ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 135-138
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 661.88
ВЛИЯНИЕ ПОДВЕДЕННОЙ ЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННУЮ НАРАБОТКУ МАТЕРИАЛА В ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ
УСКОРИТЕЛЕ © 2014 г. A. A. Сивков, Д. Ю. Герасимов, А. А. Евдокимов
Национальный исследовательский Томский политехнический университет Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: mpt@elti.tpu.ru Поступила в редакцию 01.03.2013 г.
Представлены результаты исследования влияния энергии на динамику электроэрозионного износа поверхности ускорительного канала коаксиального магнитоплазменного ускорителя. Подведенная к ускорителю энергия изменялась путем отсечки хвостовой части импульса тока тригатронным разрядником в различные моменты времени. Установлено, что динамика электроэрозионного износа поверхности ускорительного канала в основном определяется характером изменения мощности разряда в зависимости от времени протекания процесса в ускорителе.
DOI: 10.7868/S0032816214010327
В работе [1] показана возможность использования импульсного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя (к.м.п.у.) эрозионного типа для получения порошков металлов и прямого динамического синтеза нанодисперс-ных сверхтвердых материалов, в частности соединений титана. Устройство и принцип действия к.м.п.у. описаны в [2].
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований по определению основных условий высокоэффективного использования подводимой к ускорителю энергии для электроэрозионной наработки материала с поверхности ускорительного канала (у.к.) при отсечке хвостовой части импульса тока.
В экспериментах использовались изготовленные из отрезков титановой трубы (марка ВТ1-0) стволы с диаметром у.к. dук = 21 мм и толщиной стенки 2 мм. Электропитание к.м.п.у. осуществлялось от емкостного накопителя энергии. Дуговой разряд между титановым центральным электродом и поверхностью у.к. в его начале инициировался электрическим пробоем межэлектродного промежутка при зарядном напряжении накопителя 3-4 кВ.
Прямой динамический синтез нанодисперсно-го сверхтвердого нитрида титана с гранецентриро-ванной кубической кристаллической структурой сТМ проводился при истечении импульсной гиперскоростной струи в затопленное (без преграды на пути струи) пространство герметичной камеры-реактора, заполненной техническим азотом при нормальных давлении и температуре. При проведении экспериментов осциллографом реги-
стрировались напряжение на электродах ускорителя Ц(0 и рабочий ток /(?). Полученные данные использовались для построения кривых мощности разряда Р(0, интегрированием которых определялось значение подведенной к ускорителю энергии IV. Вынесенная в камеру-реактор с эродированной поверхности у.к. масса т определялась как разница масс ствола до и после плазменного выстрела. Для построения эпюр удельного дифференциального электроэрозионного износа по длине у.к. Ат(/ук) использованные стволы разрезались на равные цилиндрические отрезки длиной 10-15 мм. Взвешиванием на аналитических весах (погрешность ±0.01 г) определялась масса каждого отрезка ствола и ее уменьшение по сравнению с массой "эталонного" отрезка исходной титановой трубы. Усредненное по длине отрезка значение Ат находилось как отношение величины уменьшения массы к площади цилиндрической поверхности "эталонного" участка у.к.
Нанодисперсные материалы плазмодинами-ческим методом получают в одном кратковременном (0.1-1.0 мс) цикле работы к.м.п.у. Однако в течение этого цикла протекает несколько взаимосвязанных процессов. Не менее важным, чем процесс ускорения, является процесс наработки основного материала, в частности титана, с поверхности ускорительного канала к.м.п.у. Оба процесса неразрывно связаны между собой и влияют друг на друга, так как объединены общим фактором - энерговыделением в плазменной структуре сильноточного дугового разряда типа Z-пинч, ускоряемого в коаксиальной системе. Для понимания физики процессов в у.к. важно знать дина-
C
К.м.п.у.
K
ЦЭ ^_
2
И
О О О О OfСт -^
ОООООО
ГЗИ
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема экспериментальной установки. ЦЭ — центральный электрод, Ст — ствол, И — индуктор, С — емкостный накопитель энергии, К — ключ, Т — тригатронный разрядник, ГЗИ — генератор запускающих импульсов.
мику электроэрозионного процесса в течение всего цикла работы к.м.п.у. Исследование закономерности наработки материала во времени позволяет оценить плотность вещества в плазменной струе, что важно для моделирования и регулирования процесса в целом.
Прямое измерение динамики эрозии поверхности у.к. во времени с использованием рассматриваемой импульсной высокоэнергетической системы не представляется возможным. Поэтому нами использован косвенный метод. Суть метода заключается в проведении серии опытов при одинаковых энергетических и конструктивных параметрах системы, снабженной дополнительным шунтирующим контуром. В этот контур включается тригатронный разрядник, обеспечивающий дуговое замыкание контура и шунтирование разряда в у.к. к.м.п.у. в заданный момент времени При различных значениях выполнена серия
Основные экспериментальные результаты по определению влияния подведенной энергии на динамику эрозионного износа у.к. к.м.п.у.
