Электродные системы

Электродные системы, разрядные камеры и матрицы, используемые в РИТ штамповки листовых заготовок. РИТ штамповки с применением ВЭХВ. РИТ запрессовки труб в трубные решетки теплообменных аппаратов

Часть 2

Лекция 9 – РИТ объемного деформирования материалов

Электрод (электродное устройство) – одно из основных элементов, входящих в разрядный контур ЭГ прессов и установок. Все электродные устройства можно разделить на две группы: с инициируемым и неинициируемым межэлектродным промежутком. И на три типа: двухстержневые с неизолированным или изолированным электродом- анодом; одностержневые, в которых в качестве анода используется корпус разрядной камеры (рис. 1); коаксиальные электроды, в которых катод и анод выполнены в виде двух соосно расположенных труб, разделенных изолятором (рис. 2). Электроды испытывают самые большие механические и тепловые нагрузки по сравнению с любыми другими частями ЭГ установок.

В процессе работы каждый разряд сопровождается эрозионным износом электродов, величина которого зависит от энергии в импульсе напряжения, материала электрода и др. По мере эрозионного износа канал разряда с каждым последующим импульсом приближается к изолятору и условия его работы еще более ухудшаются, поскольку увеличивается механическое, тепловое и гидродинамическое воздействие на его поверхность.

Таким образом, электродные устройства должны отвечать следующим требованиям:

- возможно меньшая скорость эрозионного износа электродов;

- возможно большее расстояние от канала разряда до изолятора;

- минимальные потери энергии на предпробивной стадии и стабильность параметров разряда;

- высокая механическая прочность при действии динамических нагрузок;

- высокая диэлектрическая прочность изоляции;

- низкое электрическое сопротивление электродов и тоководов.

Высокую эрозионную стойкость имеют композиции медь – карбид вольфрама – никель (МКВ70Н3) и медь – вольфрам – никель (МВ70Н3). Они обладают не только высокой эрозионной стойкостью, но и малыми потерями энергии на предпробивной стадии.

Увеличение эрозионной стойкости электрода до его замены и увеличение расстояния от канала разряда до изолятора могут быть достигнуты путем увеличения размеров выступающей из изоляции части электрода. Однако увеличение выступающей поверхности электрода приводит при отсутствии инициирования к увеличению предпробивных потерь и снижению эффективности использования энергии. Используемые в настоящее время неинициируемые электроды в ЭГ прессах имеют небольшую выступающую поверхность токоведущего стержня обычно не более 30см².

Двухстержневые электроды позволяют просто регулировать величину разрядного промежутка, а кроме того, канал разряда образуется в направлении оси электрода, что создает благоприятные условия работы изолятора. К недостаткам двухстержневых электродов относится необходимость частой регулировки длины разрядного промежутка по мере эрозионного износа как плюсового, так и минусового электродов.

Следует отметить, что каждой конструкции электродного устройства соответствует «свой» материал изолятора. Испытание изоляторов в разрядной головке пресса Т1220 (рис.3) из стеклопласта на основе эпоксидных смол взамен полиэтиленовых показали, что стеклопластиковые изоляторы имеют стойкость в несколько раз ниже.

ℓnR_n = ℓnr_c,

где R_u – наибольший радиус изолятора, мм;

К – коэффициент, равный 2,5;

r_c - радиус токоведущего стержня, мм;

ε - электрическая прочность изоляционного материала;

U_o- напряжение разряда, кВ.

Значительно медленнее меняется длина разрядного промежутка по мере износа электрода в одностержневых электродных устройствах, в которых разряд проходит между плюсовым электродом и стенкой камеры или минусовым кольцом – электродом (рис. 4).

Стойкость электродных устройств необходимо рассматривать с учетом их эффективности. Конструктивные меры, принимаемые для увеличения стойкости стержней электродов и их изоляторов, зачастую приводят к изменению эффективности выделения энергии за счет изменения величины предпробивных потерь и изменению эффективности использования выделившейся в канале разряда энергии, в частности за счет влияния формы электродного устройства, коэффициента поглощения энергии ударных волн материалом изолятора, объема изолятора.

