Электроимпульсный способ разрушения: принципы и особенности реализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электроимпульсный способ разрушения: принципы и особенности реализации

Принцип формирования импульсов высокого напряжения или тока относительно прост: сравнительно медленно энергия накапливается в специальном устройстве, а затем с помощью коммутатора она быстро передается в нагрузку [1]. Таким образом, при малой длительности импульса даже при небольших энергиях можно получить гигантские мощности. В настоящее время используется два основных способа для сжатия энергии: с емкостным (ЕНЭ) и индуктивным накопителями энергии (ИНЭ), которые реализуются с различными видами коммутаторов: размыкатель К1 (прерыватель) и замыкатель К2 (разрядник).

Рис. 1. Схемы формирования импульсов: с ИНЭ (б) и ЕНЭ (а)

импульс напряжение буровой станок

В первом случае (рис. 1, а) формирование импульса происходит за счет разряда емкости С, которая предварительно заряжена до напряжения U0, через разрядник К в нагрузку - Rн. Если параметры разрядника близки к идеальным (т.е. время коммутации много меньше постоянной разряда tк << RнС), то на нагрузке возникнет импульс напряжения экспоненциальной формы: U(t)= U0*exp (-t/RнС); с длительностью на полувысоте близкой tи ~ Rн·С и фронтом tф ~ tк. Если разрядный контур неидеален, то имеет индуктивность Lк и, соответственно, tф = 2,2*Lк/Rн (уровень фронта от 0.1 до 0.9 от амплитуды).

Для коммутации емкостного накопителя энергии могут быть использованы разрядники, тиратроны, тиристоры, магнитные ключи.

Во втором случае (рис. 1, б) индуктивный накопитель энергии используется с генератором тока. Обрыв тока приводит к формированию на индуктивности L за счет ЭДС самоиндукции импульса напряжения, пропорционального (-L dI/dt), который прикладывается к нагрузке. Параметры формируемого импульса зависят от свойств размыкателя и при линейном росте его сопротивления по закону R=b·t:

Uа = Io·(bL/e) 0,5; tи ~ (L/b) 0,5.

В момент обрыва тока сопротивление прерывателя составит Rп ~ L/tп, напряжение на нагрузке U ~ (Io·L/tп) (x/(1+x) 2), где х = Rн/Rп, а мощность Р ~ (Io2L/tп) (x/(1+x) 2). Следовательно, для получения максимальной мощности надо, чтобы Rн = Rп = L/tп, в этом случае

Рмах ~ (Io2L)/(4tп).

Таким образом, чем меньше время обрыва и выше скорость роста сопротивления прерывателя К1, тем выше эффективность передачи энергии в нагрузку. Обычно с использованием таких простых схем формируются импульсы длительностью до долей единиц мкс и амплитудой до десятков кВ или сотен кА. Главной причиной, ограничивающей применение схем с промежуточным индуктивным накопителем энергии, служит то, что создание прерывателя тока - более сложная инженерная задача, чем создание замыкателя.

В настоящее время используются три основных типа прерывателей, которые устанавливаются параллельно нагрузке: 1) на основе электрически взрываемых проволок; 2) плазменные прерыватели тока; 3) полупроводниковые прерыватели тока (ППТ).

Формирование импульса высокого напряжения большей величины или тока в МА и более, особенно наносекундного, представляет нетривиальную задачу, которая осложняется тем, что накопитель, коммутатор и нагрузка имеют различные технические ограничения и паразитные параметры, поэтому процесс передачи энергии не удается выполнить за одну стадию и приходится использовать промежуточный этап сжатия энергии.

Структурная схема мощных импульсных установок МИУ показана на рис. 2.

Различают первичный и промежуточный НЭ, в качестве этих НЭ могут быть использованы ЕНЭ и ИНЭ, каждый из которых имеет свой коммутатор.

