Бурное развитие электроплазменных процессов предъявляет и плазматронам новые высокие требования. Для каждого технологического процесса применима одна вполне определенная конструкция плазмотрона, дающая высокий технико-экономический эффект. Поэтому весьма перспективным являются плазматроны с распределенной дугой, в которых ресурс работы сопла анода значительно увеличивается, при одновременном повышении мощности плазменной струи, при умеренных токах. В систему охлаждения плазматрона входит кольцевой канал, образованный наружной поверхностью электрода и внутренней поверхностью корпуса и соединительным с полостью электрода перепускным радиальными каналами, а также отводящий канал, отличающийся тем, что он снабжен двумя изоляционными втулками. Исходя из анализа патентных исследований можно сделать вывод, что наиболее целесообразно разрабатывать плазмотроны с большим ресурсам работы сопел и электродов.

Устройство плазмотрона и принцип работы. Разработанный плазмотрон предназначен для наплавки износостойких, фрикционных и других специальных покрытий на поверхность деталей методом наплавки порошковых материалов. Плазмотрон (рис. 1) представляет собой конструкцию из двух изолированных узлов катодный 1 (верхний) и анодный 2 (нижний), вмонтированные в рукоятку. Дуговой канал 3 этих плазмотронов образован катодом 4 с вольфрамовой вставкой 5 заделанный в обойму, формирующим соплом 6, секциями межэлектродной вставки 7 и медным анодом 8. Токоподвод осуществляется с помощью проводов 9 к каждой межэлектродной вставке и к входному аноду, а к выходному аноду через трубку, подающую воду 10. Изоляция между корпусами достигается при помощи текстолитовой пластины, имеющей канал для прохождения воды 12 и одновременно поддерживающий при помощи 3-х шпилек 13 нижнюю часть анодного узла, т.е. межэлектродные вставки и выходное сопло. В верхнем катодном узле имеются корпус катод, а соединенный токопроводом одновременно отводящим воду из плазмотрона; формирователь газа и электрод. Водяная магистраль плазмотрона герметична за счет применения специальных разъемов и уплотнений. Изоляторы, верхний и нижний корпуса скрепляются между собой четырьмя стальными винтами.

Рис. 1. Схема разработанного плазмотрона

1 — катодный узел; 2- анодный узел; 3-рукоятка; 4- катод; 5- вольфрамовый электрод; 6- входное сопло; 7- межэлектродная вставка; 8- медный анод; 9- токопровод; 10- водяная трубка; 11- пластина; 12- шпильки;

Катодный узел плазмотрона содержащий водоохлаждающий корпус, в котором закреплен вольфрамовый электрод с лантанированной вставкой, хорошо обеспечивающий эмиссионные свойства, является на ряду с анодом основным элементом плазмотрона, определяющим его ресурс работы. Корпус катода выполнен из меди и имеет отверстия для подачи рабочего газа.  Газоформирователь, обеспечивающий аксиальное течение газа, служит для разделения его равномерной подачи в приэлектродный участок и способствует хорошей стабилизации разряда.  Газоформирователь из тугоплавкого и теплопроводного материала. Выходное сопло, как и входное, является самой теплонапряженной деталью и служит для формирования плазменной струи. Сопло имеет специальное отверстие для ввертывания штуцера подачи порошков на срез сопла. Секция межэлектродных вставок выполняется тоже из меди и служит для увеличения фиксации дуги в плазмотроне, а так же формирования потока.

 Фиксация длины дуги значительно уменьшает пульсации потока, частота которых соизмерима со временем нахождения частиц в зоне нагрева. Это положительно влияет на качество нанесения покрытия. Кроме того увеличение длины дуги приводит к увеличению температуры и скорости плазменной струи, позволяет повысить производительность процесса. В плазмотронах с межэлектродными вставками применяется многоступенчатая схема возбуждения дугового разряда (рис.2.). Она включает поджигающее устройства, или осциллятор и систему последовательного включения и отключения секций межэлектродных вставок. Сначала электрическая дуга зажигается между катодом и входным соплом, а далее при последовательном включении сначала первой секции вставок далее с последующими секциями. После зажигания основной дуги между электродом и соплом, дуга проходит под давлением рабочего газа, подаваемого в камеру. Анодное пятно дуги перемещается по оси анодного узла, и столб дуги оказывается сбалансированным и фиксированным.

Расчет параметров плазмотрона. 1. Геометрический расчет. Настоящее время нет единой методики расчета плазматронов, тем более плазмотронов с межэлектродными вставками, поэтому некоторые размеры будем брать из расчетов аналогичных плазматронов. Все рассчитываемые и принимаемые геометрические показатели на рисунке 3.