Важным фактором, влияющим на долговечность электродных устройств, является плотность контакта токоведущих частей: наконечника кабеля, токовода и наконечника электрода. Практика показывает, что лучшим вариантом является конусное соединение с плотно поджатыми поверхностями.

Разрядные головки последнего варианта (рис. 3) используются в прессах Т1220, Т1223, Т1226А. Дальнейшее совершенствование этой конструкции направлено по пути уменьшения времени, необходимого на замену электрода и изолятора, которое составляет на данный момент 15-20 минут.

Один из путей увеличения стойкости сменных частей электродных устройств – использование инициирования. Введение инициатора, в частности путем подачи в разрядный промежуток перед каждым разрядом проволочки, значительно сокращает предпробивные потери, причем в этом случае представляется возможность увеличивать выступающую часть электрода, что увеличивает расстояние от канала разряда до изолятора, тем самым повышается срок службы изолятора.

Инициирование разряда внешним магнитным полем снижает потери электрической энергии, особенно на предпробойной стадии разряда, т.к. в этом случае удается нейтрализовать вредное влияние различных примесей в воде, которые, обладая магнитными свойствами, ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля на предпробойной стадии и образуют электропроводящий мостик.

Идея повышения эффективности ЭГ штамповки за счет использования импульсных магнитных полей реализована в конструкциях коаксиальных электродных систем направленного воздействия с магнитным управлением (КЭСМУ). Опытная эксплуатация КЭСМУ проводилась на штамповке деталей из сплавов ВТ1-1, ВТ1-0.

Помимо стабилизации разряда инициирование позволяет значительно увеличить стойкость изоляторов электродной системы. Было предложено механизированное устройство для подачи инициирующей проволочки, в котором используется электромагнитный привод роликового узла захвата. Он обеспечивает надежную фиксацию инициирующего элемента при его подаче в межэлектродный промежуток через отверстия, выполненные в сердечнике электромагнита и отрицательном электроде. Это устройство подает инициирующий элемент при работе ЭГ установки в автоматическом режиме. Применение данного устройства позволило увеличить стойкость изоляторов электродной системы при зарядном напряжении ГИТ U=30кВ от 30…50 до 600…650 разрядов.

В качестве инициатора в электроде может использоваться диэлектрическая лента, закрепленная с возможностью перемещения вдоль торца токопроводящего стержня, и имеющая отверстия радиусом

r = (0,8–2,5)·10^-2h,

где h – толщина ленты. При подаче высокого напряжения в области отверстия происходит искажение электрического поля, приводящее к инициированию разряда. В зависимости от физико-механических свойств диэлектрической ленты находится количество импульсов, которое может выдержать без разрушения одно отверстие. После разрушения материала ленты около рабочего отверстия лента смещается так, чтобы на торце оказалось следующее отверстие.

Также, с целью повышения стабильности процесса, для снижения предпробивных потерь в качестве инициатора предлагалась несмачиваемая нить из твердого диэлектрика, концы которой закреплялись на тоководах электродов.

С целью повышения эффективности разряда металлическая оболочка удалена в радиальном направлении от токоподводящего стержня в зоне их торцов на расстояние, обеспечивающее его пробой при напряжении, меньшем рабочего напряжения электрода, что улучшает условия формирования разряда (рис. 5). С целью повышения надежности и ресурса токоподводящего кабеля и электрода был разработан электрод с тоководом из двух частей, которые соединялись предварительно растянутой по оси упругой втулкой (рис. 6). При разряде втулка работала как демпфер, предохраняя от нагрузок наконечник токоподводящего кабеля.

