专利名称：电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法及等离子切割炬的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法，还涉及一种经 过上述方法分析改进的等离子切割炬。
背景技术：
等离子割炬是等离子切割系统的核心部件，而割炬的冷却系统是割炬设 计的重点。理想的冷却系统应该能尽快地将电极与喷嘴的热量尽可能多地带走，从而尽量 延长其使用寿命。电极与喷嘴及其冷却水道的合理结构对于保证等离子弧的性能和延长电 极与喷嘴的使用寿命具有决定性作用。现有的喷嘴结构不够合理，影响等离子弧的性能；电 极与喷嘴通常采用一个冷却系统，不能对电极和喷嘴很好地冷却，缩短电极和喷嘴的使用 寿命，增加生产成本。其次，传统的等离子割炬的进气方式通常是通过气体配流环控制的，更换不同结 构的气体配流环就可以在同一割炬上实现切向或者轴向进气。传统等离子割炬存在气流分 布不均勻的问题，而且割炬的结构 也较复杂，割炬的稳定性难以保证。等离子割炬冷却水道结构复杂，又封闭在割炬内部，对其冷却水的测量一直缺少 有效的方法，因此冷却水流动的数值模拟受到国内外专家的重视。其中，边界条件的处理是 计算流体力学中一个非常重要的问题，并一直是人们研究的重点之一。一个非线性偏微分 方程的有解、无解，不但与边界条件的种类、范围(给定在开区间上还是闭区间上)以及边 界条件的类型有关，也和边界条件中数值的大小有关。即使边界条件是合适的，但由于数值 大小的不同，差分问题的稳定性都可能不同。例如可能在数值大的时候稳定，小的时候不稳 定，也可能刚好相反。物理边界条件是由确定的数学形式所描述的，是保证微分问题有解所必须的。但 离散边界条件可以有多种形式，有的稳定，有的使计算发散。合理的边界条件不仅与边界条 件本身有关，而且与选用的内点差分格式有关。有时数据格式需要比定解问题更多的边界 条件，称为数值边界条件。数值边界条件也影响到计算的稳定性和精度。总的来说，边界条 件处理的困难在于处理方法无原则可循；常常需要补充数值边界条件；适当的边界条件 处理使格式失去稳定性；用于初边值问题的稳定性分析法(模拟分析)技术性强，使用困 难。发明内容本发明所要解决的技术问题是，提供一种电极、喷嘴冷却水道流场仿真 分析方法及等离子切割炬，设定合理的边界条件，对电极、喷嘴的冷却水道进行流场仿真分 析，从而确定最佳的冷却水道结构，加强电极及喷嘴的冷却效果，延长其使用寿命，同时降 低割炬结构的复杂程度，保证气流分布就均勻，提高割炬的可靠性。本发明的技术方案如下一种电极与喷嘴冷却水道流场仿真分析方法，其特征在于使用COSMOS/ Flofforks进行流场仿真分析，包括以下步骤(1)、设定入口边界条件设定入口边界条件为流量边界，类型为入口流速，方向为垂直于平面，针对喷嘴， 流速大小为V = 3m/s，针对电极，流速大小为V = 2m/s ；(2)、设定出口边界条件
设定出口边界条件为压力边界，类型为静压，大小为一个标准大气压；(3)、设定固体边界条件平行于X轴 方向的速度Vx = 0，垂直于X轴方向的速度Vy = 0 ；若对电极冷却水 道进行分析省略这一步；(4)、求解设置设置单位制为国际单位制，设置流体类型为液体，设置分析类型为内部分析，设置 壁面条件为绝热，设置计算精度为默认的3级，设置冷却水平均流速为收敛目标，若对电机 冷却水道进行分析还需同时设置最小间隙为2. 9mm，最小壁厚为1. 2mm。一种等离子切割炬，包括枪体、安装在枪体中的电极、与枪体卡接的喷嘴，其特征 在于还包括一体式绝缘体配流环，其与枪体螺纹连接；电极与喷嘴采用两只独立的冷却 水道，其中，电极冷却水道穿过一体式绝缘体配流环与枪体，下部与电极螺纹连接，电极内 腔与电极冷却水道相通；喷嘴内腔开设有环形喷嘴冷却水道，其与枪体内的冷却水道相通； 喷嘴下部与喷嘴压帽卡接，喷嘴压帽上部与枪体螺纹连接。所述的一体式绝缘体配流环上均布有四个进气孔，相邻两个进气孔的开孔方向相
互垂直。所述的喷嘴上部壁面有一弯折结构，电极的底面形状与弯折结构相配合。所述的喷嘴冷却水道的内壁为弧形。本发明的积极效果在于(1)、使用COSMOS/FloWorks对所设计的喷嘴冷却水道及 电极冷却水道进行流场仿真分析，设定合理的边界条件，从而为冷却水道的结构改进提供 依据。(2)、电极和喷嘴都采用水冷却，并为两只独立的冷却水流，加强电机与喷嘴的冷 却效果，延长其使用寿命。且喷嘴及电极冷却水道的结构设计保障了冷却水流速的均勻，尽 可能多地带走电极与喷嘴的热量，防止或尽量减小死水区，更加有利于电极与喷嘴的冷却。(3)、气体配流环和绝缘体合为一体，并设计了 4个均布的进气孔以使气流分布均 勻，降低割炬结构的复杂程度，提高割炬的可靠性。(4)、喷嘴壁面有一弯折结构，优点是电极有足够的尺寸设计余量，并且割炬整体 结构紧凑。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的一体式绝缘体配流环的结构示意图。图3为图2的A-A剖视图。图4为喷嘴冷却水流线图。图5为电极冷却水流速轨迹线曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方法，进一步说明本发明。如图1所示，本实例包括枪体5，安装在枪体5中的电极16、与枪体5卡接的喷嘴 17。还包括一体式绝缘体配流环13，以电极16的轴线为基准，一体式绝缘体配流环13、电 极16及喷嘴17同轴对中定位。一体式绝缘体配流环13下部与枪体5螺纹连接，上部通过 紧固螺母7、支撑块8及弹簧9与电极冷却水道12定位。一体式绝缘体配流环13 —侧设置 有工作气体进口 6和与气室相通的气体通道。如图2-3所示，一体式绝缘体配流环13上均 布有四个进气孔18，相邻两个进气孔18的开孔方向相互垂直。
