Компьютерное моделирование технологического CO2 лазера для дальнейшего улучшения его основных параметров и характеристик - Дипломная работа

С самых первых дней своего появления лазерные приборы вызвали живейший и широкий интерес со стороны науки, техники и промышленности. Так как большинство технологических применений лазеров основано на тепловом действии света, тогда к технологическим лазерам относится те лазеры, которые способны нагреть объект воздействия до температуры, при которой в обрабатываемом материале происходят те или иные физические процессы, такие как: изменение фазового состояния и структуры, химические реакции, физические переходы - плавление, испарение и так далее.Лазеры, используемые в технологических комплексах, должны удовлетворять целому ряду требований, таких как управляемость, надежность, высокий коэффициент полезного действия, стабильность параметров излучения, ремонтопригодность, небольшие габариты, малые эксплуатационные расходы, экологическая безопасность, соответствие санитарно-гигиеническим нормам. Длина волны излучения, лежащая в дальней инфракрасной области, позволяет обрабатывать прозрачные материалы, плохо поддающиеся воздействию излучения лазеров, работающих в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Самые лучшие показатели по мощности и качеству лазерного излучения удается достичь в лазерах с конвективным охлаждением с быстрым протоком газа через разрядную камеру. Прежде всего, это сравнительно низкие давления рабочей смеси в лазере, ограниченные областью устойчивого горения разряда, обязательное применение балластных резисторов, снижающих коэффициент полезного действия, либо специальных дорогостоящих источников питания, оптические неоднородности вблизи электродов, ограниченная возможность изменения мощности, вкладываемой в разряд, а значит, и мощности выходного излучения. Лазер на углекислом газе (или CO2 лазер) представляет семейство так называемых молекулярных лазеров, для которых рабочими являются переходы между колебательными состояниями в молекуле.Режимы течения газа в каналах обычно соответствуют числам Рейнольдса, определяемым по гидравлическому диаметру, порядок величины которого равен Re ~ (4 ^ 20) • 103. Перед входом в газоразрядный канал поток газа имеет следующие параметры: IMG_01b2c1e2-b989-4bab-846b-2ec03f4a8132 , IMG_287a042e-1c7d-4d92-b08f-e0ec0bc57b5e , IMG_30f12f2e-9cff-4f46-9ac1-f4d29fe6fe9a , IMG_e7cb5174-c2f4-40b1-a5be-8be5de8f3928 , IMG_b9795a32-c3a7-4ab0-abe2-21f999580506 , IMG_3599057c-c63b-4228-a104-397d01b12d65 , IMG_f2230194-6b91-464c-9b4f-543d91c53071 - плотность, скорость, давление и температура соответственно. Уменьшение давления торможения в канале с подводом тепла происходит одновременно с увеличением давления торможения на такую же величину в канале с отводом тепла. Используя результаты, где представлен расчет прямоточного двигателя, можно показать, что потери давления в контуре, связанные с неизотермическими процессами, описываются выражением: IMG_dac4c028-938f-426b-8078-be2210145697 ,(2.12) где q и Q - количество тепла на единицу массы потока газа, подводимого к газу и отводимого от него соответственно. На рисунке 2.2 и рисунке 2.3 показана зависимость порога генерации по параметру Е/Р от давления: на рисунке 2.2-для лазера с объемом активной области 1 см3, на рисунке 2.3-для лазера с объемом активной области 15 см3.Согласно ДСАН ПИН 3.3.2-007-98 «Правила охорони праці під час експлуатації ЕОМ»в помещении на одно рабочее место должно выделяться площадь не менее 6 м2 и объем не менее 20 м3.Проанализировав расположение рабочих мест в отделе можно сказать, что на одно рабочее место приходится площадь 6 м2 и объем 24 м3. Система содержит элементы: 12 элементов - человек, 12 элементов - машина, 12 элементов - предмет труда, 1 элемент - среда. Элемент «человек» включает в себя следующие составные части: - Ч1 - человек, выполняющий определенные целенаправленные действия; Элемент “машина” делится на составляющие: - М1 - основная технологическая функция машины (работа ЭВМ); Воздействие машины, как объекта, выполняющего основную технологическую функцию, на способность человека выполнять поставленную задачу: связь между характеристиками ПЭВМ и способностью выполнять работу.Результаты компьютерного моделирования позволяют дать следующие рекомендации для улучшения основных параметров исследуемого лазера:-мощность излучения СО2 лазера падает с увеличением температуры, поэтому охлаждение лазера должно быть достаточно эффективным. Изза относительно высоких значений погонной мощности, выделяющейся в разряде, применяется принудительное жидкостное охлаждение теплообменником, который охлаждает газ, нагретый за счет сжатия в устройстве прокачки; В результате разработанных в разделе «Охрана труда» организационных и технических мероприятий факторы производственной среды и трудового процесса в зале ПК стали находится в пределах допустимых условий труда. Оценка по многим факторам позволяет отнести работу в зале ПК к классу ниже 3, что соответствует требованиям ДНАОП 0.00-1.31-99. В данном случае, помещение подходит для работы, соответствует нормам и требованиям.