Рис. 2. Схема зажигания дуги

1-плазмотрон; 2-катод; 3- входное сопло; 4- выходное сопло; 5-блок управления; 6- осциллятор; 7- секция МЭВ; ДР-дросель; С-К- контакторы

Выберем диаметр электрода из диапазона диаметров плазмотронов с межэлектродными вставками, d = 6 мм. Принимаем минимальный диаметр, так как нужен менее мощный плазматрон или известный (d_э = 0,6см) применяемый в промышленности плазмотрон. Определяем диаметр выходного сопла по соотношению

 d_вс = 1,25 d_э, см                                                        (1)

d_вс=1,25 · 0,6 = 0,8 см

Исходя из баланса мощности плазмотрона, следует:

d_вс/l_д(1+2/s_вс/ d_вс) = 0,105 Q_в                                                (2)

где s_с –толщина стенки или сопла, см;   Q_в— расход охлаждающей воды в плазмотроне,л/мин.

   В известных плазматронах расход воды обычно составляет Qв = 8…12 л/мин.

Рассчитаем толщину стенки для Qв = л/мин преобразовав формулу (2)

sс = 1/2·dвс (10 dвс/ 0,15 · dd-1); см.,    поставив значения, получим

s = 1/2 · 0,8 (10/ 0,8/ 12 · 0,15-1) = 0,52 см = 0,052м.

расстояние от вершины электрода до верхнего среза цилиндрического участка сопла:

 l = 0,432 · dвс ,см                                        (3)

l = 0,432 · 0,8 = 0,34 см =0,034 м.

Рис. 3. Схема геометрических параметров плазмотрона

Высоту заточки вольфрамового электрода определяем по формуле

Z_о = (tg α / 2) / (d_э / 2), см.                           (4)

где α — угол заточки вольфрам ого электрода, принимаем α = 90⁰

Z_о = tg30⁰ / 0,3= 1,2 см = 0,012 м

Угол сужения входной части канала примем α = 90⁰.

Определим диаметр входного сопла и канала:

d_с = 0.75 ·d_вс , см                                              (5)

Рассчитаем длину межэлектродной вставки:

 l_в1 = l_в / n, см                                                     (6)

         где, n- число межэлектродных вставок; l_в – длина секции из межэлектродных вставок.

 l_в = l – l_вс — ∆ l, см                                           (7)

         где l -общая длина канала, см;  ∆ l -толщина изоляции между вставками, см;   l_вс – длина выходного сопла, см.

В предыдущей работе приведен расчет плазматронов с межэлектродными вставками, отсюда примем: l = 8 см; l_вс = 2,5 см; ∆ l = 0,1 см ; n = 5

l_в = 8-2,5-0,1 · 6 = 4,9 см,     отсюда     l_в1 = 4,9 /5 = 0,98 см.

Направление ввода материала примем перпендикулярное осевой линии канала, то есть угол ввода материала α = 90⁰.

2. Расчет деталей на прочность. На рисунке 4 приведена расчетная схема шпилек стягивающих верхнюю и нижние части плазмотрона и обеспечивающие герметичность в канале для охлаждения плазмотрона.

Условия прочности на растяжение:

σ_р = F_а / А_ш ≤ [σ_р ]                                           (8)

    где, F_а — осевая нагрузка, действующая на одну шпильку, кг.;  [σ_р] — допустимое напряжение на растяжение кг/ мм², [σ_р] = 30 кг/мм²;    А_ш— площадь поперечного сечения шпилек , мм².

Определим осевую нагрузку на шпильки.

 Fa = P · S , н                                                    (9)

   где Р -давление действующее на нижнею полость канала, кг/см2; S- площадь поперечного сечения, мм2;  Р = 8 кг/см2 по техническим условиям плазмотронов.    Д = 14 мм, d = 8 мм.

   тогда

 S = πД/4 – πd/4 = 1/4π ( Д2-d2)                   (10)

Подставив значение найдем

S = 1/4 · 3,14 · (142-82) = 103,6 мм2, отсюда  Fа = 0,08 · 103,6 = 8,28 н.

Рис. 4. Схема расчета шпилек

Из формулы (8) выразим площадь шпилек:

 А_ш = F_а / [σ] ; мм²,                                             (11)

А_ш = 8,28 / 30 = 0,276 мм² = 0,00276 м²

В конструкции плазмотрона предусмотрены 3 шпильки:

 А_ш, = А_ш/n, мм²                                                (12)

           где n – число шпилек;   А_ш,- сечение одной шпильки, А_ш = 0,092 мм²

   Диаметр одной шпильки:

                                       d_ш, = 4А_ш/ П, мм                              (13)

d_ш, = 4· 0,092 / 3,14 = 0,35 мм = 0,0035 м

Примем шпильку наименьшим диаметром по ГОСТ с учетом коэффициента запаса d_м = (2…5). d_м, ; d_м = (2 · 5) · 0,35 = 5 мм

3. Расчет охлаждения плазмотрона. Система охлаждения в плазмотроне необходима для принудительного отвода тепла от горячих деталей. Исходная величина для расчета системы охлаждения, количество теплоты необходимое отвести от плазмотрона в охлаждающую среду. Тепловые потери для различных длин межэлектродных вставок определяется по формуле:

 Q = Q_а + Q_к + Q_вс . Дж                                                         (14)

   где Q_а – потери тепла через анод, Дж;  Q_к – потери тепла через катод, Дж;  Q_вс – потери тепла через вставки, Дж.

