Расчет и проектирование сварочного контура

Задание

 

Вариант 9

Вид сварки - контактная точечная

Материал АМг6

 

δ_л = (1+1) мм

 

Вторичный контур

 

Н = 250 мм

L = 550 мм

N_ст = 4

ПВ = 20%

U_сет = 380 В

Введение

 

В настоящее время электрическая контактная сварка получила очень широкое распространение и развитие. В автомобильной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности она является одним из ведущих технологических процессов, обеспечивающих наиболее высокую производительность труда, экономию материалов и улучшение качества изделий.

Развивающаяся современная промышленность требует всё более совершенных контактных электросварочных машин различных типов и назначений. Перед конструкторами универсального и специального оборудования для контактной сварки стоит задача систематического повышения его технического уровня, качества и надежности [5].

Данная курсовая работа состоит из двух частей:

1) расчет параметров режима контактной сварки;

2) расчет сварочного контура и трансформатора для точечной машины.

Расчет параметров режима

 

Конструктивные сварные точечные соединения выполняются обычно с нахлесткой (однорядные или двухрядные швы) и с отбортовкой [1].

Конструктивное изображение точечного соединения показано на рис.1.

 

Рис.1. Конструктивное изображение точечного соединения

 

где δ - толщина металла

d_я - диаметр ядра        

a - величина нахлестки.

Из табл.9 [1] принимаем:

Толщина металла δ = 1,0 мм

Диаметр ядра d_я = 4,0 мм

Величина нахлестки a = 14,0 мм

Шаг между точками t = 15 мм

Параметрами режима точечной сварки являются:

1) диаметр рабочей части и марка материала электрода d_э, мм;

2) время включения тока (время сварки) t_св, с;

)   сварочный ток I_св, А;

)   усилие на электродах Р_св, кгс.

) При сварке легких сплавов используются электроды со сферической рабочей частью и в качестве расчетного диаметра электрода принимают диаметр отпечатка размером:

d_э = (3,5…4,0) δ, мм

d_э = 4,0 · 1,0 = 4,0 мм

 

) Время включения тока t_св для одноимпульсной сварки определяется в зависимости от толщины свариваемых деталей. Для сплавов, нечувствительных к термическому циклу:

 

t_св = (0,15…0,25) δ, с

t_св = 0,15 · 1,0 = 0,15 с

 

) Сварочный ток I_св определим по формуле, полученной из уравнения теплового баланса:

 

 , А,

 

где Q - количество тепла, затрачиваемое на нагрев металла заготовок и электродов, кал;

m - коэффициент, учитывающий изменение R_св в процессе сварки,

m = 1,2…1,4 - для легких сплавов;

R_св = R_эл - сопротивление нагрузки на участке электрод-электрод.

R_св в общем виде определяется:

 

R_св = R_ээ = 2R_д + R_к + 2R_эд, Ом,

 

где R_д - сопротивление материала деталей, рассчитывается как сопротивление столбика металла высотой δ₁+δ₂ и диаметром, равным d_э, Ом;

R_к - сопротивление контакта между деталями, Ом;

R_эд - сопротивление контакта между электродом и деталью, Ом. Принимаем R_эд = 0.

, Ом,

 

где А - коэффициент соответствия фактического сопротивления R_д сопротивлению расчетного цилиндра металла диаметром d_э. А - f(d/δ), значения которой приведены на графике рис.4а [1].

ρ_t - удельное сопротивление материала детали в интервале Т₀…Т_пл, Ом·см.

δ - толщина материала одной детали, см;

d_э - диаметр рабочей поверхности электрода.

 

 Ом

 

Контактное сопротивление между деталями R_к при точечной сварке определяется по эмпирической формуле:

 

R_к = r_к / P_cв^α, Ом,

 

где r_к - коэффициент, учитывающий свойства материала; r_к = 0,001…0,002 - при сварке алюминиевых сплавов;

Р_св - усилие на электродах при сварке, кгс;

α - показатель степени; α = 0,75…0,85 при сварке алюминиевых сплавов.

