способ подбора параметров для устройств газопламенной сварки и резки металлов

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 =L^/ при -n <<0 и 0<<2, где =l,62L - длина диагонали подобных четырехугольников диаграммы устойчивого горения; L - длина полуволны фронта пламени при устойчивом горении; - угол поворота луча; n - порядковый номер, которую замыкают в пределах 2<<5/2 по контуру радиуса длиной 5/2, смещенного по вертикали относительно полюса спирали на величину 3/2, а с другой стороны в пределах поворота луча на угол /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.

Описание изобретения к патенту

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 =L/ при -n <<0 и 0<<2, где =1,62L - длина диагонали подобных четырехугольников диаграммы устойчивого горения, L - длина полуволны фронта пламени при устойчивом горении, - угол поворота луча, n - порядковый номер, которую замыкают в пределах 2<<5/2 по контуру радиуса длиной 5/2, смещенного по вертикали относительно полюса спирали на величину 3/2, а с другой стороны в пределах поворота луча на угол /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 2 до 5/2 линией, описанной радиусом 8 длиной ^5/2, а центр 9 радиуса 8 смещен по вертикали относительно полюса 10 спирали на величину ^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 /2, равны соответствующему максимальному значению спирали предыдущей зоны.

Запасы устойчивости (допуска) обозначены на фиг.1 соответственно _{1 2 3 4 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:

=L/ при -n <<0 и 0<<2,

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

=L1,62 - диагональ подобных четырехугольников диаграммы устойчивого горения;

L - длина полуволны фронта пламени при устойчивом горении;

- угол поворота луча;

n - порядковый номер;

Циклическую спираль 6 замыкают в пределах угла поворота луча 7 от 2 до 5/2. Замыкание спирали осуществляют линией, описанной концом радиуса 8 длиной ^5/2, из центра 9, смещенного по вертикали относительно полюса 10 спирали 6 на величину ^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 /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 _{1 2 3 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 ⁴ 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 ₁=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 ₂=1,618-1,27=0,348 (мм), и действительный запас устойчивости (допуск) равен (₂-₁)=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 ₂=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.