ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ Российский патент 2002 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к оборудованию для плазменной резки металлов, а именно к плазмотронам, и может быть использовано в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности для ручной и автоматической резки металлов и сплавов.

Известен плазмотрон по патенту РФ 1814603, кл. В 23 К, 10/00, опубл. 07.05.93, Бюл. 17, содержащий полый электрод с рубашкой охлаждения, сопло и завихритель, расположенный между электродом и соплом, при этом в электроде у его глухого конца выполнены отверстия для соединения полости электрода с атмосферой или рубашкой охлаждения.

Известен плазмотрон по А. С. СССР 1798085, кл. В 23 К 10/00, опубл. 28.02.93, Бюл. 8, содержащий корпус прямоугольного сечения, электродный узел, соединенный через изолятор с сопловым узлом крепежными элементами, расположенными по разные стороны от электродного узла, при этом крепежные элементы выполнены с упругими участками, а их оси штуцеров расположены в продольной плоскости симметрии плазмотрона, в частности, упругие участки крепежных элементов выполнены в виде резиновых шлангов.

Недостатком используемой в данных плазмотронах водяной системы охлаждения является сложность конструкции и невозможность работы при температурах окружающего воздуха ниже 0^oС. Применение же в качестве охлаждающей жидкости антифризов, замерзающих при температурах ниже 0^oС, ведет к необходимости использовать замкнутую систему охлаждения, включающую, как правило, бак, радиатор, насос и вентилятор.

Указанные недостатки устраняются в плазмотронах с воздушной системой охлаждения. Например, известен плазмотрон по А.С. СССР 234964, МКИ В 23 К 10/00, содержащий сопловой узел, состоящий из двух сопел, внутреннего и наружного, и завихрителя, расположенного на внутренней сопрягаемой поверхности наружного сопла. Завихритель выполнен в виде тангенциальных каналов, выходы которых расположены по конической поверхности наружного сопла в зоне выходного отверстия.

Это техническое решение обеспечивает защиту сопла от пробоя двойной дуги, но не решает проблемы охлаждения соплового узла вследствие малой площади взаимодействия охлаждающего воздуха с поверхностью сопла. Для устранения этого недостатка и увеличения теплоотвода от поверхности сопла необходимы дополнительные меры.

Такие меры приняты, например, в конструкции плазмотрона по патенту 2036059, МКИ В 23 К 10/00 1995 г., Бюл. 15, выбранном в качестве прототипа. Плазмотрон состоит из изолирующего корпуса с расположенным в нем стаканом, расположенных в стакане соосно изолирующих втулок, электрода с активной вставкой, закрепленного в обойме, завихрителя, сопла, мундштука, помещенного в стакан и служащего для закрепления сопла путем прижатия его к торцу изолирующей втулки. Причем на внутренней поверхности мундштука выполнена многозаходная резьба для прохода охлаждающего воздуха.

Недостатком данного решения является недостаточно эффективное охлаждение сопла и, как следствие, преждевременный выход из строя, а также нагрев контактирующей с соплом поверхности торца изоляционной втулки, ведущий к ее разрушению. Для предотвращения этого последствия необходимо изготавливать упомянутую втулку из термостойких материалов (например, керамики), что вызывает трудности в изготовлении и последующей эксплуатации плазмотрона.

Технический эффект выражается в повышении надежности и производительности плазмотрона за счет повышения износостойкости его деталей: сопла и изоляционной втулки и, как следствие, сокращении времени на их замену.

