Плазмотрон (варіанти)

Винахід належить до галузі плазмової обробки матеріалів і може бути використаний для плазмоводугового різання металів. Відомий плазмотрон, що містить корпус із установленим у ньому порожнім електродом, втулкоюзавирювачем з ізоляційного матеріалу і порожнім соплом, а також баластовий опір, між стінками сопла з його робочого торця встановлена ізоляційна прокладка, торцеві поверхні ізольовані втулкою-завихрювачем, а баластовий опір включений між стінками сопла [A.C. СРСР №917421 кл. В23К9/16, заявл. 12.12.80р.] Проте конструкція плазмотрона складна й ненадійна у зв'язку з недостатнім охолодженням робочих частин і розташуванням ізоляційних прокладок у високотемпературній зоні. Найбільш близьким по технічній сутності й результату що досягається до згаданого винаходу є електродуговий плазмотрон (прототип), що містить корпус із установленим у ньому порожнім мідним електродом, втулкою-завихрювачем з тангенціальними каналами і порожнім вихідним соплом з ізоляційною прокладкою біля робочого торця і баластовим опором, укладеним між стінками сопла, виконаний з діелектрика корпус, порожній електрод містить різьблення на зовнішній поверхні і розташований усередині водоохолоджуваного соленоїда, при цьому площа каналу вихідного сопла виконана рівної 3,5-6 сумарним площам тангенціальних каналів, а площа кожного з тангенціальних каналів дорівнює величині, визнаної як SK=SH+100K, де SH - площа тангенціального каналу; SK - константа арифметичної пропорційності, що має значення 0,2...0,4мм 2. [Патент України №9657 А, кл. НО5В7/22. Надрук. 30.09.1996. Бюл. № 3]. Такий плазмотрон, піддаючись впливу високих температур, як усередині, так зовні (у тому числі під дією бризів металу, що розрізається), працює недостатньо надійно. Незахишений діелектричний корпус і сполучене з ним металеве сопло зазнають температурні деформації, що приводять до розгерметизації внутрішніх порожнин і попаданню води в зону плазмоутворення, що в цілому знижує надійність плазмотрона. Задачею пропонованого винаходу є удосконалення плазмотрона, у якому за рахунок з'єднання теплонавантажених частин по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя при одночасному інтенсивному їхньому охолодженні водою, а також використання обертового елемента з вирізом змінної площі на його поверхні, що викликає коливання потоку плазмоутворюючого газу, збільшується ресурс роботи електрода і підвищується надійність плазмотрона, що в цілому. Поставлена задача вирішується у такий спосіб. У плазмотроні, що містить корпус із діелектричного матеріалу з встановленим у ньому порожнім мідним електродом (крізь який подається плазмоутворюючий газ), металевий завихрювач з тангенціальними каналами для подачі плазмоутворюючого газу в розрядну камеру і пружну діелектричну втулку, що відокремлює його від електрода, електрод встановлюється в контактній втулці по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя; у робочому положенні електрод протилежним від розрядної камери торцем стискає розташований між ним і дросельною втулкою еластичний кільцевий елемент, що, деформуючись, упирається у внутрішню стінку електродної камери корпуса; дросельна втулка містить газовий дросель і обертовий елемент із вирізом змінної площі на його поверхні; сопло з’єднується з завихрювачем по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя, а між ними утворюється внутрішня кільцева порожнина, що промивається охолоджувальною водою, вхідний і вихідний отвори з якої розташовані у завихрювачі діаметрально протилежно і сполучуються з відповідними каналами у корпусі; сопло містить втулку із сопловим отвором, що з'єднується із соплом по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя; між корпусом і металевою корпусною гайкою мається внутрішня порожнина, вхід і вихід з якої утворюють, щонайменше, два діаметрально розташованих отвори, один з яких сполучає зазначену порожнину з електродною камерою, а інший - з каналом подачі/зливу охолоджувальної води; тильна поверхня корпуса обладнана нерухомо встановленою металевою кришкою, що утримує в центральній частині отвір з розміщеним у ньому штоком, а також отворів для введення штуцерів охолоджувальної води і плазмоутворюючого газу, а передача електричного потенціалу на електрод здійснюється через розміщений у каналі подачі/зливу охолоджувальної води гнучкий струмопровід, прикріплений з однієї сторони до зазначеної кришки, а з іншого боку - до контактної втулки. Конструкція плазмотрона