автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Создание и внедрение индукционных установок для нагрева крупногабаритных металлических изделий сложной конфигурации под термообработку

РГБ №

МОбКШСКИЙ ЭНЕРГЕТ1ГЧЗСК1Й ИНСТИТУТ • Технический университет

На правах рукописи

ДЕМЕНТЬЕВА ЛЩШЛА ПАВЛШНА

СОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ИШВД1СШЫХ УСТ-АНШОК ДЛЯ НАГРЕВА КРУПНОГАБАРНТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ' ИЗДЕЛИЙ СЛШНОЙ КШФИГУРЖЩ ПСИ ТЕШОСШБОТКУ

Специальность 05.09.10 - Электротермические

диссертации на соискание ученой степени •''кандидата технических наук

процессы и установки

АВТОРЕФЕРАТ

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре "^Автоматизированные электро-технологичесние установки и системы" Московского энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.Б. КУВАДЦШ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор К.З.Шепеляковский •каадшшт технических .наук с.н.с. C.B.Сельский

Ведущая'организация: НПО ВНИИ токов высокой частоты

Свншгавч)

Защита состоится "13 """ мая_1994т» в аудитории М- 214

в 16 час. 00 мин, на заседании специализированного Совета К-053.16.06. Московского энергетического института.

Отзывы о работе в двух экземплярах, заверенные печатью . просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250,ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан _"_ 1994г.

Ученый секретарь специализированного Совееа

кандидат технических наук, доцент Т.В. Анчарова

- 3г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние, годы практически во всех отраслях машиностроения остро встали вопросы освоения передовых энергосберегающих технологий, повышения качества изделий и увеличения их ресурса В значительной, степени это относится к термообработке тяхелонагруженных крупногабаритных изделий, где имеют место значительные энергозатраты. Одним из видов указанных изделий являются крановые колеса, диапазон типоразмерйв которых значителен. Поскольку краны различных, видов работает во многих отраслях промышленности, увеличение их срока службы представляет важную народнохозяйственную задачу. Решение ее достигается упрочнением поверхности изделий и получением соот-' ветствующей структуры наружного слоя, получаемых в результате специальных видов термообработки. Для Ътого используются различные нагревательные установки, наиболее перспективными из которых являются индукционные устройства, особенно с применением токов промышленной частоты.

Вопросы повышения энергетических характеристик индукционных установок достаточно полно рассмотрены в литературе. Представлены конкретные рекомендации по их расчету и выбору оптимальных параметров. Однако, , основном эти работы посвящены нагреву достаточно длинномерных изделий, имеющих традиционную цилиндрическую или плоскую поверхность. Изделия же типа крановых колес являются "короткими" (отношение высоты их к диаметру составляет 0,25-0,35) и имеют сложный профиль нагреваемой поверхности. Для их термообработки требуется создание специальных видов индукционных устройств, учитывающих указанные особенности загрузки. -..-■■■

Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении, а также работы по созданию промышленных образцов установок для нагрева крановых колес с 1984 года ведутся в ВПТИ-тяжмаш и МЭИ. . '•

. Конструирование У"аукционных устройств для нагрева изделий типа крановых колес, ставит ряд самостоятельных задач и, в первую очередь, задачу выбора оптимальной геометрии индуктора, выбора режимов нагрева, обеспечивающих требования технологии при высоких технико-экономических показателях, и т.д. Решение

этих задач требует проведения специальных исследований.

В силу наличия многих взаимосвязанных факторов поставленные задачи частично возможно решить с помощью расчетных методов, а неучтенную часть - при опытной эксплуатации устройств. Экспериментальные исследования являются длительными, дорогостоящими и трудоемкими. Поэтому все большее применение находят методы математического моделирования. Применение численных методов с использованием ЭВМ позволяет значительно сократить время поиска оптимального варианта конструкции индуктора. Разработанные методы позволяют создать математический аппарат для решения задач расчета электромагнитного поля в "коротких" индукторах с учетом формы загрузки, осуществить выбор их параметров.

