Плазмотрон

Винахід відноситься до галузі плазмової обробки матеріалів і може бути використаний для плазмоводугового різання металів. Відомий плазмотрон, що містить корпус із встановленим у ньому порожнім електродом, втулкойзавихрювачем з ізоляційного матеріалу і порожнім соплом, а також баластовий опір, між стінками сопла в його робочого торця встановлена ізоляційна прокладка, торцеві поверхні ізольовані втулкой-завихрювачем, а баластовий опір включений між стінками сопла [А.С. СРСР №917421 кл. В23К9/16, заявл. 12.12.80р.] Однак, конструкція плазмотрона складна і ненадійна. У зв'язку з поганим охолодженням робочих частин і розташуванням ізоляційних прокладок у високотемпературній зоні, часто потрібен демонтаж його з кронштейна для проведення обслуговування і ремонту. Найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, до описуваного винаходу є електродуговий плазмотрон (прототип), що містить корпус із встановленим у ньому порожнім мідним електродом, втулкой-завихрювачем з тангенціальними каналами і порожнім вихідним соплом з ізоляційною прокладкою біля робочого торця і баластовим опором, укладеним між стінками сопла, корпус виконаний з діелектрика, порожній електрод містить різьблення на зовнішній поверхні і розташований усередині водоохолоджуваного соленоїда, при цьому площа каналу вихідного сопла дорівнює 3,5-6 сумарним площам тангенціальних каналів, а площа перетину кожного з тангенціальних каналів - величині, встановленій як SК=SH+100K, де SH - площа тангенціального каналу; К - константа арифметичної пропорційності, що має значення 0,2-0,4мм 2. [Патент України №9657 А, кл. НО5В7/22. Оп убл. 30.09.1998. Бюл. №3]. Однак у зв'язку з тим, що плазмотрон періодично піддається впливу високих температур і знаходиться в зоні розкиду бризів металу, що розрізається, зовнішній діелектричний корпус і скріплене з ним металеве сопло випробують температурні перепади і деформації, що є причиною виходу пристрою з ладу. Задачею пропонованого винаходу є удосконалення плазмотрона, у якому за рахунок того, що металевий стакан, що охоплює електрод, з боку соплової частини виконаний у виді гвинтової спіралі, а проміжки між витками якого герметично заповнені діелектричним матеріалом, при проходженні електричного струму по ньому виникає електромагнітна сила, що змушує займати визначене положення плазму, що утвориться усередині порожнього електрода; тому що в діелектричному матеріалі, що заповнює міжвитковий простір металевої склянки, що охоплює електрод, розташовані два ряди щілинних отворів, які розміщені паралельно його осі і діаметрально протилежно один - одному, потік охолоджувальної води рухається по найкоротшому шляху поперек осі електрода, прохолоджуючи його по всій довжині з двох сторін; завдяки тому, що торцевий завихрювач встановлено в порожньому електроді по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя, виключається просочування потоків плазмоутворюючого газу, рівнобіжних осі електрода, що зривають основні потоки, а це збільшує ресурс роботи електрода; за рахунок розташування діелектричної шайби між металевим стаканом, що охоплює електрод, і розміщеною на тильній поверхні корпуса металевою кришкою, між ними виключається електричний контакт і з'являється можливість передачі електричного потенціалу на електрод через гвинтову спіраль зазначеного стакану при мінімальних габаритних розмірах плазмотрона без зниження його потужності. Поставлена задача вирішується в такий спосіб. У плазмотороні, що містить корпус з діелектричного матеріалу з встановленим у ньому порожнім мідним електродом, крізь який через торцевий завихрювач подається плазмоутворюючий газ, завихрювач з тангенціальними каналами для подачі плазмоутворюючого газу в розрядну камеру і пружну діелектричну втулку, що відокремлює його від електрода, металевий стакан, що охоплює електрод, нерухомо встановлену на тильній поверхні корпуса металеву кришку з циліндричним штоком, вищевказаний металевий стакан виконаний з боку соплової частини у виді гвинтовий спирали, проміжки між витками якої герметично заповнені діелектричним матеріалом; у металевому стакані, що охоплює електрод, маються два ряди щілинних отворів, розташованих в діелектричному матеріалі, що заповнює міжвитковий простір, паралельно його осі і діаметрально протилежно один - одному; торцевий завихрювач встановлений в порожньому електроді по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя; плазмотрон