Физические основы электрогидравлической обработки

 

Электрогидравлический эффект – это возникновение высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии импульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300

Электрический разряд в жидкости – это способ преобразования электрической энергии в механическую, который осуществляется без промежуточных звеньев с высоким КПД (рис.6.9). Элементами схемы является повы­шающий трансформатор Тр, выпрямитель В, накопитель электрической энергии С. Электрод Э₁, ванна-электрод Э₂ (Э₁ и Э₂ формируют разрядный промежуток). Искровой высоковольтный разряд ИЭР в жидкости характеризуется очень быстрым преобразованием запасенной в накопителе энергии в тепловую, световую, механическую и т.д. Пробой практически несжимаемой жидкости искровым разрядом ИР приводит к появлению такого явления, как электрогидравлический удар.

 

 

Рис.6.9. Принципиальная схема электрогидравлической обработки

 

Возникающая импульсная ударная волна (ИУВ) осуществляет механическое воздействие на деталь Д и очищает поверхность от загрязнений З. Это может быть окалина, ржавчина, заусенцы, остатки формообразующей смеси и другие виды загрязнений. Ударная волна в жидкости осуществляет очистку поверхностей деталей сложной формы, и легко проникает в отверстия любой формы.

Электроискровой разряд осуществляется с использованием генератора импульсных токов (ГИТ), в состав которого входят высоковольтный трансформатор, выпрямитель, емкостной накопитель энергии и трехэлектродный коммутатор.

В образовании и развитии искрового канала в жидкости можно выделить следующие стадии.

1. При подаче высокого напряжения на разрядный промежуток в жидкости в течение некоторого времени t₁ напряжение на нем остается постоянным или незначительно уменьшается. Затем в зависимости от параметров контура и начального напряжения оно довольно резко падает. При высоких напряжениях на рабочих электродах образуются потоки электронных лавин, срывающихся с отрицательного электрода и устремляющихся к положительному электроду. В начальной стадии пробоя образуются несколько каналов, которые затем сливаются в один общий канал.

Длительность промежутка времени t₁ определяется свойством жидкости, напряжением, формой и размерами электродов. Чем выше напряжение, меньше длина рабочего промежутка и площадь положительного электрода, тем меньше t₁. Время характеризует так называемую лидерную стадию разряда. На рис.6.10 показаны зависимости тока, напряжения, мощности и сопротивления канала разряда от времени. Лидерная стадия длится от момента приложения напряжения к разрядному промежутку до момента завершения пробоя промежутка, т.е. до образования токопроводящего канала между электродами, и составляет 10^–7с.

 

Рис.6.10. Изменения тока, мощности и сопротивления канала разряда во времени

 

2. Стадия яркой вспышки начинается после пробоя межэлектродного промежутка. Во время её прохождения выделяется большая часть запасенной в накопителе энергии. Эта стадия характеризуется небольшим временем протекания и значительным световым излучением. После пробоя сопротивление межэлектродного промежутка падает на несколько порядков, ток при этом резко возрастает. Плотность тока в канале разряда достигает значений до 10 6 и выше. Плотность энергии, выделяющейся в канале, также велика, что приводит к разогреву окружающей среды, ее диссоциации и ионизации. В результате этого в канале разряда образуется плазма с температурой порядка (15 - 20) ×10³ К.

Интенсивный нагрев плазмы разрядным током приводит к повышению давления в канале и его расширению. Во время быстрого расширения канала в прилегающей жидкости возникает ударная волна, распространяющаяся от канала разряда в виде зоны сжатия с очень крутым переднем фронтом. Фронт ударной волны, сначала неотделимый от стенки канала, спустя некоторое время отделяется от неё, поскольку скорость распространения ударной волны в среде гораздо выше скорости расширения канала разряда. Когда ударная волна подходит к некоторой точке среды, давление, плотность и другие параметры, характеризующие среду, скачкообразно возрастают. По мере удаления фронта волны от канала скорость ее распространения приближается к звуковой, а давление на фронте волны падает в результате рассеивания энергии.

3. С уменьшением тока в разрядном контуре при достаточной мощности источника электрической энергии искровой разряд может перейти в стадию дугового. При этом уменьшается плотность тока в канале и температура плазмы в нем. При дуговом разряде ток поддерживается в основном за счет термоэлектронов катода. В канале происходит образование пара за счет превращения остывающей плазмы в пар и испарения некоторой части жидкости из окружающих канал разряда слоев. Канал разряда превращается в парогазовую сферу. По мере расширения сферы давление в ней понижается и становится меньше гидростатического. Окружающие газовую сферу слои воды при этом продолжают двигаться по инерции.

