Способ контроля износа катода плазмотрона

 

Использование: плазменная резка, способ контроля износа катода плазмотрона. Сущность изобретения: в способе контроля износа катода плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги катод и сопло соединяют резистором и в процессе обработки регистрируют параметр износа, сравнивают его с базовым параметром, а катод считают изношенным при превышении уровнем параметра износа в N раз уровня базового параметра, где заранее заданное число - N. В качестве параметра износа используют амплитуду переменной составляющей тока утечки через резистор, соединяющий катод и сопло, а в качестве базового параметра используют амплитуду постоянной составляющей тока утечки через тот же резистор, причем N = 3±0,5. Величину электрического сопротивления резистора выбирают такой, что при неизношенном катоде амплитуды переменной и постоянной составляющих тока утечки через резистор равны. 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области плазменной резки, а более конкретно к способам износа катода плазмотрона.

Известен способ контроля износа катода плазмотрона, при котором в процессе обработки регистрируют параметр износа и сравнивают его с базовым параметром, в качестве которого используют звук, сопровождающий процесс резки.

Однако указанный способ также не обладает достаточной прочностью контроля износа катода, так как зависимость тока утечки от степени износа катода не является монотонной.

Целью заявляемого изобретения является повышение точности контроля износа катода плазмотрона.

Указанная цель достигается тем, что в способе контроля износа катода плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги, при котором катод и сопло плазмотрона соединяют резистором и в процессе обработки регистрируют параметр износа, пропорциональный току утечки через резистор, соединяющий катод и сопло, сравнивают его с базовым параметром и катод считают изношенным при превышении уровня параметра износа в N раз уровня базового параметра, где N заранее заданное число, в соответствии с заявляемым решением, в качестве параметра износа используют амплитуду переменной составляющей тока утечки через резистор, а в качестве базового параметра используют амплитуду постоянной составляющей тока утечки через тот же резистор, причем N 3±5, а величину электрического сопротивления резистора выбирают такой, что при неизношенном катоде амплитуды переменной и постоянной составляющих тока утечки через резистор равны.

Повышение точности диагностики достигается благодаря тому, что переменная и постоянная составляющие тока утечки по-разному реагируют на изменение глубины эрозионной лунки катода (переменная составляющая изменяется примерно на порядок больше), но одинаково отзывается на случайные изменения технологических параметров: давления плазмообразующего газа и величины рабочего тока.

Использование в качестве параметра износа амплитуды переменной составляющей позволяет в сравнении с прототипом увеличить величину сигнала параметра износа, а использование в качестве базового параметра амплитуды постоянной составляющей позволяет ослабить влияние технологических параметров процесса на точность контроля износа катода.

Выбор величины электрического сопротивления резистора, соединяющего катод и сопло, таким, что при неизношенном катоде амплитуды переменной и постоянной составляющих тока утечки через резистор равны, позволяет упростить обработку сигналов и также повысить точность результата.

На фиг.1 представлена эквивалентная электрическая схема дуги в плазмотроне.

Здесь: 1 источник питания дуги; 2 разрезаемый лист металла; 3 сопло плазмотрона; 4 катод плазмотрона; 5 сопротивление дуги между катодом и соплом; 6 сопротивление дуги между соплом и разрезаемым листом; 7 - сопротивление газовой прослойки между поверхностями дуги и сопла; 8 - резистор, соединяющий катод и сопло; 9 вольтметр; 10 блок автоматической системы контроля износа катода (датчик износа катода).

При работе плазмотрона катод подвергается эрозионному износу. При этом в зоне привязки дуги на катоде в плазмотроне с вихревой стабилизацией дуги образуется лунка, глубина и диаметр которой увеличиваются с течением времени работы.

Столб дуги в плазмотроне вращается вместе с газовым вихрем (фиг.2). При этом катодное пятно дуги перемещается по боковой поверхности лунки, поэтому траектория движения дуги не совпадает с осевой линией плазмотрона. И это несовпадение тем сильнее, чем больше размеры (глубина и диаметр) лунки.