Дель работы: исследование электромагнитных и тепловых процессов в системе "короткий" индуктор-загрузка сложной конфигурации и разработка и внедрение индукционных установок для нагрева изделий типа крановых колес токами промышленной частоты с улучшенными энергетическими характеристиками. .

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Разработка метода расчета системы "короткий" индуктор - загрузка сложной конфигурации.

2. Экспериментальные исследования температурных полей. .

3. Создание инженерной методики расчета устройств для нагрева крановых колес. ■

4. Разработка и внедрение установок на предприятиях отрасли.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На базе метода индуктивно связанных элементов разработана усовершенствованная математическая модель для исследования элетромагнитных процессов в многослойном "коротком" цилиндрическом индукторе с учетом загрузки сложной конфигурации;

Z. Проведен анализ зависимостей энергетических характеристик системы "короткий" индуктор-загрузка сложной конфигурации от геометрических параметров индуктора и формы загрузки;

3. Изучены закономерности изменения температурных полей в загрузке сложной конфигурации в зависимости от геометрии системы с учетом влияния магнитопроводов; результаты обобщены в виде графиков и являются основой для шданерных расчетов;

4. Выявлены способы повышения энергетических характеристик при использовании цилиндрических индукторов для нагрева в них изделия ело хной конфигурации различных типоразмеров;

5. Разработаны усорершенствованные конструкции индукторов для нагрева изделий сложной конфигурации.

Практическая ценность работы. Предложенные способы повышения энергетических параметров "коротких" индукторов при нагреве загрузки сложной конфигурации дают' методологическую основу для совершенствования индукционных устройств.

Предложенная математическая модель может быть применена для расчетов и исследований индукторов любых типов с учетом загрузки, а выявленные закономерности формирования температурного поля в изделии сложной конфигурации позволяют разработать оптимальные режимы наГрева в зависимости от технологических требований.

Разработанная инженерная методика - является теоретической базой для создания промышленных установок для индукционного нагрева.

Реализация результатов работы. Рекомендации по выбору основных параметров системы "короткий" индуктор-аагрузка сложной конфигурации, инженерная методика расчета индуктора, исследования температурных полей в изделии использованы при разработке промышленных установок для г -рева крановых колес. На их основе для ряда предприятий спроектированы участки термообработки колес, при организации которых были учтены рекомендации по выбору оптимальных режимов нагрева. В 1989 году был сдан в промышленную эксплуатацию участок сорбитизации крановых колес на Александрийском заводе ПТО, включающий две установки для нагрева колес диаметром 400 мм и 710 мм. Годовой экономический .эффект в ценах 1992 года составляет 1 млн. руб. На ряде предп-. риятий в^ стадии испытаний находятся установки для нагрева колес в диапазоне 300-900 мм.

■"•■'■". Предложенные математические модели в виде программы, написанной на алгоритмическом, языке ФОРТРАН-4 для ЭВМ серии ЕС, переданы ¿ вычислительный центр НПО ВПТИтяжмаш и используются для исследования и расчета индукторов с .загрузкой сложной конфигурации, а также при выполнении дипломных проектов студентами МЭИ по специальности "Электротермические установки". .

Апробация работы. Основные положения и результаты диссер-

тации докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях НПО БПГИтяжмаш и ряда предприятий отрасли, в частности. Кировском заводе (г.С -Петербург), Саратовском экспериментально-механическом заводе, ПО "Кран" (г.Узловая) и др. в 1988-92гг; на заседании кафедры АЗТУС МЭИ, 1993г.

Публикации. Материалы диссертационной работы представлены в пяти печатных трудах.

Объем и структура работы. ^ Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем 167 стр.; в той числе 25 рис.; 15 табл.; список литературы из 78 наименований.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы, формулировку цели и задач исследования, определяет основные положения, содержание и методы выполнения работы.

Первая глава посвящена анализу ..роблеш создания индукционных устройств для нагрева крупногабаритных изделий сложной конфигурации, в том числе, типа крановых колес.

