Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej cienkościennych pierścieni metalowych

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LVII, NR 3, 2008 Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej cienkościennych pierścieni metalowych JACEK JANISZEWSKI, WIESŁAW PICHOLA*, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechatroniki, *Instytut Optoelektroniki, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. W niniejszym artykule przedstawiono zasadę działania i konstrukcję aparatury do elektromagnetycznego rozszerzania pierścieni z dużymi prędkościami. W pracy zamieszczono także wyniki badań, mających na celu określenie charakterystyk prądowo-napięciowych zbudowanej aparatury oraz ocenę jej zdolności do rozszerzania cienkościennych pierścieni miedzianych. Stwierdzono, że na dotychczasowym etapie testów, zbudowany generator prądowy zapewnia wygenerowanie impulsu o maksymalnej amplitudzie około 22 ka i czasie trwania około 65 µs. W konsekwencji umożliwia to przeprowadzenie osiowego rozszerzania pierścienia miedzianego z prędkością radialną wynoszącą około 290 m/s. Słowa kluczowe: test pierścieniowy, badania dynamicznych właściwości materiałów Symbole UKD: Wprowadzenie Energia pola elektromagnetycznego jest wykorzystywana w bardzo wielu dziedzinach nauki i techniki. Najbardziej spektakularnym przykładem zastosowania pola elektromagnetycznego jest jego użycie do przyspieszania cząstek elementarnych w wielkim akceleratorze, zbudowanym przez naukowców Europejskiego Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych [1]. Do równie ciekawych, a jednocześnie ważnych ze względu na rozwój technologiczny zastosowań pola elektromagnetycznego można także zaliczyć użycie łożysk elektromagnetycznych w wysokoobrotowych (ok obr/min.) wrzecionach obrabiarek HSM (ang. High Speed Machining) [2], wykorzystanie pola elektromagnetycznego do kształtowania blach o bardzo

2 262 J. Janiszewski, W. Pichola skomplikowanych kształtach [3] oraz miotanie pocisków z prędkością ponad 6000 m/s za pomocą działa elektromagnetycznego [4]. Ideę napędzania elektromagnetycznego wykorzystuje się także do dynamicznego odkształcania próbek o kształcie pierścienia cienkościennego w celu badania właściwości dynamicznych materiałów (tzw. test pierścieniowy) [5-6]. Podstawowym problemem technicznym, towarzyszącym budowie aparatury do napędzania elektromagnetycznego, jest po pierwsze zmagazynowanie dużej ilości energii elektrycznej, a po drugie efektywna zamiana tej energii na ruch np. pocisku w bardzo krótkim czasie. Gromadzenie energii elektrycznej jest rozwiązywane przez użycie baterii, specjalnych, impulsowych kondensatorów o dużych prądach rozładowania i zminimalizowanej indukcyjności i rezystancji wewnętrznej. Takie parametry kondensatorów zapewniają wytworzenie silnego, impulsowego pola elektromagnetycznego, które następnie gwałtownie przyspieszy miotane ciało. Aby natężenie pola elektromagnetycznego było wystarczająco duże, rozładowanie kondensatorów zachodzić musi w bardzo krótkim czasie, tzn. zmiana prądu rozładowania w czasie musi być możliwie jak największa (prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya). Spełnienie tego warunku rozładowania kondensatorów wymaga opracowania specjalnego układu rozładowania, składającego się z szybkiego przełącznika zamykającego obwód rozładowania oraz z cewki, przez którą rozładowuje się bateria kondensatorów. Przełącznikami w tego typu układach elektrycznych są zazwyczaj miniaturowe ładunki kumulacyjne [6], tyratrony [7], a ostatnio szeroko stosowane wysokonapięciowe tyrystory impulsowe [8]. Z kolei cewki to specjalnie dobrane uzwojenia o kształtach dostosowanych do rodzaju napędzanych ciał, jak pocisk, blacha, pierścień itp. Od 2006 roku w Wojskowej Akademii Technicznej są prowadzone prace, których głównym celem jest zbudowanie stanowiska laboratoryjnego do elektromagnetycznego rozszerzania pierścieni metalowych. Pierwsze efekty tych prac zostały zaprezentowane w artykule [9], w którym opisano konstrukcję prototypowego układu napędzającego, zapewniającego ekspansję pierścieni miedzianych z prędkością radialną wynoszącą około 180 m/s. Doświadczenia zdobyte podczas budowy tego pierwszego elektromagnetycznego układu napędzającego pozwoliły na opracowanie i zbudowanie nowego, zmodyfikowanego generatora, dzięki któremu jest już możliwe przyspieszanie pierścienia miedzianego do prędkości około 290 m/s. Niniejszy artykuł opisuje konstrukcję nowego urządzenia przeznaczonego do ekspansji elektromagnetycznej pierścieni metalowych. Oprócz tego opisu w pracy zamieszczono także wyniki pomiarów charakterystyk prądowych generatora oraz dokonano jakościowej analizy rozszerzania elektromagnetycznego pierścienia miedzianego na podstawie wyników rejestracji optycznej. Rejestracje te wykonano za pomocą szybkiej kamery Phantom v12.