Отмечается изменение стойкости изолятора в зависимости от его формы на торце. Ресурсные испытания электродов с полиэтиленовыми изоляторами при частоте 4Гц и энергии в импульсе 5кДж показали, что ресурс до разрушения изоляторов с цилиндрическим углублением в торце в 2 раза выше ресурса изоляторов с воронкообразным торцом. Цилиндрическое углубление, выполненное с радиусом, равным:

R=,

и глубиной

h1,5(R – r),

где R – радиус цилиндрического углубления, мм;

- радиус стержня-токоподвода, мм;

Е_пр1 - напряжение пробоя рабочей жидкости, В/мм;

Е_пр2 - напряжение перекрытия поверхности раздела изоляционный

корпус – рабочая жидкость, В/мм;

К – коэффициент, учитывающий условия неоднородности

поверхности раздела;

h – глубина цилиндрического углубления.

Рисунок 5 - Электрод для ЭГ установок: 1 – токопровод, 2 – изоляция токопровода, 3 – металлический стержень; 4 – изолятор проходной; 5 – изоляционный наконечник; 6 – изолирующее покрытие; 7 – трубчатая металлическая оболочка

Рисунок 6 - Электрод для ЭГИ установок: 1,2 – части токовода; 3 – упругая втулка; 4 – гайка; 5 – изолятор; 6 – наконечник; 7 - токоведущий кабель

Опыты показали, что удаление дефектного слоя изоляции перед разрушением изолятора полностью восстанавливает его первоначальный ресурс.

Инициирование разрядного промежутка проволочками было применено в разработанных в ИИПТ прессах «Удар–16К», Т1032 для листовой штамповки, причем при энергиях в импульсе, равных 80 кДж и выше. Проволочка подавалась механизмом, приводимым в действие сжатым воздухом. Был разработан вариант электрода, в котором для подачи проволочки использовалась энергия ударных волн, и механизм подачи встраивался внутри наконечника электрода. Эксплуатация электродов с механизмами подачи инициирующей проволочки показала их низкую надежность в работе, частый выход из строя.

В качестве инициатора применяют и жидкости. Электрод содержит изолированный стержень – токоподвод с заполненным инициирующим веществом каналом, который на длине своей активной части выполнен с дополнительными каналами, заполненными этим веществом и расположенными параллельно основному, причем основной и дополнительные каналы выполнены капиллярными (рис. 7).

В зависимости от формы и размеров штампуемых деталей применяют неподвижные и подвижные электродные устройства с инициирующей проволочкой (рис. 9).

В прессах «Удар-16К2», Т1229 схема штамповки могла осуществляться как с общим нагружением заготовки, так и с локальным нагружением отдельных ее участков благодаря применению подвижного электрода.

Перемещение разрядного промежутка и инициирование позволяло наиболее эффективно использовать энергию, накапливаемую в ГИТ, и создавать значительно большие деформирующие усилия, чем в прессах с общей схемой нагружения.

Основой МРБ являются электродные пары направленного воздействия (ЭПНВ), размещенные в общем корпусе в непосредственной близости друг от друга. Это позволяет упростить процесс управления полем нагружения за счет подключения соответствующих ЭПНВ и дает возможность создавать повышенные давления за счет нелинейных эффектов взаимодействия энергосиловых факторов при одновременном разряде в нескольких ЭПНВ, что существенно повышает коэффициент использования электрической энергии. Эффективность МРБ в десятки раз выше при штамповке сложных деталей с наличием множества локальных элементов большой кривизны, требующих для их выполнения больших импульсных давлений

При работе МРБ с одной подключенной парой или несколькими ЭПНВ, расположенными на таком удалении друг от друга, когда практически отсутствует взаимодействия их энергосиловых факторов, и при небольших значениях H₃ экономически и технологически целесообразно работать с нижним расположением изолированных электродов (h_э=0) с целью достижения максимальных значений давлений и площадей нагружения. Приближение канала разряда к преграде и расширение объема передающей среды, подверженной воздействию прямых ударных волн и других энергосиловых факторов, создают предпосылки для существенного повышения давления на преграде за счет нелинейного взаимодействия ударных волн при косом столкновении, характерном для многоэлектродной работы МРБ.

Таким образом, для осуществления РИТ ЭГ штамповки листовых заготовок используется широкий ряд типовых моделей электродов, конструкция и характеристики которых выбираются исходя из условий обработки.