СПОСОБ ПОДБОРА ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ГАЗОПЛАМЕННОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2003 года по МПК B23K37/00 B23K5/00 B23K7/00 

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано для подбора параметров каналов подачи горючей смеси в устройствах газопламенной резки и сварки металлов в производственных и бытовых условиях.

Известны способы подбора и группировки диаметров каналов подачи горючей смеси при газопламенной резке и сварке металлов, которые основаны 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 г, с 12-14 и "Сварочное производство", 5, с. 33-36).

При этом расчет производят в соответствии с уравнениями:
d=λ_x(n-1) при 3<n<20, (1)
где d - диаметр канала,
λ_x - химическая толщина теплового слоя,
n - порядковый номер,
d=λ_т/0,8ⁿ при n=1÷10, (2)
где λ_т - тепловая толщина слоя горения,
n - порядковый номер.

Однако такой подбор параметров сложен и недостаточно точен. К тому же, расчет не предусматривает ограничений по максимально допустимому диаметру и использование этих параметров не гарантирует безопасной работы из-за возможности обратных ударов пламени в канал. При этом могут произойти не только непредусмотренные прекращения резки или сварки и выходы из строя резака или горелки, но и пожаровзрывоопасные ситуации.

Кроме этого, в этом случае подбор параметров ограничен порядковым номером "n" и не предусмотрен выбор параметров пламягасителей для защиты газовых систем от взрывоопасных ситуаций.

Известен способ подбора параметров, в котором при рассмотрении горения, как волнового процесса, на основании волны фронта горения у торца мундштука производят расчет максимально допустимого диаметра канала подачи горючей смеси, исключающего взрывоопасные ситуации, а также проводят подбор толщины стенки пламягасящего элемента и размер пор для пламягасителей тяжелого и легкого типа (см. журнал "Сварочное производство" 9, 1999 г. статью Никифорова Н. И., Капустина О.Е., Родина Ю.К. "Защита газовых систем при нарушениях горения смеси в сварочной горелке", с. 19-22).

Однако в этом способе не предусмотрен подбор и разделение на группы диаметров каналов подачи горючей смеси, а также соответствующих им скоростей, обеспечивающих устойчивые режимы горения.

Наиболее близким аналогом является способ подбора параметров для устройств газопламенной сварки и резки металлов, заключающийся в подборе диаметров и скоростей подачи горючей смеси на основании волновой теории горения (см. журнал "Сварочное производство", 5 за 1999 г., статья Никифорова Н.И., Капустина О.Е., Родина Ю.К. "Новые представления о механизме горения применительно к сварочной горелке", с. 33-36).

В этом случае диаметры каналов подачи смеси определяют на основании уравнения, представляющего диаметр канала, как функцию от произведения λ_x - химической толщины теплового слоя - на уменьшенный на единицу порядковый номер "n", при изменении порядкового номера в пределах 3<n<20.

Однако подбор проводят в отрыве от характеристик, обеспечивающих устойчивое горение, и не исключают зон повышенной опасности. Поэтому использование таких параметров может привести к пожаровзрывоопасным ситуациям. К тому же не предусмотрен подбор параметров для пламягасителей.

Задачей предложенного технического решения является подбор и разделение на взаимосвязанные группы параметров каналов подачи горючей смеси, обеспечивающих устойчивое горение устройств для газопламенной сварки и резки металлов, в том числе, подбор параметров для пламягасителей с одновременным исключением параметров подачи смеси, приводящих к пожаровзрывоопасным ситуациям.

Для решения поставленной задачи в предложенном способе подбора параметров для устройств газопламенной сварки и резки металлов, заключающемся в подборе диаметров каналов и скоростей подачи горючей смеси на основании волновой теории горения, согласно изобретению на координатной плоскости скоростей и диаметров строят диаграмму устойчивого горения пламени в виде исходного четырехугольника с основной диагональю, равной 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении, принятой за 1, расположенной под углом 36^o к оси диаметров и образующей характеристику диаметров и соответствующих им скоростей первой группы, две стороны исходного четырехугольника представляют собой проекции этой диагонали соответственно на ось диаметров и ось скоростей, а третья и четвертая - расположены симметрично первым двум относительно этой диагонали и образуют следующую группу диаграммы в виде характеристики диаметров и соответствующих скоростей, представляющей собой контур этого четырехугольника, затем через точку, разделяющую основную диагональ в соотношении 2:1 проводят перпендикуляры к сторонам исходного четырехугольника, и получают средний и малый четырехугольники, подобные исходному, и расположенные между ними переходные прямоугольные зоны, которые исключают из диаграммы, а малый и средний четырехугольники включают в диаграмму в виде еще двух групп характеристик диаметров и соответствующих скоростей, после чего снаружи исходного четырехугольника через верхнюю точку основной диагонали проводят перпендикуляр к ней до пересечения с осями с образованием прямоугольного треугольника, из которого исключают прямоугольную зону, ограниченную перпендикулярами, опущенными из верхней точки основной диагонали к его катетам, а оставшуюся часть этого треугольника включают в диаграмму как характеристику следующей группы диаметров и соответствующих скоростей, при этом внутри этого треугольника получают два разделенных диагональю подобных треугольника, которые включают в диаграмму как характеристики следующих групп диаметров и скоростей с исключением из треугольников прямоугольных зон, подобных исключенной зоне предыдущего треугольника.