Показано, что при создании установок для термообработки крановых колес важнейшими задачами являются: использование передовых энергосберегающих технологий и выбор оптимальных конструкций нагревателей. Отмечена актуальность задачи упрочнения поверхности крупногабаритных изделий сложной конфигурации, в •частности, крановых колес.' В процессе эксплуатации указанные колеса испытывают повышенные контактные нагрузки и поэтому требуют упрочнения поверхности для повышения долговечности.

В качестве упрочняющей технологии для крановых колес принята сорбитизация. Согласно ГОСТа упрочненный слой должен иметь глубину до 30-40 мм и структуру, представляющую собой сорбит, с твердостью до 300-360 НВ.

Показано, что для получения требуемой твердости поверхности должны быть обеспечены следующие требования к процессу нагрева изделий: - температура нагрева - 820-860° С; - глубина нагрева - 20-40 мм; - равномерное распределение температуры в нагретом слое; - градиент температуры - 20°С на 10 мм глубины.

Отмечено, что изделия имеют следующие особенности: - небольшой размер по'высоте (М при значительных диаметрах

(с)), таких, что отношение ИЛ) - 0,25-0,35;

- значительное разнообразие типоразмеров; диапазон диаметров колес составляет величину от 300 до 900 мм.

Установлено, что в настоящее время применяются несколько видов оборудования для нагрева крановых колгс: газоплазменные печи; электропечи сопротивления; устройства индукционного нагрева: а) высокой частоты (1000 Гц, 2400 Гц) - ТВЧ, б) промышленной частоты (50 Гц) - ТПЧ.

Наиболее распространенным способом является нагрев в печах. Показаны его существенные недостатки: длительность процесса (4-5 часов), образование окалины и обезуглероживание, нестабильность температурного режима и др. Имеет место сквозной нагрев изделий, что значительно увеличивает затраты энергии и время процесса

Значительное преимущество имеет индукционный нагрев: существенное снижение деформации, отсутствие окисления, уменьшение затрат электроэнергии, нагрев требуемого слоя и др.

Отмечено, что при нагреве ТВЧ разогреваются лишь поверхностные слои металла ( 3-4 мм), поэтому продолжительность нагрева увеличивается; есть опасность перегрева поверхностных слоев. При нагреве ТПЧ перепад температуры незначителен, глубина нагрева ( 80 мм) обеспечивает требования ГОСТа; применение его дает значительный эконо: ческий эффект за счет снижения времени нагрева, экономии электроэнергии и металла; меньшей стоимости оборудования и др.

В результате анализа выявлены наиболее пригодные формы индукторов. С учетом требований простоты и дешевизны конструкции,. а также производственной необходимости нагрева в одном индукторе нескольких типоразмеров колес ыбран многовитковый индуктор цилиндрической формы, имеющий несколько слоев и охваченный по окружности П-образными магнитопроводами.

Для выбора оптимальной конструкции индуктора необходимо разработать элективный метод расчета системы И-3, причем задача является многофакторной. В результате анализа существукь щих методов расчета выявлено, что в основном они пригодны для расчета "длинных" систем с цилиндрической загрузкой и имеют ряд ограничений не позволяющих применить их для "короткой" загрузки сложного профиля. Из рассмотренных методов наиболее приемлемым оказался метод интегральных уравнений, преобразо-

ванный в метод "индуктивно свяаанньи элементов", ка основе которого необходимо разработать эффективную математичзскую модель и программу расчета энергетических характеристик сиетемь И-3.

Ввиду многофакторности задачи принято решение: электромагнитную задачу решать численным методом с помоасью ЭВМ, а тепловую - экспериментальным способом. Кроме того., при проведении экспериментов необходимо выбрагь оптимальный решм нагрева для обеспечения технологических требований, и проверить адекватность модели.

формулированы задзчи диссертаций.

Глава 2 посвящена исследованиям электромагнитных процессов в систяие "короткий" индуга ор-эагрузка сложной конфигурации. Задача решалась применительно к цилиндрическим иноговктковым индукторам с учетом влияния вагрузки (рис. 1).