Отклонение от оси сопла означает соответственно приближение оси дуги к стенке сопла, т.е. уменьшение толщины прослойки относительно холодного газа между поверхностями сопла и дуги и, соответственно, уменьшение электрического сопротивления этой прослойки.

При работе плазмотрона рабочий ток дуги (фиг.1), инициируемый источником питания 1, течет по сопротивлениям 5 и 6 между катодом 4 и разрезаемым листом 2. При наличии сопротивления 8 резистора, соединяющего катод и сопло, возникает так называемый ток утечки по сопротивлениям 6, 7, 8 между катодом и разрезаемой деталью. Величина постоянной составляющей тока утечки определяется по следующему соотношению: где постоянная составляющая напряжения дуги между катодом и листом; R_р сопротивление резистора 8; R_г сопротивление 7 газовой прослойки между поверхностью дуги и сопла; R_сд сопротивление 6 между соплом и деталью.

Величина переменной составляющей тока утечки определится по следующему соотношению: где переменная составляющая напряжения дуги между катодом и листом.

Из сравнения формул (1) и (2) видно, что переменная и постоянная составляющие тока утечки одинаковым образом зависят от суммы сопротивлений в знаменателе, а также от сопротивления R_г газовой прослойки между поверхностями дуги и сопла.

Формирование переменной составляющей напряжения дуги между катодом и соплом происходит следующим образом.

Траектория движения дуги определяется быстрым вращением ее части, находящейся в сопле, вместе с газовым вихрем и медленным перемещением катодной зоны по поверхности эрозионной лунки. Такая траектория не имеет строгой осевой симметрии, что обусловливает периодическое изменение длины дуги между катодом и соплом и, как следствие, периодическое изменение величины напряжения дуги, например, между катодом и соплом, катодом и разрезаемой деталью, эти периодические изменения происходят с частотой ν вращения газа в сопле плазмотрона. Для плазмотрона ПМР-74 частота вращения примерно равна n 10 кГц. Имеется также частота сети n_c k·50 Гц.

С увеличением размеров эрозионной лунки катода величина амплитуды колебаний напряжения дуги увеличивается, т.е. возрастает величина . Увеличивается также размах поперечных колебаний дуги внутри сопла и соответственно уменьшается средний зазор между стенкой сопла и дугой и величина сопротивления R_г.

Таким образом нарастание переменной составляющей тока утечки обусловлено увеличением и уменьшением R_г при износе катода.

На постоянную составляющую практически оказывает влияние только уменьшение R_г при износе катода.

Поэтому и по-разному зависят от степени износа катода: возрастание переменной составляющей происходит быстрее, чем постоянной составляющей .

Типичная зависимость тока утечки от глубины лунки катода представлена на фиг. 3. Здесь кривая переменная составляющая тока утечки, кривая постоянная составляющая тока утечки. Из представленных графиков видно, что при увеличении глубины лунки катода от до h_л 3,5 мм переменная составляющая тока утечки изменяется от 0,16 A до 0,6 A, а постоянная от 0,16A до 0,2A (кривые получены при R_р=25 Ом). При этом зависимости составляющих токов утечки от глубины лунки не являются монотонными. Подъемы чередуются со спадами. Эти спады и подъемы могут быть объяснены циклическим характером эрозии лунки, т.е. при эрозии вместо равномерного увеличения размеров лунки происходит чередование процессов выгорания середины лунки и ее краев. Поскольку процесс эрозии однозначно связан с катодным пятном, то можно сделать вывод о цикличности изменения расстояния от оси лунки до катодного пятна, тела дуги, а также о цикличности изменения R_г и составляющих тока утечки через резистор. Однако из графиков (фиг.3.) видно, что процесс цикличного изменения R_г однонаправленно воздействует на составляющие тока утечки.

Кроме того, экспериментально установлено, что и зависят также примерно одинаковым образом от расстояния Δ_скск между катодом и соплом, давления P₀ рабочего газа, величины I₀ рабочего тока дуги, степени износа Δd_c сопла (Δd_c увеличение диаметра сопла при его износе). Чтобы исключить влияние всех указанных факторов на точность контроля износа катода, в качестве параметра износа используют соотношение , которое не зависит от Δ_ск, P₀, I₀, Δd_c. Использование этого соотношения позволяет также уменьшить влияние цикличности изменения R_г на точность контроля.

