RU2145536C1

RU2145536C1 - Plasmatron for air-plasma cutting

Info

Publication number: RU2145536C1
Application number: RU98106990/02A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Ганюшкин; А.В. Егорушкин; С.П. Кочармин; В.А. Старцев; В.В. Тимофеев
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Научно-исследовательский технологический институт" (АО "НИТИ-ТЕСАР")
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2000-02-20

Abstract

FIELD: equipment for plasma cutting, namely in machine engineering, metallurgical and other industry branches for manual and automatic cutting. SUBSTANCE: housing of plasmatron includes main ducts for passing cooling air and plasma generating air. Cathode, insulator, nozzle and outer sleeve forming with nozzle annular gap are mounted in housing. Main ducts are coaxial relative to housing. Additional ducts join annular gap with atmosphere. Additional ducts are formed in protective sleeve in level of output cross section of main ducts and they are arranged between main ducts uniformly along circle and inclined relative to direction of cooling air flow by angle no more than 90 degrees. Such structure of plasmatron allows to increase strength of its members by 1.5-2 times due to reduced non-uniformity of temperature field along cross section of plasmatron parts. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для плазменной резки металлов и сплавов, а именно к плазмотронам, и может быть использовано в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности, для ручной и автоматической резки металлов и сплавов. The invention relates to equipment for plasma cutting of metals and alloys, namely to plasmatrons, and can be used in engineering, metallurgy and other industries, for manual and automatic cutting of metals and alloys.

Известны плазмотроны, в которых отвод тепла от составляющих их элементов осуществляется при помощи водяной системы охлаждения. Например, плазмотрон по а. с. 1798085, МКИ B 23 K 10/00, 1993, содержащий корпус прямоугольного поперечного сечения, электронный узел, соединенный через изолятор с сопловым узлом крепежными элементами, расположенными по разные стороны от электродного узла и снабженными упругими участками, а их оси и оси штуцеров расположены в продольной плоскости симметрии плазмотрона, при этом упругие участки крепежных элементов выполнены в виде резиновых шлангов. Plasmatrons are known in which heat is removed from their constituent elements using a water cooling system. For example, a plasmatron in a. with. 1798085, MKI B 23 K 10/00, 1993, comprising a rectangular cross-section housing, an electronic assembly connected through an insulator to a nozzle assembly by fasteners located on opposite sides of the electrode assembly and provided with elastic sections, and their axis and axis of the fittings are located in the longitudinal plane of symmetry of the plasma torch, while the elastic sections of the fasteners are made in the form of rubber hoses.

Применение водяной системы охлаждения усложняет конструкцию плазмотрона и не дает возможности использовать его при температуре ниже 0^oC. Применение охлаждающих жидкостей, замерзающих при более низких температурах, приводит к необходимости снабжать плазмотрон замкнутой системой охлаждения, содержащей, как правило, бак, насос, радиатор и вентилятор.The use of a water cooling system complicates the design of the plasma torch and makes it impossible to use it at temperatures below 0 ^o C. The use of cooling liquids freezing at lower temperatures leads to the need to equip the plasma torch with a closed cooling system, which usually contains a tank, pump, radiator and fan.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является горелка для плазменной резки по а.с. 1743070, МКИ B 23 K 10/00, 1994, в которой в качестве охлаждающей среды используется сжатый воздух и которая содержит корпус, изолированный от электрододержателя с электродом, плазмоформирующее сопло с каналом для прохода плазмообразующего газа и наружную защитную втулку, жестко соединенную с плазмоформирующим соплом, при этом защитная втулка выполнена из электропроводного материала и электрически соединена с плазмоформирующим соплом, а срез сопла расположен в полости втулки на расстоянии от торца втулки, равном 0,4 - 0,6 диаметра выходного канала сопла. The closest technical solution, selected as a prototype, is a torch for plasma cutting on.with. 1743070, MKI B 23 K 10/00, 1994, in which compressed air is used as a cooling medium and which contains a housing isolated from the electrode holder with an electrode, a plasma forming nozzle with a channel for the passage of plasma forming gas, and an external protective sleeve rigidly connected to the plasma forming nozzle wherein the protective sleeve is made of an electrically conductive material and is electrically connected to the plasma forming nozzle, and the nozzle section is located in the sleeve cavity at a distance from the sleeve end face equal to 0.4 - 0.6 of the diameter of the output channel with pla.