Кроме того, в предложенном способе, согласно изобретению, дополнительно определяют размеры пор пламягасителей по диаметрам характеристики диаграммы, образованной малым четырехугольником в масштабе, уменьшенном в 10 раз.

Технический результат, получаемый при этом, состоит в том, что на основании волновой теории горения получили диаграмму, включающую согласованные группы параметров каналов подачи горючей смеси для устройств газопламенной резки и сварки металлов, обеспечивающие устойчивое горение, по которой определяют диаметры каналов и скорости, в том числе, размеры пор пламягасителей. Исключены зоны и параметры, приводящие к пожаровзрывоопасным ситуациям, срывам пламени в атмосферу, обратным ударам пламени в канал.

На фиг.1 приведена диаграмма устойчивого горения и показано расположение первых четырех групп диаграммы характеристик диаметров-скоростей.

На фиг.2 показано расположение групп диаграммы для нормальных режимов.

На фиг.3 показано расположение групп диаграммы для статического и динамического режимов.

Диаграмму 2 устойчивого горения пламени строят в плоскости координат диаметр-скорость на основе исходного четырехугольника 3, имеющего основную диагональ 4, которая образует первую группу диаграммы и направлена под углом 36^o к оси диаметров D, и равна 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении, принятой за 1. Две стороны 5, 6 четырехугольника 3 представляют собой проекции диагонали 4 соответственно на ось диаметров D и ось скоростей V. А третью и четвертую стороны 7, 8 располагают симметрично первым двум сторонам 5, 6 относительно диагонали 4. Характеристики диагонали 4 и контура четырехугольника входят в диаграмму, как соответствующие группы диаметров и скоростей.

Для получения характеристик следующих групп диаграммы через точку, разделяющую диагональ в соотношении 2:1 проводят перпендикуляры 9, 10, 11, 12 к сторонам 5, 6, 7, 8 с образованием внутри исходного четырехугольника 3 малого и среднего 13, 14 четырехугольников, подобных исходному 3. Характеристики малого и среднего четырехугольников 13, 14 образуют следующие группы диаграммы и служат для подбора диаметров каналов и соответствующих скоростей.

Между четырехугольниками 13, 14 расположены переходные прямоугольные зоны 15, 16.

Снаружи исходного четырехугольника 3 через верхнюю точку основной диагонали 4 проводят перпендикуляр 17 к ней до пересечения с осями с образованием треугольника 18 (фиг. 2), параметры которого служат для определения диаметра-скорости следующей группы диаграммы. Между перпендикулярами, опущенными из верхней точки диагонали 4 к осям скоростей V и диаметров D, образуется прямоугольная зона 19.

Треугольник 18 разделен диагональю 4 (фиг.3) на два треугольника 20, 21, параметры которых характеризуют еще две группы диаграммы 2 и служат для определения диаметров и соответствующих скоростей. Из треугольников 20, 21 диаграммы 2 исключены прямоугольные зоны 22, 23, подобные зоне 19.

Способ состоит в следующем. При сгорании смеси, поступающей от горелок и резаков устройств для газопламенной сварки и резки металлов, образуется пламя. Для сварки используют среднюю зону пламени, т.е. зону химической реакции горения, которая ограничена с одной стороны исходной смесью, а с другой - продуктами реакции горения и имеет волновой характер. При этом волна фронта горения, т. е. поверхность, образованная линией волны, всегда движется на поток исходной смеси (за исключением режимов, при которых возможна детонация), и является зеркальным отражением движения и дефомации волны подачи горючей смеси, на чем и основан способ.

Для наиболее взрывоопасной и быстрогорящей ацетиленокислородной смеси (с составом 48-50% ацетилена и 50-52% кислорода) в зоне ядра пламя достигает наивысшей температуры, наибольшее давление и выделяется наибольшее количество тепла. В этом случае появляется опасность неустойчивого горения, незатухающего обратного удара пламени в канал и детонации. Исключения этого можно достичь подбором параметров подачи горючей смеси, гарантирующих устойчивое горение и пожаровзрывобеэопасный режим.

Выбор таких параметров решают с помощью рассмотрения гидродинамической деформации волны при распространении горения при сварке и резке металлов. На основании этого в координатной плоскости скоростей V и диаметров D строят диаграмму устойчивого горения, которая дает возможность выделить группы и определить диаметры каналов и скорости подачи горючей смеси для устойчивых режимов.