Рис. 2. Структурная схема мощных импульсных установок: ПН - первичный накопитель; ФЭ - формирующий элемент; К1, К2 - коммутаторы; ПрН - промежуточный накопитель; Н - нагрузка

Любой генератор содержит первичный накопитель энергии, которая запасается в течение достаточно длительного времени, а затем быстро передается в формирующий элемент. Характерные времена накопления энергии в НЭ составляют от сотен минут до долей секунды. Время вывода энергии из первичного НЭ составляет от миллисекунды до долей микросекунды. Чем больше разница между временем накопления и временем вывода энергии, тем выше степень сжатия энергии НЭ. После срабатывания первого коммутатора К1 - энергия и ФЭ передается в промежуточный накопитель энергии, а после срабатывания коммутатора К2 - в нагрузку.

Электроимпульсные технологии реализуются на импульсном высоком напряжении с амплитудой импульса не ниже 200-250 кВ. Энергетическая эффективность процесса растет с повышением амплитуды напряжения за счет возможности увеличения разрядных промежутков, величина которых определяет потенциально возможный объем разрушения единичным импульсом, КПД передачи энергии в канал разряда, полноту использования энергии канала разряда на формирование поля механических напряжений и соответственно на производительный процесс трещинообразования.

Например, при бурении скважин большого диаметра, дезинтеграции крупных фрагментов горных пород, руд, искусственных материалов разрядные промежутки могут достигать величины 0.1-0.3 м, а уровни напряжения - 600-800 кВ.

Необходимость формирования импульсного напряжения с указанными выше параметрами вынуждает в целях оптимизации габаритов оборудования использовать высокий уровень зарядного напряжения, независимо от способа последующей трансформации напряжения. В стадии научных исследований электроимпульсной технологии в целях обеспечения простоты настройки и управления, чаще всего, ограничиваются простейшим источником напряжения.

Наиболее применимым типом генератора импульсов стал генератор по схеме умножения Аркадьева-Маркса (ГИН) [2].

Основными её элементами являются конденсаторы С, соединенные через зарядные резисторы R с выпрямителями, и разрядники F.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема генератора импульсных напряжений: ВT - трансформатор; РТ - регулировочный трансформатор; V₁-V₂₀ - выпрямители; R_з - защитное сопротивление; R₀ - разделительное сопротивление; R_ф - фронтовое сопротивление; R_д - сопротивление делителя; R_нп - сопротивление низковольтного плеча; С_{k i} - емкость конденсатора; C_ф - фронтовая емкость; F₁-F₉ - искровой промежуток; Р - шаровой разрядник (для формирования срезанного импульса)

ГИН работает в двух последовательных режимах. Режим зарядки конденсаторов и режим разряда последовательно соединенных конденсаторов.

Основные требования, предъявляемые к конструкции ГИНа:

1) разрядная емкость ГИН должна быть равна емкости нагрузки;

2) основные элементы ГИНа должны быть корректно подобраны;

3) надёжная электрическая изоляция;

4) высокая электрическая прочность и надежности конструкции.

Электротехническое обеспечение технологий электроимпульсного разрушения материалов предусматривает оптимальный выбор схемных решений и элементной базы технических средств формирования и передачи к забою разрушения импульсов высокого напряжения с параметрами, обеспечивающими эффективный пробой и энергетически эффективное нагружение и разрушение материала; с характеристиками, обеспечивающими экономическую эффективность процесса, определяемую производительностью установки, ее стоимостью, ресурсом работы и массогабаритными параметрами оборудования.

Принципиальная электрическая блок-схема электроимпульсных установок, вне зависимости от технологического назначения, включает два относительно самостоятельных блока: зарядное повысительно-выпрямительное устройство с элементами, позволяющим управлять процессом заряда (частотой следования импульсов), и генератор импульсов высокого напряжения на основе емкостных накопителей энергии с элементами коррекции фронта импульса (рис. 4).

