Способ подбора параметров для устройств газопламенной сварки и резки металлов

 

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано для подбора параметров безопасного горения для устройств газопламенной резки и сварки металлов, применяемых в бытовых и производственных условиях. Подбор параметров осуществляют следующим образом. Формируют диаграмму устойчивого горения, содержащую совокупность подобных четырехугольников, построенных на диагонали, равной увеличенной в 1,62 раз длине полуволны фронта пламени при устойчивом горении. Контур этих четырехугольников определяет группы характеристик параметров. На основе указанной диагонали формируют диаграмму запасов устойчивости, состоящую из зон, каждая из которых соответствует одной из групп параметров диаграммы устойчивого горения. Зоны ограничены с одной стороны спиралью, изменяющейся в полярной системе координат по закону ρ=L·βϕ/π при -n π<ϕ<0 и 0<ϕ<2π, где ρ - луч полярной системы координат; β=L·1,62 - диагональ подобных четырехугольников; L - длина полуволны фронта пламени устойчивого горения; ϕ - угол поворота луча; n - порядковый номер. А другая сторона каждой зоны в пределах поворота луча на угол π/2 ограничена соосными спирали граничными дугами с радиусами, соответственно равными максимальному лучу спирали предыдущей зоны. Запасы устойчивости рассчитывают по разности между спиралью и граничной дугой в данной зоне. Расчет параметров выполняют с учетом полученных запасов устойчивости. Этим достигается увеличение безопасности горения с получением надежных по устойчивости параметров и возможность их стандартизации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано для подбора параметров безопасного горения для устройств газопламенной резки и сварки металлов, применяемых в бытовых и производственных условиях.

Известен способ подбора и группировки диаметров каналов подачи горючей смеси для устройств газопламенной сварки и резки металлов, который основан на решении уравнений эмпирического характера, полученных на основе волновой теории горения (см. статьи Никифорова Н.И., Капустина О.Е., Родина Ю.К. в журналах “Тяжелое машиностроение” № 3 за 1999, с.12-14 и “Сварочное производство” № 5, с.33-36), который является наиболее близким аналогом к данному изобретению.

Однако этот способ сложен, недостаточно точен, не предусматривает подбора размеров пор пламегасителей и не гарантирует безопасной работы устройств.

Этот способ не предусматривает допусков по ограничению максимальных параметров, например по уменьшению диаметров каналов подачи рабочей смеси, а также по увеличению минимальных размеров пор пламегасителей, которые, как показала практика, не всегда обеспечивают устойчивое горение. При этом даже незначительные отклонения размеров, связанные с технологией изготовления резаков, горелок или защитных средств, могут привести к опасности выбросов пламени в атмосферу, обратных ударов пламени в канал и к детонации.

Задачей данного изобретения является увеличение безопасности горения путем получения гарантированно надежных по устойчивости параметров устройств, например диаметров каналов и размеров пор пламегасителей, а также возможность подбора таких параметров, как толщина резания металла и возможность выбора технологий изготовления резаков и горелок с одновременным получением возможности стандартизации параметров.

Для решения поставленных задач в способе подбора параметров для устройств газопламенной сварки и резки металлов, заключающемся в подборе соответствующих параметров на основании волновой теории горения, сначала осуществляют подбор параметров с помощью диаграммы устойчивого горения пламени, построенной на координатной плоскости соответствующих параметров в виде совокупности подобных четырехугольников на диагонали, образующей первую группу диаграммы, равной 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении, затем на упомянутой диагонали строят диаграмму запасов устойчивости горения пламени в виде суммы зон, ограниченных с одной стороны логарифмической спиралью, описанной лучом полярной системы координат с длиной, соответствующей уравнению ρ=L·βϕ/π при -n π<ϕ<0 и 0<ϕ<2π, где β=1,62L - длина диагонали подобных четырехугольников диаграммы устойчивого горения, L - длина полуволны фронта пламени при устойчивом горении, ϕ - угол поворота луча, n - порядковый номер, которую замыкают в пределах 2π<ϕ<5/2π по контуру радиуса длиной 5/2β, смещенного по вертикали относительно полюса спирали на величину 3/2β, а с другой стороны в пределах поворота луча на угол π/2, ограниченных соосными спирали граничными дугами, радиус каждой из которых равен максимальному значению длины луча спирали предыдущей зоны, и для каждой группы параметров, подобранных по диаграмме устойчивого горения, рассчитывают по соответствующей зоне диаграммы запасы устойчивости в виде разности между максимальным значением контура спирали и граничных дуг соответствующих зон, после чего уточняют параметры, полученные по диаграмме устойчивого горения, в виде разности упомянутых параметров и полученных соответствующих запасов устойчивости.