 

R_к = 0,001 / 200^0,85 = 11,069 · 10^-6 Ом

 

Таким образом, имеем:

 

R_св = (2 · 4,046 + 11,069) · 10^-6 = 19,161 · 10^-6, Ом,

Количество тепла, затрачиваемое на нагрев металла деталей и электродов, а также потери в окружающую среду, Q определяется:

 

Q = Q_я + Q_м + Q_э + Q_ср, кал,

 

где Q_я - количество тепла, затрачиваемое на нагрев до расплавления металла ядра сварной точки:

 

, кал,

 

где сγ - объемная теплоемкость материала детали, кал/см³;

d_я - диаметр ядра точки, см, принимается d_я = d_э.

 

кал.

 

Q_м - количество тепла, затрачиваемое на нагрев основного металла деталей в виде кольца шириной х₀ вокруг точки до средней температуры Т_пл/4:

 

, кал,

 

где k₁ - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева основного металла, k₁ = 0,8;

х₀ - ширина кольца основного металла вокруг точки, нагревающегося от ядра за счет теплопроводности за время t_св:

 

, см,

где а - температуропроводность основного металла, кал/см².

 

 см

 кал

 

Q_э - количество тепла, расходуемое на нагрев участка электродов точечной машины, длиной х_э до средней температуры Т_пл/8 за счет теплопроводности за время t_св ():

 

, кал,

 

где - с_эγ_э - объемная теплоемкость материала электродов, кал/см³;

k₂ - коэффициент, учитывающий форму электрода, принимаем k₂ = 2,0.

 

см

 кал

 

Q_ср­ - количество тепла, расходуемое на теплоотдачу в среду. Учитывая кратковременность процесса точечной сварки, считается очень малым и им обычно пренебрегают.

Таким образом, имеем:

 

Q = 11,157 + 145,621 + 574,296 = 731,074 кал.

 

В итоге получаем:

 А

 

Общий ток I₂ во вторичной цепи обычно превышает I_св на величину тока шунтирования I_ш:

 

I₂ = I_св + I_ш, А, где

, А, где

, Ом,

 

где R_ш и Х_ш - омическое и индуктивное сопротивление шунта. Х_ш = 0.

k_п - коэффициент поверхностного эффекта. k_п = 1.

 

R_ш = R_шв + R_свт, Ом

 

Омическое сопротивление ветви шунтирования R_шв определяется по формуле:

 

, Ом

 

где b - расстояние между точками, см;

d - диаметр точки, см;

ρ - удельное сопротивление материала, Ом · см;

δ - толщина пластины, см.

 

 Ом

Сопротивление материала точки определяется:

 

, Ом

 Ом

 

Отсюда:

 

R_ш = (8,091 + 80,923) · 10^-6 = 89,014 · 10^-6 Ом.

 

Тогда, после преобразований, z_ш равно:

 

, Ом

 

Далее вычисляем ток шунтирования:

 

 кА.

 

Тогда:

 

I₂ = 29,917 + 6,44 = 36,357 кА.

 

После определения действующего значения вторичного тока определяется длительное значение тока I_2длит с учетом ПВ машины:

 

, А,

которое округляют до ближайшего большего значения ряда токов по ГОСТ 10594-80 и которое далее фигурирует, как расчетное значение вторичного тока.

 

 кА.

 

По ГОСТ 10594-80 принимаем I_2длит = 16000А.

Исходные данные для расчета

Для расчета трансформатора необходимы следующие исходные данные:

номинальный длительный вторичный ток,

режим работы ПВ,

напряжение питающей сети,

частота тока,

число ступеней регулирования вторичного напряжения N,

вторичное напряжение на номинальной ступени,

пределы регулирования вторичного напряжения.

Из всего вышеперечисленного неизвестным является U_20ном.