В результате анализа существующих расчетных методов за основу принят метод индуктивно связанных элементов, на базе которого разработана усовершенствованная математическая модель. Согласно этому методу все проводники системы И-3 разбиваются на элементарные области - объемные кольце., в пределах которых плотность тска принимается постоянней величиной.

Принято, что система линейна и для каждого кольца можно записать 2-й вакон Кирхгофа:

где с. й К - индексы колец;

Я^ыЬс активное и реактивное сспроптлешя кольца; ,: Н^ - коэффициент взаимной индукции колес; - запрягание на кольце.

Поскольку модель предполагает расчет многослойного индуктора, система допелняемя уравнениями, связывающими токи в элементах разбиения по !-к/ закону Кирхгсфа:

■л - о •

где ■ еуммаргый; тек.

Активное сопротивление колец рассчитывается как сопротивление постоянному току, а коэффициенты индуктивности по формулам для элементарных колец,' состоящих из Лд*Лг контуров:

м » ¿'£* /Ч,. (3)

<2 ;Ь,Па у, у 14 ^

- э -

где Н^ - коэффициент вважлэиндуктивности двух элементарных контуров. •

В соответствии с принятой математической моделью разработана программа расчета электрических и энергетических параметров устройства Программа написана на алгоритмическом языке «ЮРТРАН-4. Объем занимаемой памяти ЭВМ - 340 кбаЛт, время счета 3-15 мин. . .

Показана важность оптимального разбиения индуктора и ааг-рузки на элементы в соответствии с принципом достаточной точности" расчета при минимальной степени дискретизации, так как большое число элементов (Ю обуславливает резкое увеличение потребной памяти ЭВМ (К2) и времени счета (ЬГ):

Для определения оптимальней степени дискретизации проведены исследования как в осевом, так и в радиальном направлениях. Установлена оптимальность разбиения зоны реборд и дорожки катания на 5-7 элементов, а внутреннего слоя - на 3-5 элементов.

. Подтверждена адекватность разработанной программы сравнением результатов расчета на ЭВМ с техническими хэрактериетиг-а-ми действующей индукционной печи и с результатами приближенного расчета ^Установлено, что средняя ошибка расхождения результатов находится в пределах 14 %.

Проведены, исследований зависимости энергетических характеристик системы И-3 от следующих основных параметров: высоты индуктора, величины зазора, числа слоев, толщины трубки, а также величины выемки на поверхности колеса

■ Установлено, что величина заглубления загрузки в индуктор определяет, с одной стороны, равномерность нагрева, с другой -энергетические показатели: с увеличением высоты индуктора (ц, повышается к. п. д.. и мощность в загрузке, при этом падает соа<^, причем чем "короче" загрузка, тем сильнее проявляется эта закономерность. Показано, что для получения желательных для практических целей значений к.п, д. в пределах 0,5-0,6 и соэд» ке ниже 0,3 необходимо выбирать высоту индуктора 1^1.1^-1.3 Ь^, при этом выявлена существенная роль загрузки для энергетических , показателей системы. Проанализировано влияние высоты индуктора - на распределение мощности в загрузке с выбором характерных элементов упрочняемого слоя, как показано на. рис. 2, а Результаты исследования, представленные на рис. 2,6, показали, что при увеличении высоты

Рис. 1. Эскиз системы индуктор /1/ - загрузка /2/ Показан магнитопровод /3/.

а)

<*30|—

б) <70

150

3 г~

_ ■■ 1 1 г , I'

1--{-

Я

1^2

1Л4- 1,12 1,20 . _ ..

Рис. 2. Разбиение загрузки на элементы /а/ и зависимость удельной модности от высоты индуктора/¿7

мощность на поверхности изделия, особенно в зоне реборд, меняется плавно (на 5-10 Z), а наиболее резко - в зоне выемки. Показано также, что полной равномерности за счет изменения, высоты достичь не удается и следует использовать другие способы регулирования.