3 Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej Konstrukcja stanowiska do elektromagnetycznej ekspansji pierścieni Rozwiązanie konstrukcyjne opracowanego stanowiska do elektromagnetycznego rozszerzania pierścieni (rys. 1) opiera się na budowie układu przedstawionego w pracy [8]. Niektóre elementy tego prototypowego układu, np. zespół ładowania i zespół napędzający, zostały wykorzystane ponownie. Gruntownej modernizacji poddano główny podzespół stanowiska generator impulsów prądowych. Rys. 1. Widok głównych podzespołów stanowiska do elektromagnetycznego rozszerzania pierścieni Podstawowymi elementami generatora impulsów prądowych (rys. 2) są dwie sekcje kondensatorów gromadzących C2, C3 i dwa impulsowe tyrystory T1, T2. Każda z sekcji (o pojemności 120 µf) składa się z czterech kondensatorów KEI-30 połączonych równolegle. Maksymalny powtarzalny prąd rozładowania zastosowanych kondensatorów wynosi 3 ka, a dopuszczalne napięcie pracy 6 kv. Parametry elektryczne kondensatorów pozwalają na uzyskanie periodycznego impulsu prądowego o amplitudzie do 24 ka. W przypadku impulsów pojedynczych, o bardzo małej częstotliwości powtarzania, wartość amplitudy prądu może być kilkakrotnie wyższa. Generator wyposażono w przełączniki tyrystorowe serii FT11B-1600 (rys. 3). Tyrystory charakteryzują się dużą dopuszczalną stromością prądową di/dt = 1600 A/µs, wysoką wartością napięcia zaporowego U RRM = 4400 V oraz możliwością załączania prądów o maksymalnej amplitudzie 30 ka. Praca tyrystora z nominalnymi parame-

4 264 J. Janiszewski, W. Pichola Rys. 2. Uproszczony schemat elektryczny generatora impulsów prądowych Rys. 3. Widok ogólny przełącznika tyrystorowego oraz struktury elektrody sterującej (bramki) trami prądowo-napięciowymi wymaga zastosowania specjalnie ukształtowanych impulsów sterujących o krótkim czasie narastania (poniżej 1 µs). Tyrystory w obwodzie generatora są zabezpieczone przed przepięciami impulsowymi za pomocą układów RDC. Dla tyrystora T1 są to elementy D2, C2, R3, a dla tyrystora T2 odpowiednio D3, C3, R4. Diody D1 i D4 separują obwody rozładowania poszczególnych baterii kondensatorów, a rezystory R1 i R5 ograniczają prąd ładowania kondensatorów gromadzących. Generowanie impulsu prądowego zachodzi w następujący sposób: wysokie napięcie z wejścia +HV, HV ładuje kondensatory gromadzące C1 i C4, odpowiednio