电极16为中空结构，中空部分为冷却水循环通道15，冷却水循环通道15底端内壁 为弧形。电极16由纯铜基座和发射体组成，发射体选用铪丝。电极16与喷嘴17采用两只独立的冷却系统，电极16的冷却系统包括电极冷却水 道12，电极冷却水道12的下部与电极16螺纹连接，上部一侧连接电极冷却出水管道10，电 极冷却进水管道11插入电极冷却水道12中，并进入电极的中空部分与冷却水循环通道15 相通，冷却水循环通道15的内壁为弧形。喷嘴17的冷却系统包括连接在枪体5 —侧的喷嘴冷却进水管道14和另一侧的喷 嘴冷却出水管道4，喷嘴17内腔开设有环形喷嘴冷却水道1，喷嘴冷却进水管道14和喷嘴 冷却出水管道4通过枪体5内的冷却水道与喷嘴冷却水道1相通。喷嘴冷却水道1的内壁 为弧形。喷嘴17下部与喷嘴压帽3卡接，喷嘴压帽3上部与枪体5螺纹连接。喷嘴17上 部壁面有一弯折结构2，电极16的底面形状与弯折结构2相配合。喷嘴17的压缩角α = 60° 。
采用COSMOS/FloWorks对所设计的喷嘴冷却水道及电极冷却水道进行流场仿真 分析，步骤如下(1)、设定入口边界条件设定入口边界条件为流量边界，类型为入口流速，方向为垂直于平面，针对喷嘴， 流速大小为V = 3m/s，针对电极，流速大小为V = 2m/s ；(2)、设定出口边界条件设定出口边界条件为压力边界，类型为静压，大小为一个标准大气压；(3)、设定固体边界条件平行于X轴方向的速度Vx = 0，垂直于X轴方向的速度Vy = 0 ；若对电极冷却水 道进行分析省略这一步；(4)、求解设置设置单位制为国际单位制，设置流体类型为液体，设置分析类型为内部分析，设置 壁面条件为绝热，设置计算精度为默认的3级，设置冷却水平均流速为收敛目标，若对电机 冷却水道进行分析还需同时设置最小间隙为2. 9mm，最小壁厚为1. 2mm。如图4-5所示，喷嘴内腔冷却水流速均勻，有利于喷嘴的冷却；前内壁面电极冷却 水流速较高，有利于电极的冷却。
权利要求
一种电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法，其特征在于使用COSMOS/FloWorks进行流场仿真分析，包括以下步骤(1)、设定入口边界条件设定入口边界条件为流量边界，类型为入口流速，方向为垂直于平面，针对喷嘴，流速大小为V＝3m/s，针对电极，流速大小为V＝2m/s；(2)、设定出口边界条件设定出口边界条件为压力边界，类型为静压，大小为一个标准大气压；(3)、设定固体边界条件平行于X轴方向的速度Vx＝0，垂直于X轴方向的速度Vy＝0；若对电极冷却水道进行分析省略这一步；(4)、求解设置设置单位制为国际单位制，设置流体类型为液体，设置分析类型为内部分析，设置壁面条件为绝热，设置计算精度为默认的3级，设置冷却水平均流速为收敛目标，若对电机冷却水道进行分析还需同时设置最小间隙为2.9mm，最小壁厚为1.2mm。
2.一种等离子切割炬，包括枪体(5)、安装在枪体(5)中的电极(16)、与枪体(5)卡接 的喷嘴(17)，其特征在于还包括一体式绝缘体配流环(13)，其与枪体(5)螺纹连接；电极(16)与喷嘴(17)采用两只独立的冷却水道，其中，电极冷却水道(12)穿过一体式绝缘体 配流环(13)与枪体(5)，下部与电极(16)螺纹连接，电极(16)内腔与电极冷却水道(12) 相通；喷嘴(17)内腔开设有环形喷嘴冷却水道(1)，其与枪体(5)内的冷却水道相通；喷嘴(17)下部与喷嘴压帽(3)卡接，喷嘴压帽(3)上部与枪体(5)螺纹连接。
3.如权利要求2所述的改进的等离子切割炬，其特征在于所述的一体式绝缘体配流 环(13)上均布有四个进气孔(18)，相邻两个进气孔(18)的开孔方向相互垂直。
4.如权利要求2或3所述的改进的等离子切割炬，其特征在于喷嘴(17)上部壁面有 一弯折结构(2)，电极(16)的底面形状与弯折结构(2)相配合。
5.如权利要求2或3所述的改进的等离子切割炬，其特征在于喷嘴冷却水道(1)的 内壁为弧形。
全文摘要
本发明涉及电极、喷嘴冷却水道流场仿真分析方法及等离子切割炬，使用COSMOS/Flo Works软件，通过设定边界条件及求解设计，对等离子切割炬的喷嘴及电极冷却水道进行流场体仿真分析，并最终得到最佳冷却水道结构。加强电极及喷嘴的冷却效果，延长其使用寿命。
文档编号G06F17/50GK101866382SQ201010176050
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月8日 优先权日2010年5月8日
发明者代丽华, 王仲勋, 陈小平 申请人:王仲勋