Будем считать, что все потери тепла отводятся водой, т.е.

Q = Q_{охл ,} Дж                                               (15)

При длине вставок l_вс = 4,5 см, тепловые потери составляют

 Q_а = 21,3 · 10⁶ Дж.;    Q_к = 6,1 · 10⁶ Дж;     Q_в = 7,4 · 10⁶ Дж

Q = 21,3 ·10⁶ + 6,1 ·10⁶ + 7,4 ·10⁶ = 34,8·10⁶ Дж.

Определяем массовую подачу воды насосом:

Q _в = Q_охл / С_в(Т_вх— Т_вых, кг/ч                                          (16)

     где С_в – удельная теплоемкость воды Дж / кг/к;    С_в = 4,178 Дж/ кг/к;

Т_вх— температура входа воды, ⁰К;   Т_вых— температура выхода воды, ⁰К.

Т_вх = 288⁰К, Т_вых = 308⁰К,

тогда   Q _в =34,8 ·10⁶ / 4,178 ·(308-208) = 610 кг/ч =10,2 л/мин

4. Расчет и обоснование параметров характеризующих режим работы плазмотрона. В плазмотронах с межэлектродными вставками время прохождения частиц газа увеличивается, тем самым температуру достаточную для расплавления частиц можно достичь при меньших токах. Мощность плазменной струи зависит от длины канала, это можно выразить формулой;

q_ст = Т · к · L_к^МЭВ/ V_н; кВт                                    (18)

   где Т- температура плазмы, С0;  к- коэффициент теплопередачи, Дж / м²;

^.L_к – длина активной зоны, м^;  V_n— скорость плазменной струи, м/с.

Существует формула для вычисления мощности плазменной струи в зависимости от тока дуги:

q_cт = 6.38 G_r ·J_д ·L_к^1,07 ·е ^0,088Lk                           (19)

          где G_г— расход газа, м³/ч;    J_д— ток дуги, А.

Выразим ток дуги из формулы (18) и получаем выражение;

J_д = Т ·l ·L_к / V_н ·6,38 ·G_Г ·L^1,07 ·е^{0,088 Lк},  А                              (20)

расход газа примем из условия;

3< G < 5, м³/ч                                              (21)

    принимаем G = 4 м³/ч.;   L_к = 0,08 м (см. расчет конструкции);   к = 6…8,5

Дж/м², примем к = 7.2 Дж/ м2;   T= (12…14) ·10³, ⁰С;     V_н = (3…) ·10² , м/с .

е — экспонента

Подставив значения найдем:

J_д= 13 ·10³ ·7,2 ·10³ ·0,08 / 3,5 ·10² ·6,38 ·4 ·0,08^1,07 ·е^0,088*0,08 = 126А

Для этого значения определим напряжение дуги по обобщенной формуле

 U_д = J_д/ d ·2,77 ( J_д ² /G_d) ^–0.38 · (G/d)^-027 · (L_к/d)^0,63,    В                     (22)

U_д = 126 /0,008 ·2,77 (126²/4 ·0,008)^-0,38 ·(4/0,008)^-0,27 ·(0,08/0,008)^-0,63 = 192,7 В.

Мощность плазмотрона равняется:

Р_пр= J_д · И_д,  кВт                                       (23)

Р_пр= 126 ·192,7 = 24192 Вт = 24,2 кВт

Определим КПД плазмотрона

η = (Р_потр— ∆Р) / Р_потр ·100, %                                 (24)

где ∆Р – потеря мощности

∆Р = 34,8 10⁶Дж = 34,8·10⁶ ·0,27 = 9,4 кВт

η = (24,2-9,4) /24,2 ·100 = 61 %

Выводы

Весьма перспективными являются плазматроны с распределенной дугой, в которых ресурс работы сопла анода значительно увеличивается, при одновременном повышении мощности плазменной струи, при умеренных токах. В таких плазмотронах, кроме того, удается фиксировать длину дуги при помощи межэлектродных выставок. Эти плазмотроны обладают высокой энергетической эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую и возможностью получения максимального КПД технологического процесса. Разработка плазмотрона позволит расширить номенклатуру восстанавливаемых деталей и более полно использовать возможности плазменной установки.