містить діелектричну шайбу, розміщену між металевим стаканом, що охоплює електрод, і встановленою на тильній поверхні корпуса металевою кришкою. Конструкція плазмотрона дозволяє впливати на плазмову струмінь електромагнітною силою, що виникає при протіканні електричного струму через металевий стакан (що охоплює електрод) виконаний з боку соплової частини у виді гвинтової спіралі, проміжки між витками якої герметично заповнені діелектричним матеріалом. Така конструкція дозволяє сполучити функції соленоїда і навантаженого корпусного елемента в одній деталі, що робить конструкцію значно більш компактною. Два ряди щілинних отворів, розташованих у діелектричному матеріалі, що заповнює міжвитковий простір у металевому стакані, паралельно його осі і діаметрально протилежно один - одному, дозволяють створити перпендикулярний осі електрода напрямок руху охолоджувальної води, маючи необхідну (велику) площу перетину водяних каналів, надійно прохолоджуючи також струмопровідні деталі металевого стакану. Установка торцевого завихрювача в порожньому електроді по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя цілком виключає неприпустимі просочування плазмоутворюючого газу по сполученим поверхням, підвищуючи е фективність струменів, що формуються завихрювачем, а це, у кінцевому рахунку, збільшує ресурс роботи електрода. Діелектрична шайба, розміщена між металевим стаканом, що охоплює електрод, і металевою кришкою на тильній поверхні корпуса, виключає електричний контакт між ними. Це дає можливість передавати електричний потенціал від металевої кришки плазмотрона на електрод через розташований у каналі подачі охолоджувальної води струмопровід і гвинтову спіраль зазначеного стакану при мінімальних габаритних розмірах пристрою. Сутність винаходу пояснюється наступними ілюстраціями. Фіг.1 - пропонований пристрій, загальний вид; Фіг.2 - вид праворуч; Фіг.3 - розріз по А-А. Плазмотрон містить корпус 1, виконаний з діелектричного матеріалу, усередині якого розміщений металевий стакан 2, електрично з'єднаний за допомогою струмопроводу 3 з металевою кришкою 4, у свою чергу нерухомо скріпленою відомим засобом з тильним торцем діелектричного корпуса. Між вищевказаними кришкою і металевою склянкою встановлена діелектрична шайба 5, а можливе влучення охолоджувальної води усередину склянки виключаються завдяки наявності елемента 6, що ущільнює. Усередині металевого стакану встановлений електрод 7, на тильній частині якого мається конусна поверхня з кутом, меншим чи рівним куту тертя, по якій електрод герметично з'єднується з металевим стаканом, що його охоплює , а торцева поверхня зазначеного стакану через кільцевий еластичний елемент 8 упирається в пружну діелектричну втулк у 9. Між діелектричною втулкою і соплом 10 розташований завихрювач 11. Сопло нерухоме з'єднано з металевим кожухом 12, що, нагвинчуючись на корпусну гайку 13 (нерухомо розташовуван у відомим засобом на діелектричному корпусі 1), стискає вищевказаний кільцевий еластичний елемент 8 і встановлений між соплом і діелектричним корпусом кільцевий еластичний елемент 14. Співвісно електроду в сопловій частині кожуха розміщений змінний сопловий елемент 15. Герметизація порожнини, що містить воду, утвореної внутрішньою поверхнею металевого кожуха з однієї сторони і зовнішніми поверхнями сопла, діелектричного корпуса, корпусної гайки з іншої, забезпечується деформацією кільцевого еластичного елемента 16, що займає робоче положення в кільцевій проточці корпусної гайки в момент, коли гайка 17 фіксує кожух, запобігаючи самовідгвинчування. Діелектричне кільце 18 запобігає небажане перетікання високовольтного заряду з металевої кришки 4 на кожух 12 у момент підпалювання електричної дуги між електродом і соплом. Ущільнення 19 виключає просочування охолоджувальної води назовні. З протилежного від розрядної камери торця в центральний канал електрода встановлюється по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя торцевий завихрювач 20, у якому розміщений з можливістю зворотнопоступального переміщення усередині отвору перемінного перетину золотник 21, один кінець якого упирається в пружний елемент 22. Зайві переміщення золотника обмежуються кришкою 23, а просочування плазмоутворюючого газу у вн утрішню порожнину електрода запобігається ущільненням 24. Металевий шток 25, встановлений у центральному різьбовому отворі металевої кришки, служить для кріплення плазмотрона на