Глава 4. Импульсные электротехнологии

Технологии с использованием импульсных сильных токов относятся к разряду высокоскоростных методов электротехнологий. При этом реализуется интенсивное силовое воздействие на обрабатываемый объект. Объекту сообщается большая скорость, что открывает новые технологические возможности. например, появление пластических свойств у хрупких материалов.

К технологиям с использованием импульсных сильных токов относятся

Электрогидравлическя (сильноточный разряд в воде), электроэрозионная и магнитно-импульсная обработка материалов (создание сильного импульсного магнитного поля и организация силового воздействия этого поля на обрабатываемый объект).

4.1. Электрогидравлическая технология

Ударная волна представляет собой скачек плотности среды, распространяющейся от канала со скоростью, превышающей звуковую. Давление на фронте ударной волны в жидкости может достигать десятков килобар. Воздействие этого давления на обрабатываемый объект может вызывать структурную перестройку материала объекта (дробление хрупких материалов, деформацию, упрочнение поверхности и т.д.). Потоки жидкости, распространяющиеся со скоростью 10² 10³ м/с, передают кинетическую энергию обрабатываемому объекту, вызывая, как и ударная волна, его механические изменения.

Механические проявления импульсного разряда в жидкости принято называть электрогидравлическим эффектом, а установки с использованием этого эффекта  электрогидравлическими. В качестве рабочей среды в таких установках используется, как правило, техническая вода.

Обычно электрогидравлическая установка состоит из накопителя энергии НЭ (рис. 4.1), зарядного устройства ЗУ и технологического блока ТБ, содержащего некоторый объем жидкости, систему электродов, между которыми создается импульсный разряд, и обрабатываемый объект, располагаемый вблизи канала разряда К.

Рис.4.1. Принципиальная схема электрогидравлической установки

Накопитель энергии, как правило, представляет собой батарею импульсных конденсаторов высокого напряжения емкостью С. Конденсаторная батарея соединяется с электродной системой в технологическом блоке через разрядник Р, наличие которого позволяет зарядить емкость С до требуемого напряжения от зарядного устройства ЗУ со сравнительно небольшим током. Соединение накопителя энергии с технологическим блокам выполняется малоиндуктивным, для чего используются специальные коаксиальные кабели высокого напряжения. Применение коаксиальных кабелей помимо уменьшения индуктивности разрядной цепи ослабляет электромагнитные поля вблизи работающей установки.

Разрядник Р может быть управляемым или неуправляемым. Он представляет собой, как правило, двухэлектродный или трехэлектродный (тригатрон) воздушный искровой промежуток, в некоторых случаях помещаемый в звукоизолирующем корпусе. В установках с большой частотой следования разрядов промежуток разрядника продувается сжатым воздухом, а электроды охлаждаются водой.

Наличие технологического блока характерно для установок, предназначенных для обработки транспортабельных деталей или материалов (например, деталей в машиностроении и металлообработке, сырья в горнорудной промышленности и промышленности строительных материалов и т.д.) В таких электрогидравлических установках, как установки для бурения, разрушения негабаритных кусков горных пород, для эхолокации водоемов, технологический блок отсутствует и вместо него используется перемещаемая электродная система, погружаемая в скважину, заполненную жидкостью, или в водоем.

Принцип работы типичной гидравлической установки поясняют графики изменения во времени основных электрических параметров, приведенные на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Изменение напряжения на конденсаторе U_c, на канале

разряда U_k, разрядного тока i и мощности Р во времени t

До момента t₁ происходит зарядка накопителя: напряжение на конденсаторе С растет до U₁= 10³ 10⁵ B. В момент t₁ накопитель подключается к искровому промежутку в жидкости и начинается процесс электрического пробоя промежутка. По завершении пробоя в момент t₂ наступает канальная стадия разряда. Напряжение u_с за время t₂  t₁ несколько падает (до U_пр) из-за стекания заряда с конденсатора С вследствие электропроводности среды в промежутке. Если при пробое ток i, протекающий через промежуток, растет незначительно, то по завершении пробоя он резко возрастает. Обычно ток в течение канальной стадии имеет форму, близкую к синусоидальной с большим затуханием.

Форма напряжения на промежутке u_k отражает нелинейность сопротивления канала разряда. Импульс мощности P, развиваемой в канале, имеет форму, близкую к треугольной.

В тех случаях, когда потери энергии за время пробоя t₂  t₁ в промежутке недопустимо велики или при рабочем напряжении не обеспечивается стабильный пробой промежутка при требуемом расстоянии между электродами, перед каждым разрядом электроды закорачиваются тонкой проволочкой, которая взрывается под действием тока.

При разряде или электрическом взрыве проволочки в жидкости возникают ударная волна давления и пульсирующая по размерам газовая полость, изменение положения которых относительно оси канала во времени показано на рис. 13.3,а соответственно кривыми 1 и 2.

Канал разряда в начале процесса расширяется с максимальной скоростью. После прекращения протекания тока полость канала разряда вследствие инерционности окружающей среды продолжает расширяться, достигает предельных размеров и затем начинает сжиматься. При расширении полости температура и давление в ней падают, а при сжатии повышаются, что приводит к затухающим пульсациям полости. Обычно период колебаний полости на несколько порядков превышает длительность разряда. Максимальные размеры полости в зависимости от выделившейся энергии при разряде и от условий протекания гидродинамических процессов в технологическом блоке составляют от нескольких сантиметров до десятков сантиметров.

В случае применения взрывающейся проволочки картина механических проявлений несколько изменяется (рис.13.3,б). С момента подключения накопителя t₁ начинается разогрев проволочки и происходит сравнительно медленное увеличение ее диаметра. К моменту начала электрического взрыва t₃ от отдельных участков проволочки отделяются слабые ударные волны, распространяющиеся со скоростью, близкой к скорости звука. В момент завершения взрыва t₄ возникает мощная ударная волна, обгоняющая ранее возникшие, и далее процесс протекает также, как и при разряде вследствие пробоя промежутка.

Рис.4.3. Изменение положения ударной волны (кривые 1) и границы

газовой полости (кривые 2) при разряде в жидкости,

вызванном пробоем (а) и взрывом проводника (б)

Из-за потерь энергии в соединительных проводах и элементах накопителя, в канале разряда и в газовой полости только незначительная часть накопленной энергии подводится при пробое промежутка или взрыве проволочки к объекту обработки. Однако при разряде в жидкости достигаются высокие концентрации энергии и скорости обработки, что и определяет области применения электрогидравлических установок. Это прежде всего высокоскоростное деформирование металлов, разрушение и дробление хрупких материалов, очистка металлических деталей от формовочных смесей, окалины, эхолокация водоемов и т.п.