Использование в качестве охлаждающей среды воздуха упрощает конструкцию плазмотрона, однако эффективность воздушного охлаждения значительно ниже, чем водяного, что приводит к необходимости принятия дополнительных мер для ее повышения, одной из которых является повышение коэффициента теплоотдачи за счет увеличения скорости перемещения охлаждающего воздуха. Так, например, увеличение скорости в диапазоне от 7 до 26 м/с увеличивает коэффициент теплоотдачи в 2,3 раза. Однако дальнейшее увеличение скорости приводит к тому, что истечение воздуха из перепускных каналов в кольцевую полость, соединенную с атмосферой, происходит в виде струй большой протяженности, которые не охватывают всей площади охлаждаемых поверхностей и между которыми образуются зоны завихрения с пониженными, по отношению к атмосферному, давлением и с пониженной, по отношению к струе, скоростью перемещения охлаждающего воздуха. Using air as a cooling medium simplifies the design of the plasma torch, but the efficiency of air cooling is much lower than that of water, which leads to the need for additional measures to increase it, one of which is to increase the heat transfer coefficient by increasing the speed of movement of cooling air. So, for example, an increase in speed in the range from 7 to 26 m / s increases the heat transfer coefficient by 2.3 times. However, a further increase in speed leads to the fact that the outflow of air from the bypass channels into the annular cavity connected to the atmosphere occurs in the form of long jets that do not cover the entire area of the cooled surfaces and between which swirl zones are formed with reduced relative to atmospheric, pressure and with a reduced, relative to the jet, speed of movement of cooling air.

В известной конструкции горелки для плазменной резки для устранения этого явления используются распределители (рассекатели) потока, выполненные в виде равномерно расположенных по окружности длинных и коротких продольных пазов, что является ее недостатком, так как продольные пазы увеличивают габаритные размеры плазмотрона (в осевом направлении), что снижает технологические возможности устройства (резка в труднодоступных местах), вводят дополнительное сопротивление потоку, что приводит к дополнительным энергозатратам, и не могут распределить поток по всей охлаждаемой поверхности, так как между пазами всегда имеются перемычки, то есть зоны, где течение воздуха отсутствует, что снижает стойкость деталей плазмотрона и, следовательно, надежность работы. In the known design of a plasma cutting torch, to eliminate this phenomenon, flow distributors (dividers) are used, made in the form of long and short longitudinal grooves evenly spaced around the circumference, which is its drawback, since longitudinal grooves increase the overall dimensions of the plasma torch (in the axial direction), which reduces the technological capabilities of the device (cutting in hard-to-reach places), introduce additional resistance to flow, which leads to additional energy consumption, and can not distribute to divide the flow over the entire cooled surface, since there are always jumpers between the grooves, that is, zones where there is no air flow, which reduces the resistance of the plasma torch parts and, therefore, the reliability of operation.

Техническим эффектом является расширение технологических возможностей плазмотрона (резка в труднодоступных местах) за счет уменьшения габаритов в осевом направлении и повышения надежности за счет более равномерного охлаждения элемента плазмотрона. The technical effect is the expansion of the technological capabilities of the plasma torch (cutting in hard-to-reach places) by reducing the dimensions in the axial direction and increasing reliability due to more uniform cooling of the plasma torch element.

