Системы охлаждения резака для плазменно-дуговой резки

Системы водяного охлаждения устройств плазменной резки подобны системам охлаждения автомобильных двигателей: в обеих системах используются вода и охлаждающая жидкость, насос, шланги для циркуляции охлаждающей жидкости, а также теплообменник для отвода тепловой энергии от источника тепла. Источник тепла в автомобиле — камера сгорания в его двигателе, рабочие температуры которой превышают 2000 °F. Источник тепла в плазменном резаке — это его плазменная камера, в которой температура дуги может превышать 20 000 °F.

Плазменный резак, подобно двигателю внутреннего сгорания, охлаждается за счет излучения, конвекции и кондуктивного теплообмена. Дуга рассеивает энергию в виде интенсивного ультрафиолетового излучения. Тепло переносится от резака и деталей резака конвекционными потоками газа или воздуха. И наконец, система водяного охлаждения отводит тепло от деталей резака за счет его поглощения охлаждающей жидкостью.

Что происходит при снижении интенсивности кондуктивного охлаждения из-за проблемы с компонентом системы охлаждения? Система быстро перегревается. Любой водитель, которому пришлось побывать в ситуации, когда двигатель его автомобиля перегрелся, хорошо знает о тех неприятностях, которые пришлось испытать с дымящимся авто на обочине дороги, а также имеет представление о сумме расходов на последующий комплексный ремонт всех поврежденных компонентов, таких как радиаторы, шланги, прокладка головки блока цилиндров и даже самого блока цилиндров. Аналогично, устранение последствий перегрева системы плазменной резки требует финансовых затрат и затрат времени. Перегрев системы плазменной резки влечет за собой быстрый износ деталей резака и, в конечном итоге, прожиг резака и проводов. Если проблему не устранить, то, возможно, необходимо будет менять двигатель и насос. Однако можно избежать простоя оборудования и затрат, связанных с устранением последствий перегрева. Понимание системы и ее компонентов поможет находить и устранять проблемы по мере их возникновения и предотвратить будущие сбои за счет своевременного планово-предупредительного техобслуживания.

Система охлаждения

Типичная система охлаждения системы плазменно-дуговой резки состоит из резака, двигателя, насоса, трубок охлаждения, резака, переключателя потока, фильтра, теплообменника и резервуара. В этой статье рассмотрен каждый из этих компонентов и описаны общие проблемы, действия по поиску и устранению неисправностей и процедуры техобслуживания.

Плазменный резак

Чтобы не допустить перегрева плазменных резаков, которые работают при 100–150 А и выше (15 кВА), и их деталей, необходимо водяное охлаждение. На рис. 1 показаны каналы циркуляции охлаждающей жидкости внутри резака (вид в разрезе). Медный электрод генерирует плазменную дугу и расположен ближе всего к источнику тепла, поэтому для него требуется непосредственное охлаждение. Большинство электродов, рассчитанных на высокую силу тока, имеют круговую выточку на дне, которая обеспечивает улучшенное охлаждение наконечника: труба водяного охлаждения по вертикали охватывает выступ, сформированный круговой выточкой, плотно и точно прилегая к поверхностям электрода (обычно зазор составляет 0,4–0,5 мм на одну сторону), что обеспечивает высокую скорость потока охлаждающей жидкости по внутренней задней поверхности электрода. В этой конструкции резака сопло также охлаждается водой.

Наиболее распространенные проблемы с резаками:

• Забитый резак. Со временем резак может забиться частицами. Небольшие отверстия могут забиваться частицами расплавленной меди от неисправных электродов, в результате чего поток охлаждающей жидкости может уменьшиться или совсем прекратиться.
• Поврежденная труба водяного охлаждения. Если труба водяного охлаждения изогнута, повреждена на краю или неправильно накручена на резак, это приведет к уменьшению интенсивности потока охлаждающей жидкости.
• Резак с утечкой Поврежденные поверхности уплотнительных колец или кольцевых уплотнений могут привести к утечке охлаждающей жидкости. Трубки и фитинги на задней части резака могут протекать, что приводит к понижению уровня охлаждающей жидкости в резервуаре.