Рис. 4. Блок схема и принципиальная электрическая схема электроимпульсной установки: 1 - пульт управления; 2 - регулирующий дроссель; 3 - повысительно-выпрямительное устройство; 4 - генератор импульсов; 5 - технологическое устройство с системой передачи импульса

Особенность состоит в том, что выбираются условия пробоя: среду и соотношение расстояний между электродами по поверхности массива Ld и на сквозной пробой Ls [1].

Обычно электрическая прочность твердых материалов выше, чем прочность жидкостей или газов, поэтому соотношение должно быть: Ld/Ls>>1, чтобы имел место пробой в толще материала, а не по поверхности. При этом, чем выше электрическая прочность среды (трансформаторное масло), тем проще побить (внедриться) твердый материал. Основная сложность при создании технологии электроимпульсного разрушения материала состояла в создании условий, приводящих к разрушению не отдельных кусков, а монолита - т.е. в системе с одной свободной поверхностью (рис. 5, б). Исследования вольт-секундных характеристик материалов (ВСХ), т.е. зависимости напряжения на образце до пробоя от времени воздействующего импульса (рис. 5, а), позволили установить, что в области времен менее мкс электрическая прочность жидкостей нарастает быстрее, чем твердых тел. Точка пересечения ВСХ-Ак соответствует равенству электрических прочностей и вероятности пробоя жидкости и твердого тела, справа от Ак - прочное твердое тело. Например, при 1 мкс горная порода электрически слабее трансформаторного масла, а 200 нс - технической воды. После внедрения разряда в породу происходит (рис. 5, б) протекание разрядного тока в канале разряда - микровзрыв с образованием воронки или фрагментация крупного блока (рис. 5, в). Окружающая среда не только обеспечивает изоляцию, но служит рабочим телом для удаления продуктов разрушения породы.

Принцип электроимпульсного бурения не требует вращения буровой колонки, износ бура минимален - за счет электроэрозии и абразивный от шлама. Вынос шлама - по традиционной схеме для промывки скважины. Электроимпульсное бурение хорошо подходит для бурения скважин больших диаметров (проверено до 1200 мм). Скорость бурения выше (от 0, 3 до 1, 5 п. м/ч при частоте 1Гц), чем при традиционных методах, при этом увеличивается при росте диаметра, что противоречит традиционной технологии. Это связано с тем, что появляется возможность увеличить число зазоров и ввести больше энергии (рис. 6-7).

Электроимпульсное разрушение (дезинтеграция) выгодно отличается от механических способов измельчения. Способ обеспечивает лучшее раскрытие минеральных зерен и меньшее переизмельчение полезных компонентов, в результате чего создается возможность более полного извлечения полезных компонентов при обогащении. Высокая сохранность от разрушения крупного кристаллосырья дает особые преимущества способу электроимпульсного разрушения при извлечении драгоценных камней, слюд, асбеста, при разделке слитков искусственной слюды. В электроимпульсном процессе рабочим инструментом является искра, поэтому отсутствует привнос металла в продукт, что важно при измельчении абразивных материалов для получения особо чистых продуктов. Электроимпульсное разрушение, позволяющее реализовать рациональные технологии переработки минерального сырья и отходов производства, в полной мере отвечает современным требованиям научно - технического прогресса. Тем не менее, при всех особых преимуществах способа перед традиционно используемыми, он лишь в ограниченных масштабах нашел применение в промышленности.

Рис. 5. Принцип электроимпульсного разрушения: а - ВСХ различных сред; б - последовательность пробоя и разрушения в системе с одной свободной поверхностью; в-последовательность пробоя и разрушения фрагментов материала

Рис. 6. Схема бурения ЭДМ: 1 - кондуктор; 2 - буровая коронка; 3 - колонна буровых штанг; 4 - высоковольтный ввод; 5 - емкость с промывочной жидкостью; 6 - генератор; 7 - токопровод; 8 - шламосборник; 9 - насос; 10 - гидроциклон

Рис. 7. Буровой наконечник: а - внешний вид; б - порядок пробоя между электродами (заштрихованы потенциальные электроды)

Этому препятствует ряд объективных обстоятельств:

1. Аппараты электроимпульсной дезинтеграции, включая и электротехническое оборудование, слишком заметно (в ряде случаев в десятки раз) уступают традиционным устройствам по удельным массогабаритным параметрам.