 

U_20ном = I_2н ∙ Z_м, В

U_20ном = 36357 ∙ 246 ∙ 10^-6 = 8,9 В

U_20max = 1,2 ∙ U₂₀ = 1,2 ∙ 8,9 = 10,7 В

U_20min = U_20max/К_р = 10,68/2 = 5,3 В

 

Таким образом, имеем следующие исходные данные для расчета трансформатора:

 

I_2дл.н = 16000 А,

ПВ = 20 %,

U₁ = 380 В,

F = 50 Гц,

N = 4 ст.,

U_20ном = 8,9 В

U_20max = 10,7 B,

U_20min = 5,3 B,

 

Трансформатор броневого типа,

Сердечник шихтованный,

Материал обмоток - медь,

Охлаждение обмоток первичной и вторичной - водяное.

 

Расчет токов

 

Первичные токи по ступеням определяются:

 

, А,

 

где k₀ = 1,05...1,07 - коэффициент, учитывающий влияние тока холостого хода;

k_N-1 - коэффициент трансформации для номинальной ступени;

 

 

Отсюда:

 

 А

Для других ступеней:

 

, А

 

Отсюда:

 

 А

 А

 А

 

Результаты сводим в табл.1.

 

Расчет сечений обмоток

Полное сечение вторичной обмотки определяется:

 

, мм²,

 

где W₂ - число витков вторичной обмотки;

j₂ - допустимая плотность тока во вторичной обмотке, А/мм²;

 

j₂ = 10-15 А/мм² [5]

 мм²

Заполняем табл.2

 

Таблица 2

№ ступени	Положение переключателей		Первичный ток I1(i), А	Схема соединения частей секций		Расчетное сечение провода, мм^2
	№1	№2		I (12+12) В	II (24+24) В
1	2	2	156			35 мм^2 для I с. 31 мм^2 для II с.
2	1	2	224
3	2	1	350
4	1	1	622
Максимальные токи в секциях				350 А	311 А

 

Сечение проводов каждой секции определяем по формуле:

 

, мм²,

где j₁ = 8 - 10 А/мм²

 

Отсюда:

 

 мм²

 мм²

 

Зная количество витков в каждой секции, определим суммарное сечение витков по секциям:

 

, мм²

 мм²

 мм

 

Суммируя значения сечений витков по секциям, получим полное сечение первичной обмотки:

 

мм²

мм²

Расчет тока холостого хода

 

Магнитные потери в стали трансформатора определяют по формуле:

 

P₀ = k_д ·Р_с ·G_с, Вт

 

где Р_с - удельные потери в стали магнитопровода. Принимают по табл. 4-4[5];

k_д - коэффициент добавочных потерь. Обычно рекомендуется k_д = 1,2.

 

P₀ = 1,1 ·1,5 ·704 = 1267,2 Вт

 

Ток холостого хода определяется для номинальной ступени по формуле:

 

, А

 

где I_оа - активная составляющая тока холостого хода, определяется:

I_oa = P₀/U₁, А

I_ор - реактивная составляющая тока холостого хода, определяется:

 

, А

 

где К_г­ - коэффициент, учитывающий наличие высших гармоник в кривой намагничивающего тока. Возьмем из табл. 4-6 [5].

Суммарная МДС:

 

ΣAW = aw·l_μ+0,8n₃δ₃

где l_μ - средняя длина магнитной линии

 

, м

 м

ΣAW = 6,5·79,1+0,8·1,2·0,005·10⁴ = 610,15 А

 А

 А

 

Литература

 

1. Ильин В.П. Технология и оборудование контактной сварки. Методические указания по выполнению курсового проекта. Ч.1. - Ижевск: ИжГТУ, 1986

2. Ильин В.П., Грязнов Р.Н. Технология и оборудование контактной сварки. Методические указания по выполнению курсового проекта. - Ч.2. Ижевск: ИжГТУ, 1987

.   ОСТ 92-1115-79. Сварка точечная и шовная контактная.