Исследована зависимость параметров системы от зазора между индуктором и загрузкой. Количественные исследования для наиболее массовых колес (диаметр - 500 и 710 мм) показали, что. в пределах зазора 10 мм к. п. д. 'падает резко, затем при дальнейшем увеличении зазора снижается незначительно при существенном падении cosV. Поскольку реальные значения зазоров, как правило, превышают 10 мм, аснижение cos f вызывает увеличение компенсирующих емкостей и удорожание установки значения cos необходимо поддерживать на уровне 0,3-0,4. Проведены исследования влияния зазора на распределение плотности удельной мощности в поверхностных зонах изделия. Установлено, что при увеличении зазора равномерность повышается, при этом абсолютная величина мощности снижается.

На рис. 3 показаны зависимости энергетических параметров от числа слоев и толщины индуктора при различных диаметрах загрузки. ■ Отмечено, что с увеличением абсолютных диаметров индуктора влияние числа слоев на его энергетические показатели снижаются. Показано, что для нагревателя крановых колес наиболее рационально применять двух- и трехслойные индукторы с толщиной трубки 2-2,5 мм; при "укорочении" индуктора оптимум энергетических показателей смещается в сторону большего числа слоев.

Проведены количественные исследования влияния многослой- ' носги индуктора на к. п. д. и cos? для четырех вариантов соотно-иений высот и диаметров индуктора и изделия: при соотношении высот индуктора и загрузки Ьа/ - 150/160 и 200/210 и относительной высоте - 160/800 и /с/( - 210/800. Получено, что к. п. д. наиболее низкий при меньшем числе слоев и более "короткой" загрузке; на изменение значений cos Ц1 большее влияние оказывает число слоев индукзора» чем вид загрузки.

Выполнены расчеты и установлены эавиеююсти энергетических параметров системы И-3 от величины выемки на поверхности изделия в осевом и радиальном напрвлении. ТЪлучены количественные данные изменений к. п. д. и cos? при вагреве колес 400 мм и 710 мм при увеличении глубины выемки с 20 мм до 65 мм

f^COF? ______•____ __ -12 -

C,6

Рис.5. Зависимость к.п.д.-/сплошная линия/ и eos¥ /пунктир/ от числа слоев и толщина, трубки индуктора. ■

0.02. . 0,04 - 0,06

Рис. Зависимость энергетических'параметров индуктора от глубины выемки на поверхности загрузки.

Х,н

(рис. 4). Отмечено, что при очень .малых и очень'больших анач?-нкях относительной глубины; ьыемки к. п. д. и cosV изменяется слабо (кривые идут почти полого), а при промежуточных значьги-ях - падение значений к. п. д. и cos ^ значительно и достигает-20-30 Z. Установлено, что при увеличении высоты вкемки к. п. д. и cos V резко уменьшаются, причем наиболее существенно при относительной высоте выемки Д / , большей значения О,? ( Л- высота выемки, высота изделия);' при изменении с 0,4 до 0,9 cos f Задает на 12-15 %. Отмечено, что при проектировании индукторов для нагрева изделий, имеотдх выемку, необходимо обеспечивать повышение мощности сверх расчетной . 15-20 г.

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям нкдукци-оных устройств для нагрева кранозых i to лес. Сформулированы задачи экспериментов: проверка адекватности математической модели устройства; сценка факторов, не учтенных при моделировании, к которым в первую очередь относится наличие.чагнитопроводов: исследование температурных полгй и выбор оптимальных рэжкчез нагрева..

Эксперименты проводились на испытательном стенде в условиях, близких к промышленным. В качестве базового был взят ' индуктор для наиболее массовых колес диаметром^00 мм, представляющий собой катушку с числом витков 24, охваченную по окружности 12 П-об разными магнитопроводами. Замеричтемперат.урь' проводились с помощью 6 хромель-алюмелевах термопар, располскек-ньк на поверхности колеса и на глубине 20 и 30 мм

Установлено, что требуемый температурный слой (860-820"C)' на глубине до 30 мм. достигается' при следующих режимах:

а) наг.тев при U - 220 В в течение 15-1G минут-,

б) нагрев при U - 270 В в течение 6-8 минут и выдержке при U - 17С.В в течение 4-5 минут. •

Исследована возможность нагрева а этом же: индукторе колес диаметром 320 мм с целью разработки рекомендаций по нагреву ¡в одном индукторе нескольких близких типоразмеров колес. lie л учено, что в этом случае вследствие значительного.увеличения зазора (до 150 мм) необходимо поднять напряжение на 40-50 3 и увеличить время кагрева. Экспериментально подтверждена работоспособность выбранной конструкции для нагрева колес диамет-. ра>я; 300-900 мм. Выявлен диапазон напряжений на индукторе,'

обеспечивающий необходимую интенсивность нагрева.