кронштейні плазмового устаткування, а три отвори під патрубки штуцерів подачі (26), зливу (27) охолоджувальної води і підведення плазмоутворюючого газу 28 мають продовження усередині діелектричного корпуса у виді каналів. Два розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елементи 29, прикріплених нерухомо до соплової частини діелектричного корпуса в площині, приблизно перпендикулярній площини розташування вихідного (30) і вхідного (31) водяних каналів охолодження внутрішньої порожнини 32, утвореної соплом і металевим кожухом. Плазмотрон працює в такий спосіб. Плазмоутворюючий газ з надлишковим тиском подається в газовий канал 28 плазмотрона через отвір у металевій кришці 4. Частина його по радіальному свердлінню 33 у металевій склянці надходить до центрального газового каналу, змушуючи переміщатися золотник 21 усередині отвору перемінного перетину. При цьому, величина газового потоку буде постійно змінюватися, коливаючись біля деякого середнього значення, обумовленого, у свою чергу, розмірами дросельного отвору 34. Далі газовий потік проходить через торцевий завихрювач 20, здобуваючи необхідний напрямок крутіння усередині електрода. Частина газового потоку, що залишилася, надходить у кільцевий ресивер 35, відкіля вдувається через тангенціальні канали 36 у розрядну камеру 37 створюючи в ній вихровий потік. Виникаючі коливання газового потоку змушують постійно переміщатися точку прив'язки електричної дуги по внутрішній поверхні електрода, збільшуючи зону емісії електронів і поліпшуючи температурний режим роботи електрода а, отже, - ресурс його роботи. Охолоджувальна вода подається, наприклад, у наскрізний канал 26 через отвір у металевій кришці 4, проходить по корпусі до ряду вхідних щілинних отворів 38 у металевому стакані. Далі потік охолоджувальної води рухається по найкоротшому шляху поперек осі електрода, прохолоджуючи його по всій довжині з двох сторін щонайкраще і, через ряд розташованих діаметрально протилежно вихідних щілинних отворів 39 і канал 31 у діелектричному корпусі, надходить у внутрішню порожнину 32 між соплом і металевим кожухом. Два розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елементи 29, прикріплених нерухомо до соплової частини діелектричного корпуса, можуть легко деформуватися при складанні і розбиранні плазмотрона під впливом різьблення на металевому кожусі, однак перешкоджають вільному перетіканню води по найкоротшій відстані (шляху найменшого опору) між отворами 30 і 31. Потік охолоджувальної води рівномірно обмиває стінки сопла і кожуха відбираючи, таким чином, надлишки тепла. Потім вода надходить у вихідний канал 27 і через отвір у кришці йде з плазмотрона. Можливий зворотний напрямок руху води через плазмотрон. Коли на плазмотрон подається електричний потенціал від джерела живлення й одночасно від осцилятора чи за допомогою іншого пристрою створюється іонізований канал у проміжку між порожнім електродом і стінкою сопла, факел чергової дуги видувається з каналу сопла і стикається з металом, що розрізається. Збуджується основна дуга між електродом і металом. У цей момент чергова дуга гасне, оскільки із сопла знімається напруга джерела живлення. Для стійкого і якісного різання вибирають необхідну швидкість переміщення плазмотрона щодо металу, що розрізається. Шток 25 призначений для кріплення плазмотрона до кронштейна плазмового устаткування і приєднання до нього електричного силового кабелю, оскільки металева кришка, у якій він розташований, одночасно є струмопровідним елементом. Від неї електричний потенціал через струмопровід 3, гвинтову частину металевого стакану і конусну поверхню на ньому передається на електрод. Застосоване в пропонованій конструкції водяне охолодження всіх теплонавантажених елементів (як працюючих безпосередньо в зоні емісії електронів, так і в зонах плазмоутворення, витікання плазми, нагрівання променистою енергією і бризами розплавленого металу) дозволило зробити її простою, компактною і надійною. Змінюючи розміри струмопровідних частин, газових і водяників каналів можна створювати плазмотрони різного призначення, у тому числі для ручного і механізованого різання будь-яких металів. Запропонований винахід істотно збільшує ресурс роботи електрода, кількість урізань до заміни швидкозношуваних частин, спрощує складально-розбірні операції, зменшує габаритні розміри плазмотрона. Таким чином, пропонований плазмотрон істотно відрізняється від відомих.