В данной статье пойдет речь о четвертом состоянии вещества – плазме. Однако прошу заметить, что перед повторением данного изобретения внимательно прочтите предупреждение, указанное ниже.
Отказ от ответственности: если вы собираетесь повторить данное изобретение, примите во внимание следующие риски: для работы устройства используется опасный ток высокого напряжения. Кроме того, конечный продукт может излучать небольшое количество рентгеновских лучей. Я не буду нести ответственность за повреждения собственности или людей при повторении данного учебного материала.
Принцип действия плазмореза
При включении источника питания ток начинает поступать в рабочую зону во внутреннюю камеру плазмореза, где активируется электрическая дежурная дуга между наконечником сопла и электродом. Образующая дуга заполняет канал сопла, куда под большим давлением начинает подаваться воздушная смесь, которая за счет высокой температуры 6000-8000 °C сильно нагревается и увеличивается в объеме от 50 до 100 раз. За счет внутренней формы сужающегося сопла, которое имеет форму конуса поток воздуха, сжимается, разогреваясь до температуры на выходе равной 25000 — 30000 °C, с образованием плазменной струи производящей резку обрабатываемой болванки. Причем первоначально активированная дежурная дуга гаснет и активируется рабочая между электродом и изделием из металла. Образующиеся продукты от воздействия плазменного горения и плавки металла удаляются за счет силы струи.
Рис 1 Проведение операций по разделке металла, где необходим раскрой или сварка изделия, используя ручной самодельный изготовленный своими руками или профессиональный плазморез.
Оптимальными показателями для рабочего процесса являются:
- подача газа со скоростью до 800 м/сек;
- показатель тока может составлять до 250 — 400 А.
Схема 1. Чертеж процесса плазменной разделки обрабатываемого изделия.
Ручной плазморез собранный с использованием инвертора в основном применяется для обработки заготовок и отличается небольшим весом и экономным расходом электроэнергии.
Особенности регламентных работ
Чаще всего из строя выходит инструментальная плита, испытывающая значительные термические нагрузки. Это не является неисправностью стола. При выборе типа плиты принимают во внимание преобладающую толщину разрезаемого металла. Для резки толстого (свыше 40 — 50 мм) листа предпочтение отдаётся разновысоким пластинам, поскольку в этом случае контакт разогретого металла заготовки с поверхностью пластины происходит по ограниченной площади. Для плазменной резки более тонких заготовок можно использовать более технологичные в установке прямые пластины.
Китайский прорыв
И вновь в топы научных новостей ворвался китайский Ухань. Но на этот раз китайцы переплюнули сами себя. Из обычной микроволновки и электронасоса дальневосточные умельцы смонстрячили плазменный двигатель. И он даже заработал.
На самом деле всё очень серьёзно. Исследователи из Уханьского университета под руководством инженера Даня Е опубликовали 5 мая 2020 года статью, в которой описали работающий прототип плазменного двигателя. Обошлось без зубодробительной физики, сложных формул и сомнительных гравитационных эффектов.
Принцип действия экспериментальной установки прост до безобразия. Компрессор подаёт воздух под давлением в кварцевую трубку, к которой подсоединён волновод. На одном из концов которого расположен магнетрон мощностью 1 кВт — то самое устройство, без которого мы не могли бы разогревать пищу в микроволновке. С помощью генерируемого им излучения 2,45 ГГц происходят нагрев и ионизация подаваемого воздуха. Получается плазма, которую потом отводят в«реактивное сопло» — кварцевую трубку диаметром 24 мм.
Так как на одном конце у нас прикреплена«микроволновка», получившуюся установку охлаждают водой. Без этой важной детали китайцы рисковали бы получить высокоплазменный электромангал.
Эксперимент оказался суперуспешным. Созданной тягой китайцы заставили подпрыгивать килограммовый стальной шар, который укрепили на конце импровизированного сопла. Немного экстраполировав получившиеся цифры — подъёмная сила 28 Н/кВт и давление 24 кН/кв.м, — авторы сделали серьёзный вывод: воздушноплазменный реактивный двигатель их типа может быть«жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе». Тройное комбо: не надо будет жечь нефтепродукты, загрязнять атмосферу углеродом, ещё и климат Земли спасём от перегрева.