После достижения максимального размера сфера начинает сужаться. Таких циклов расширения – сжатия может быть несколько. Начальная форма канала разряда, образовавшегося в результате высоковольтного пробоя жидкости, определяется формой лидера, замыкающего электроды. Поэтому такой канал почта всегда искривлен. Возбуждение же разряда с помощью взрывающейся проволочки образует канал, имеющий геометрически правильную форму в виде прямого цилиндра со сферическими торцами. Начальный диаметр канала при высоковольтном пробое воды составляет несколько десятых долей миллиметра. При возбуждении же разряда проволочкой начальный диаметр канала разряда определяется диаметром проволочки. Материал взрывающихся проволочек и их размеры существенно влияют на величину и характер выделяемой энергии при высоковольтном разряде в жидкости. Так, время от начала протекания тока до взрыва зависит от сечения взрывающейся проволочки:

(6.18)

где k – постоянная, зависящая от свойств материала проволочки; S – площадь сечения проволочки, см²; L – индуктивность разрядного контура, Гн.

С увеличением диаметра проволочки максимум мощности электрического разряда растет, достигая некоторого оптимального значения, а затем убывает.

Материал и размеры взрывающихся проволочек влияют и на гидродинамические параметры электрического разряда, в частности на давление и скорость образующейся при разряде ударной волны. Поэтому выбор размера проволочек обусловлен соблюдением оптимальных параметров разряда, как по электрическим, так и по гидродинамическим показателям.

Оптимальный диаметр медной проволочки при разряде в воде определяют по эмпирической формуле

(6.19)

где С – емкость конденсаторов, Ф; U – напряжение, В; L – индуктивность разрядного контуре, Гн.

Носителями энергии при искровом высоковольтном разряде в жидкости являются ударная волна и парогазовая сфера. В импульсной механической работе большинства технологических процессов, таких как разрушение, дробление, формообразование, основное значение имеет энергия ударной волны, выделяющейся в разрядном промежутке за первый полупериод колебания тока. В соответствии с этим режимы работы электрогидравлической установки подбираются так, чтобы большая часть запасенной в конденсаторах – накопителях энергии выделялось в разрядном промежутке за первый полупериод колебания тока. Для питания импульсной энергией установок для обработки различных материалов электрогидравлическим методом применяются специальные генераторы, принципиальные схемы которых аналогичны схемам рис.6.9. Энергетические возможности электрического разряда в непроводящей жидкости (воде) ограничиваются допустимым напряжением зарядки и емкостью конденсаторных батарей установок.

Высоковольтный электрический разряд находит практическое применение в следующих технологических операциях.

Очистка литья от формовочной земли производится в воде и полностью исключает пылеобразование. При этом методе очищаемые отливки помешают в бак. После установки электродов относительно деталей последние очищаются от формовочной земли серией импульсов. Применение многоэлектродных трехфазных установок позволяет обрабатывать несколько отливок, устанавливаемых относительно электродов в произвольном положении.

Формообразование – процесс получения фасонных изделий из тонколистового материала с использованием направленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих в жидкости при импульсном электрическом разряде. Основными факторами формообразования методом электрогидравлического разряда являются сверхвысокие ударные гидравлические давления, мощные кавитационные процессы, ультразвуковое излучение.

Для получения различных по форме изделий создаются различные формы волн: с острым фронтом, сферические и др. Это достигается различным расположением электродов, а также различными формами проволочек, закорачивающих межэлектродный промежуток (рис.6.11).

 

 

Рис.6.11. Схемы электрогидравлической штамповки

 

Листовую заготовку 2 укладывают на матрицу 1 и прижимают к ней с помощью прижимных устройств. Над заготовкой расположена жидкая передающая среда 4, в которой на опреде­ленном расстоянии от заготовки размещены положительный и отрицательный электроды 5, соединенные с генератором импульсов тока электрогидравлической установки.

При высоковольтном разряде между электродами возникает токопроводящий искровой канал, мгновенное расширение которого приводит к возникновению в жидкости ударной волны, образующейся при расширении газовой сферы, и сопутствующего гидропотока (рис.6.11, а). Более эффективному использованию энергии разряда способствует размещение рабочих электродов в замкнутой камере 3 (рис.6.11, б) или внутри самой заготовки (рис.6.11, в).

Изменяя расстояние между концами рабочих электродов, можно получить различную форму фронта ударной волны. Если расстояние между электродами достаточно мало, то возникает волна со сферическим фронтом. Если же электроды удалены друг от друга на несколько сантиметров, то образуется волна с цилиндрическим фронтом. Плоский фронт можно получить, применив тонкую проволочную сетку, которая мгновенно испаряется при прохождении импульса тока. Форму фронта ударной волны можно привести в соответствие с формой рабочей полости матрицы, для чего проволоку, закорачивающую концы электродов, изгибают таким образом, чтобы разряд следовал по возникшему плазменному каналу.

Кроме указанных установок с непосредственным воздействием рабочей среды на заготовку существуют устройства, в которых деформация заготовки производится посредством промежуточного звена.

Тонкое измельчение – материал разрушается волной, которая возникает при электрогидравлическом ударе в жидкости. Разрушающаяся способность волны зависит от параметров разрядного контура, а энергия импульса – от напряжения и ёмкости конденсатора. Для дробления различных минералов применяются электрогидравлические вибраторы.

 

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: