книги / Сварка в машиностроении. 4

Для получения передаточных функций АРДС, соответствующих питанию дуги от сварочного трансформатора или выпрямителя, в выражениях переда­ точных функций АРДС при возмущениях по скорости подачи электродной ^про­

Передаточные функции Ф (s) -и статические ошибки А системы И—А—Д—ш

сАРНД.

1.При возмущении по длине дуги:

2.При возмущении по напряжению сети:

А^д — kj c uc

3.При возмущении по скорости сварки:

До (0) = ^у^см^д-

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ И ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ ЗВЕНЬЕВ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ

Для расчета ошибок регулирования необходимы конкретные значения коэффи­ циентов передачи и постоянных времени всех звеньев структурной схемы И—А— Д —Ш Численные значения коэффициентов передачи и постоянных времени су­ щественно зависят от характера технологического процесса сварки, условий фор­ мирования шва, режима сварки, свойств основного и присадочного металлов, типа защиты, диаметра и вылета электродной проволоки, угла заточки вольфра­ мового электрода, условий теплоотвода и других факторов, определяющих осо­ бенности данного технологического процесса. Поэтому численные значения коэф­ фициентов передачи и постоянных времени необходимо определять в условиях, полностью идентичных реальному производственному процессу

Коэффициенты передачи определяют по статическим характеристикам звеньев, постоянные времени — по специальным методикам.

Статические характеристики звеньев системы И—А—Д —Ш в большинстве случаев практически нелинейны. Поэтому коэффициент передачи звена находят, взяв производную от статической характеристики в точке, соответствующей номинальным значениям входного и выходного параметров звена. Статические характеристики получают на основе эксперимента. Методики проведения экспери­ ментов и расчета коэффициентов передачи звеньев I, II, III, IV, VII, XIII и XIV (см. табл. 1) описаны в литературе [1, 2, 3, 5, 6, 7, 8].

Коэффициенты Агн, £гх, fcrcc, kXH, ЬХти kxcc (звенья V, VI, VIII, XV, XVI, XVII; табл. 1) определяют по статическим характеристикам, смятым в окрест­ ности номинала каждого из входных сигналов этих звеньев: напряжения 1/да

дуги; тока /дн дуги или скорости УССн сварки. Статическую характеристику звена строят по точкам при дискретном изменении варьируемого параметра: Ua , /д или Усс. При этом два другие параметра в процессе эксперимента должны сохра­ нять номинальные значения.

Диапазон изменения входного сигнала звена выбирают в пределах: и Ди ^ ^ 0,25ЯДН; / ДН — 0,3/Дн и УССн — 0,ЗУССн. Весь диапазон делят на четыре равных отрезка и в условиях, полностью идентичных условиям производства реального изделия, производят сварку. Напряжение и ток дуги регистрируют астатиче­ скими приборами класса 0,5; скорость сварки — по секундомеру. Из сваренных швов вырезают темплеты и изготовляют поперечные шлифы. Шлифы измеряют

в установившемся режиме скорость плавления равна скорости подачи электрод­ ной проволоки, то измеряют скорость подачи, варьируя длину вылета, напря­

Постоянные времени Тпс> Тх и Т9 (табл. 1, звено III), Ту (звено XIII) и ^см (звено XIV) определяют по общепринятым методикам, известным из теории элек­ трических машин и теории автоматического регулирования. Параметры ТИ (звенья V, VI и VIII), Тэ (звенья XI, XII) и Тх (звенья XV, XVI и XVII) опреде­ ляют по специальным методикам [2, 5]. При аргонодуговой сварке неплавящимся электродом постоянную времени Тх приближенно можно определить по отклоне­ нию ширины шва. Для этого в процессе сварки на номинальном режиме дают скачок по току А /д дуги. Величина скачка должна быть не менее 0,5/дн. Для получения скачка по току в сварочную цепь параллельно дуге включают балласт­ ное сопротивление [5]. Сфотографировав шов, измеряют отклонение ширины АВш

на таких режимах, которым соответствует горизонтальный участок вольтамперной характеристики дуги (см. табл. 1, звено II). При этом в передаточ­ ных функциях и выражениях для статических ошибок МРДП, АРДС или АРНД можно положить kAJ = 0. При расчете статических и динамических ошибок АРДС во всех случаях, кроме линейного возмущения по длине дуги (см. табл. 2),

превышает =20,2 величины установившейся ошибки при действии на систему одного возмущения и 2:0,35 при совместном действии нескольких возмущений.