.   Справочник по электротехническим материалам. В 3-х тт. Под ред. Корицкого Ю.В. - Л.: Энергия, 1976

.   Рыськова З.А. Трансформаторы для электрической контактной сварки. Л., «Энергия», 1975

.   Глебов Л.В. и др. расчет и конструирование машин контактной сварки. - Л.: Энергоиздат, 1981

.   Сергеев Н.П. Справочник молодого сварщика на контактных машинах. - М.: Высш. Школа, 1979

Задание

 

Вариант 9

Вид сварки - контактная точечная

Материал АМг6

 

δ_л = (1+1) мм

 

Вторичный контур

 

Н = 250 мм

L = 550 мм

N_ст = 4

ПВ = 20%

U_сет = 380 В

Введение

 

В настоящее время электрическая контактная сварка получила очень широкое распространение и развитие. В автомобильной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности она является одним из ведущих технологических процессов, обеспечивающих наиболее высокую производительность труда, экономию материалов и улучшение качества изделий.

Развивающаяся современная промышленность требует всё более совершенных контактных электросварочных машин различных типов и назначений. Перед конструкторами универсального и специального оборудования для контактной сварки стоит задача систематического повышения его технического уровня, качества и надежности [5].

Данная курсовая работа состоит из двух частей:

1) расчет параметров режима контактной сварки;

2) расчет сварочного контура и трансформатора для точечной машины.

Расчет параметров режима

 

Конструктивные сварные точечные соединения выполняются обычно с нахлесткой (однорядные или двухрядные швы) и с отбортовкой [1].

Конструктивное изображение точечного соединения показано на рис.1.

 

Рис.1. Конструктивное изображение точечного соединения

 

где δ - толщина металла

d_я - диаметр ядра        

a - величина нахлестки.

Из табл.9 [1] принимаем:

Толщина металла δ = 1,0 мм

Диаметр ядра d_я = 4,0 мм

Величина нахлестки a = 14,0 мм

Шаг между точками t = 15 мм

Параметрами режима точечной сварки являются:

1) диаметр рабочей части и марка материала электрода d_э, мм;

2) время включения тока (время сварки) t_св, с;

)   сварочный ток I_св, А;

)   усилие на электродах Р_св, кгс.

) При сварке легких сплавов используются электроды со сферической рабочей частью и в качестве расчетного диаметра электрода принимают диаметр отпечатка размером:

d_э = (3,5…4,0) δ, мм

d_э = 4,0 · 1,0 = 4,0 мм

 

) Время включения тока t_св для одноимпульсной сварки определяется в зависимости от толщины свариваемых деталей. Для сплавов, нечувствительных к термическому циклу:

 

t_св = (0,15…0,25) δ, с

t_св = 0,15 · 1,0 = 0,15 с

 

) Сварочный ток I_св определим по формуле, полученной из уравнения теплового баланса:

 

 , А,

 

где Q - количество тепла, затрачиваемое на нагрев металла заготовок и электродов, кал;

m - коэффициент, учитывающий изменение R_св в процессе сварки,

m = 1,2…1,4 - для легких сплавов;

R_св = R_эл - сопротивление нагрузки на участке электрод-электрод.

R_св в общем виде определяется:

 

R_св = R_ээ = 2R_д + R_к + 2R_эд, Ом,

 

где R_д - сопротивление материала деталей, рассчитывается как сопротивление столбика металла высотой δ₁+δ₂ и диаметром, равным d_э, Ом;

R_к - сопротивление контакта между деталями, Ом;

R_эд - сопротивление контакта между электродом и деталью, Ом. Принимаем R_эд = 0.

, Ом,

 

где А - коэффициент соответствия фактического сопротивления R_д сопротивлению расчетного цилиндра металла диаметром d_э. А - f(d/δ), значения которой приведены на графике рис.4а [1].

ρ_t - удельное сопротивление материала детали в интервале Т₀…Т_пл, Ом·см.

δ - толщина материала одной детали, см;

d_э - диаметр рабочей поверхности электрода.

 

 Ом

 

Контактное сопротивление между деталями R_к при точечной сварке определяется по эмпирической формуле:

 

R_к = r_к / P_cв^α, Ом,

 

где r_к - коэффициент, учитывающий свойства материала; r_к = 0,001…0,002 - при сварке алюминиевых сплавов;

Р_св - усилие на электродах при сварке, кгс;

α - показатель степени; α = 0,75…0,85 при сварке алюминиевых сплавов.