2. Способ электроимпульсной дезинтеграции для своей промышленной реализации требует, в том числе, и специализированного электротехнического оборудования (прежде всего, конденсаторов), которое ранее не разрабатывалось, или было рассчитано на другие параметры, существенно отличающиеся от свойственных ЭИ.

3. Высоковольтное оборудование электроимпульсной дезинтеграции относится к категории повышенной опасности и требует для своего обслуживания специального персонала.

Резервы для улучшения удельных массогабаритных параметров электроимпульсных установок имеются. Реализация мер по оптимизации процессов пробоя и разрушения, по повышению кпд зарядных и разрядных цепей позволит добиться существенного в 1,5-2 раза снижения энергоемкости процесса. Применение схем импульсного заряда в зарядных устройствах и импульсных трансформаторов в схеме формирования импульсов позволит существенно уменьшить габариты генерирующей аппаратуры. Однако это не сможет кардинально изменить соотношения массогабаритных параметров оборудования.

Главной технической задачей, от решения которой в настоящее время в решающей степени зависит возможность реализации электроимпульсных разработок в промышленном масштабе, является разработка конденсаторов с повышенным (в сравнении с существующими промышленными типами) ресурсом и повышенной надежностью работы в жестком динамическом режиме заряд-разряд. Это является не только технической, но и, в значительной степени, экономической проблемой.

В электроимпульсных технологиях экономическая эффективность технологии определяется не столько энергоемкостью процесса, сколько ресурсом работы конденсаторов, так как стоимость расходуемых конденсаторов составляет значительную, а в некоторых случаях и основную часть эксплуатационных затрат. В первом приближении для целей электроимпульсного разрушения ресурсный критерий экономической целесообразности может быть определен следующими цифрами: измельчение рядовых руд и материалов оправдывается при ресурсе работы конденсаторов порядка 10⁹ циклов заряд-разряд; селективное измельчение и разупрочнение крупновкрапленных руд повышенной стоимости - при ресурсе в 10⁸ циклов; в специальных установках с ограниченным объемом работ и производительностью (геологические пробы, специальные материалы) - при ресурсе 10⁷ циклов.

Возможность создания конденсаторов с ресурсом в 10⁸ циклов подтверждается опытом их изготовления Ленинградским и Харьковским политехническими институтами для специальных установок, а также опытом Серпуховского филиала НПО «Конденсатор», изготовившим по техническим условиям Кольского научного центра РАН партию конденсаторов ИМ-50-0.2, которая затем успешно опробована и продолжает использоваться в лабораторных установках Кольского научного центра РАН и НИИВНТПУ (основной недостаток - большие габариты). В последнее время Институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины (г. Николаев) для электрогидравлической технологии разработаны конденсаторы ИКУ-50-0.1 (100 Гц, 10⁹ циклов) и ИКУ-50-0.5 (20 Гц, 10^s циклов) и др., которые с высокой вероятностью могут рассматриваться в качестве базовых элементов источников импульсов и для целей электроимпульсных технологий [3].

Библиографический список

импульс напряжение буровой станок

1. Соковнин С.Ю. Мощная импульсная техника: учеб. пособие. - Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008.

2. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. - Апатиты: Изд-во КНЦ, 2002.

3. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Электротехническое обеспечение электроимпульсного способа разрушения материалов: проблема и пути решения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - №4. - 2008. - С. 164-170.

Размещено на Allbest.ru