5 Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej przez rezystory R1, R5 i diody D1, D4. Obydwa obwody ładowania zamykają się do masy przez cewkę L1 i rezystor R t. Podanie z układu sterowania na bramki B1 i B2 tyrystorów T1 i T2 impulsów wyzwalających, powoduje rozładowanie baterii kondensatorów C1 i C4 przez przewodzące tyrystory, cewkę i dwa rezystory R t. Powstały w ten sposób prąd rozładowania jest mierzony w gałęzi z tyrystorem T2 za pomocą pętli Rogowskiego o zakresie do 60 ka. Przyjęta konstrukcja generatora (rys. 1) zapewnia minimalną, jednakową indukcyjność i rezystancję doprowadzeń w obydwu gałęziach rozładowania. Osiągnięto to przez maksymalne skrócenie długości i zapewnienie symetrii linii rozładowywanych. Pomiary wykazały, że indukcyjność doprowadzeń wynosi 0,52 µh, zaś rezystancja obwodu bez cewki jest równa 16 mω. Ponadto w celu wyeliminowania zakłóceń mających wpływ na pracę tyrystorów w przypadku przepływu prądu o bardzo dużym natężeniu, elementy tłumiące RDC umieszczono bezpośrednio przy tyrystorach. Oprócz modernizacji generatora przeprowadzono także drobne zmiany w konstrukcji cewki w stosunku do tej opisanej w opracowaniu [8]. Celem tych zmian było zwiększenie dokładności ułożenia drutu nawojowego cewki (rys. 4) oraz zwiększenie jej wytrzymałości mechanicznej, dzięki zastosowaniu rowingu i tkaniny aramidowej jako zbrojenia kompozytu epoksydowego utrzymującego zwoje cewki. Rys. 4. Widok ułożenia zwojów cewki z widocznym uskokiem linii nawojowej przed operacją nakładania warstwy epoksydowo-aramidowej 3. Charakterystyki prądowe układu rozładowania i wyniki napędzania pierścieni miedzianych Opracowany generator impulsów prądowych umożliwia szacunkowo rozładowanie baterii kondensatorów naładowanej do maksymalnego napięcia U ład = 3,5 kv. Odpowiada to energii rozładowania E rozł = 1,47 kj. Są to skrajne warunki pracy przełączników tyrystorowych, przy których może wystąpić trwałe ich uszkodzenie. W związku z tym, na obecnym etapie badań baterię kondensatorów ładowano tylko do napięcia U ład = 2,75 kv (E rozł = 0,91 kj).

6 266 J. Janiszewski, W. Pichola Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi impulsów prądowych (prądów cewki) dla wybranych napięć naładowania kondensatorów U ład. Rys. 5. Przebiegi impulsów prądowych dla wybranych napięć naładowania kondensatorów Prądy cewki osiągają szczytową wartość po około 22 µs od momentu zamknięcia obwodu rozładowania kondensatorów przez przełączniki tyrystorowe. Z kolei czas trwania impulsów prądowych, który nieznacznie zmieniał się w zależności od energii rozładowania, oscylował wokół wartości 65 µs. Odpowiednio dla poszczególnych napięć naładowania kondensatorów amplitudy impulsów prądowych wynosiły: 13,3 ka; 17,0 ka; 20,7 ka; 22,3 ka. Jak można zauważyć, są to bardzo duże prądy, które przepływając przez przewodnik wytwarzają wokół niego bardzo silne impulsowe pole elektromagnetyczne. W przypadku cewki, tak silne pole elektromagnetyczne powoduje powstanie bardzo dużych sił. W wyniku ich oddziaływania dochodzi do przemieszczania się uzwojeń cewki pomimo to, że są one otoczone warstwą kompozytu epoksydowo-aramidowego. Szczególnie przy największym dotychczas stosowanym napięciu ładowania U ład = 2,75 kv siły elektromagnetyczne są tak duże, że już po czterech testach napędzania pierścienia cewka ulegała całkowitemu zniszczeniu (rys. 6). Bardzo duże siły elektromagnetyczne oddziałują również na pierścień osadzony na cewce osiowosymetrycznie pomiędzy zwojem 3 i 4. Siły te powodują gwałtowne przyspieszenie pierścienia do prędkości kilkuset metrów na sekundę. Przebieg