Указанный технический эффект достигается тем, что в плазмотроне для воздушно-плазменной резки, содержащем корпус с основными каналами для прохождения охлаждающего воздуха и установленные в нем катод, изолятор, сопло и на его внешней части защитную втулку с образованием кольцевого зазора между ней и соплом согласно изобретению, основные каналы для прохождения охлаждающего воздуха выполнены осевыми и сопряжены с кольцевым зазором, а в защитной втулке на уровне выходного сечения основных каналов выполнены дополнительные каналы для соединения кольцевого зазора с атмосферой, которые размещены в промежутках между основными каналами равномерно по окружности и под углом к направлению потока охлаждающего воздуха, не превышающим 90^o.The specified technical effect is achieved by the fact that in the plasma torch for air-plasma cutting, comprising a housing with main channels for the passage of cooling air and a cathode, insulator, nozzle and a protective sleeve on its outer part with the formation of an annular gap between it and the nozzle according to the invention , the main channels for the passage of cooling air are made axial and are conjugated with an annular gap, and additional channels for connecting are made in the protective sleeve at the level of the output section of the main channels the relationship of the annular gap with the atmosphere, which are placed in the spaces between the main channels uniformly around the circumference and at an angle to the direction of flow of cooling air, not exceeding 90 ^o .

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый плазмотрон отличается тем, что основные каналы для подачи охлаждающего воздуха в кольцевой зазор выполнены осевыми и сопряжены с кольцевым зазором, а в защитной втулке на уровне выходного сечения основных каналов выполнены дополнительные каналы для соединения кольцевого зазора с атмосферой, которые размещены равномерно по окружности и под углом к направлению потока охлаждающего воздуха, не превышающим 90^o.Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the inventive plasma torch differs in that the main channels for supplying cooling air to the annular gap are made axial and are conjugated with the annular gap, and additional channels are made in the protective sleeve at the output section of the main channels for connecting the annular gap with atmosphere, which are placed evenly around the circumference and at an angle to the direction of flow of cooling air, not exceeding 90 ^o .

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty."

Для проверки соответствия изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, а именно заявленная совокупность существенных признаков проявляет новое свойство - производить резку в труднодоступных местах, т.е. тем самым расширяются технологические возможности устройства, при этом более равномерное охлаждение элементов позволяет повысить надежность устройства. To verify compliance of the invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions to identify signs that match the distinctive features of the prototype of the claimed device. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for a specialist, namely, the claimed combination of essential features exhibits a new property - cutting in hard-to-reach places, i.e. thereby expanding the technological capabilities of the device, while more uniform cooling of the elements improves the reliability of the device.

Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан плазмотрон в разрезе с указанием составных частей и направлением потоков охлаждающего воздуха; на фиг. 2 (вид снизу) показано расположение основных и дополнительных каналов. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a plasma torch in section with an indication of the components and the direction of flow of cooling air; in FIG. 2 (bottom view) shows the location of the main and additional channels.

Плазмотрон состоит из корпуса 1, в котором через изолятор 2 установлен катод 3, снабженный перепускными каналами 4 и 5, при этом каналы 5 выполнены в виде винтовых канавок. В нижней части корпуса 1 закреплено плазмоформирующее сопло 6, имеющее сквозное осевое отверстие 7. На внешней части корпуса 1 установлена защитная втулка 8, образующая с соплом 6 кольцевой зазор 9, соединенный с атмосферой. Катод 3 имеет внутреннюю охлаждающую полость 10, соединяющуюся через канал 11, расположенный в изоляторе 2, с внутренней полостью 12 корпуса 1. Внутренняя полость 12 соединяется с кольцевым зазором 9 посредством равномерно расположенных по окружности основных осевых каналов 13. На уровне выходного сечения основных каналов 13 в защитной втулке 8 размещены дополнительные каналы 14, соединяющие кольцевой зазор 9 с атмосферой, при этом дополнительные каналы 14 располагаются в промежутках между основными каналами 13. The plasma torch consists of a housing 1, in which a cathode 3 is installed through an insulator 2, equipped with bypass channels 4 and 5, while the channels 5 are made in the form of screw grooves. In the lower part of the housing 1, a plasma-forming nozzle 6 is fixed, having a through axial hole 7. A protective sleeve 8 is installed on the outer part of the housing 1, which forms an annular gap 9 with the nozzle 6 and is connected to the atmosphere. The cathode 3 has an internal cooling cavity 10 connected through a channel 11 located in the insulator 2 to the internal cavity 12 of the housing 1. The internal cavity 12 is connected to the annular gap 9 by means of the main axial channels 13 evenly spaced around the circumference. At the level of the output section of the main channels 13 in the protective sleeve 8 there are additional channels 14 connecting the annular gap 9 with the atmosphere, while the additional channels 14 are located between the main channels 13.