дозволяє спростити процедуру його обслуговування, що передбачає зміну частин, що швидко зношуються (електрод, соплова вставка і пружна діелектрична втулка), а так само здешевіти її, оскільки зазначені частини мають невеликі розміри і порівняно прості у виробництві. За рахунок встановлення електрода у контактній (втулці, сопла у завихрювачі і соплової втулки в соплі по конусних поверхнях з кутом, меншим чи рівним куту тертя, а також завдяки наявності кільцевої порожнини між соплом і завихрювачем і кільцевої порожнини між корпусом і корпусною гайкою поліпшується охолодження найбільш теплонавантажених елементів конструкції (сопла, завихрювача, кожуха), при цьому забезпечується надійне механічне скріплення частин, що сполучаються, повна герметичність стиків і відмінний тепловідвід. Завдяки наявності обертового елемента з вирізом змінної площі на його поверхні, виникають коливання потоку плазмоутворюючого газу, що проходить через електрод. Це змушує точку прив'язки електричної дуги до внутрішньої поверхні електрода постійно переміщатися з одного крайнього положення в інше збільшуючи, таким чином, ресурс роботи електрода. Тому що електрод у робочому положенні протилежним від розрядної камери торцем стискає еластичний кільцевий елемент, який, деформуючись, упирається у вн утрішню стінку електродної камери діелектричного корпуса, то в такий спосіб забезпечується герметизація заповненої охолоджувальною водою вищевказаної камери. Завдяки наявності нерухомо встановленої металевої кришки і розташованого в ній штока, забезпечується підвищена механічна міцність діелектричного корпуса, а передача електричного потенціалу походить від зазначеної кришки до контактної втулки через гнучкий струмопровід, розташований у каналі подачі/зливу охолоджувальної води. Це дозволяє зменшити габарити струмопровідних частин і зробити плазмотрон більш компактним, не знижуючи його електричної потужності. Суть винаходу пояснюється наступними ілюстраціями. Фіг.1 - пропонований пристрій, загальний вид; Фіг.2 - вид праворуч; Фіг.3 - вид звер ху; Фіг.4 - вирив А-А. Плазмотрон містить корпус 1, виконаний із діелектричного матеріалу, в електродній камері (центральна порожнина у корпусі 1, у яку встановлено контактну втулку 2, електрод 3 та інше) якого нерухомо закріплена контактна втулка 2. Електрод 3 встановлюється у контактній втулці по конусній поверхні з кутом, меншим чи рівним куту тертя. У робочому положенні електрод протилежним від розрядної камери торцем стискає еластичний кільцевий елемент 4, що, деформуючись, упирається у внутрішню стінку електродної камери корпуса і запобігає влученню охолоджувальної води у центральний канал електрода. Дросельна втулка 5, розташовуючись у центральному газовому каналі корпуса, фіксується вищевказаним еластичним кільцевим елементом і містить газовий дросель 6, вісь 7 з обертовим елементом 8, що має виріз змінної площі на його поверхні. Технологічні заглушки 9 і 10 запобігають витоку плазмоутворюючого газу в атмосфер у. Тильну частину корпуса закриває металева кришка 11, що містить у центральній частині отвір з розміщеним у ньому штоком 12, а також отвори для введення штуцерів охолоджувальної води (13 та 14) і плазмоутворюючого газу 15, а електричний ланцюг вищевказаної кришки із електродом утворюється через розміщений у каналі подачі/зливу охолоджувальної води гнучкий струмопровід 16, прикріплений з однієї сторони до зазначеної кришки, а, з іншого боку - до контактної втулки. Технологічні отвори 17 і 18 після введення струмопроводу в електродну камеру корпуса герметизуються відомими засобами. На зовнішній циліндричній поверхні корпуса нерухомо закріплюється металева корпусна гайка 19, створюючи з ним внутрішню герметичну порожнину 20, вхід і ви хід з якої утворюють, щонайменше, два діаметрально розташованих отвори, один з яких (21) сполучує зазначену порожнину з електродною камерою, а інший (22) - із каналом 14 подачі/зливу охолоджувальної води. Прохолоджуючись, корпусна гайка відбирає надлишки тепла із зовнішнього кожуха 23, з'єднаного з нею по різьбленню. На сопловий торець корпуса встановлюються зібрані окремо по конусних поверхнях з кутом, меншим чи рівним куту тертя, завихрювач 24, сопло 25 і соплова втулка 26, а між соплом і завихрювачем утворюється внутрішня кільцева порожнина 27, що промивається охолоджувальною водою, вхідний і вихідний отвори з якої розташовані в завихрювачі діаметрально протилежно і сполучаються з відповідними каналами 13 та 