7 Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej Rys. 6. Widok zniszczeń cewki wywołanych siłami elektromagnetycznymi indukowanymi podczas rozładowania kondensatorów naładowanych do napięcia U ład = 2,75 kv procesu elektromagnetycznej ekspansji pierścieni i towarzyszących mu zjawisk został szczegółowo przedstawiony w artykule [10]. W niniejszej pracy zostaną jedynie przedstawione wybrane wyniki badań, które w sposób jakościowy opisują rozszerzanie elektromagnetyczne pierścieni miedzianych. Do obserwacji ruchu pierścienia przyspieszanego elektromagnetycznie zastosowano szybką kamerę cyfrową Phantom v12. Widok kamery oraz jej usytuowanie względem zespołu napędowego wraz z systemem oświetlenia przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Widok kamery i jej usytuowanie względem układu napędzającego wraz systemem oświetlenia Rejestrację optyczną ruchu pierścienia realizowano w płaszczyźnie prostopadłej do osi cewki na tle siatki skalującej. W celu otrzymania kontrastowych obrazów ruchu pierścienia zastosowano trzy oświetlacze halogenowe, które oświetlały pierścień i matową siatkę skalującą od tyłu lub od przodu, w zależności od przyjętej konfiguracji ustawienia oświetlaczy. Przykładowy zestaw kadrów ilustrujący ekspansję pierścieni miedzianych energią E rozł = 0,27 kj (U ład = 1,5 kv) lub E rozł = 0,48 kj (U ład = 2,0 kv) przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Na podstawie tych fotografii można stwierdzić, że rozszerzanie pierścieni zachodzi osiowosymetrycznie do momentu pojawienia się pierwszych

8 268 J. Janiszewski, W. Pichola pęknięć. Od tego moment rozlot fragmentów pierścienia nie jest już osiowosymetryczny, lecz jest zaburzony przez falę uderzeniową, towarzyszącą łukowi elektrycznemu powstającemu w miejscu pęknięcia pierścienia [11]. Widoczne jest to szczególnie na rysunku 8, na którym pokazano przebieg rozszerzania z energią wynoszącą E rozł = 0,27 kj. Pojedynczo występujący łuk elektryczny wywołał bardzo duże zaburzenia lotu fragmentów pierścienia, pomiędzy którymi nastąpiło wyładowanie. Przy rozszerzaniu pierścienia z energią E rozł = 0,48 kj występują już dwa miejsca wyładowania. Wydaje się jednak, że towarzysząca im fala uderzeniowa nie wywołuje tak silnego zaburzenia w ruch fragmentów pierścienia, jak ma to miejsce z mniejszą energią E rozł = 0,27 kj. Zauważono, że wraz ze wzrostem energii rozładowania następuje zwiększenie się liczby miejsc występowania łuku elektrycznego, przy czym rozlot fragmentów pierścienia jest coraz mniej zaburzony. Pewną ciekawostką związaną z wyładowaniami występującymi podczas fragmentacji pierścienia jest zjawisko bardzo długiego świecenia obszarów, występujących w miejscu powstania łuku elektrycznego. Przypuszcza się, że łuk elektryczny w miejscu pęknięcia jonizuje powietrze, które następnie emituje światło nawet przez ponad 200 µs (rys. 8). Rys. 8. Zobrazowanie chwilowych położeń pierścieni z miedzi Cu-ETP w trakcie rozszerzania energią rozładowania E rozł = 0,27 kj

9 Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej Rys. 9. Zobrazowanie chwilowych położeń pierścieni z miedzi Cu-ETP w trakcie rozszerzania energią rozładowania E rozł = 0,48 kj Oszacowane maksymalne prędkości ekspansji dla przyjętych energii rozładowania były bardzo zbliżone do tych przedstawionych w pracy [10] i wynosiły: dla E rozł = 0,27 kj około 100 m/s; dla E rozł = 0,48 kj około 180 m/s. Natomiast dla energii E rozł = 0,75 kj i 0,91 kj pierścienie rozszerzały się odpowiednio z prędkością: 250 i 290 m/s. Ponadto obliczono maksymalną prędkość ekspansji pierścienia przy szacunkowo granicznej dla opracowanego generatora energii rozładowania (E rozł = 1,47 kj). Prędkość ta wyniosła około 390 m/s i została określona za pomocą oprogramowania przedstawionego w opracowaniu [12]. 4. Podsumowanie Przestawione w pracy stanowisko do elektromagnetycznego rozszerzania jest docelową konstrukcją zaprojektowaną i wykonaną w ramach pracy badawczej finansowanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Dzięki zastosowaniu tyrystorów impulsowych serii FT11B-1600 o zdolności przenoszenia energii większej od tyrystorów zaprezentowanych w pracy [9], możliwe stało się odkształcanie