№ опыта tj, мкс ^max, кВ ^max, кА W, кДж тэ, г
1 180 1.4 211 42 2.6
2 216 1.4 217 56 5.4
3 280 1.3 226 63 7.0
4 336 1.3 217 70 8.6
5 356 1.5 186 80 10.9
6 430 1.4 195 88 12.9
7 Полный импульс 1.4 232 94 15.0
экспериментов с разной длительностью существования разряда в у.к. к.м.п.у.
Контур, в который включен тригатронный разрядник, как видно из схемы соединения на рис. 1, обеспечивает шунтирование только разряда в у.к., не исключая индуктор к.м.п.у. из контура разряда накопителя энергии. Это предотвращает появление тока короткого замыкания конденсаторной батареи источника.
Эксперименты с шунтированием разряда в к.м.п.у. проведены при следующих параметрах: емкость накопителя C = 24 мФ, зарядное напряжение изар = 3.5 кВ, диаметр у.к. dук = 21 мм, длина у.к. 1ук = 230 мм. Выстрелы производились в камеру-реактор, заполненную азотом при нормальных давлении и температуре. Регистрация напряжения и тока дугового разряда в у.к. осуществлялась цифровым осциллографом Tektronix TSD 2012B. Основные результаты экспериментов приведены в таблице, а на рис. 2 представлены осциллограммы опытов № 2, № 3 и № 4 и № 7 (полный импульс) (см. таблицу) при разных временах задержки срабатывания шунтирующего тригатрона.
В экспериментах разряд в у.к. инициировался в режиме автопробоя по поверхности изолятора промежутка между вершиной центрального электрода и поверхностью у.к. в его начале, поэтому начало работы к.м.п.у. практически совпадает с моментом t = 0 на приведенных осциллограммах.
Согласно описанной выше методике исследования эрозии поверхности у.к., в каждом эксперименте титановый ствол взвешивался до и после плазменного выстрела. По разнице масс определялась масса материала, вынесенного плазменной струей. После выстрела каждый ствол разрезался на равные отрезки, после чего каждый отрезок взвешивался на аналитических весах. В сравнении с "эталонным образцом" (не подверженным эрозии) для каждого отрезка ствола определялось значение удельного износа (на 1 мм2 поверхности). По полученным данным строились эпюры удельного дифференциального электроэрозионного износа по длине 1ук ускорительного канала.
Семейство таких эпюр представлено на рис. 3. Анализ данных показывает, что с увеличением 4 происходит закономерный рост подведенной и выделившейся в у.к. энергии W. Это в свою очередь влечет за собой увеличение интегральной эрозии и массы наработанного материала тэ, величина которой определялась также интегрированием эпюр по длине у.к.
Из сравнения эпюр можно видеть характер влияния 4 и W на электроэрозионный износ поверхности у.к. по его длине. Переход эпюры 1 в область отрицательных значений Am показывает, что в условиях опыта № 1 электропитание прекращается до выхода плазменного течения из у.к. Эрозия конечного участка отсутствует, но на его
ВЛИЯНИЕ ПОДВЕДЕННОЙ ЭНЕРГИИ
137
Рис. 2. Осциллограммы напряжения Щ(/) и тока Щ) при работе к.м.п.у. в режиме шунтирования разряда для разных времен задержки (показано пунктиром на графиках) замыкания шунтирующего контура, полученные в различных опытах: а — № 7 (полный эталонный импульс); б — № 2; в — № 3; г —№ 4 (см. таблицу).
поверхность наслаивается и осаждается ранее эродированный материал. По полученным данным построена кривая изменения скорости эрозии стенки у.к. Am/At, г/мкс, в зависимости от времени протекания процесса в к.м.п.у. (рис. 4а) при соответствующем изменении электрической мощности (рис. 4б).
Кривая Am/At построена следующим образом.
По данным двух опытов, проведенных при последовательных значениях t31 и определялись прирост эродированной массы Am = m2 — m1 на интервале времени A^ = t32 — t31 и скорость эрозии
Am m2 - mx э л ~
— — —-1. Здесь индексы 1 и 2 соответствуют
A t tз2 - tзl
предыдущему и последующему опыту. Полученные значения скорости эрозии относились к среднему значению временного интервала t3l — t31. Сопоставление кривых на рис. 4а и 4б показывает, что максимум кривой (Am/At)(t) смещен относительно максимума кривой P(t) в сторону увеличения времени. Это можно объяснить большей инерционностью тепловых процессов, вызывающих плавление и электроэрозию металла на поверхности у.к.,
Am, 10 3 г/мм2
Рис. 3. Семейство эпюр удельного дифференциального электроэрозионного износа поверхности у.к. Номера кривых соответствуют номерам опытов в таблице.
по сравнению с электромагнитными процессами и джоулевым тепловыделением в плазме разряда.
На рис. 5 те же данные представлены в виде зависимости массы эродированного материала от потребляемой энергии в одном цикле работы ускорителя. Зависимость аппроксимируется степенной функцией
т = 8.8 • Ю-4^217,
где т, г - масса эродированного материала, Ж, кДж - величина подведенной к ускорителю энергии.
Можно отметить, что зависимость на рис. 5 имеет тот же характер, что и зависимость эродированной массы от энергии полного импульса
A
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.