Б табл. 1 представлены энергетические характеристики нагрева колес наиболее массовых типоразмеров.

Таблица 1

1....... ] Диаметр ¡колеса, мм ..... -■ Режим нагрева Бремя нагрева, мин i 1 1 ........ i Напряжение,. В .....— ■ 1 Мошлость, | кВт Í 1

| 320 нагрев выдержка 4-5 3-4 ■ 220 170 1 00-100 ) 70 I <

| 400-500 нагрев пьщержка 6-8 4-5 270 220 ' I 130-140 | 90 i i

| 710 i нагрев вццержка 16-18 4-5 300 220 i ' 1 145-180 t 100 1 i

В целях изучения влияния магнитопроводов на энергетический характеристики системы и температурное поле в загрузке исследовано 4 Еарианта индукторов: без магнитопровода; магнитопро-воды с вертикальными полками; П-образные магнитопроводы с горизонтальными полками, заходящими на изделие; с укороченного полками, обрезанными по диаметру индуктора.

Показано, что первые два варианта не обеспечивают требований равномерности и заданного уровня температуры.' Третий й чет эртый варианты дают возможность обеспечить нагрев при рёё-личных производственных условиях. При укороченных полках имеет место рассеяние в крайних зонах,,и поэтому требуемая мощноСЙ возрастает на 10- 3 %; при этом необходимая равномерность обеспечивалась без режима выдержки, но при более высоком напряжении на индукторе. При удлиненных полках равномерность нагрева изделий различных типоразмеров достигалась при использовании режима "нагрев - выдержка". ,

Проведено сравнение . экспериментальных и расчетных данных. Установлено, что наличие магнитопроводов повышает cos ¥ на 10-15 X. Подтверждена адекватность разработанной математической модели.

Экспериментальные данные обработаны с помощью регрессион-

ного анализа," согласно которому получены аяпроксимационные зависимости значений cos У от величины зазора в индукторе. Коэффициенты уравнения регрессии оценивались по методу наименьших квадратов (МНК). С помощью методов математической статистики после определения характеристик случайных величин (дисперсия « др.) проведена проверка гипотез о законе нормального распределения, воспроизводимости условий эксперимента и др.

Показано, что искомые зависимости с минимальной погрешностью аппроксимируются линейной регрессионной моделью. Установлена зависимость cos ? от величины зазора в индукторе для колес с диаметрами а) 400 мм и б) 700 ш:

а) cosf- 0.352-0,025ff

б) cosf- 0,626-0,016".

Соответствие распределения случайных величин нормальному закону подтверждено сравнением расчетного значения критерия Пирсона ^f- 2,528 с его критическим уровнем . - 2,830. Справедливость гипотезы о воспроизводимости эксперимента проверена на основе критерия Кохрана ( & ), при котором расчетное значение, критерия 0,31 не превышало допустимого &т- 0,68 значения. Адекватность регрессионной модели результатам эксперимента проверялась с помощью критерия Фишера (f ). Анализ соотношения между расчетным ( F¡> ) и допустимым ( FT ) значениями критериев подтвердил справедливость модели.

Глава 4 посв'г.:',5на разработке инженерной методики расчета "коротких" индукторов, для нагрева изделий сложной конфигурации на основе теоретических и экспериментальных исследований индукторов для нагрева крановых колес, а также принятых в от- ' расли технологических ограничений.

