Устройство образования изделий заданной формы из потока частиц дисперсных материалов

 

При зажигании дуги газового разряда между подаваемыми стержневыми электродами 12 в плазмотроне 1 поток частиц дисперсного материала из бункера 2 в свободном падении попадает в наиболее нагретую область разрядной камеры 13 - плазменную печь 15, образуемую дугой разряда 14, и затем в задание время нагретые частицы попадают в точку формирования изделия 20 заданной формы, определяемой тремя координатами - продольной, боковой, вертикальной, отрабатываемыми манипулятором 11. Программное устройство формирования изделия 9 в соответствии с формой изделия 20 формирует величины, отрабатываемые манипулятором 11 через блок управления 10. В соответствии с заданной температурой частиц в точке формирования изделия 20 оптимальным током дуги, изменяемым напряжением дуги газовой разряда в блоке формирования сигналов управления 8, формируются заданные текущие величины напряжения стабилизации и напряжения управления, в соответствии с которыми через блок управления 10 практически без запаздывания обрабатываются регулировочные элементы в схеме управления напряжения стабилизации 6 и в схеме управления напряжением управления 7, в соответствии с которым опорное напряжение с выхода источника питания переменного тока на выходах выпрямителя напряжения стабилизации 4 и выпрямителя напряжения управления 5 преобразуется. Дуга газового разряда вытягивается по продольной оси разрядной камеры. В соответствии с нагревом печи и соответственно охлаждением при дальнейшем пролете в точке формирования изделия температура частиц будет равной заданной в заданное время, равное времени пролета от выхода из бункера до точки формирования изделия. 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразованию электрической энергии газового разряда в тепловую, обеспечивающую нагрев до заданных температур потока дисперсных частиц и образования из них изделий различной формы строительного и облицовочного кирпича, предметов сантехники, копий и авторских декоративных изделий, скульптур, деталей архитектурных сооружений, их копий и моделей.

Известны устройства по тепловой обработке потока дисперсных частиц, содержащие бункер для подачи частиц исходного материала и плазмотрон, содержащий разрядную камеру, в которой установлены два стержневых (подаваемых) электрода, магнитопровод в виде охватывающего разрядную камеру ярма с двумя полюсными наконечниками, на каждом из которых размещены обмотка управления и обмотка стабилизации (сериесная), подключенные к собственному источнику питания постоянного тока [1] [2] [3] В этих устройствах не обеспечивается возможность нагрева потока дисперсных частиц исходного материала до заданной температуры, в заданное время, в заданной точке.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении формирования изделий заданной формы посредством нагрева потока дисперсных частиц до заданной температуры, в заданное время, в заданной точке локального пространства.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее бункер подачи частиц исходного материала, плазмотрон, источник питания переменного тока, выпрямитель напряжения управления, выпрямитель напряжения стабилизации, при этом плазмотрон содержит разрядную камеру, в которой установлены два стержневых электрода, магнитопровод в виде охватывающего разрядную камеру ярма с двумя полюсными наконечниками, на каждом из которых размещены обмотка управления и обмотка стабилизации, включенная последовательно со стержневыми электродами, первый и второй выводы обмотки стабилизации соединены соответственно с первым и вторым выходами выпрямителя напряжения стабилизации, а первый и второй выводы обмотки управления соединены соответственно с первым и вторым выходами выпрямителя напряжения управления, дополнительно введены включенный между первым и вторым выходами источника питания переменного тока и первым и вторым входами выпрямителя напряжения управления соответственно своими первым и вторым входами и первым и вторым выходами блок управления напряжением управления, формирующий заданное напряжение управления, включенный между первым и вторым выходами источника питания переменного тока и первым и вторым входами выпрямителя напряжения стабилизации соответственно своими первым и вторым входами и первым и вторым выходами блок управления напряжением стабилизации, формирующий заданное напряжение стабилизации, программное устройство формирования изделия, формирующее и выдающее с первого-четвертого выходов параметры работы системы соответственно оптимальную величину тока дугового газового разряда, заданную температуру частиц в текущей точке формирования изделия, температурный коэффициент и температурный градиент, и с пятого-седьмого выходов заданные координаты текущей точки формирования изделия, соответственно заданную продольную координату, заданную боковую координату, заданную вертикальную координату, блок формирования сигналов управления, формирующий и выдающий с первого и второго выходов сигналы заданных величин напряжения управления и напряжения стабилизации, блок управления, формирующий на первом-пятом выходах перемещения исполнительных устройств, соответствующих заданному напряжению управления, заданному напряжению стабилизации, заданной боковой координате, заданной продольной координате, заданной вертикальной координате текущей точки формирования изделия, манипулятор, на первый-третий входы которого подключены соответственно третий-пятый выходы блока управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьим входам блока управления напряжением управления и блока управления напряжением стабилизации, при этом на первый-четвертый входы блока формирования сигналов управления подключены первый-четвертый выходы программного устройства формирования изделия, пятый-седьмой выходы которого подключены соответственно к третьему-пятому входам блока управления, на первый и второй входы которого подключены соответственно первый и второй выходы блока формирования сигналов управления, пятый и шестой входы которого соединены с одним и другим выводами стержневых электродов.