ОЦЕНКА СТАТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ И—А—Д—Ш. КОЭФФИЦИЕНТЫ КАЧЕСТВА

РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВАРНОГО ШВА

Задача получения сварного соединения определенного качества в производствен­ ных условиях предполагает разработку технологического процесса и выбор обору­ дования для сварки конкретного изделия.

Основной, характерной особенностью дуговых автоматов, точнее системы И—А—Д —Ш, является наличие естественных обратных связей. В автоматах типа МРДП и АРДС естественная обратная связь является главной обратной связью (см. рио. 1,2) и, следовательно, полностью определяет качество регулиро­ вания. В АРНД она представляет собою местную обрати ую связь (см. рис. 3). Эффективность действия естественных обратных связей зависит от передаточных коэффициентов звеньев всех реальных органов системы *И—А—Д —Ш и, в част­ ности, от коэффициентов передачи технологических звеньев, отображающих

зависимость скорости плавления электродной проволоки и геометрических раз­ меров шва от параметров режима сварки (см. табл. 1). В связи с этим, даже при использовании одного и того же автомата, качество регулирования параметров сварного шва, определяющих несущую способность и качество сварного соедине­ ния, при сварке или наплавке различных по составу металлов и сплавов может оказаться существенно различным. Таким образом, для того чтобы в реальных условиях обеспечить заданное качество сварных соединений, необходимо не только разработать технологический процесс, выбрать номинальный режим сварки и оборудование, но и оценить качество регулирования системы И—А— Д—Ш при воздействии возмущений, характерных для данного конкретного слу­ чая. Эту задачу можно решить, применив определенные критерии качества ре­ гулирования.

В основу выбора критерия оценки свойств системы И—А—Д —Ш да!ж на быть положена практическая целесообразность и научная объективность показа­ теля качества регулирования. Критерий качества регулирования должен давать сварщикам непосредственное представление о том, с какой точностью система регулирования способна поддерживать регламентируемые параметры шва при воздействии возмущений. Это обусловлено тем, что в технической документации на сварные конструкции регламентируются непосредственно отклонения параметров сварного шва.

Оценку свойств системы И—А—Д —Ш по значениям ошибок по току и на­ пряжению дуги нельзя признать состоятельной потому, что значения этих ошибок не дают сварщикам объективного представления о качестве регулирования по шву. Это объясняется, во-первых, различной проплавляющей способностью дуги при сварке различных металлов и сплавов, а, во-вторых, тем, что при воздействии одних возмущений ошибки по току и напряжению дуги складываются, других — вычитаются, в связи с чем при одних и тех же абсолютных значениях этих ошибок отклонения параметров шва будут существенно различны.

Критерий качества регулирования должен отображать не только количе­ ственную связь между возмущением и отклонением изучаемого параметра шва, а и влияние каждого из реальных органов замкнутой системы И—А—Д —Ш на величину ошибки. Только при этом можно составить конкретное представление

опутях и методах улучшения качества регулирования.

Вреальных условиях система И—А—Д —Ш подвержена воздействию различ­

ных по величине возмущении. При этом возникают и различные ошибки регу­ лирования. Абсолютное значение ошибок регулирования по шву не дает объек­ тивного представления о свойствах системы. Для того чтобы получить объектив­ ный критерий, целесообразно сопоставлять относительные величины возмуще­ ний и ошибок.

При заданном характере входного воздействия (возмущения) ошибки по шву будут определяться свойствами системы И—А—Д —Ш. В теории автоматического регулирования свойства различных систем характеризуют значениями установив­ шихся ошибок (статических и динамических), а также параметрами переходной характеристики (перерегулированием, длительностью переходного процесса, ко­ лебательностью).

