Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности

Рис. 2.4. Схема устройства с радиацион­ным (лазерным) поджигом рабочего искро­вого промежутка в жидкости: 1 — источник лазерного луча или капсула с источником проникающей радиации; 2 — лазерный луч или луч проникающей радиации; 3 — канал разряда; 4 — впускное окно Тепловой взрыв

Воспроизведение электрогидравлического эффекта при помощи электрического теплового взрыва значительно расширяет возмож­ности его практического использования [3, 5, 6, 7, 23]. Для реали­зации этого способа электроды различных электрогидравлических устройств замыкаются тонкой проводящей проволокой, лентой или трубкой, представляющей собой взрывающийся тепловой элемент (ВТЭ). Искровой разряд между электродами заменяется тепловым взрывом проводящего ток элемента, замыкающего электроды, чем заранее задается путь разрядного канала и его конфигурация. Использование теплового взрыва позволяет полностью устранить стример, а значит, и энергетические потери, составляющие до 10 % общего количества энергии разряда, которые расходовались на предзарядной стадии процесса. Хотя эти потери заменяются потерями на нагревание и испарение проводящего элемента в жидкости, они при этом во'многих случаях оказываются несколько меньшими, чем потери на прорастание стримера между электро­дами, а механический КПД — несколько большим механического КПД обычного искрового разряда. Возникающий при этом электрогидравлический удар не отличается от электрогидравли­ческого удара, образованного обычными средствами [23].

Преимуществами способа являются возможности осуществле­ния электрогидравлических ударов вблизи проводящих объектов (непосредственно на их поверхности), получения локализованных направленных ударов по любому наперед заданному контуру, и осуществления электрогидравлических ударов в растворах силь­ных электролитов, а также в расплавах некоторых металлов и солей [71]. Применение этого способа позволяет использовать
как высокие, так и низкие напряжения при обязательном обеспечении малой длительности и большой крутизны фронта импульса тока.

Для низких напряжений это условие выполняется путем при­менения современных средств коммутации токов (например, ти­ратронов или игнитронов).

Взрывающиеся тепловые элементы (ВТЭ) могут иметь самую причудливую, заданную условиями форму и изготовляться из различных проводящих или даже полупроводящих материалов. Длина и особенно площадь токопроводящего сечения этих эле­ментов подбираются так, чтобы импульс тока вызывал мгновенное их испарение. Однако полное испарение проволоки, ленты, трубки или ВТЭ каких-либо других форм не является обязательным или необходимым. Для уменьшения энергии и обеспечения рациональ­ного хода процесса разряда это испарение должно быть таким, чтобы неиспарившиеся частицы этих элементов оказывались достаточно мелкими, не способными образовывать проводящие мостики для разряда, что могло бы привести к полному исчезнове­нию в этих местах канала разряда, а следовательно, к резкому ослаблению электрогидравлического удара или даже к полному ис­чезновению его.

Материалами для ВТЭ могут быть алюминий, медь, нихром, проводящая паста, электролит в проводящей трубке, металличе­ские опилки, металлизированная бумага и т. д. Но наиболее рациональными для ВТЭ являются проводящие материалы с ма­лой энергией испарения, неспособные после своего взрыва созда­вать долгоживущие проводящие комплексы, но создающие неко­торое количество полезных для процесса примесей, ионизирующих канал.

Необходимо отметить, что каждый ВТЭ фактически осущест­вляет искусственное короткое замыкание рабочего искрового про­межутка, а следовательно, и всего разрядного контура схемы. Поэтому нет необходимости в усиленной изоляции всех проводни­ков контура, ведущих к ВТЭ. Это во многом упрощает работу устройств, основанных на использовании теплового взрыва.

Все ВТЭ могут быть как одноразового действия (заменяемые после каждого теплового взрыва), так и постоянно возобновляе­мые путем непрерывной или синхронизируемой с разрядом подачи их преимущественно через заземленный электрод. Принципиаль­ная схема устройства с непрерывно заменяемым взрывающимся тепловым элементом приведена на рис. 2.5,а. Применение прово­лочных ВТЭ целесообразно почти во всех случаях, так как однора­зовый проволочный ВТЭ может быть легко изогнут по заданному контуру, рассчитанному или подобранному опытным путем. В ряде случаев в качестве ВТЭ используют проводящую ленту. Например, изогнув ленту (рис. 2.5,6) в поперечном направлении, при тепло­вом взрыве можно получить узкую и длинную кумулятивную струю, способную локально выдавливать, изгибать, резать, выру-

Бать или обрубать изделия. Кумулятивную струю можно получить и при тепловом взрыве проволочного ВТЭ, используя отражатель (рис. 2.5,в). Еще более многообразные возможности открывает применение в качестве ВТЭ разного рода трубок или других объемных трубчатых элементов. При тепловом взрыве такого элемента внутри него по оси могут возникать весьма большие давления. Однако получение достаточно тонкостенных трубчатых (объемных) ВТЭ, обычным путем затруднительно.