На фиг. 1 представлена блок-схема изделия и вид плазмотрона (в разрезе) спереди, где обозначено: 1 плазмотрон П, 2 бункер подачи частиц исходного материала Б, 3 источник питания переменного тока ИПЕТ, 4 выпрямитель напряжения стабилизации ВНС, 5 выпрямитель напряжения управления ВНУ, 6 - блок управления напряжением стабилизации БУНС, 7 блок управления напряжением управления БУНУ, 8 блок формирования сигналов управления БФСУ, 9 - программное устройство формирования изделий ПУФИ, 10 блок управления БУ, 11 манипулятор М, 12 стержневые (подаваемые) электроды СЭ, 13 разрядная камера, 14 траектория дуги газового разряда, 15 наиболее нагретая область пространства плазменная печь ПП, 20 формируемое изделие ФИ, А точка выхода частиц дисперсного материала из Б2, В точка попадания частиц в ПП15, С точка выхода частиц из ПП15, Д точка попадания потока нагретых (оплавленных) частиц на ФИ20.

На фиг. 2 представлена блок-схема П1 и вид разрядной камеры 13 сверху, где обозначено: 16 ярмо магнитопровода, 17 полюсный наконечник магнитопровода, 18 обмотка управления, 19 обмотка стабилизации.

На фиг. 3 представлена блок-схема БФСУ10, содержащего: 21 развязывающий усилитель УР, 22 первый сумматор С1, 23 первый блок умножения БУ1, 24 - блок разности БР, 25 второй блок умножения БУ2, 26 третий блок умножения БУ3, 27 второй сумматор С2, 28 блок деления БД.

На фиг. 4 представлена блок-схема БУ10, содержащего: 29 блок отработки напряжения управления БОНУ, 30 блок отработки напряжения стабилизации БОНС, 31 блок отработки продольной координаты БОПК, 32 блок отработки боковой координаты БОБК, 33 блок отработки вертикальной координаты БОВК.

На фиг. 5 представлена блок-схема БОНУ29, где обозначено: 34 блок чистого запаздывания БЧЗ, 35 трехвходовый блок разности БРТ, 36 - исполнительное устройство ИУ.

Примеры технического исполнения блоков и элементов приведены М11 [5] БУНУ, БУНС [5] ПУФИ [6] УР, С, БУ, БР, БРТ, БД, БЧЗ, ИУ [7] ИУ представлено в составе БУ 10 как пример технического решения. В принципе ИУ могут быть в составе М11, БУНС6, БУНУ7. В качестве примера технического исполнения М11 представлен трехкоординатным, но в принципе число координат может быть увеличено до шести.