Рис. 1. Каналы охлаждающей жидкости плазменного резака

Охлаждающая жидкость

Рис 2. Охлаждающая жидкость резака

Охлаждающая жидкость резака представляет собой смесь деионизированной воды с этиленом или пропиленгликолем, который обеспечивает ее морозостойкость. Многие ремонтные мастерские используют деионизированную воду без добавок, если в конкретных условиях нет риска замерзания жидкости. Выбор деионизированной воды обусловлен тем, что в ней нет проводящих ионов, под воздействием которых в системе могут возникнуть проблемы. Этилен или пропиленгликоль — это вещества, которые используются и в системе охлаждения автомобиля. Никогда не используйте автомобильный антифриз в системе плазменной резки! В составе большинства коммерческих автомобильных антифризов есть материалы, которые закупоривают небольшие утечки в системе охлаждения. Поэтому автомобильные антифризы не подходят для использования в системе охлаждения плазменного резака.

Наиболее распространенные проблемы с охлаждающей жидкостью:

• Загрязнение. Со временем охлаждающая жидкость может загрязняться частицами от шлангов и проводов или частицами меди от неисправных деталей, а также пылью, ржавчиной, микроскопическими водорослями или другими загрязнителями. Эти загрязнители снижают эффективность охлаждения и понижают скорость потока. Может потребоваться продувка системы, замена фильтра или охлаждающей жидкости.
• Слишком высокая проводимость. Если проводимость охлаждающей жидкости слишком высока (и наоборот, если сопротивляемость слишком низкая), то электричество может проходить через охлаждающую жидкость в резаке. Это может привести к затрудненному зажиганию плазменной дуги, когда она зажигается резаком между электродом и соплом. Даже новая охлаждающая жидкость, которая не соответствует техническим условиям производителей, может не соответствовать требованиям к проводимости системы. Лучше всего воспользоваться охлаждающей жидкостью от изготовителя комплексного оборудования или периодически проверять проводимость охлаждающей жидкости специальным тестером. Рекомендуемый уровень проводимости составляет от 0,5 до 18 мкСм/см. (см. рис. 3)

Рис. 3. Измерение проводимости охлаждающей жидкости

Электродвигатель насоса

Как правило, двигатели и насосы в системе плазменной резки напрямую связаны между собой. Обычно двигатель имеет продолжительный срок службы (несколько лет), если в системе нет участков с усложненной проходимостью, требующих усиленной работы двигателя и насоса.

В системах плазменной резки наиболее часто используются центробежные насосы, поскольку они сравнительно просты и надежны. Их часто называют насосами с углеродными лопастями, поскольку движущиеся пластины насоса сделаны из углеродного материала. Регулировка этих насосов обычно выполняется через перепускной винт, который повышает или понижает рабочее давление насоса и скорость потока, которую обеспечивает насос.

Наиболее распространенные проблемы с насосами:

• Естественный износ насоса. В нормальных условиях имеет место естественный износ углеродных лопастей из-за трения и тепла от постоянной работы. Этот износ может компенсироваться регулировкой насоса.
• Чрезмерный износ насоса. Подшипники в этих насосах могут износиться, что вызывает сильный уровень шума и большую отдачу тепла и в конечном итоге приводит к выходу насосу из строя. Материал лопастей насоса может износиться до такого состояния, когда насос больше не будет нагнетать давление. После этого можно отправить насос на специализированный завод для восстановления с заменой изношенных деталей или заменить его.
• Забитый фильтр насоса. В большинстве центробежных насосов есть небольшой сетчатый фильтр. Этот фильтр может забиваться частицами, что будет препятствовать нормальному потоку.

Рис. 4. Регулировка давления насоса

Рис. 5. Углеродные лопасти в насосе

Рис. 6. Снятие сетчатого фильтра насоса

Трубки охлаждения

Трубки охлаждения — это шланги, по которым охлаждающая жидкость передается к плазменному резаку и от него. Обычно охлаждаются также и основные силовые кабели, по которым подается постоянный ток. Силовые кабели с водным охлаждением предотвращают перегрев многожильного провода из меди или луженной меди. В установках механизированной резки трубки охлаждения обычно прокладывается через направляющие для кабелей и шлангов или пробрасываются над машиной для резки.