Так как кратковременные импульсные токи, которые использует электрогидравлика, аналогичны одному полупериоду некоторого высокочастотного тока соответствующей частоты, прохождение их через проводники обладает рядом особенностей, присущих высокочастотным токам. Так, если достаточно мощный импульс тока от электрогидравлической силовой установки подвести к противоположным по диагонали углам прямоугольного листа тон­кой фольги, то лист испарится по диагональному участку, несколь­ко расширяющемуся посередине листа. На рис. 2.6 изображен лист фольги после прохождения импульса. Характерный вид испа­рившейся части, имеющей чечевицеобразную форму, говорит о

Том, что при осуществлении тепловых взрывов поперечно протя­женных к току поверхностей следует иметь в виду указанные особенности прохождения по ним импульсных токов и соответст­венно осуществлять токоподвод к ним.

Опытным путем установлено, что подведение импульса тока к такого рода поперечно протяженным к току плоским или объем­ным ВТЭ должно осуществляться либо па треугольным для плос­ких элементов (рис. 2.7,а), либо по конусным для объемных элементов (рис. 2.7,6) токоподводам с тем, чтобы распределе­ние токов в этих элементах было равномерным, обеспечивающим тепловой взрыв по всем их сечениям, а следовательно, и полное испарение ВТЭ [6].

Для получения ВТЭ любой формы или объема был предложен метод предварительного изготовления заданного объемного карка­са будущего ВТЭ из бумаги (например, промасленной) с после­дующей оклейкой его тонкой фольгой или нанесением на его по­верхность (металлизацией или распылением) металлического или другого проводящего слоя [82]. Такой каркас обеспечивает необходимую предварительную жесткость всей конструкции ВТЭ и проводящего слоя и не мешает взрыву. Тепловой взрыв, осущест­вленный с помощыЬ ВТЭ, выполненного подобным образом, аналогичен тепловому взрыву металлического ВТЭ.

Сверхвысокие давления в каком-либо небольшом локальном объеме могут быть получены тепловым взрывом ВТЭ, выполнен­ного в виде двух полых конусов, сопряженных своими основа­ниями, внутри которых помещается обрабатываемый объект (рис. 2.8). Поскольку площадь сечения конуса у вершины, значительно меньше, чем у основания, тепловой взрыв будет неравномерным: сначала взорвется вершина конуса, а затем основание. От вершины к основанию побежит кумулятивная взрывная волна, которая, встретившись с такой же волной, образованной вторым конусом, создаст в месте их контакта всплеск объемных сверхвысоких давлений [98].

При увеличении энергии импульса (при постоянных длине, сечении и материале ВТЭ) возрастает температура взрыва, а значит, и диаметр образующегося плазменного шнура. Это приво­дит к резкому уменьшению омического сопротивления плазменного канала и, следовательно, к не менее резкому уменьшению выде­ляемой энергии. В результате этих процессов конечный диаметр

Плазменно-газового облака, образующегося после взрыва в объеме жидкости, и так называемые периферийные давления, возникаю­щие в ней, а следовательно, и разрушающий или деформирующий эффект взрыва оказываются растущими не пропорционально на­растанию энергии импульса тока, поступающей в рабочий промежуток, а значительно медленнее, поэтому механический КПД электрогидравлической обработки начинает снижаться.

При электрогидравлических ударах в жидкости закон убыва­ния давлений с расстоянием близок к квадратичному, поэтому было введено понятие «периферийные» давления, т. е. давления, которые при данном объеме достигают стенок или какой-либо заданной точки сосуда. Введение этого понятия оказалось тем более оправданным, что при различной мощности импульсов давления, создаваемые вблизи канала разряда, могут отличаться друг от друга не более чем на один (редко на два) порядок, в то время как периферийные давления при одной и той же энергии разряда или теплового взрыва в одном и том же сосуде, но на различных расстояниях от канала разряда могут отличаться друг от друга на много порядков [3].

Для получения максимального, не снижающегося с ростом энергии механического КПД при все более возрастающей энергии современной электрогидравлической обработки материалов сле­дует одновременно и пропорционально росту энергии разряда увеличивать длину взрывающихся тепловых элементов (остав­ляя неизменными их материал и сечение). Но, поскольку увели­чение длины взрывающегося теплового элемента сопряжено с не­обходимостью его оптимального размещения над обрабатываемым изделием (например, над штампуемым), то естественным выходом из этого положения является сокращение его длины над изделием либо путем образования плоских зигов, либо намоткой элемента в объемную спираль. В подобном выполнении взрывающихся тепловых элементов состоит конструктивное решение метода концентрации энергии теплового взрыва [6].