При подаче напряжения U_c с первого и второго выходов ВНС4 на третий и четвертый входы П1, соединенные с выводами обмотка стабилизации 19, между СЭ12, расположенными в разрядной камере 13, возникает дуговой газовый разряд 14, через обмотку стабилизации 19 протекает ток (1) где U_д напряжение на дуге, R_c сопротивление обмотки стабилизации 19. Напряжение U_у с одного и другого выходов ВНУ5 поступает на первый и второй входы П, соответственно соединенные с выводами управления 18; через обмотку управления 18 при этом протекает ток (здесь R_у сопротивление обмотки управления 18). При действии I и I_у, между полюсными наконечниками 17, расположенными в средине ярма 16 магнитопровода, возникает магнитное поле, вектор магнитной индукции В_м которого перпендикулярен плоскости разряда.

При этом В_м K₁(I + K₂I_у), где коэффициенты пропорциональности К₁ и K₂ определяются количеством витков обмотки управления 18 и обмотки стабилизации 19. Сила Лоренца, действующая перпендикулярно В_м и перпендикулярно вектору скорости носителей заряда в дуге, вытягивает дуговой разряд 14 по продольной оси разрядной камеры 13, при этом длина дуги по продольной оси ВС l_п K₁K₃(I + K₂I_у), где K₃ коэффициент пропорциональности.

Частицы дисперсного материала из Б2 (точка А) в свободном падении попадают в ПП15, они нагреваются за время пролета расстояния ВС, при этом температура частиц [8] где K₄ коэффициент пропорциональности, Н теплоотдача в окружающую среду и частицам, одновременно находящимся в ПП15.

Время нахождения каждой частицы в ПП15 где g ускорение свободного падения; АВ l₁ >> l_п, тогда
При полете частицы из точки С в точку формирования изделия (точка Д) за время , (здесь l₂ СД) температура частицы уменьшается на величину T₁=K₆₁ температурный градиент (здесь К₆ коэффициент пропорциональности), соответственно температура частицы в точке Д будет

F известная для данного устройства величина температурный коэффициент. Зависимости (1) и (2) определяют область возможных состояний параметров Т₄, I при заданных значениях U_c, U_у, известных величинах F, K₂, R_c, R_у, T₁ и измеряемом U_д. При заданных значениях T₄ T₄₃, I I_o значения параметров, реализующих эти условия, имеют вид
U_c3 I_oR_c + U_д, (3)

Технология образования изделия заданной формы заключается в перемещении (отработке) заданной точки Д на поверхности ФИ20, определяемой координатами Х_п продольная координата, X_б боковая координата, Х_в - вертикальная координата в неподвижной системе координат с началом координат, например в точке А, в заданное время t₃, при этом частицы, нагретые до заданной температуры T₄₃, попадают из точки А в заданную точку Д в то же время (здесь l₂ CД, l₁ AB, l BC).

В ПУФИ9 формируются параметры работы I_o оптимальное значение тока I на восходящей ветви вольтамперной характеристики дугового разряда [9] Т₄₃ заданная температура частицы в точке Д, F температурный коэффициент известной конструктивно-технологический параметр, Т₁ - температурный градиент известный конструктивно-технологический параметр, Х_п3 X_п(t₃) заданная продольная координата, Х_Б3 Х_Б(t) заданная боковая координата, Х_B3 X_B(t₃ заданная вертикальная координата. С первого-четвертого выходов ПУФИ9 параметры I_o, T₄₃, F, T₁ поступают на первый-четвертый входы БФСУ8, с пятого-седьмого выходов ПУФИ9 сигналы Х_п3, X_Б3, X_B3 поступают на третий-пятый входы БУ10. Напряжение на концах дуги (на выходах СЭ12) U_д c первого и второго выходов П1 (см. фиг. 2) поступает на пятый и шестой входы БФСУ, в котором (см. фиг. 3):
первый вход (сигнал I_o) подключен к одним входам С1(22), БУ1(23), БР(24),
второй вход (сигнал Т₄₃) подключен к одному входу БУ2(25),
третий вход (сигнал F) подключен к другому входу БУ2(25) и к одному входу БУ3(26),
четвертый вход (сигнал T₁) подключен к другому входу БУ3(26),
пятый и шестой входы (напряжение U_д) подключены к одному и другому входами УР21. УР21 обеспечивает измерение U_д без влияния на процессы в цели стабилизации П1, с выхода УР21 сигнал U_д поступает на другой вход БУ1(23) и на другой вход С1(22), где формируется реализующий зависимость (3) заданный сигнал напряжения стабилизации U_c3 I_oR_c + U_д, который с выхода С1(22) поступает на второй выход БФСУ(8); в БУ1(23) формируется сигнал I_oU_д, поступающий на один вход БД28, в БУ2(25) формируется сигнал Т₄₃F, поступающий на один вход С2(27); в БУ3(26) формирует сигнал T₁F, поступающий на другой вход С2(27), где формируется сигнал T₄₃F + T₁F₁ F(T₄₃ + T₁), поступающий на другой вход БД28, где формируется сигнал