На фиг.4 приведена зависимость указанного отношения от глубины лунки, т. е. кривая . При неизношенном катоде величина этого отношения равна . При изношенном катоде 3 ±0,5(h_л.изн. 3,5±0,5 мм).

Из сравнения вида любой из кривых амплитуд составляющих тока утечки (фиг. 3) с кривой отношения этих амплитуд (фиг. 4) видно, что последняя значительно лучше отражает степень износа катода и может быть принята в качестве основы для контроля его износа.

При износе катода резко снижается качество резки (увеличивается ширина реза, снос кромок, образуется грат). Для катодов исследованного типа допустимая глубина лунки равна h_л.изн.=3,5±0,5 мм.

Для осуществления заявляемого способа контроля износа катода используют датчик 10 (фиг. 1) износа катода, структурная схема которого представлена на фиг. 5.

Здесь: 1 блок выделения переменной составляющей сигнала; 2 блок выделения постоянной составляющей сигнала;
3 блок формирования сигнала нормального состояния катода;
4 блок формирования сигнала аварийного состояния катода;
5 индикатор (светодиод) нормального состояния катода;
6 индикатор (светодиод) аварийного состояния катода;
7 блок питания.

Процесс контроля износа катода с помощью датчика износа осуществляют следующим образом.

После подбора величины сопротивления R_р между катодом и соплом путем экспериментальных включений в процессе резки электрический сигнал, несущий информацию о параметре износа катода, и электрический сигнал, несущий информацию о базовом параметре, снимают с резистора R_р, установленного между катодом и соплом плазмотрона, в виде составляющих напряжения: переменной и постоянной . Очевидно, что указанные составляющие напряжения связаны с составляющими тока утечки через резистор следующим образом: ; (фиг. 6, 7).

При этом переменную составляющую сигнала выделяет блок 1 (независимо от величины частот переменных составляющих, т.е. диапазон пропускания блока 1 по частоте охватывает все реально значимые для осуществления контроля износа частоты), постоянную составляющую сигнала выделяет блок 2 (фиг. 5). На выходе блоков 1 и 2 формируются сигналы, пропорциональные амплитудам составляющих тока утечки через резистор R_р. В блоках 3 и 4 происходит сравнение амплитуд составляющих сигнала. При этом блок 3 выдает сигнал на индикатор 5 в случае, если отношение 3 + 0,5, а блок 4 выдает сигнал на индикатор 6 в случае, если отношение
.

Выключение процесса резки для замены катода в плазмотроне осуществляет оператор-плазморезчик по сигналу индикатора 6.

Выбор и введение в датчик конкретного значения N из диапазона возможных значений от 2,5 до 3,5 осуществляются оператором-плазморезчиком в зависимости от типа плазмотрона по результатам опытной эксплуатации датчика.

Внедрение основанной на заявляемом способе системы контроля износа катода плазмотрона на плазморезательных машинах позволяет каждому плазморезчику обслуживать одновременно 2 3 машины. Таким образом экономический эффект от внедрения определится как снижение необходимых затрат на заработную плату плазморезчиков. В СССР действуют примерно 600 машин. При двусменном режиме работы это соответствует числу плазморезчиков, равному 1200 человек. 2

Формула изобретения

1. Способ контроля износа катода плазмотрона, при котором в процессе обработки регистрируют параметр износа и сравнивают его с базовым параметром, отличающийся тем, что при контроле катодов плазмотрона с вихревой стабилизацией катод и сопло соединяют резистором, а в качестве параметра износа используют величину переменной составляющей тока утечки I≃ через резистор, а в качестве базового параметра используют величину постоянной составляющей тока утечки I⁼.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют резистор с величиной электрического сопротивления, обеспечивающей при неизношенном катоде равенство величин переменной и постоянной составляющих тока утечки, а катод считают изношенным при соотношении I≃/I⁼=3± 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7