Кроме того, дополнительно определяют размер пор пламегасителей для каждой зоны по запасам устойчивости соответствующей зоны, уменьшенным в 10 раз.

Технический результат способа состоит в подборе параметров устройств газопламенной сварки и резки металлов, например диаметров каналов и размеров пор пламегасителей с устойчивыми режимами горения, в исключении опасных режимов, а также в возможности подбора толщины резания и технологии изготовления резаков и горелок, в возможности использования способа для стандартизации параметров.

На фиг.1 представлена диаграмма запасов устойчивости; на фиг.2 - диаграмма устойчивого горения.

Способ решен с помощью диаграммы устойчивого горения 1 и диаграммы запасов устойчивости 2.

Диаграмма устойчивого горения 1 подробно описана в пат. RU № 2198084, 2002 г. и представляет собой совокупность подобных четырехугольников 3, построенных на диагонали 4, равной 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении.

Диаграмма запасов устойчивости 2 представляет собой сумму зон 5, 5₁, 5₂, 5₃, 5₄, 5_n.

Зоны ограничены с одной стороны циклической спиралью 6, описанной лучом 7 полярной системы координат, с замыканием спирали 6 в пределах угла поворота от 2π до 5/2π линией, описанной радиусом 8 длиной β^5/2, а центр 9 радиуса 8 смещен по вертикали относительно полюса 10 спирали на величину β^3/2. С другой стороны граница каждой зоны проходит по соответствующей граничной дуге 11-11_n. Радиусы дуг 11-11_n для каждого поворота луча спирали на угол, равный π/2, равны соответствующему максимальному значению спирали предыдущей зоны.

Запасы устойчивости (допуска) обозначены на фиг.1 соответственно δ₁ δ₂ δ₃ δ₄ δ_n.

Диаграмму запасов устойчивости 2 разделяет окружность 12 устойчивых колебаний с единичным радиусом. Дополнительно из центра 9 дуги, замыкающей спираль 6, проводят дугу 13, симметричную замыкающей дуге, а из центра спирали под углом 30° к горизонтали проводят луч 14 до пересечения с этой дугой.

Способ может быть реализован следующим образом

От взаимодействия гравитационных сил и сил поверхностного натяжения, проявляющихся во взаимодействии тепловых и химических процессов, зависит равновесное состояние процесса горения при газопламенной сварке или резке металлов. При этом, при горении волна фронта пламени надвигается на поток горючей смеси и скорость ее перемещения должна быть примерно равной скорости потока рабочей смеси. Несоответствие сжатия пламени (давления на ядро пламени) в единицу времени и реакции поверхности ядра пламени на это давление приводит к нарушению равновесного состояния, разрыву поверхности ядра пламени, появлению турбулентных потоков при горении, появлению незатухающих колебаний и неустойчивого режима горения. Это является причиной выбросов пламени в атмосферу, обратных ударов пламени в канал и возникновения детонации и может привести к пожаровзрывоопасным ситуациям.

В предложенном способе найдена возможность исключения опасных режимов горения и дано решение этой проблемы при рассмотрении горения как волнового процесса взаимодействия гравитационных сил и сил поверхностного натяжения. При этом предложено определение параметров на основании графического сравнения устойчивого процесса горения и процесса горения на грани устойчивости.

