощью цифрового запоминающего осциллографа “Rigol 1052E” были записаны осциллограммы сигналов тока и напряжения дуги в процессе обработки дета

ли в режимах короткого замыкания, обработки детали, обрыва дуги.

На осциллограммах с помощью программы “Signal Explorer” [3] проводились измерения мгновенных значений сигналов тока Iд и напряжения дуги Uд. Были определены взаимные коэффициенты изменения значений тока Iд и напряжения дуги Uд, необходимые для построения характеристики дуги при изменении величины МЭП. Значение коэффициента нелинейности ks определяется выражением:

где, - отношение значений напряжения Uд и тока дуги Iд измеренных в момент времени t1 к значениям напряжения Uд и тока дуги Iд измеренных в момент времени t2.

Измерения значений сигналов тока Iд и напряжения дуги Uд, проводились в точке осциллограммы, соответствующей экстремуму выборочного коэффициента корреляции R ® 1 и в точках осциллограммы вблизи участков, соответствующих началу развития процесса обрыва дуги или короткого замыкания при R ® 0.

Выборочный коэффициент взаимной корреляции R между сигналами тока и напряжения дуги определялся в соответствии с выражением:

В соответствии с выражением (2), изменение напряжения дуги Uд на величину ΔU приводит к пропорциональному изменению тока дуги на величину ΔI, то есть будет соблюдаться равенство: ku = kI и ks = 1. Отсюда следует, что всякое нарушение этой пропорциональной зависимости является нарушением линейности ВАХ дуги. То есть, неравенство: ks < 1 соответствует области изгиба характеристики при минимальном токе дуги и началу развития процесса обрыва дуги, а неравенство: ks > 1 соответствует области изгиба характеристики на участке, формируемом внешней ВАХ источника питания при максимальном токе дуги и началу развития процесса короткого замыкания.

Равенство ks = 1 соответствует линейной части ВАХ в окрестностях рабочей точки дуги и экстремуму выборочного коэффициента корреляции R.

На рис. 1 и таблице 1 представлены результаты измерений тока Iд и напряжения дуги Uд, а также выборочного коэффициента R корреляции на временном интервале t1-t2 для определения коэффициента нелинейности характеристики дуги ks в процессе развития обрыва дуги. Поскольку ток Iд и напряжение дуги Uд при падающей внешней ВАХ источника питания дуги имеют обратно-пропорциональную зависимость, то значение выборочного коэффициента R корреляции имеет отрицательный знак.

Рисунок 1 - Измерения Iд, Uд и R на временном интервале t1-t2 в процессе развития процесса обрыва дуги

Таблица 1 - Результаты измерений значений Iд, Uд и R на временном интервале t1-t2 в процессе развития обрыва дуги

Коэффициент нелинейности ВАХ дуги ks составляет: ks = 0,64, то есть ks < 1. Значение коэффициента ks, а так же значения тока Iд и напряжения дуги Uд свидетельствует о нарушении режима горения дуги и начале развития процесса обрыва дуги.

На рис. 2 и таблице 2 представлены результаты измерений Iд, Uд и R на временном интервале t1-t2 для определения коэффициента нелинейности характеристики дуги ks в процессе развития короткого замыкания.

Рисунок 2 - Измерения Iд, Uд и R на временном интервале t1-t2 в процессе развития короткого замыкания

Таблица 2 - Результаты измерений Iд, Uд и R на временном интервале t1-t2 в процессе развития короткого замыкания

Коэффициент нелинейности характеристики дуги ks составляет: ks = 1.25 то есть ks > 1. Значение коэффициента ks, а так же значения тока Iд и напряжения дуги Uд соответствует изгибу характеристики дуги на участке, формируемом внешней ВАХ источника питания дуги и началу развития процесса обрыва дуги.

На рис. 3 и таблице 3 представлены результаты измерений Iд, Uд и R на временном интервале t1-t2 для определения закономерности изменения значения выборочного коэффициента взаимной корреляции R от величины МЭП.

Измерения осуществлялись на временном интервале t1-t2 на протяжении которого выборочный коэффициент корреляции R изменялся от экстремума до минимального значения. Область наблюдения ограничивалась минимальным значением напряжения горения дуги Uд_мин = 15В, при уменьшении которого развивается процесс кроткого замыкания и максимальным значением Uд_мах = 30В, при увеличении которого развивается процесс обрыва дуги.

Рисунок 3 - Значения выборочного коэффициента корреляции R для двух независимых выборок тока Iд и напряжения дуги Uд

Таблица 3 - Значения выборочного коэффициента корреляции R для двух

независимых выборок тока Iд и напряжения дуги Uд

Коэффициент нелинейности характеристики дуги ks составляет 0.96≈1. В области наблюдения на интервале t1-t2 значение выборочного коэффициента корреляции изменялось от экстремума до минимального значения. При изменении значений тока Iд и напряжения дуги Uд отмечен линейный участок ВАХ дуги с коэффициентом ks ≈ 1. Из этого следует, что момент времени t1, при достижении экстремума выборочного коэффициента корреляции R рабочая точка дуги Uд_рт находится в середине линейного участка динамической ВАХ дуги. В момент времени t2 происходит уменьшение значения выборочного коэффициента корреляции до R = 0, что соответствует стабильному режиму горения дуги, неподвижному состоянию электрода-инструмента и отсутствию изменений величины МЭП.

На основании результатов измерений и установленных зависимостей (табл. 1-3) был построен график ВАХ дуги, которая формируется при изменении величины МЭП от минимального до максимального значения (50-250 мкм) при токе дуги Iд = 100А с использованием электрода-инструмента из графита (рис. 4).

Рисунок 4 - Зависимость тока Iд и напряжения дуги Uд от величины МЭП

На графике (рис. 4) показано, что режиму обрыва дуги предшествует участок характеристики, в котором напряжение горения дуги Uд имеет максимально допустимое значение Uдmax, при увеличении которого происходит обрыв дуги.

Участку рабочего режима и оптимального положения рабочей точки дуги Uд_рт соответствует участок характеристики, в котором напряжение горения дуги в рабочей точке Uд_рт имеет номинальное значение.

Участку короткого замыкания дуги предшествует участок характеристики, в котором напряжение горения дуги в рабочей точке Uд имеет минимально допустимое значение Uдmin, при уменьшении которого происходит короткое замыкание.

Выводы. Установленные зависимости показали, что на формирование S-образной ВАХ дуги при изменении величины МЭП оказывают влияние два фактора:

С одной стороны изгиб характеристики обусловлен неустойчивым участком ВАХ при малых токах дуги.

С другой стороны изгиб характеристики обусловлен падающей ВАХ источника питания при больших токах дуги.

Таким образом, установлено, что ВАХ дуги имеет вид S-образной кривой при изменении МЭП от минимального до максимального значения при использовании источника питания с падающей внешней характеристикой, а сигналы тока Iд и напряжения дуги Uд связаны взаимной корреляционной зависимостью в окрестностях рабочей точки дуги.

Из этого следует, что для стабилизации тока дуги Iд в процессе РОД необходимо определить оптимальные параметры рабочей точки дуги по экстремуму выборочного коэффициента взаимной корреляции R между сигналами тока Iд и напряжения дуги Uд и поддерживать значение экстремума R в процессе обработки детали.

Список литературы

  1. Носуленко В.И. Розмірна обробка металів єлектричною дугою. Автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.03.07 / Кировоградський гос. техн. ун-т – К., 1999.- 36 с.
  2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / [под ред. акад. Б. Е.Патона]. – М.: "Машиностроение", 1974. – 768 с.
  3. СидоренкоВ.В. Программная система для исследования сигналов и обработки данных вычислительных экспериментов / В.В.Сидоренко, Н.В.Смирнова, В.В.Смирнов // Матеріали 12 Міжнародної науково-технічної конференції SAIT 2010 ["Системний аналіз та інформаційні технології"], (Київ, 25-29 травня 2010 р.). – К.: УНК "IПСА" НТУУ "КПI", 2010. – С. 488.

Н. Смірнова, В. Смірнов

Визначення параметрів вольт-амперної характеристики дуги при зміні величини міжелектродного проміжку

Наводиться опис визначення параметрів вольт-амперної характеристики дуги при переміщенні електрода-інструмента в процесі розмірної обробки деталей електричної дугою. Параметри визначаються шляхом проведення курсорних вимірювань та обчислення екстремуму вибіркового коефіцієнта взаємної кореляції між струмом і напругою дуги в міжелектродному проміжку

N. Smirnova, V. Smirnov

The arc current-voltage characteristics parameters defining to the extent that the electrode gap

The parameters determining the arc current-voltage characteristics when the tool-electrode moving in the dimensional machining arc process description. The parameters are defined by means of cursor measurements the sample cross-correlation between current and voltage of the arc in the interelectrode gap extremal coefficient calculation.

Получено 30.03.12

УДК 004.772


загрузка...