Каждая группа диаграммы имеет свою характеристику взаимосвязи диаметра и скорости. При этом исходный четырехугольник 3 диаграммы 1 строят на основной диагонали 4, расположенной под углом 36^o к оси диаметров D, которая, как первая группа диаграммы, является характеристикой диаметров и соответствующих скоростей. Две стороны 5, 6 исходного четырехугольника 3 представляют собой проекции диагонали 4 соответственно на ось диаметров D и ось скоростей V, а третью и четвертую его стороны 7, 8 располагают симметрично первым двум сторонам 5, 6 относительно диагонали 4 с получением следующей группы диаграммы 2, как характеристики в виде контура четырехугольника 3.

В четырехугольнике 3 направление вдоль диагонали 4 к углу 72^o отражает потери количества движения пламени, а направление вдоль диагонали к углу 108^o отражает увеличение количества движения, т.е. восполнение потерь. Четырехугольник 3, содержащий два прямых угла, углы 72^o и 108^o, и диагональ, равная 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении (принятой за 1) являются характеристиками, по которым нужно подбирать диаметры и соответствующие скорости, обеспечивающие устойчивые режимы горения, что позволяет исключить пожаровзрывоопасные ситуации. Это подтверждено экспериментами и многолетним опытом работы.

Для получения характеристик следующих групп диаметров через точку, разделяющую основную диагональ в соотношении 2:1, проводят перпендикуляры 9, 10, 11, 12 к сторонам 5, 6, 7, 8 четырехугольника 3 с образованием внутри него малого и среднего четырехугольников 13, 14, подобных исходному 3. Характеристики полученных четырехугольников 13, 14 образуют следующие две группы диаграммы 2 и их характеристики взаимосвязи диаметров-скоростей, также построены на основе и по принципу характеристики четырехугольника 3, поэтому подбор диаметров и скоростей по ним обеспечивает устойчивые режимы устройств для газопламенной сварки и резки металлов и гарантирует безопасные и эффективные по кпд параметры.

Между четырехугольниками 13, 14 расположены переходные прямоугольные зоны 15, 16, которые характеризуют скачки от гашения пламени к усилению горения и наоборот и исключены из диаграммы, как зоны неустойчивых режимов.

Снаружи четырехугольника 3 проводят перпендикуляр 17 к основной диагонали 4 через ее верхнюю точку до пересечения с осями (фиг.2) диаметров D и скоростей V потока с образованием отрезками осей и перпендикуляром треугольника 18, в котором диагональ 4 определяет возмущения при нормальных режимах.

При этом образуется следующая группа диаграммы 2, как характеристика диаметров-скоростей в виде треугольника 18, и по ней подбирают параметры, гарантирующие устойчивые режимы с эффективным кпд.

При разделении треугольника 18 диагональю 4 образуются два подобных ему треугольника 20, 21. При этом получают следующие группы диаграммы в виде характеристик треугольников 20, 21, по которым подбирают диаметры и соответствующие скорости соответственно для устойчивого статического режима и устойчивого режима динамических возмущений. При этом исключают зоны 22, 23 неустойчивых режимов, как зоны скачков ускорения - замедления горения пламени. Это позволяет исключить пожаровзрывоопасные ситуации.

При условии выбора максимальных диаметров каналов, не превышающих значения периметра исходного четырехугольника по полученной диаграмме, обеспечивается устойчивое горение пламени и защита газовых систем при нарушении горения.

Определение размеров пор пламягасителей проводят по диаметрам малого четырехугольника диаграммы в масштабе, уменьшенном в 10 раз, что позволяет повысить их эффективность.

Таким образом, предложенная диаграмма позволяет подобрать и взаимосвязать параметры подачи горючей смеси для устойчивых режимов горения, в том числе параметры пламягасителей, разделить их на согласованные группы и исключить зоны неустойчивых режимов.

Пример 1
Для газопламенной сварки с горючей смесью состава С₂Н₂ - 50%, О₂ - 50% при расходе горючего 100-130 л/ч на 1 мм толщины свариваемой стали надо подобрать параметры канала подачи горючей смеси.

Парметры требуется найти по характеристикам группы диаграммы, образованной основной диагональю.