Указанный технический эффект достигается тем, что в плазмотроне для воздушно-плазменной резки, включающем соосно расположенные в корпусе токоподвод с каналом для подвода воздух, катод с изоляционной втулкой, охлаждающую полость с каналами для ввода и вывода охлаждающего воздуха, сопло и соплодержатель, согласно изобретению охлаждающая полость выполнена в виде тора, образованного двумя канавками, одна из которые расположена в теле сопла, а другая - в соплодержателе, причем каналы для ввода и вывода охлаждающего воздуха выполнены в теле соплодержателя тангенциально поперечному круговому сечению тора и размещены попарно и равномерно чередуясь по окружности, соответствующей наружному диаметру тора с одинаковым угловым смещением между парами упомянутым каналов.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый плазмотрон отличатся тем, что полость для прохождения охлаждающего воздуха выполнена в виде тора, причем тор образован двумя канавками, одна из которых расположена в теле сопла, а другая - в теле соплодержателя, причем каналы дли ввода и вывода охлаждающего воздуха выполнены в теле соплодержателя тангенциально поперечному круговому сечению тора и размещены попарно и равномерно чередуясь по окружности, соответствующей наружному диаметру тора с одинаковым угловым смещением между парами упомянутых каналов.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Для проверки соответствия изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решении с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками от прототипа заявленного технического решения. Результаты поиска показали, что заявленное решение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, а именно заявленная совокупность существенных признаков проявляет новое свойство - повышается износостойкость сопла и изоляционной втулки, тем самым повышается надежность работы плазмотрона и его производительность.

Таким образом, заявленное решение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан плазмотрон в разрезе с указанием составным частей, на фиг. 2 (вид снизу) показано расположение каналов для ввода и вывода охлаждающего воздуха.

Плазмотрон содержит токоподвод 1, помещенный во втулку 2, закрепленный между торцом токоподвода 1 и конической поверхностью втулки 2 катод 3 с активной вставкой 4. На хвостовик токоподвода 1 налета изоляционная втулка 5, охватывающая втулку 2 и имеющая симметрично расположенные отверстия для прохода воздуха. На поверхности втулки 2 выполнена многозаходная прямоугольная резьба, а наружная поверхность втулки 5 снабжена канавками 6. Резьба и канавки служат для прохода воздуха в разрядную камеру 7 и в охлаждающую полость 8.

В выступы втулки 5 упирается торцом сопло 9 с выполненной в его теле канавкой полукруглого сечения.

Сопло 9 прижимается к втулке 5 соплодержателем 10, надетым на корпус 11 и имеющим канавку полукруглого поперечного сечения, составляющую вместе с канавкой в теле сопла 9 охлаждающую полость 8 для прохождения воздуха, каналы для ввода 12 и вывода 13 охлаждающего воздуха расположены в теле соплодержателя тангенциально поперечному сечению тора, попарно и равномерно чередуясь по окружности, соответствующей наружному диаметру тора в теле соплодержателя с одинаковым угловым смещением между парами упомянутых каналов.

Плазмотрон работает следующим образом. Воздух подается в канал токоподвода 1 и выходит через прорези в его торце в кольцевую полость, образованную наружной поверхностью токоподвода 1 и внутренней поверхностью втулки 2. Через отверстия в стенке втулки 2 воздух попадает в кольцевую полость между наружной поверхностью втулки 2 и внутренней поверхностью втулки 5. Оттуда он расходится двумя неравными потоками. Меньшая часть проходит по каналам, образованным многозаходной резьбой на поверхности втулки 2 и внутренней поверхностью изоляционной втулки 5, попадает в разрядную камеру 7 между катодом 3 и соплом 9, образует на выходе из сопла струю плазмы.

Большая часть проходит по каналам, образованным канавками 6 на поверхности втулки 5 и корпусом 11, попадая в кольцевую полость, образованную соплодержателем 10 и соплом 9. Оттуда по каналам для ввода охлаждающего воздуха 12, расположенным парами равномерно по окружности, соответствующей наружному диаметру тора в теле соплодержателя, воздух попадает в тороидальную полость, образованную в теле сопла 9 и соплодержателя 10.

Вследствие тангенциального расположения каналов для ввода охлаждающего воздуха 12 воздух перемешается по полости, образуя в плоскости турбулентные завихрения, выход воздуха осуществляется через тангенциально расположенные каналы для вывода охлаждающего воздуха 13, имеющие выход на торце соплодержателя.