Наиболее распространенные проблемы с трубками охлаждения:

• Утечки. Через трещины, надрезы или расплавленные участки шлангов может происходить утечка охлаждающей жидкости в местах с ограниченным обзором. Часто утечка происходит на участке сразу над резаком в монтажной трубе.
• Участки с усложненной проходимостью. Участки с усложненной проходимостью обычно образовываются в линии возврата от плазменного резака к рециркулятору. В линиях возврата накапливается грязь, которая усложняет проток. Силовые кабели из луженной меди могут ломаться от постоянного сгибания, что может привести к закупорке краев шлангов медными жилами. Сужения и пережимы проводов приводят к уменьшению потока охлаждающей жидкости и, соответственно, к более интенсивному износу насоса и двигателя.

Рис 7. В разрезе шланга показан силовой кабель

Переключатель потока

Переключатели потока служат для того, чтобы не допустить неустранимого сбоя резака и деталей в случае низкой скорости потока охлаждающей жидкости. Устройства типа толкателя из латунного блока обычно используются с микропереключателем, который должен запускать систему только при выполнении требуемых условий.

Наиболее распространенные проблемы с переключателями потока:

• Механический сбой. Механический толкатель приводится в действие потоком охлаждающей жидкости. Толкатель может зафиксироваться в открытом или закрытом положении, что может привести к условию сбоя или к тому, что сбой не наступит при недостаточной скорости потока. Иногда механическую часть можно снять и очистить, однако лучше всего ее заменить.
• Электрический сбой. Сбои электрического переключателя происходят гораздо реже, однако они все же происходят в тех случаях, когда контакты переключателя изношены.
• Случайное отсоединение переключателей потока. Нередки ситуации, когда переключатели потока оказываются случайно отсоединены от системы из-за того, что их не подсоединили со времени выполнявшегося ранее поиска и устранения неполадок. Это опасная ситуация, поскольку переключатели потока обеспечивают безопасность, предотвращая существенные сбои резака из-за перегрева.

Рис. 8. Переключатель потока

Рис. 9. Фильтр охлаждающей жидкости

Фильтры

В большинстве систем для удаления загрязнений из охлаждающей жидкости резака применяются фильтры для улавливания частиц. Эти фильтры подобны коммерческим фильтрам для очистки воды. Как правило, используются бумажные фильтры с размером ячейки 5 микрон или системы для получения деионизированной воды. Эти фильтры необходимо менять каждые несколько месяцев или как только уменьшается скорость потока в системе.

Наиболее распространенные проблемы с фильтрами потока:

• Загрязненный фильтр
• Неподходящий фильтр или отсутствие фильтра

 

Теплообменники

Рис. 10. Теплообменник (вид спереди и сзади)

Теплообменники систем охлаждения оборудования для плазменной резки обычно состоят из радиатора и вентилятора. Вентиляторы направляют поток воздуха через радиатор, отводя тепло от охлаждающей жидкости резака. В некоторых системах для охлаждения охлаждающей жидкости резака используется холодильный аппарат.

Наиболее распространенные проблемы с теплообменниками:

• Перегорание мотора вентилятора. Все вентиляторы необходимо периодически проверять на предмет нормальной работы.
• Снижение эффективности теплообмена. Накопление пыли на пластинах радиатора уменьшает эффективность теплообмена. Радиатор необходимо периодически чистить сжатым воздухом.

 

Резервуары охлаждающей жидкости

Рис. 11. Резервуар охлаждающей жидкости с переключателями уровня и температурными реле

Резервуар охлаждающей жидкости представляет собой пластиковый или металлический бак с охлаждающей жидкостью резака. Индикаторы уровня, поплавковые переключатели и температурные реле обычно устанавливаются в баке, чтобы не допустить перегрева. Резервуар охлаждающей жидкости нужно ежедневно проверять и при необходимости доливать туда жидкость, чтобы постоянно поддерживать достаточный объем охлаждающей жидкости. При низком уровне охлаждающей жидкости в ее поток может попадать воздух, что приводит к ухудшению охлаждения. Если система заблокирована, то низкий уровень охлаждающей жидкости может привести к прерываниям в работе системы или к ее полному отключению. Если система не заблокирована, то воздух может попасть в насос, вызвав его перегрев или сбой.

Наиболее распространенные проблемы с резервуарами охлаждающей жидкостью:

• Загрязнение частицами. На дне резервуара могут формироваться отложения. Их необходимо вычищать и удалять. Возможно, что в зависимости от условий использования необходимо периодически снимать бак и очищать его паром.
• Недостаточный уровень охлаждающей жидкости.