Плазмотрон работает следующим образом. В охлаждающую полость 10 катода 3 из пневмосистемы подается сжатый воздух, который, пройдя через каналы 4, делится на два потока. Первый по винтовым каналам 5 и осевому каналу 7 поступает в атмосферу, обеспечивая плазмообразование. Второй с большим расходом проходит по каналам 11 в полость 12, откуда по основным каналам 13 с увеличенной скоростью (т.к. площадь поперечного сечения основных каналов 13 значительно меньше площади полости 12) сжатый воздух поступает в кольцевой зазор 9 и, охлаждая изолятор 11, корпус 1, анод 6 и втулку 8, выходит в атмосферу. При этом истечение воздуха в кольцевой зазор с большой скоростью происходит в виде струй (на фиг. 1 изображены в виде расходящихся тонких линий со стрелками), между которыми образуются зоны завихрения 15, в которых статическое давление воздуха ниже атмосферного, за счет чего атмосферный воздух по дополнительным каналам 14 непрерывно поступает в зоны завихрения 15 и, частично смешиваясь с охлаждающим воздухом, истекающим из основных каналов 13, приобретая дополнительную скорость (эффект эжекции), по кольцевому зазору 9 выходит в атмосферу совместно с охлаждающим воздухом в виде замкнутого кольцевого потока. Таким образом, на охлаждаемых поверхностях внутри кольцевого зазора 9 не остается зон, в которых направленное течение охлаждающего воздуха отсутствует. При этом угол наклона дополнительных каналов 14 конструктивно выполняется как можно меньшими, так как его увеличение приводит к дополнительному сопротивлению потока атмосферного воздуха, а увеличение свыше 90^o приводит к попаданию охлаждающего воздуха, истекающего из основных каналов 13, в дополнительные каналы 14 и нарушению работоспособности.The plasma torch works as follows. Compressed air is supplied to the cooling cavity 10 of the cathode 3 from the pneumatic system, which, passing through the channels 4, is divided into two streams. The first through the screw channels 5 and the axial channel 7 enters the atmosphere, providing plasma formation. The second, with a large flow rate, passes through the channels 11 into the cavity 12, from where along the main channels 13 with increased speed (since the cross-sectional area of the main channels 13 is much smaller than the cavity 12), the compressed air enters the annular gap 9 and, cooling the insulator 11, the housing 1, the anode 6 and the sleeve 8, is released into the atmosphere. At the same time, the outflow of air into the annular gap at high speed occurs in the form of jets (in Fig. 1 are shown in the form of diverging thin lines with arrows) between which swirl zones 15 are formed in which the static air pressure is lower than atmospheric, due to which atmospheric air additional channels 14 continuously enters the swirl zone 15 and, partially mixed with cooling air flowing from the main channels 13, acquiring additional speed (ejection effect), through the annular gap 9 enters the atmosphere together with cooling air in the form of a closed annular flow. Thus, on cooled surfaces inside the annular gap 9 there are no zones in which the directed flow of cooling air is absent. In this case, the angle of inclination of the additional channels 14 is structurally performed as small as possible, since its increase leads to additional resistance to the flow of atmospheric air, and an increase of more than 90 ^o leads to the ingress of cooling air flowing from the main channels 13 into the additional channels 14 and disruption of operation.

