Учебное пособие 574

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.Ознакомиться с устройством сварочного трансформатора и способами регулирования сварочного тока.

4.2.Изучить электрическую схему для исследования сварочного трансформатора (рис. 10).

Рис. 10. Схема стенда для исследования сварочного

трансформатора

4.3.Снять серию внешних электрических характеристик трансформатора, соответствующих различным положениям вторичной обмотки и нагрузочным сопротивлениям. Результаты эксперимента занести в табл. 4.

4.4.По результатам исследования построить внешние и энергетические характеристики, произвести их анализ.

4.5.Характеристики снимаются при 6 значениях нагрузочного сопротивления R,Ом и 4 положениях L, мм вторичной обмотки трансформатора, указанных в табл.4

220 Холостой ход

0,0600

0,1114

0,1944

0,2794

0,4934

0,5704

170

120

70

4.6. КПД определяется по формуле:

где P2=I2.U2 – мощность в нагрузочном сопротивлении, Вт.

21

где U2 – напряжение на нагрузочном сопротивлении, В;

U2xx – напряжение холостого хода при заданном расстоянии между обмотками, В.

4.8. Построить внешние характеристики U2= f(I2) и энергетические характеристики η = f(I2), cosϕ = f(I2).для различных положений вторичной обмотки трансформатора.

5.ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

5.1.Какова физическая сущность электросварки металлов?

5.2.Какова вольтамперная характеристика сварочной дуги?

5.3.Какие требования предъявляются к источникам сварочного тока?

5.4.Перечислите типы источников сварочного тока.

5.5.В чём состоят конструктивные особенности сварочного трансформатора?

5.6.В чём особенности внешних и энергетических характеристик сварочного трансформатора?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ДАТЧИКОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с конструкцией, принципом действия термометра сопротивления, термистра и термопары. Снять градуировочные характеристики датчиков температуры.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1.Термопара представляет собой два разнородных по материалу проводника А и В, спаянных или сваренных у одного из концов. Проводники А

иВ, составляющие термопару, называются

При соединении двух термоэлектродов А и В в местах спаев электроны из одного металла проникают в другой, причем металл с большей активностью свободных электронов приобретает положительный потенциал, а металл с меньшей активностью свободных электронов – отрицательный потенциал. Интенсивность перехода электронов из одного металла в другой зависит от температуры. Следовательно, если температура спаев будет различной , то в замкнутом контуре АВ возникает термоЭДС Е, величина которой зависит от разности температур нагрева спаев.

Термопары относятся к датчикам генераторного типа и широко применяются в схемах автоматического контроля и регулирования в диапазоне

температур 100 ÷ 1700 оС.

Достоинствами термопар являются: простота устройств, небольшие габариты, малая инерционность.

ТермоЭДС измеряется с помощью милливольтметров или потенциометров постоянного тока.

Для термоэлектродов применяются чистые металлы (платина, медь, вольфрам, константан, молибдет) и сплавы (платинородий, МК-СА, хромель, копель и т.д.). При измерениях следует учитывать, что величина термоЭДС лишь приближенно линейно зависит от измеряемой температуры. Поэтому для точного определения температуры по величине термоЭДС на практике пользуются стандартными градуировочными таблицами. В табл. 5 приведены характеристики различных термопар.

Термопары помещают в защитную арматуру, которая предохраняет их от повреждения. При температурах, не превышающих 320оС, обычно применяют стальные трубы без шва, при более высоких температурах (до 1100оС) – защитные трубы из легированных сталей.

23

В качестве изоляции термоэлектродов друг от друга применяют асбест – до 300оС; кварцевые трубки или бусы – до 1000оС, фарфоровые трубки или бусы до 1300 – 1400оС. При измерении низких температур (в лабораторных условиях) применяют теплостойкую резину – до 250оС; шелк – до 100 –120оС; эмаль – до 150-300оС.

2.2. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов изменять свое электрическое сопротивление R при изменении температуры. Чувствительные элементы термометров сопротивления изготовляют из платиновой проволоки диаметром d=(0,05÷0,07) мм (обозначают ТСП) или из чистой медной электролитической эмалерованной проволоки диаметром d=0,1мм (обозначают ТСМ). Железо и никель для этой цели применяют реже, так как они сильно окисляются и, кроме того, их трудно изготовить в чистом виде.

Термометры сопротивления применяются для измерения различных неэлектрических величин (температуры, скорости газового потока, вакуума и т.д.) в диапазоне температур от 50 до 700 0С, характеризующем газовую или жидкую среду. Терморезисторы могут изготавливаться из полупроводниковых материалов, например, из окислов различных металлов: никеля, марганца, магния, урана и т.д.

В металлических материалах повышение температуры приводит к увеличению скорости движения свободных электронов и, как результат, к частым столкновениям с ионами, что вызывает увеличение электрического сопротивления материала проводника. Следовательно, температурный коэффициент сопротивления с увеличением температуры возрастает.