10 270 J. Janiszewski, W. Pichola miedzianych próbek pierścieniowych z wyższymi szybkościami odkształcania rzędu 3 x 10 4 s 1. Prezentowany w pracy generator w przyszłości umożliwi także ekspansję pierścieni wykonanych z metali o wyższej rezystywności niż miedź (powyżej 10 µωcm) z wykorzystaniem tzw. metody pierścieni kompozytowych. Zarówno parametry techniczne opisanego stanowiska, jak i wyniki eksperymentów przeprowadzonych z jego użyciem, pozwalają stwierdzić, że jest to unikatowa w skali kraju aparatura badawcza stwarzająca duże możliwości w zakresie analizy właściwości dynamicznych materiałów. Podziękowania Autorzy pracy pragną podziękować ppłk dr inż. Krzysztofowi Rutynie za pomoc w przeprowadzeniu rejestracji optycznych procesu rozszerzania elektromagnetycznego pierścieni. Pracę zrealizowano w ramach projektu badawczego własnego nr 0 T00C finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w czerwcu 2008 r. LITERATURA [1] Informacje z strony internetowej [2] K. E. Oczoś, Postęp w obróbce skrawaniem, Część I: Obróbka z dużymi prędkościami (High Speed Machining), Mechanik, 3, [3] E. J. Bruno, High Velocity Forming of Metals, ASTME, [4] K. Bracova, Contribution about electro-magnetic guns, Proceedings 8th Symposium on Weapon Systems, Brno, [5] F. I. Niordson, A unit for testing Materials at High Strain Rates, Experimental Mechanics, January [6] W. H. Gourdin, Analysis and assessment of electromagnetic ring expansion as a high-strain-rate test, J. Appl. Phys., 65, 2, [7] D. E. Grady, D. A. Benson, Fragmentation of metal Rings by Electromagnetic Loading, Experimental Mechanics, 23, [8] J. A. Pappas, D. E. Piccone, Power Converters for Railguns, IEEE Transactions on Magnetics, 37, 1, [9] J. Janiszewski, W. Pichola, Stanowisko do elektromagnetycznego rozciągania pierścieni jako aparatura umożliwiająca badanie właściwości dynamicznych metali, Biul. WAT, 57, 1, [10] J. Janiszewski, K Rutyna, Analiza eksperymentalna ruchu promieniowego pierścieni rozciąganych elektromagnetycznie, Biul. WAT (w druku). [11] H. Zhang, K. Ravi-Chandar, On the dynamics of necking and fragmentation, I. Real-time and post-mortem observations in Al 6061-O, Int. J Fract., 142, 2006,

11 Laboratoryjne urządzenie do ekspansji elektromagnetycznej [12] J. Janiszewski, R. Panowicz, Wybór modelu konstytutywnego do analizy zachowania się materiału pierścienia rozpęczanego impulsowym silnym polem elektromagnetycznym, Biul. WAT, 56, 3, J. JANISZEWSKI, W. PICHOLA Apparatus for electromagnetic ring expansion Abstract. The operation principle and structure of an experimental set-up for electromagnetic ring expansion with high velocities are described in this paper. Moreover, the results of investigation related to electric properties of the developed apparatus and their capabilities to launch copper rings are also presented here. The experiments done so far show that the developed current generator produces a current of 22-kA amplitude in a 65-µs full-width duration pulse. In consequence, the maximum radial ring velocity close to 290 m/s was achieved. Keywords: high-strain-rate material properties, electromagnetic ring expansion Universal Decimal Classification: 620.1

12