По результатам работы можно сделать следующие выводы: Проведен обзор литературы по теме бакалаврской квалификационной работы. Рассмотрены области ПРИМЕНЕНИЯСО2-лазеров. Основное внимание уделено применению в обработке металлов. Рассмотрены физические особенности работы СО2 лазеров.

Результаты компьютерного моделирования позволяют дать следующие рекомендации для улучшения основных параметров исследуемого лазера: -мощность излучения СО2 лазера падает с увеличением температуры, поэтому охлаждение лазера должно быть достаточно эффективным. Изза относительно высоких значений погонной мощности, выделяющейся в разряде, применяется принудительное жидкостное охлаждение теплообменником, который охлаждает газ, нагретый за счет сжатия в устройстве прокачки;

- в лазерах большой мощности следует использовать неустойчивые резонаторы, апертура излучения которых не зависит от длинны резонатора;

- предложены материалы, которые максимально удовлетворяют требования к отражательной способности зеркал: золото, серебро и алюминий.

В результате разработанных в разделе «Охрана труда» организационных и технических мероприятий факторы производственной среды и трудового процесса в зале ПК стали находится в пределах допустимых условий труда. Технический и организационный уровень всех рабочих мест обеспечивает безопасность человека. Оценка по многим факторам позволяет отнести работу в зале ПК к классу ниже 3, что соответствует требованиям ДНАОП 0.00-1.31-99. Дополнительных рекомендаций по улучшению условий труда не требуется.

Расчет шума помещения показал удовлетворительные значения. Дополнительная шумоизоляция необходима лишь в случае увеличения количества рабочих мест.

В данном случае, помещение подходит для работы, соответствует нормам и требованиям.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев «Физические основы создания технологических лазеров» [Текст] /Москва, 2007, 190 с.

2. В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев «Инженерные основы создания технологических лазеров» Москва, 2009, 205 с.

3. П. Райзер «Физика газового разряда» Луганск, 2000, 195с.

4. А.А. Веденов «Физика электроразрядных СО2-лазеров» Шатура, 2004, 254 с.

5. Н.А. Яценко «Газовые лазеры с высокочастотным возбуждением» Новосебирск, 2003,178с.

6. Н.А. Яценко «Влияние частоты накачки на параметры газовых лазеров с высокочастотным возбуждением» Москва, 2004, 243 с.

7. Ю.С. Протасов, С.Н. Чувашев «Физическая электроника газоразрядных устройств» Москва, 2002, 256с.

8. В. Виттеман «СО2-лазер» Екатеринбург, 2005, 255с.

9. Абильсиитов ГА., Голубев B.C. «Технологические газовые лазеры и лазерные технологические комплексы для задач машиностроения» Омск, 2004, 411 с.

10. Низьев В.Г. «Устойчивость секционированного разряда в потоке газа» 2003 г.

11. «Лазерная многолучевая установка для термообработки» Э. Абалиев, И.Ф. Буханова, М.В.Герасименко. Челябинск, 2006 г., 274с.

12. «Источники питания технологических лазеров с накачкой разрядом переменного тока частотой-20 КГЦ» В.Б. Ганеев, Н.Н.Гришаев, В.Г.Казанцев, П.Г.Леонов, Электротехника. Новосибирск, 2006 г. 341с.

13. Иванов B.C., Поляков В.Д., Силантьев ЮЛ. «Перспективные преобразователи для лазерных технологических установок» Тр. МЭИ. 1, Москва, 2002 г., 175с.

14. «Физические принципы и техническая реализация эффективной системы накачки газоразрядного лазера» Г.А.А6ильсиитов, О.Г.Булатов, В.Г. Низьев и др. Электротехника. Москва, 2000 г., 198с.