поступающий на другой вход БР24, где формируется реализующий зависимость (4) сигнал , который с выхода БР24 поступает на первый выход БФСУ8.

С первого и второго выходов БФСУ8 сигналы U_у3 и U_c3 поступают соответственно на первый и второй входы БУ10, в котором (см. фиг. 4):
первый вход (сигнал U_у3) подключен ко входу БОНУ 29, выход которого подключен к первому выходу БУ10,
второй вход (сигнал U_c3) подключен ко входу БОНС 30, выход которого подключен ко второму выходу БУ10,
третий вход (сигнал X_п3) подключен ко входу БОПК31, выход которого подключен к третьему выходу БУ10,
четвертый вход (сигнал X_Б3) подключен ко входу БОБК32, выход которого подключен к четвертому выходу БУ10,
пятый вход (сигнал X_В3) подключен ко входу БОВК33, выход которого подключен к пятому выходу БУ10.

В БОНУ29 (см. фиг. 5) вход (сигнал U_у3) подключен к первому входу БРТ35 и ко входу БЧ33, где формируется сигнал [U_уз(t)-U_уз(t-)], (здесь время запаздывания), поступающий на второй вход БРТ35, с выхода которого сигнал y₁ поступает на вход ИУ36, реализованного, например, на интегрирующем двигателе с передаточной функцией (здесь Т постоянная времени, Р - оператор дифференцирования, y₁ перемещение исполнительного органа ИУ36). Перемещение y₁ является выходом БОНУ 29 и датчика обратной связи ИУ36, сигнал, равный y₁, поступает на третий вход БРТ35, где формируется сигнал y_o=U_уз(t)+[U_уз(t)-U_уз(t-)]n-y₁=T_рy₁ при малом будет и y₁(1+T_р)=U_уз(t)(1+n_p) при , y₁ U_у3(t), т. е. на выходе БОНУ29 и на первом выходе БУ10 перемещение y₁ повторяет в заданном времени U_у3(t₃) U_у3 практически без запаздывания.

Блоки БОНС 30, БОПК 31, БОБК 32, БОВК 33 по исполнению аналогичны БОНУ 29, соответственно на втором-пятом выходах БУ 10 будут перемещения исполнительных устройств y₂ U_c)t₃) U_c3, y₃ X_п(t₃) X_п3, y₄ X_Б(t₃) X_Б3, y₅ X_B(t₃)
X_B3. Перемещения y₃, y₄, y₅ по первому, второму, третьему входам на М11, устанавливают точку Д на ФИ20 в соответствии с заданными координатами Х_п3, X_Б3, X_B3 в заданное время t₃.