Для этого использованы две диаграммы - диаграмма устойчивого горения 1, подробно рассмотренная в пат. RU № 2198084, 2002 г., и дополнительно построенная диаграмма запасов устойчивости 2 (см. фиг.1).

В пат. RU № 2198084, 2002 г. определение параметров выполняют по контурам четырехугольников 3, построенных на диагонали 4, равной 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении.

Диаграмма запасов устойчивости 2 построена на основе той же диагонали и представляет собой сумму зон 5-5_n. Для построения диаграммы запасов устойчивости 2 строят циклическую спираль 6, описанную лучом 7 полярной системы координат, соответствующим длине волны фронта пламени на грани устойчивости. Длина луча 7 спирали 6 в полярной системе координат изменяется в соответствии с уравнением:

ρ=L·βϕ/π при -n π<ϕ<0 и 0<ϕ<2π,

где ρ - луч полярной системы координат (соответствует переменной длине волны фронта пламени при горении на грани устойчивости);

β=L·1,62 - диагональ подобных четырехугольников диаграммы устойчивого горения;

L - длина полуволны фронта пламени при устойчивом горении;

ϕ - угол поворота луча;

n - порядковый номер;

Циклическую спираль 6 замыкают в пределах угла поворота луча 7 от 2 π до 5/2π. Замыкание спирали осуществляют линией, описанной концом радиуса 8 длиной β^5/2, из центра 9, смещенного по вертикали относительно полюса 10 спирали 6 на величину β^3/2.

При завершении построения диаграммы запасов устойчивости 2 строят соосные спирали 6 граничные дуги 11-11_n, радиусы которых для каждого поворота луча спирали на угол, равный π/2 (соответственно при переходе от зоны к зоне), равны максимальному значению спирали предыдущей зоны. Диаграмма запасов устойчивости 2, как сумма зон 5-5_n, ограничена с одной стороны спиралью 6, а с другой - граничными дугами 11-11_n.

С помощью диаграммы запасов устойчивости 2 (см. фиг.1) уточняют параметры, подобранные по диаграмме устойчивого горения 1 и находящиеся на грани устойчивости, чем достигается предотвращение опасных режимов горения.

Для каждой группы параметров диаграммы устойчивого горения 1 запасы устойчивости рассчитывают по соответствующей зоне диаграммы запасов устойчивости 2 как разность между максимальным значением контура спирали 6 и граничными дугами 11-11_n соответствующих зон.

При этом для получения работы на устойчивых режимах при расчете параметров из максимальных параметров, подобранных по диаграмме устойчивого горения 1, вычитают соответствующие полученные по диаграмме 2 запасы устойчивости (соответственно δ₁ δ₂ δ₃ δ_n,).

Для групп же диаграммы устойчивого горения 1, параметры которых соответствуют участкам спирали диаграммы запасов устойчивости 2, расположенным внутри единичной окружности 12 устойчивых колебаний, (согласно диаграмме 2 запас устойчивости имеет отрицательное значение и при вычитании меняет знак на противоположный) устойчивые режимы горения получают при увеличении параметров (размеров пор пламегасителей) на соответствующие запасы устойчивости.

Для подбора параметров резки с сохранением режимов устойчивого горения дополнительно из центра 9 дуги, замыкающей спираль 6, проводят симметричную ей дугу 13, а из центра спирали под углом 30° к вертикали проводят луч 14 до пересечения с симметричной дугой. Принцип расчета тот же.

Расчет размеров пор пламегасителей согласовывают с подобранными диаметрами. При принятии β⁴ ≈ 10, определение размеров пор пламегасителей для каждой группы параметров диаграммы устойчивого горения 1 может быть выполнено по запасам устойчивости диаметров соответствующей зоны, уменьшенным в 10 раз.