 

Поиск и устранение неисправностей системы

Рис 12. Расходомер жидкости

Все отдельные компоненты системы охлаждения оборудования плазменной резки разработаны с тем, чтобы гарантировано обеспечить одну характеристику: необходимую объемную скорость потока охлаждающей жидкости в резаке. Поток обычно измеряется в литрах в минуту (л/мин). Для каждого резака определены свои особые требования к потоку. Они указаны в разделе технических характеристик руководства оператора. Как правило, скорость потока находится в диапазоне от 3,8 до 5,7 л/мин. Ниже приведена пошаговая инструкция по проверке правильности скорости потока охлаждающей жидкости, а также по поиску и устранению проблем с потоком.

ОСТОРОЖНО! Прежде чем выполнять техническое обслуживание и приступать к поиску и устранению неисправностей, всегда необходимо ознакомиться с руководством оператора и представленной в нем информацией по мерам предосторожности.

1. Демонтаж деталей резака. Начните поиск и устранение неисправностей с резака. Снимите расходные детали и проверьте их на наличие признаков перегрева, загрязнения или повреждения.
2. Включите насос охлаждающей жидкости. (Возможно, потребуется помощь ассистента, который будет поддерживать работу насоса при измерении скорости потока и наполнять бак охлаждающей жидкости до необходимого уровня, если уровень в нем снизится). Поток охлаждающей жидкости должен быть направлен непосредственно из центра трубы охлаждения в резаке.
3. Измерьте скорость подачи охлаждающей жидкости на резак. Соберите в емкость охлаждающую жидкость, которая подается из трубы охлаждения. Наполняйте эту емкость охлаждающей жидкостью на протяжении 30 секунд. После этого выключите насос. Измерьте объем охлаждающей жидкости в литрах. Преобразуйте этот объем в скорость потока. Для этого разделите объем полученной жидкости (в литрах) на время, в течение которого производился ее забор (0,5 минуты), и Вы получите скорость потока в литрах в минуту (л/мин). Сравните измеренное значение со значением скорости потока, которое указано в руководстве оператора. Скорость потока на свободном резаке (без деталей) должна значительно превышать скорость, указанную в технических характеристиках производителя. Если это не так, проверьте указанные ниже характеристики:
   • Слишком низкое давления насоса. Проверьте настройку насоса.
   • Сетчатый фильтр забит. Очистите его.
   • Затруднен проход охлаждающей жидкости по линии подачи к резаку или резак забит грязью. Выдуйте грязь сжатым воздухом или замените забитые детали.
4. Заново соберите резак. Используя чистые детали, заново соберите резак. Детали должны быть установлены на соответствующих местах, чтобы измерение скорости потока было правильным
5. Измерьте скорость потока охлаждающей жидкости на выходе из резака. Скорость потока охлаждающей жидкости необходимо измерить в точке ее возврата в резервуар. Отсоедините пластиковый шланг от резервуара охлаждающей жидкости. Снова на протяжении 30 секунд наполняйте емкость охлаждающей жидкостью, а затем выключите насос. При необходимости воспользуйтесь помощью ассистента. Преобразуйте измеренное значение в литры в минуту. Сравните полученную скорость потока с указанной в технических характеристиках производителя. Если полученное Вами значение (в литрах в минуту) не превышает значения, указанного в технических характеристиках производителя, выполните указанные ниже действия:
   • Слишком низкое давления насоса. Проверьте настройку насоса.
   • Затруднен возврат охлаждающей жидкости от резака или резак забит грязью. Выдуйте грязь сжатым воздухом или замените забитые детали.
   • Радиатор загрязнен. Очистите его в мойке высокого давления или замените его.
   • Засорен бумажный фильтр. Замените или временно снимите его для поиска и устранения неполадок.

При необходимости скорость потока можно проверять на стороне выпуска каждого компонента, который может быть неисправен, до тех пока не будет обнаружена область с усложненной проходимостью. В качестве альтернативы так называемому «тесту с помощью ведра» приобретите недорогой расходомер, рассчитанный на измерение скорости потока в диапазоне от 0 до 8 л/мин. Это простое устройство можно стационарно смонтировать на возвратной трубке системы у резервуара охлаждающей жидкости. Это отличный инструмент для технического обслуживания системы плазменной резки и недорогая подстраховка от затратных простоев оборудования.