15. Волков И.В., Вакуленко В.М. «Источники электропитания лазеров» Челябинск, 2011 г., 413 с.

16. «Характеристики С02-лазера с возбуждением емкостным разрядом переменного тока»Гаврилюк В. Д., Глова А. Ф., Голубев В. С., Кузнецов А. Б., Лебедев Ф. В., Феофилактов В. А. Квантовая электроника, 1979 г., 548-552 с.17. Научная библиотека диссертаций и авторефератов DISSERCAT

17. «Мощный быстропроточный С02-лазер непрерывного действия с накачкой комбинированным разрядом», Беляев А. П., Дмитерко Р. А., Епишов В. А., Наумов В. Г., Шашков В. М., Шулако, Москва, 2010г.,328 с.

18. «Характеристики С02-лазера с возбуждением емкостным разрядом переменного тока», Гаврилюк В. Д., Голубев В. С., Кузнецов А. Б., Лебедев Ф.В., Феофилактов В. А. Квантовая электроника, Новосибирск, 1979 г., 552 с.

19. Технологический лазер Лантан-3 / Бойцов О. М., Верин В. М., Генералов Н. А., Зимаков В. П., Зотов В. П., Москалев В. С., Поденок С. Е., Соловьев Н. Г., Шемякин А. Н., Якимов М. Ю., Москва, 2005г., 380 с.

20. Абильсиитов Г. А., Голубев В. С., Лебедев Ф. В. Проблемы создания промышленных технологических лазеров мощностью 1-10 КВТ // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1983. Т. 47, № 8. С. 1507-1512.

21. Абильсиитов Г. А., Велихов Е. П., Голубев В. С. и др. Мощные газоразрядные СО2- лазеры и их применение в технологии. М.: Наука, 1999.

22. Иванченко А. И., Крашенинников В. В., Пономаренко А. Г., Шепеленко А. А.

23. Компактный излучатель технологического СО2-лазера // Квантовая электрон. 1985. Т. 12, N- 10. С. 2155, 2156.

24. Иванченко А. И., Крашенинников В. В., Пономаренко А. Г., Шепеленко А. А.

25. Выбор параметров газодинамического канала для электроразрядных быстропроточных лазеров // ПМТФ. 1986. N- 6. С. 3-8.

26. Голов В. К., Иванченко А. И., Крашенинников В. В. и др. Технологический СО2- лазер мощностью 2,5 КВТ // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1986. Вып. 2, N- 10. С. 87-91.

27. Иванченко А. И., Крашенинников В. В., Пономаренко А. Г., Шепеленко А. А. Разработка и создание технологических СО2-лазеров мощностью 2-5 КВТ // Применение лазеров в народном хозяйстве. М.: Наука, 2008. С. 53-62.

28. Hertzberg A., Christiansen W. H., Johnston E. W., Ahlstrom H. G. Photon generators and engines for laser power transmission // AIAA J. 2010. V. 10, N 4. P. 394-400.

29. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.

30. Бартльме Ф. Газодинамика горения. М.: Энергоиздат, 2009.

31. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 2003.

32. Экк Б. Проектирование и эксплуатация центробежных и осевых вентиляторов. М.: Госгортехиздат, 1959.

33. Эккерт Э. Р., Дрейк Р. М. Теория тепло- и массообмена. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961.

34. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 2000.

35. Кассади Ф. Э. Газодинамика импульсных лазеров с замкнутым контуром // Аэрокосм. техника. 1999. № 7. С. 135-147.

36. Черный Г. Г. Газовая динамика. М.: Наука, 1988.

37. Соломахова Т. С., Чебышева К. В. Центробежные вентиляторы. Аэродинамические схемы и характеристики: Справ. М.: Машиностроение, 1980.

38. Коровкин А. Г. Исследование корпусов диаметральных вентиляторов // Пром. аэродинамика. 2003. Вып. 32. С. 176-189.

39. Коровкин А. Г., Феофилактов А. Н. Параметрические исследования диаметрального вентилятора с высоким КПД // Пром. аэродинамика. 1991. Вып. 4. С. 308-326.

40. Занин Б. Ю. Гистерезис отрывного обтекания модели прямого крыла при изменении скорости потока // ПМТФ. 1997. Т. 38, N- 7. С. 80-84.

41. Занин Б. Ю., Козлов В. В., Маврин О. В. О способе управления глобальным отрывом потока // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 4, N- 4. С. 381-385.

Размещено на .ru