При оценке свойств дуговых автоматов за основу (в первом приближении) можно принять статические ошибки системы И—А—Д —Ш. Это определяется тем, что в соответствии с ГОСТ 8713—70 и производственными нормалями регламен­ тируемые отклонения параметров шва правомерны, как правило, на всей длине шва и, следовательно, при скачкообразных возмущениях, по смыслу представ­ ляют собою допустимые статические ошибки системы.

Критерии, полученные на базе статических ошибок системы, не могут пре­ тендовать на исчерпывающее отображение свойств динамической системы (впро­ чем так же, как любые другие критерии, применяемые в теории регулирования)! но в то же время они характеризуют статические свойства И—А—Д —Ш. Такие критерии называют коэффициентами качества регулирования системы И—А— Д —Ш.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И РАЗМЕРНОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТОВ КАЧЕСТВА

Определение. Коэффициент качества регулирования системы И—А—Д —Ш есть отношение отклонения параметра сварного шва к вызвавшему его возмущению, составленное в относительных единицах. Согласно этому определению коэффи­ циент качества для любого параметра сварного шва и любого из возмущений

где Ду — статическая ошибка любого параметра шва в абсолютных единицах;

Y — значение изучаемого параметра шва в номинальном режиме; г — величина возмущения (скачок) в абсолютных единицах; Z — номинальное значение возму­ щающего параметра. Например, коэффициент качества регулирования глубины провара при возмущении по напряжению сети

_ &hn/Hпн

Ис/^20

где Д^п — статическая ошибка по глубине провара при возмущении по напря­ жению сети ис на вторичной стороне сварочного трансформатора (выпрямителя), мм; Нпн — глубина провара в номинальном режиме, мм; (А>о — напряжение холостого хода сварочного трансформатора (выпрямителя), В.

Физический смысл. Выразив из уравнения (1) относительную величину ошибки в явном виде, получим

Выражение (3) дает представление о физическом смысле коэффициента качества. Коэффициент качества — число, показывающее, во сколько раз относительная величина статической ошибки изучаемого параметра сварного шва больше (меньше) относительной величины вызвавшего ее возмущения. Например, если кгс =* 1, то это означает, что при увеличении напряжения сети на 10%, глубина провара возрастет также на 10%. Из (3) очевидно, что чем больше абсолютная величина коэффициента качества, тем больше ошибка системы, т. е. тем хуже качестве регулирования. Чем меньше х, тем лучше качество регулирования, тем точнее поддерживает система заданные номинальные значения параметров свар­ ного шва. В соогветствии в этим для астатических режимов = 0.

Размерность и знак. Из уравнения (3) очевидно, что коэффициент качества представляет собою безразмерное число. Коэффициент качества может иметь как положительный, так и отрицательный знак. В каждом конкретном случае его знак определяется знаком статической ошибки системы И—А—Д —Ш при единичном возмущении.

Расчетные выражения. Выразив статическую ошибку системы через переда­ точную функцию по возмущению, получим

Ф (0) г

где Ф(0) — статическая ошибка системы при единичном возмущении, г—и

Йапример, расчетное выражение коэффициента качества регулирования глубины провара при возмущении по напряжению сети для МРДП

Расчетное выражение коэффициента качества регулирования глубины провара при возмущении по скорости подачи электродной проволоки для АРДС

Расчетное выражение коэффициента качества регулирования глубины провара при возмущении по скорости сварки для АРНД

Аналогично могут быть получены расчетные выражения коэффициентов качества для любого другого параметра сварного шва. Для этого используют выражения статических ошибок для икс-параметра шва.

Приведенные выше расчетные выражения коэффициентов качества МРДП* АРДС и АРНД относятся к процессу сварки. Соответствующие выражения при наплавке будут иметь иной вид, учитывающий технологические особенности этого процесса. Наплавку, как правило, производят в четыре-пять слоев. В про­ цессе наплавки очередного слоя предыдущий проплавляется на определенную глубину. В сварочной ванне наплавленный и проплавленный металл перемеши­ ваются и состав их осредняется. Последнее необходимо учитывать при расчете ошибок концентрации легирующих элементов в шве, обусловленных влиянием возмущений. В соответствии с этим действительная ошибка в концентрации лю­ бого из легирующих элементов в последнем (завершающем) слое

рующих элементов, рассчитанная без учета перемешивания.