Известно, что при движении воздуха в изогнутой трубе (см. М.А. Михеев, М.И. Михеева. Основы теплопередачи. М.:Энергия, 1973) возникает центробежный эффект, ведущий к увеличению скорости обтекания стенок трубы и возникновению в поперечном сечении вторичной циркуляции и, вследствие этого, увеличению турбулентности потока. Поэтому значение коэффициента теплопередачи в изогнутых трубах больше, чем в прямых или в трубах некруглого сечения. При расчете теплоотдачи в таких трубах в формулу вводится в качестве сомножителя коэффициент (с. 86, формула /3-40/ указанного выше издания).

,
где d - диаметр трубы,
R - радиус изгиба трубы.

Выполнение каналов для ввода и вывода охлаждающего воздуха тангенциально к поперечному сечению тороидальной охлаждающей полости еще более увеличивает турбулентность потока воздуха в ней и, следовательно, увеличивает теплоотвод от поверхности сопла через воздушный поток телу соплодержателя, а от него - в атмосферу. Таким образом, повышается эффективность охлаждения сопла, как следствие удлиняется срок службы контактирующей с ним изоляционной втулки, самого сопла. Сокращается количество простоев плазмотрона, вызванных необходимостью замены указанных элементов, появляется возможность работы на более интенсивных режимах (например, при большей силе тока) и, следовательно, растет производительность плазмотрона.

Предлагаемый плазмотрон испытывался при ручной резке листов толщиной до 20 мм, при этом сила тока составляла 90-110 А, расход воздуха 10,5 м³/ч, давление в пневмосистеме 4 кгс/см². За счет лучшего по сравнению с прототипом охлаждения сопла уменьшаются тепловые нагрузки на изоляционную втулку. Кроме того, снижаются механические нагрузки на нее, возникающие вследствие неравномерной тепловой деформации сопла и приводящие к снижению точности базирования элементов плазмотрона, искажению осевой симметричности истечения струи плазмоформирующего воздуха, возникновению вторичной дуги, выводящей сопло из строя.

Таким образом, предлагаемое изобретение увеличивает стойкость элементов плазмотрона в 1,5-2 раза, повышает производительность плазмотрона на 30% по сравнению с прототипом за счет сокращения времени на замену деталей плазмотрона.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к оборудованию для плазменной резки и может найти применение в различных отраслях машиностроения, металлургической и других отраслях промышленности. В корпусе (11) соосно расположены токоподвод (1) с каналом для подвода воздуха, катод (3) с изоляционной втулкой (5), охлаждающая полость (8) с каналами (12) и (13) для ввода и вывода охлаждающего воздуха, сопло (9) и соплодержатель (10). Охлаждающая полость (8) выполнена в виде тора, образованного двумя канавками, одна из которых расположена в теле сопла (9), а другая - в соплодержателе (10). Каналы (12) и (13) для ввода и вывода охлаждающего воздуха выполнены в теле соплодержателя (10) тангенциально поперечному круговому сечению тора и размещены попарно и равномерно чередуясь по окружности, соответствующей наружному диаметру тора с одинаковым угловым смещением между парами упомянутых каналов. В результате достигается повышение стойкости элементов плазмотрона за счет улучшения условий их охлаждения, повышение производительности за счет сокращения времени на замену вышедших из строя элементов. 2 ил.

Плазмотрон для воздушно-плазменной резки, содержащий соосно расположенные в корпусе токоподвод с каналом для подвода воздуха, катод с изоляционной втулкой, охлаждающую полость с каналами для ввода и вывода охлаждающего воздуха, сопло и соплодержатель, отличающийся тем, что охлаждающая полость выполнена в виде тора, образованного двумя канавками, одна из которых расположена в теле сопла, а другая - в соплодержателе, причем каналы для ввода и вывода охлаждающего воздуха выполнены в теле соплодержателя тангенциально поперечному круговому сечению тора и размещены попарно и равномерно чередуясь по окружности, соответствующей наружному диаметру тора с одинаковым угловым смещением между парами упомянутых каналов.