Зависимость сопротивления проводника от температуры определяется по формуле:

где с – постоянный коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен терморезистор, и его конструктивного оформления; αТ – температурный коэффициент сопротивления; Т = 273 + θ 0С – абсолютная температура, 0К; е– основание натуральных логарифмов.Формула для определения сопротивления:

Величина αТ для диапазона температур (273–473) 0К принимается постоянной. Для меди αТ=0,00428 1/0К. В этих пределах температур работают медные и никелевые датчики термометров сопротивлений.

Наиболее стабильным является платиновый терморезистор. Его сопротивление в диапазоне температур (473–1000) 0К

характеризуется температурным коэффициентом сопротивления

24

где ∆R/R – относительное изменение сопротивления; ∆Т – приращение температуры.

2.3. Полупроводниковые терморезисторы называются термисторами, их характеристики отличаются от характеристик металлических терморезисторов. При нагревании полупроводниковых материалов электропроводность их увеличивается, так как количество «свободных» электронов возрастает. При этом температурный коэффициент полупроводниковых термосопротивлений отрицателен, а по величине он в 6-10 раз больше, металлические терморезисторы. Чувствительность термисторов к изменению температуры значительно выше, чем терморезисторов. Так, например, при повышении температуры от 273 до 293 0К, сопротивление меди увеличивается всего на 40%, в то время как у термисторов оно уменьшается в 20–70 раз в зависимости от величины его температурного коэффициента сопротивления.

зависящие от физических свойств материала и конструкции данного термистора (которые иногда даются в паспорте); Т – температура, 0К.

Величины коэффициентов А иВ для разных термисторов одной серии (одного и того же типа) могут значительно отличатьсяю. Поэтому при расчете схем с термисторами эти коэффициенты для конкретной партии термисторов должны быть найдены опытным путем. Для этого определяются сопротивления RT1 и RT2 при двух значениях температуры (Т1 и Т2) и составляется система из двух уравнений:

Решая эту систему, находим

25

Таким образом, температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры и характеризует терморезистор лишь в определенной точке температурного диапазона. Благодаря большому отрицательному температурному коэффициенту сопротивления термисторы применяются для компенсации температурных погрешностей в измерительных схемах, а также в схемах автоматики и температурного контроля. Термисторы имеют небольшие габариты и стоимость, широкий диапазон номинальных сопротивлений, высокий коэффициент сопротивления, большой срок службы. Эти обстоятельства позволили использовать термисторы для измерения температуры. В зависимости от материала термисторы делятся на медногмарганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевые (КМТ), которые могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Они выполняются в виде небольших стержней длиной 12 мм и диаметром 1,8 мм.

3. ОБОРУДОВАНИЕ

Для градуирования термодатчиков используется печь сопротивления. Температуру в печи измеряют при помощи ртутного термометра. Термопару, термистр и термосопротивление помещают в печь. Термистр и термосопротивление подключают к омметру, термопару подключают к универсальному измерительному прибору УПИП-60М, который используется как потенциометр.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.Измерить термоЭДС термопары при комнатной температуре, подключив ее к потенциометру.

4.2.Измерить сопротивление термистра и термосопротивления при комнатной температуре, подключив датчики к омметру.

4.3.Поместить термодатчики и ртутный термометр в печь. Включить печь в сеть.

4.4.Провести измерение сопротивления термосопротивления Rтс (Ом), термистра Rтм (кОм) и термоЭДС термопары Е (мВ) при изменении температуры нагрева t (оС) через 20 оС.

26

4.5. Результаты измерений занести в табл. 6.

4.6.Выключить печь.

4.7.По результатам измерений построить графики зависимостей (градуировочные характеристики) Rтс = f(t), Rтм = f(t) и Е = f(t).

5.ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

5.1.Устройство и принцип действия термопары, термистра и термосопротивления.

5.2.Какие материалы применяют для изготовления термопар?

5.3.Чем отличаются характеристики различных датчиков температуры?

Почему?

5.4.Какова область применения термодатчиков?

5.5.Назовите достоинства и недостатки термодатчиков.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЙ

ШТАМПОВКИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить метод формообразования заготовки методом электрогидродинамической штамповки.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Процесс электровзрывной обработки относится к методу обработки материалов давлением. Быстрая деформация заготовки (рис. 13) вызывается силами Fэ, действующими на ее поверхности. Заготовка деформируется и принимает форму матрицы. Силы Fэ создаются вследствие взрывного испарения некоторого вещества при пропускании через него кратковременного импульса тока. Жидкость служит для передачи механических усилий заготовке, фиксируемой уплотняющими деталями. Импульсный ток получают при разряде конденсаторной батареи, которая подсоединяется к электродам с помощью переключателя. Конденсаторы предварительно заряжаются до высокого напряжения от выпрямителя. При деформации заготовки воздух из полости матрицы удаляют через отверстие.

27

Электровзрывную обработку применяют как для формоизменения, так и для разделения заготовки. Например, для штамповки, гибки, чеканки, вытяжки,

1 - выпрямитель;2 – электроды; 3 – камера; 4 - заготовка; 5 –

крышка-матрица; 6 – отверстие; 7 - батарея конденсаторов; 8 – уплотнительное кольцо; 9 - ключ; 10 – проводник; 11 – трансформаторное масло.