Выражение (5) справедливо для последнего (завершающего) слоя наплавки, т. е. при том условии, что в предыдущем слое концентрация легирующих элемен­

рдв Ф (0) — статическая ошибка АРДС при единичной величине данного воз-

мущения по икс-параметру шва; [Л1е]н — номинальная концентрация легирую, щего элемента.

мому параметру сварного шва не превысит допустимую, можно только в том случае, если учесть одновременное воздействие всех характерных возмущений при наиболее неблагоприятной комбинации их знаков. Для этого при расчете сле­ дует выбрать знаки всех возмущений так, чтобы отклонения регламентируемого параметра шва от каждого отдельного возмущения дополняли друг друга, или считать все коэффициенты качества и все возмущения положительными. Для того чтобы учесть это, целесообразно оценивать статические свойства системы И—А— Д —Ш по суммарному коэффициенту ку^ качества. В общем случае суммарный

коэффициент качества регулирования для любого параметра сварного шва

= I I + I V I+ I Kj,,, I + Keel-

В реальных условиях относительные величины возмущений обычно различны, поэтому суммарная ошибка системы в относительных единицах

Прикладное значение коэффициентов качества заключается в том, что, при­ меняя их, можно решить ряд практических задач, дать ответ на которые без ко­ личественной оценки качества регулирования не представляется возможным. При комплектации оборудования установок для механизированной дуговой сварки технолог должен решить пять основных задач.

Задача I. Оценка качества регулирования. Решение задачи сводится к со­ поставлению реальной суммарной ошибки системы Д*/2 (7) с допустимым по тех­

ническим условиям отклонением Ауь определенного параметра сварного шва. При Д с Ауо качество регулирования по шву обеспечивается.

Задача II. Определение возмущающих воздействий, стабилизация которых наиболее эффективна с целью обеспечения заданного качества сварного шва. Ре­ шение сводится к сопоставлению коэффициентов хгц качества данной системы (МРДП, АРДС, АРНД) для отдельных возмущений. Очевидно, что целесообразно стабилизировать те возмущения, для которых кги имеют наибольшие значения.

Задача III. Выбор оптимальных режимов. Располагая несколькими значе­ ниями или графиками коэффициентов качества, можно выбрать режим, для которого кгу, ху 2 или Д и м е ю т минимальные значения. Такой режим является

оптимальным по качеству регулирования (рис. 9).

Задача IV. Учет взаимной компенсации ошибок регулирования. В определен­ ных частных случаях каждое из возмущений может иметь только один определен­ ный знак. При этом ошибки регулирования системы складываются алгебраи­ чески, частично компенсируя друг друга. Скомпенсированная ошибка системы

+ V D + * у ecôco.

где коэффициенты качества и возмущения берутся с присущими им знаками. Задача V. Выбор системы регулирования дуги, обеспечивающей заданное

качество регулирования регламентируемых параметров сварного шва. Решение задачи сводится к сопоставлению значений суммарных ошибок Ау^(7) анализируе­

мых систем (МРДП, АРНД). Очевидно, что тот автомат обеспечит лучшее качество регулирования, у которого Ду^ имеет наименьшее значение для заданных конкрет­

ных производственных условий.

Выбор оптимальной системы И—А—Д—Ш при доминирующих возмущениях. В определенных условиях система практически подвергается воздействию лишь одного (доминирующего) возмущения. При этом возможен выбор такого сочета­ ния «источник—автомат», при котором ошибка от доминирующего возмущения будет сведена к нулю. С целью определения оптимального сочетания «источник— автомат» но расчетным выражениям коэффициентов качества строились зависи­ мости ошибки ДЛП по глубине провара от коэффициента knc питающей системы.