Напряжение питания переменного тока U₀ с первого и второго выходов ИПЕТ3 поступает на первый и второй входы БЕНС6 и БУНУ7, по третьему входу которого в соответствии с перемещением y₁ с первого выхода БУ10 отрабатывается регулируемый элемент БУНУ7, на клеммах которого (первый и второй выходы) будет напряжение переменного тока , которое поступает на первый и второй входы ВНУ5, где оно выпрямляется и напряжение постоянного тока U_у3 c первого и второго выходов ВНУ5 подается через первый и второй входы П1 на первый и второй выводы обмотки управления 18. По третьему входу БУНС6 в соответствии с перемещением y₂ отрабатывается регулировочный элемент БУНС6, между первым и вторым выходом которого будет напряжение переменного тока , первый и второй выводы БУНС6 подключены к первому и второму входам ВНС4, между первым и вторым выходами которого будет напряжение постоянного тока U_c3, подаваемое через третий и четвертый входы П1 на первый и второй выводы обмотки стабилизации 19. В соответствии с заданными U_у3, U_c3 устанавливается величина l_п BC ПП15 при оптимальном токе I_o, а частицы исходного материала, пролетая расстояние ВС в ПП15, нагреваются, а затем, пролетая расстояние СД до точки формирования изделия Д, остывают, в итоге температура частиц в точке Д будет равна Т₄₃ в момент времени t₃.

Таким образом достигается технический результат образование изделий заданной формы посредством отработки манипулятором М11 заданных координат X_п3, X_Б3, X_B3 в заданное время t₃, определяемое пролетом частицы из выхода Б2 (точка А) в точку Д формирования ФИ20, где температура частицы равна заданной.

Предлагаемое устройство позволяет осуществлять производство (в формообразователях и без формообразователей) изделий сложных пространственных форм и конфигураций.

Формула изобретения

Устройство образования изделий заданной формы из потока частиц дисперсных материалов, содержащее бункер подачи частиц исходного материала, плазмотрон, источник питания переменного тока, выпрямитель напряжения стабилизации, выпрямитель напряжения управления, при этом плазмотрон содержит разрядную камеру, в которой установлены два стержневых электрода, магнитопровод в виде охватывающего разрядную камеру ярма с двумя полюсными наконечниками, на каждом из которых размещены обмотка управления и обмотка стабилизации, включенная последовательно со стержневыми электродами, первый и второй выводы обмотки стабилизации соединены с первым и вторым выходами выпрямителя напряжения стабилизации, а первый и второй выходы обмотки управления соединены с первым и вторым выходами выпрямителя напряжения управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены включенный между первым и вторым выходами источника питания переменного тока и первым и вторым входами выпрямителя напряжения управления соответственно своими первым и вторым входами и первым и вторым выходами блок управления напряжением управления, формирующий заданное напряжение управления, включенный между первым и вторым выходами источника питания переменного тока и первым и вторым входами выпрямителя напряжения стабилизации соответственно своими первым и вторым входами и первым и вторым выходами блок управления напряжением стабилизации, формирующий заданное напряжение стабилизации, программное устройство формирования изделия, формирующее и выдающее с первого ^oC четвертого выходов параметры работы системы соответственно оптимальную величину тока дугового газового разряда, заданную температуру частиц в текущей точке формирования изделия, температурный коэффициент и температурный градиент, и с пятого ^oC седьмого выходов заданные координаты текущей точки формирования изделий, соответственно заданную продольную координату, заданную боковую координату, заданную вертикальную координату, блок формирования сигналов управления, формирующий и выдающий с первого и второго выходов сигналы заданных величины напряжения управления и напряжения стабилизации, блок управления, формирующий на первом ^oC пятом выходах перемещения исполнительных устройств, соответствующих заданному напряжению управления, заданному напряжению стабилизации, заданной боковой координате, заданной продольной координате, заданной вертикальной координате текущей точки формирования изделия, манипулятор, на первый ^oC третий входы которого подключены соответственно третий ^oC пятый выходы блока управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к третьим входам блока управления напряжением управления и блока управления напряжением стабилизации, при этом на первый ^oC четвертый входы блока формирования сигналов управления подключены первый ^oC четвертый выходы программного устройства формирования изделия, пятый ^oC седьмой выходы которого подключены соответственно к третьему ^oC пятому входам блока управления, на первый и второй входы которого подключены соответственно первый и второй выходы блока формирования сигналов управления, пятый и шестой входы которого соединены с первым и вторым выводами стержневых электродов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5