Метод заданной концентрации и распределения энергии сводит­ся к тому, что большим или меньшим сосредоточением числа витков, зигов и других деталей каждого отдельного ВТЭ, приме­нением переменного диаметра или изменением числа отдельных проволочек различных ВТЭ в данной точке объема камеры элект-

Рогидравлической обработки материалов, например штамповки (рис. 2.9), автоматически получают сосредоточение (или рас­средоточение) той энергии, которая должна выделиться в данном объеме камеры при тепловом взрыве заданного числа элементов. Таким путем можно с достаточной точностью распределять энер­гию в каждом объеме или в каждой точке пространства над поверхностью обрабатываемого изделия в рабочей камере электро - гидравлического устройства, добиваясь необходимого воздействия на обрабатываемый материал.

При осуществлении теплового взрыва ВТЭ для образования проводящего мостика в рабочем искровом промежутке было пред­ложено использовать проводящую металлизированную пасту необходимой консистенции. Принципиальный вариант устройст­ва, использующего проводящую пасту, приведен на рис. 2.10. В таких устройствах на одном из электродов в каждой паре или группе их оборудуется канал, соединенный с резервуаром питания', откуда обычными средствами (например, под давлением) непре­рывно или синхронно с импульсами подается проводящая паста. Паста должна обладать свойствами проводника и не растворяться в данной рабочей жидкости. Состав пасты подбирается таким образом, чтобы ее плотность была больше или равнялась плот­ности жидкости.

Во избежание изломов и разрывов столбика пасты ее армируют. Для этого в ее состав вводят короткие обрезки штапеля естествен­ного или полимерного волокна, обрезки спутанной микропроволоки или то и другое вместе. Армирование повышает прочностные свойства образующихся стержней, позволяет выполнить их более тонкими, что является очень'существенным обстоятельством'для развития разряда и повышения эффективности электрогидравли - ческого удара.

Следует отметить, что непрерывная подача ВТЭ может на­рушаться, поскольку ток может приваривать подаваемый элемент к втулке подающего устройства. Приспособление, предотвращаю­щее такое приваривание, изображено на рис. 2.11 [73].

Тепловой взрыв может осуществляться также в высокотемпе­ратурной жидкости, газовой или плазменной среде. Наиболее рационально применение этого способа в тех случаях, когда требуется направленное изменение структуры или свойств мате­
риала. В настоящее время его успешно применяют в металлур­гии для улучшения структуры слитков [5, 71].

Значительную практическую ценность представляют способы осуществления теплового взрыва в пластической, сыпучей, само - твердеющей или полимеризующейся среде. Опыты по получению пластиграфических отпечатков действия электрогидравлических ударов [7] показали, что пластические среды или сыпучая среда (типа песка) также способны передавать давления, возникающие при искровом разряде или электрическом тепловом взрыве токо­проводящего элемента на обрабатываемые объекты.

Дальнейшие работы в этом направлении экспериментально доказали возможность применения теплового взрыва в сыпучей, пластической, самотвердеющей или полимеризующейся среде, состоящей из частиц твердого или эластичного диэлектрика или из частиц вещества со слабой электронной или ионной проводи­мостью, для развальцовки, обжатия, штамповки, упрочнения, наклепа и других технологических операций в машиностроении и металлообработке [66].

Использование песка в качестве передающей среды позволяет осуществить метод регулирования бризантности действия тепло-

Рис. 2.10. Устройство для подачи в рабочий промежуток пастообразного ВТЭ:

1 — резервуар для пасты; 2 — пастообразный ВТЭ; 3 — токо - подвод; 4 — изолированный полый положительный электрод; 5 — обрабатываемое изделие — второй электрод; 6 — выход пастообразного ВТЭ; 7 — подача сжатого воздуха

Рис. 2.11. Схема устройства, устраняющего приварива­ние проволочного ВТЭ:

/ — проволочный ВТЭ; 2 — искровой зазор; 3 — диэлектриче­ские втулки; 4 — стенка ванны с жидкостью; 5 — трубчатый токолровод

Вого взрыва путем внесения в сухой песок, заполняющий полость (например, внутри раздаваемого формуемого изделия), очень небольшого количества легко смачивающих песок жидкостей (воды, керосина, бензина, эфира и т. п.). Мгновенно испаряясь при тепловом взрыве, пары этих веществ, включаясь в общий процесс, придают (обычно бризантному действию теплового взрыва) иногда недостающую ему метательность. Применение способа позволяет как бы растянуть во времени усилия тепло­вого взрыва, сделать пик давлений его более широким и снизить их амплитуду до заданного предела. Изменять характер переда­ваемых таким способом давлений можно путем подбора состава наполнителей, жидкостных добавок, материала ВТЭ и электри­ческих параметров генератора импульсов тока. Число взрыва­ющихся тепловых элементов, свойства материала наполнителя, добавок и состав ВТЭ в каждом конкретном случае определяют - • ся технологическим режимом обработки изделия или материала.