Рис. 13. Схема установки электровзрывной штамповки

дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки, развальцовки труб и т.д. Оборудование просто переналаживается. Сама обработка происходит за доли секунды 4 10−5 . Оптимальных показателей процесса добиваются подбором начальных условий.

Известны две основные разновидности электровзрывного формообразования, в которых применяют:

-высоковольтный разряд при пробое диэлектрической жидкости, которая используется как испаряемое вещество, а также для передачи механических усилий к заготовке;

-электрический взрыв проводникового испаряемого вещества помещенного в диэлектрическую жидкость, которая необходима только для передачи усилий к заготовке.

При высоковольтном разряде используют электрогидравлический эффект, впервые примененный для технологических целей Л. А. Юткиным. Рабочим веществом служит, как правило, техническая вода. Электрический разряд протекает в герметичной камере. В окрестности канала разряда происходит почти мгновенное испарение жидкости, образуется ударная волна. Силы, деформирующие заготовку, создаются, главным образом, ударной волной, а также высоким давлением в возникающем газопаровом пузыре. Формообразование детали происходит при помощи ударной волны. Ударная волна – это область повышенного давления, распространяющаяся в жидкости в

28

радиальном направлении от места взрыва проводника. В начальный момент ударная волна имеет форму цилиндра, а при ударении об область взрыва становится сферической. Энергия разряда достигает нескольких десятков кДж, а длительность составляет несколько десятков микросекунд, мгновенная сила тока достигает 50 кА при длине разрядного промежутка в несколько сантиметров. Скорость фронта ударной волны превышает скорость звука в воде

идоходит до 3000 м/c. Начальная скорость газопарового пузыря может быть

выше 100 м/c , наибольший радиус пузыря – несколько сантиметров, максимальное давление в нем до 1010Па. Размеры обрабатываемых листовых заготовок толщиной до 5 мм могут превышать 1 м.

При электрическом взрыве заряд, накопленный в конденсаторах, разряжается на проводник в виде тонкой проволоки нескольких проволок, фольги или сетки. Проводник помещают в герметичной камере, заполненной диэлектрической жидкостью (дистиллированная вода, трансформаторное масло). Начальное напряжение разряда в данном случае несколько киловольт (значительно меньше, чем в первой разновидности процесса). При протекании тока большой силы проводник нагревается и происходит его взрывное

испарение. В жидкости образуется газопаровой пузырь, давление в котором достигает 1010 Па.

Вкачестве материала проводников используют медь, константан, нихром

идр. Длина прямой проволоки – до нескольких десятков сантиметров, диаметр

– 0,1- 0,3 мм.

Кдостоинствам электрогидравлического формообразования относятся:

1.простота оснастки;

2.равномерность нагружения заготовки;

3.сохранение исходного качества поверхности листовой заготовки;

4.возможность изготовления разнообразных деталей из заготовок одного вида;

5.высокая точность изготовления детали.

Электровзрывная обработка избавляет от выполнения дополнительных операций, а оборудование легко встраивается в автоматические линии.

Электрогидравлические установки в зависимости от назначения различаются устройством камер, расположением заготовки, конфигурацией электродов и проводника. Ударная волна может иметь сферическую, цилиндрическую или плоскую форму.

3. ОБОРУДОВАНИЕ

Схема установки представлена на рис. 13. Установка состоит из батареи конденсаторов 7 и блока управления. Батарея конденсаторов представляет собой 1380 параллельно соединенных конденсаторов емкостью 20 мкФ и напряжением 500 В. Заряд конденсаторов осуществляется посредством блока заряда с визуальным контролем по вольтметру, выведенному на панель

29

установки. Электроды 2 , установленные в камере 3, заполненной жидкостью – диэлектриком (трансформаторное масло), соединены проводником и подключены к конденсаторной батарее.

Напряжение Uc заряда конденсаторов должно быть достаточным для пробоя межэлектродного промежутка и испарения проводника. При достижении Uc пробивного напряжения Uпр в разрядной цепи быстро нарастает сила тока I. В жидкости возникает газопаровой пузырь и ударная волна. Вследствие высокого давления в рабочей камере заготовка 4 деформируется и заполняет полость в матрице 5. Воздух между матрицей и заготовкой выдавливается в отверстие 6 в центре матрицы. Герметичность рабочей камеры обеспечивается уплотнительным кольцом 8.

Начальная энергия конденсаторов Ес рассчитывается по формуле:

где С – емкость батареи конденсаторов, мкФ;

Uc – начальное напряжение батареи, В (Uc = 300 В). При этом полагают, что Uc = Uпр.

На фронте ударной волны величины, описывающие состояние жидкости, изменяются скачком. В частности, давление увеличивается на фронте Рф>>Ра.

Вследствие сжатия повышается плотность жидкости от нормальной ρж до плотности фронта ρф. На фронте ранее неподвижные частицы жидкости приобретают скорость υф. Фронт ударной волны движется со скорость υув.

Возникновение ударной волны возможно при создании установкой определенной мощности. Для данной установки должно выполняться следующее условие:

Схема замещения разрядной цепи представлена на рис. 14

30