Этим достигается повышение надежности устойчивых режимов горения, что было подтверждено многолетним опытом работы и многочисленными экспериментами, проводимыми при газопламенной сварке и резке металлов. Гарантия устойчивых режимов горения позволит использовать предложенный способ для стандартизации параметров этих устройств.

Предложенный способ описан на примерах подбора диаметров каналов подачи рабочей смеси, а также подбора размеров пор пламегасителей защитных устройств. Однако это не ограничивает объема притязаний по способу, который может быть широко использован при расчете параметров устройств газопламенной сварки и резки металлов.

Пример.

Для газопламенной сварки с горючей смесью состава C₂H₂ - 50%, О₂ - 50% по диаграмме устойчивого горения (см. фиг.2) подобраны следующие диаметры каналов подачи горючей смеси: ₁=1,5 мм; d₂=3,0 мм; d₃=4,5 мм.

Для диаметра d₃=4,5 мм по диаграмме запасов устойчивости (см фиг.1) определили, что запас устойчивости равен δ₁=0,27 мм.

Следовательно, режимы устойчивого горения будут обеспечены при подаче рабочей смеси из канала диаметром d¹₃=4,5-0,27=4,23 (мм).

Для расчета следующего канала подачи рабочей смеси, соответствующего диагонали диаграммы устойчивого горения, равной 1,618, из диаграммы запасов устойчивости следует, что δ₂=1,618-1,27=0,348 (мм), и действительный запас устойчивости (допуск) равен (δ₂-δ₁)=0,348-0,27=0,078 (мм).

Тогда диаметр канала подачи рабочей смеси для получения устойчивого горения равен 1,618-0,078=1,54 (мм).

При подборе размеров пор пламегасителей нужно перейти к соответствующей зоне и размеры пор рассчитать следующим образом:

В соответствии с тем, что δ₂=0,348 (мм), размер пор пламегасителей равен 0,348/10=0,0348 (мм).

Технико-экономический эффект состоит в увеличении безопасности горения путем получения гарантированно надежных по устойчивости параметров, например диаметров каналов и размеров пор пламегасителей, с одновременным получением возможности их стандартизации, в возможности подбора таких параметров, как толщина резания металла, и возможности выбора технологий изготовления резаков и горелок.

Формула изобретения

1. Способ подбора параметров для устройств газопламенной сварки и резки металлов, заключающийся в подборе соответствующих параметров на основании волновой теории горения, отличающийся тем, что сначала осуществляют подбор параметров с помощью диаграммы устойчивого горения пламени, построенной на координатной плоскости соответствующих параметров в виде совокупности подобных четырехугольников на диагонали, образующей первую группу диаграммы, равной 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении, затем на упомянутой диагонали строят диаграмму запасов устойчивости горения пламени в виде суммы зон, ограниченных с одной стороны логарифмической спиралью, описанной лучом полярной системы координат с длиной соответствующей, уравнению ρ=L·βϕ^/π при -n π<ϕ<0 и 0<ϕ<2π, где β=l,62L - длина диагонали подобных четырехугольников диаграммы устойчивого горения; L - длина полуволны фронта пламени при устойчивом горении; ϕ - угол поворота луча; n - порядковый номер, которую замыкают в пределах 2π<ϕ<5/2π по контуру радиуса длиной 5/2β, смещенного по вертикали относительно полюса спирали на величину 3/2β, а с другой стороны в пределах поворота луча на угол π/2 ограниченных соосными спирали граничными дугами, радиус каждой из которых равен максимальному значению длины луча спирали предыдущей зоны, и для каждой группы параметров, подобранных по диаграмме устойчивого горения, рассчитывают по соответствующей зоне диаграммы запасы устойчивости в виде разности между максимальным значением контура спирали и граничных дуг соответствующих зон, после чего уточняют параметры, полученные по диаграмме устойчивого горения, в виде разности упомянутых параметров и полученных соответствующих запасов устойчивости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют размер пор пламегасителей для каждой зоны по запасам устойчивости соответствующей зоны, уменьшенным в 10 раз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2