Если при высоковольтном разряде в жидкости на КПД тран­сформации электрической энергии в механическую большое влияние оказывает ее удельная электропроводность, то в случае взрыва ВТЭ удельная'электропроводность материала-наполнителя практически никакой роли не играет. Эластичность частиц сыпу­чей или пластической массы снижает эффект, но в тонких про­слойках и при достаточных энергиях импульса тока на конечный результат влияет незначительно.

Дальнейшее совершенствование метода теплового взрыва и расширение его практических возможностей были направлены на увеличение энергии взрыва, повышение КПД гидродинами­ческого действия электрогидравлического эффекта,. Установлено, что тепловой элемент, состоящий из энергонесущего материала и окислителя, может вызвать взрыв этой смеси веществ, невзры­воопасных при обычных температурах, но способных к возникно­вению в них взрывных цепных реакций при температурах около 40 000°С, возникающих при тепловом взрыве ВТЭ.

В связи с этим предложен к использованию комбинированный взрывающийся тепловой элемент (КВТЭ), в котором в качестве энергонесущего материала применяют керосин, бензин, уголь­ный порошок, алюминиевую пудру, а в качестве окислителя — марганцевокислый калий, хромпик, бертоллетову соль, сильные кислоты, окислители ракетных горючих. Конструктивно устройство комбинированного взрывающегося теплового элемента предло­жено в двух вариантах: 1) взрывающийся тепловой элемент раз­мещают в емкости с диэлектрическими стенками, заполненной энергонесущим материалом и окислителем; 2) взрывающийся теп­ловой элемент выполняют в виде трубки, которую заполняют смесью энергонесущего материала и окислителя. Формы комбини­рованных взрывающихся тепловых элементов так же как и формы емкостей, в которых размещены ВТЭ, различны и зависят от их конкретного назначения.

На рис. 2.12, а изображен комбинированный взрывающийся тепловой элемент, который выполнен в виде витков проволоки, размещенной в цилиндрической емкости, а на рис. 2.12,6 — комбинированный взрывающийся тепловой элемент в виде вит­ков проволоки, размещенной в корпусе емкости, имеющей форму конуса. Тепловой элемент может быть выполнен и в виде токопро­водящей трубки, внутри которой размещена смесь горючего и окис­лителя (рис. 2.13). Взрывные химические реакции, возникающие между окислителем и горючим, являющиеся составной частью комбинированного взрывающегося теплового элемента, значи­тельно увеличивают длительность и энергию механического дейст­вия электрогидравлического удара, в результате чего повышается КПД эффекта, расширяются возможности, его практического применения.

В заключение хотелось бы отметить следующее. В 1963 г. издательство «Иностранная литература» выпустило (в переводе с английского языка) сборник статей «Взрывающиеся проволоч­ки», изданный в Англии и США в 1959 г. В английском предисло­вии его авторы утверждали, что «...нигде ни на каком языке нет книги или хотя бы раздела книги по вопросам электрического взрыва проволочек...» (Взрывающиеся проволочки. Сб. статей.— М.: Иностр. лит-ра, 1963, с. 7). Однако в нашей стране предложе­ния об использовании взрывающихся тепловых элементов (или, что то же самое, взрывающихся проволочек) появились и были опробованы на практике еще в 1952 г. [23]. Практическое значение теплового взрыва ВТЭ осве­щалось в работе [7], а позже 113 4 1

Этому вопросу уже был ПО - © ®

Священ специальный раздел 0 0

КНИГИ [5], В которой были '......................

Описаны практические ВОЗ - Рис. 2ЛЗ. Схема комбинированного ВТЭ:

МОЖНОСТИ использования ЭТО - 1 — КОНЦЫ трубки, подсоединенные к токо-

„ „_______________________________________________ подводам; 2— токопроводящая трубка ВТЭ;

ГО Метода не ТОЛЬКО В горном ^ — смесь энергоносителя и окислителя; 4 —

Деле ИЛИ металлообработке, обрабатываемый объект но и в плазменных реактивных двигателях. В 1965 г. издатель­ством «Мир» был выпущен второй переводной сборник «Электри­ческий взрыв проводников», посвященный тем же взрывающимся проволочкам, в котором описан и ряд работ автора, выполенных задолго до зарубежных.