14 у корпусі. Витоки води в газову порожнину завихрювача виключаються завдяки наявності еластичного кільцевого елемента 28. Між корпусом, контактною втулкою й електродом з одного боку, і завихрювачем, з іншого боку - розміщається пружна діелектрична втулка 29, а між завихрювачем і корпусом - ще й еластичний кільцевий елемент 30, ступінь деформації якого значно перевершує ступінь деформації зазначеної діелектричної втулки. Таким чином, запобігається улучення води з колектора охолодження соплової частини плазмотрона в газові канали. Необхідний стиск пружних елементів (29, 30) і фіксація сопла з завихрювачем досягаються при нагвинчуванні зовнішнього кожуха на корпусну гайку, а можливі витоки плазмоутворюючого газу по різьбленню запобігаються використанням у конструкції елемента 31, що ущільнює. Витоки газу по стику кожух - сопло дозволяються, оскільки це є додатковим чинником охолодження соплової частини плазмотрона і запобігає налипанню бризів металу, що розрізається. Повітряний колектор 32, утворений корпусом і кожухом, сполучається із розрядною камерою 33 через тангенціальні канали 34 у завихрювачі. Позиціонування завихрювача щодо корпуса здійснюється за допомогою штифта 35 (паз у завихрювачі проти штифта у корпусі). Торцевий газовий завихрювач 36 встановлюється усередині електрода з протилежного від розрядної камери торця. Плазмотрон працює в такий спосіб. Плазмоутворюючий газ з надлишковим тиском подається у повітряний канал плазмотрона через отвір 15 у металевій кришці 11. Частина його по радіальному свердленню надходить у центральний повітряний канал, змушуючи обертатися елемент 8 навколо осі 7. При цьому, у зв'язку з наявністю на його поверхні вирізу змінної площі, величина газового потоку буде постійно змінюватися, коливаючись біля деякого середнього значення, обумовленого, у свою чергу, розмірами газового дроселя 6. Далі газовий потік проходить через торцевий завихрювач 36, здобуваючи необхідний напрямок крутіння усередині електрода. Частина газового потоку, що залишилася, надходить у кільцевий повітряний колектор 32, відкіля по кільцевих щілинах, утворених стінками кожуха і завихрювача, а також завихрювача і сопла вдувається через тангенціальні канали 34 у розрядну камеру 33, створюючи у ній вихровий потік. Коливання газового потоку що виникають змушують постійно переміщатися точку прив'язки електричної дуги по вн утрішній поверхні електрода, збільшуючи зону емісії електронів і поліпшуючи температурний режим роботи електрода а, отже, - ресурс його роботи. Охолоджувальна вода подається, наприклад, через отвір 13 у металевій кришці 11, проходить по наскрізному каналі у корпусі до відповідного вхідного отвору у завихрювачі 24, попутно прохолоджуючи гнучкий струмопровід 16. Далі, пройшовши по внутрішній кільцевій порожнині 27, утвореній внутрішніми поверхнями завихрювача 24 і сопла 25, вода через розташований діаметрально протилежно в завихрювачі вихідний отвір надходить у нижній водяний канал корпуса і, відтіля, - в електродну камеру. Обмивши зовнішню поверхню електрода 1 і частково внутрішню - контактної втулки 2, надходить по отвору 21 у внутрішню порожнину 20, утворену корпусом 1 і корпусною гайкою 19. Остудивши в такий спосіб кожух 23, вода перетікає через отвір 22 у ви хідний канал корпуса й іде з плазмотрона через отвір 14 у металевій кришці 11. 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 катодом 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 12 призначений для кріплення плазмотрона до кронштейна плазмового устаткування й приєднання до нього електричного силового кабелю, оскільки металева кришка, у якій він розташований, одночасно є струмопровідним елементом. Застосоване в пропонованій конструкції водяне охолодження усіх теплонавантажених елементів (як працюючих безпосередньо в зоні емісії електронів, так і в зонах плазмоутворення, витікання плазми, нагрівання променистою енергією й бризами розплавленого металу) дозволило зробити її надійною, довговічною й універсальною. Змінюючи площу перерізу стр умопровідних частин, газових і водяних каналів; можна створювати плазмотрони різного призначення, у тому числі для ручного й механізованого різання будь-яких металів. Запропонований винахід суттєво збільшує ресурс роботи електрода, кількість урізань до заміни частин, що швидко зношуються, спрощує складально-розбірні операції, зменшує габаритні розміри плазмотрона. Таким чином, пропонований плазмотрон суттєво відрізняється від відомих.