Ну конечно же, можно сказать, что вот ради последнего-то всё и затевалось — заговор китайских экологов-атлантистов, не иначе. Но на самом деле всё гораздо печальнее.
Плазменные двигатели в эксплуатации
Хотя большинство плазменных двигателей все еще ограничено лабораториями, некоторые из них активно летали и использовались в миссиях. В 2011 году НАСА в партнерстве с аэрокосмической компанией Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2 . Двигатель был основной двигательной установкой спутника. С тех пор компания запустила еще один двигатель на эффекте Холла в 2011 году. По мере развития технологий, вероятно, увеличится время полета плазменных двигателей.
В мае 2022 года команда из Института технологических наук Уханьского университета опубликовала статью о разработанном ими прототипе плазменного струйного устройства, способного поднимать стальной шар весом 1 кг (2,2 фунта) над кварцевой трубкой диаметром 24 мм (один дюйм). Тяга, необходимая для достижения такой подъемной силы, эквивалентна относительной тяге двигателя коммерческого самолета. В конструкции сжатый воздух вводится в камеру и подвергается воздействию более 1000 градусов Цельсия и микроволн для создания ионизированной плазмы, которая затем выбрасывается для создания движения.
Привод и системы управления
Вследствие специфики выполняемых операций, на агрегатах плазменной резки металла устанавливают преимущественно механические приводы перемещения. Это исключает тепловую деформацию деталей станка при раскрое металла, и повышает точность разрезаемого контура.
Для перемещения применяют:
- Реечные передачи. Обеспечивают высокую скорость позиционирования, но имеют наименьшую точность, поскольку со временем интенсивно изнашиваются. Устанавливаются на бюджетных исполнениях станков плазменной резки;
- Линейные приводы на основе шаговых двигателей. Они гарантируют наибольшую точность перемещения разрезаемого листа, но не отличаются большой мощностью и оперативностью отработки траектории;
- Линейные приводы на основе синхронных двигателей постоянного тока, устанавливаемые на мощных агрегатах плазменной резки металла.
- Приводы на основе обычных асинхронных двигателей, которые используются при небольших рабочих нагрузках.
В последнее время для перемещения начинают использовать прямые линейные приводы, действие которых основано на непосредственном преобразовании электрической энергии в механическую. Такие системы более долговечны, поскольку не имеют в схеме быстроизнашиваемых элементов, и отличаются наибольшей оперативностью. Их недостаток – высокая цена.
Управление производится от систем ЧПУ, подразделяемых на импульсные и цифровые (аналоговые системы, ввиду своей ограниченной производительности, применяются всё реже). Импульсные системы – более бюджетные, но отличаются сниженной помехоустойчивостью. Цифровые системы управления, действующие от специально разрабатываемых программ, являются наиболее функциональными.
Краткий экскурс в физику
Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.
Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.
Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону – к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.
Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.
И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.
Устройство
Все современные конструкции станков для плазменной резки металла оснащаются координатными столами. Это даёт возможность позиционировать раскраиваемый лист одновременно по двум координатным осям. Координатный стол представляет собой узел, при помощи которого выполняется перемещение портальной головки и/или заготовки по определённой траектории. Он состоит из следующих подузлов:
- Рамы с виброопорами, являющейся опорным элементом стола. Она оборудована устройством изменения высоты инструментальной решётчатой (или пластинчатой) плиты, служащей для закрепления заготовки.
- Элементов механизма привода портальной рамы.
- Прижимного устройства вакуумного или механического типа, предназначенного для фиксации заготовки.
Координатный стол для плазменной резки металла
Наиболее распространены двухкоординатные столы, хотя в некоторых конструкциях оборудования для плазменной резки предусматривается возможность изменения и пространственной ориентации заготовки; тогда говорят о трёхкоординатных рабочих столах.