Расчет проводят по диаграмме графически или математически
Получают диаметры:
D₁=1,62 cos36^o=1,62•0,81=1,31 (мм)
D₂=1,62 sin36^o=1,62•0,58=0,94 (мм)
А скорости определяют по графику или рассчитывают по формулам
V₁=D₁ cos18^o=1,31•0,95=1,24 (м/сек)
V₂=D₂=0,94 sin18^o=0,94•0,31=0,29 (м/сек)
Пример 2
Для газопламенной сварки с горючей смесью состава С₂Н₂ - 50%, O₂ - 50% необходимо подобрать размеры пор пламягасигелей для группы диаграммы, характеристикой которой служит диагональ 4. Определяют диаметр, как проекцию диагонали на ось диаметров, и уменьшают это значение в 10 раз, а диагональ малого треугольника в 3 раза меньше, поэтому
d₁=D₁/10/3=l,24/30=0,041 (мм)
d₂=D₂/10/3=0,29/30=0,0096 (мм)
Технико-экономический эффект состоит в получении по диаграмме устойчивого горения согласованных групп диаметров и соответствующих им скоростей подачи горючей смеси при газопламенной резке и сварке металлов, обеспечивающих устойчивое горение, в том числе, в подборе параметров пламягасителей при одновременном исключении зон и параметров, приводящих к пожаровзрывоопасным ситуациям, срывам пламени в атмосферу, обратным ударам пламени в канал.

Изобретение относится к сварочной технике и может найти применение при газовой сварке или резке при подборе параметров каналов подачи и скоростей подачи горючей смеси. Подбор диаметров каналов и скоростей подачи горючей смеси осуществляют с помощью диаграммы устойчивого горения пламени, состоящей из групп характеристик диаметров каналов и соответствующих им скоростей. Диаграмму строят на координатной плоскости скоростей и диаметров каналов подачи горючей смеси. Она включает основную диагональ, образующую первую группу диаграммы, равную 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении, которую принимают за единицу и располагают под углом 36^o к оси диаметров, исходный четырехугольник, средний и малый четырехугольники, прямоугольный треугольник и два разделенных диагональю подобных треугольника. Контур исходного четырехугольника имеет две стороны, представляющие проекции основной диагонали на соответственно ось диаметров и ось скоростей, и третью и четвертую стороны, расположенные симметрично первым двум относительно основной диагонали. Средний и малый четырехугольники подобны исходному и получены путем разделения основной диагонали в соотношении 2:1 и проведения через точку разделения перпендикуляров к сторонам исходного четырехугольника. Прямоугольный треугольник получен путем проведения снаружи исходного четырехугольника через верхнюю точку основной диагонали перпендикуляра к ней до пересечения с осями с исключенной из него прямоугольной зоной, ограниченной перпендикулярами, опущенными из верхней точки основной диагонали к его катетам. Два разделенных диагональю подобных треугольника получены внутри прямоугольного треугольника с исключенными из него прямоугольными зонами, подобными исключенной зоне прямоугольного треугольника. Дополнительно определяют размер пор пламягасителей по диаметрам характеристики диаграммы малого четырехугольника, уменьшенным в 10 раз. Диаметры каналов и скоростей подачи горючей смеси, подобранные по диаграмме устойчивого горения дуги, обеспечивают работу устройств газопламенной обработки без пожароопасных ситуаций, срывов пламени в атмосферу и обратных ударов пламени в канал. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ подбора параметров устройств газопламенной сварки и резки металлов, заключающийся в подборе диаметров каналов и скоростей подачи горючей смеси на основании волновой теории горения, отличающийся тем, что подбор диаметров каналов и скоростей подачи горючей смеси осуществляют с помощью диаграммы устойчивого горения пламени, состоящей из групп характеристик диаметров каналов и соответствующих им скоростей, которую строят на координатной плоскости скоростей и диаметров каналов подачи горючей смеси в виде основной диагонали, образующей первую группу диаграммы, равной 1,62 длины полуволны фронта пламени при устойчивом горении, которую принимают за единицу и располагают под углом 36^o к оси диаметров, исходного четырехугольника, контур которого образует следующую группу диаграммы, с двумя сторонами, представляющими проекции основной диагонали на соответственно ось диаметров и ось скоростей, и третьей и четвертой сторонами, расположенными симметрично первым двум относительно основной диагонали, среднего и малого четырехугольников, подобных исходному, которые включают в диаграмму в виде еще двух групп характеристик, полученных путем разделения основной диагонали в соотношении 2: 1 и проведения через точку разделения перпендикуляров к сторонам исходного четырехугольника, прямоугольного треугольника в виде следующей группы характеристик, полученного путем проведения снаружи исходного четырехугольника через верхнюю точку основной диагонали перпендикуляра к ней до пересечения с осями с исключенной из него прямоугольной зоной, ограниченной перпендикулярами, опущенными из верхней точки основной диагонали к его катетам, и двух разделенных диагональю подобных треугольников, полученных внутри прямоугольного треугольника с исключенными из него прямоугольными зонами, подобными исключенной зоне прямоугольного треугольника, включенных в диаграмму как следующие группы характеристик каналов и соответствующих им скоростей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют размер пор пламягасителей по диаметрам характеристики диаграммы малого четырехугольника, уменьшенным в 10 раз.