Предлагаемый плазмотрон испытывался при ручной и автоматической резке листов толщиной до 20 мм, при этом сила тока составила 90 - 110 A, расход охлаждающего воздуха 10,5 м³/ч, давление в пневмосистеме 4 кгс/см², расход добавочного воздуха 17,5 м³/ч, количество основных и дополнительных каналов 12, диаметры соответственно 1 и 3 мм.The proposed plasma torch was tested during manual and automatic cutting of sheets up to 20 mm thick, with a current strength of 90 - 110 A, a flow rate of cooling air of 10.5 m ³ / h, a pressure in the pneumatic system of 4 kgf / cm ² , an additional air flow rate of 17.5 m ³ / h, the number of primary and secondary channels 12, the diameters of 1 and 3 mm, respectively.

Использование предлагаемого изобретения расширяет технологические возможности плазмотрона, так как за счет уменьшения габаритных размеров по высоте позволяет производить резку в труднодоступных местах. При этом за счет более равномерного охлаждения элементов повышается надежность работы плазматрона. The use of the present invention expands the technological capabilities of the plasma torch, since by reducing the overall dimensions in height it allows cutting in hard to reach places. Moreover, due to more uniform cooling of the elements, the reliability of the plasmatron increases.

Например, при ручной резке по предварительной разметке с опорой на внешнюю защитную втулку срез сопла должен быть выше чем 0,4 - 0,6 диаметра выходного канала сопла, что не позволяет использовать техническое решение, приведенное в прототипе, поэтому внешнюю защитную втулку необходимо изготавливать из электроизоляционного материала. Наиболее эффективными по теплостойкости и прочности в этом случае являются керамические материалы. Однако керамические материалы, имея низкий коэффициент теплопроводности, при неравномерном нагреве и охлаждении (то есть перепаде температур в различных точках поверхности) имеют склонность к растрескиванию, что снижает надежность работы плазмотрона, особенно в моменты включения и выключения режущей дуги. В большей степени это относится к изолятору, установленному между катодом и соплом, так как на него воздействуют не только тепловые, но и механические нагрузки от неравномерно расширяющихся и сужающихся металлических частей плазмотрона. При этом механические части теряют свою первоначальную форму, что приводит к снижению точности базирования элементов плазмотрона, искажению осевой симметричности истечения плазмоформирующего воздуха, что приводит к возникновению вторичной дуги и, как следствие, снижению надежности работы плазмотрона. For example, when manually cutting according to preliminary marking, relying on an external protective sleeve, the nozzle cut should be higher than 0.4 - 0.6 of the diameter of the output channel of the nozzle, which does not allow using the technical solution shown in the prototype, therefore, the external protective sleeve must be made of electrical insulating material. The most effective in terms of heat resistance and strength in this case are ceramic materials. However, ceramic materials, having a low coefficient of thermal conductivity, with uneven heating and cooling (that is, temperature differences at different points on the surface) tend to crack, which reduces the reliability of the plasma torch, especially when turning on and off the cutting arc. To a greater extent, this applies to the insulator installed between the cathode and the nozzle, since it is affected not only by thermal, but also by mechanical loads from unevenly expanding and narrowing metal parts of the plasma torch. In this case, the mechanical parts lose their original shape, which leads to a decrease in the accuracy of basing of the plasma torch elements, a distortion of the axial symmetry of the outflow of the plasma forming air, which leads to the appearance of a secondary arc and, as a result, to a decrease in the reliability of the plasma torch.

Таким образом, предлагаемое изобретение увеличивает стойкость элементов плазмотрона в 1,5 - 2 раза за счет уменьшения величины неравномерности температурного поля по сечению деталей плазмотрона. Thus, the present invention increases the resistance of the plasma torch elements by 1.5 - 2 times by reducing the magnitude of the unevenness of the temperature field over the cross section of the details of the plasma torch.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость". Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

Plasma torch for air-plasma cutting, comprising a housing with main channels for the passage of cooling air and a cathode, insulator, nozzle and a protective sleeve installed therein with the formation of an annular gap between it and the nozzle, characterized in that the main channels for the passage of cooling air in the annular gap is made axial and paired with the annular gap, and in the protective sleeve at the level of the output section of the main channels are made additional channels for connecting the annular gap with the atmosphere D, which are arranged in the gaps between the main channels uniformly circumferentially and at an angle to the direction of flow of cooling air, not exceeding 90 ^o.