 

R_к = 0,001 / 200^0,85 = 11,069 · 10^-6 Ом

 

Таким образом, имеем:

 

R_св = (2 · 4,046 + 11,069) · 10^-6 = 19,161 · 10^-6, Ом,

Количество тепла, затрачиваемое на нагрев металла деталей и электродов, а также потери в окружающую среду, Q определяется:

 

Q = Q_я + Q_м + Q_э + Q_ср, кал,

 

где Q_я - количество тепла, затрачиваемое на нагрев до расплавления металла ядра сварной точки:

 

, кал,

 

где сγ - объемная теплоемкость материала детали, кал/см³;

d_я - диаметр ядра точки, см, принимается d_я = d_э.

 

кал.

 

Q_м - количество тепла, затрачиваемое на нагрев основного металла деталей в виде кольца шириной х₀ вокруг точки до средней температуры Т_пл/4:

 

, кал,

 

где k₁ - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева основного металла, k₁ = 0,8;

х₀ - ширина кольца основного металла вокруг точки, нагревающегося от ядра за счет теплопроводности за время t_св:

 

, см,

где а - температуропроводность основного металла, кал/см².

 

 см

 кал

 

Q_э - количество тепла, расходуемое на нагрев участка электродов точечной машины, длиной х_э до средней температуры Т_пл/8 за счет теплопроводности за время t_св ():

 

, кал,

 

где - с_эγ_э - объемная теплоемкость материала электродов, кал/см³;

k₂ - коэффициент, учитывающий форму электрода, принимаем k₂ = 2,0.

 

см

 кал

 

Q_ср­ - количество тепла, расходуемое на теплоотдачу в среду. Учитывая кратковременность процесса точечной сварки, считается очень малым и им обычно пренебрегают.

Таким образом, имеем:

 

Q = 11,157 + 145,621 + 574,296 = 731,074 кал.

 

В итоге получаем:

 А

 

Общий ток I₂ во вторичной цепи обычно превышает I_св на величину тока шунтирования I_ш:

 

I₂ = I_св + I_ш, А, где

, А, где

, Ом,

 

где R_ш и Х_ш - омическое и индуктивное сопротивление шунта. Х_ш = 0.

k_п - коэффициент поверхностного эффекта. k_п = 1.

 

R_ш = R_шв + R_свт, Ом

 

Омическое сопротивление ветви шунтирования R_шв определяется по формуле:

 

, Ом

 

где b - расстояние между точками, см;

d - диаметр точки, см;

ρ - удельное сопротивление материала, Ом · см;

δ - толщина пластины, см.

 

 Ом

Сопротивление материала точки определяется:

 

, Ом

 Ом

 

Отсюда:

 

R_ш = (8,091 + 80,923) · 10^-6 = 89,014 · 10^-6 Ом.

 

Тогда, после преобразований, z_ш равно:

 

, Ом

 

Далее вычисляем ток шунтирования:

 

 кА.

 

Тогда:

 

I₂ = 29,917 + 6,44 = 36,357 кА.

 

После определения действующего значения вторичного тока определяется длительное значение тока I_2длит с учетом ПВ машины:

 

, А,

которое округляют до ближайшего большего значения ряда токов по ГОСТ 10594-80 и которое далее фигурирует, как расчетное значение вторичного тока.

 

 кА.

 

По ГОСТ 10594-80 принимаем I_2длит = 16000А.

Расчет и проектирование сварочного контура

 

2.1 Общие требования

 

Назначение машины в первую очередь определяет ее геометрические размеры вторичного контура. Для точечной машины этими размерами являются вылет и раствор хоботов, а свариваемое сечение и заданная производительность машины определяют ее электрические параметры: силу сварочного тока, вторичное напряжение сварочного трансформатора, мощность трансформатора и режим работы, исходя из выбранного режима сварки.