Представлена структурная схема инженерной методики, включающая в себя следующие основные элементы: задание на расчет; выбор основных конструктивных решений; определение основных параметров загрузки и индуктора; расчет электрических и энергетических характеристик системы индуктор-загрузка; выбор электрооборудования. Методика предназначена для использования в проектно - технологических организациях, конструкторских бюро и на предприятиях отрасли. •

Даны рекомендации по выбору геометрических размеров индуктора: высота индуктора ftf определяется требованиями равномерности нагрева и составляет 1,1-1,3 диаметр индуктора равен

сумме диаметра колеса, величины технологического зазора 8-10 мм и толщины теплоизоляции 10-12 мм.

Даны рекомендации по числу слоев и витков для наиболее массовых колес, представленные в табл.2. Указаны оптимальные значения.

Таблица 2

) Диаметр колеса, мм 1 ■-■-■■-| 320-400 1 400-500 1 600-710 |

! Напряжение, В 1 | 170-270 1 220-270 300-340 |

| Число слоев 1 1 3 2-3 2 1

| Число витков 1 | 27-30 • 27-32 22-24 | 1

По разработанной программе производится расчет электрических и энергетических характеристик устройства, . при этом вводятся поправки для учета влияния магнитопроводов (Км) и неучтенных потерь мощности на излучение, нагрев окружающих частей и глубинных слоев загрузки (Ю. Приведены значения поправочных коэффициентов: Км- 1,1-1,2; Кт- 1,2-1,4.

. Указано, что после введения поправок производится проверка на соответствие расчетной и потребной мощности. Б случае несоответствия значений вносятся, изменения в . выбранные- конструк- .' тивные параметры и производится пересчет устройства.

Приведены примеры расчетов нагрева индукторов для наиболее . массгзых колес. Показано в частности, что для колеса 760 мм и 150 мм пригодны варианты: 160 и 200 мм, число

слоев N - 3 и 2, число витков W - 24 и 22. В результате сравнения энергетически характеристик выбран вариант:160 мм, • N - 2, V - 24. По этим данным был изготовлен опытный индуктор/^*,; В результате испытаний получено достаточное соответствие расчетных и экспериментальных параметров. . ; ' - : )

Глава 5 посвящена вопросам внедрения р чультатов диссерта- . ции при разработке индукционных устройств для термообработки изделий сложной конфигурации. С учетом результатов расчетных и экспериментальных работ даны рекомендации по проектированию и эксплуатации устройств для нагрева крановых колес различных типоразмеров. Представлено несколько вариантов электросхем пи-

тания и управления нагревом, включая состав оборудования.

Разработаны усовершенствованные конструкции нагревателей, позволяющие обеспечить высокоточный нагрев изделий сложной конфигурации, защищенные авторскими свидетельствами. 3 этих устройствах использованы гибкие токопроводы и подвижные копиры, выполненные в соответствии с профилем детали, позволяющие изменять расстояние между поверхностью изделия и индуктором. Разработано также устройство с использованием гибкого индуктора и магнитопроводов, имеющих возможность поворота и перемещения, что дает возможность изменять интенсивность нагрева без воздействия на цепь индуктора.

Разработано несколько типов индукционных нагревателей с , различными вариантами средств механизации загрузки - выгрузки колес. Представлено два вида участков сорбитизации с описанием технологического процесса и даны рекомендации по выбору варианта в производственных условиях.

На основе- опмгно-промышленной эксплуатации показано» 'что нагрев изделий типа крановых колес в цилиндрических индукторах с П-обр.азными магкитопроводами обеспечивает технологические требования. Определена правомерность применения двух видов магнитопроводов: с полками, обрезанными по окружности индуктора, и с заходом полок яа изделие. Показано, что при заходе полок па изделие снижается время нагрева и повыщается производительность процесса, однако при этом усложняется конструкция устройства. Выбор варианта.исполнения конструкции индукционного устройства должен определяться задачами производства.

По результатам диссертационной- работы созданы установки' для нагрева крановых колес диштазона 300-900 мм для ряда предприятий, в том числе: Магнитогорский крановый завод,. Ково-Липецкий металлургический комбинат, Саратовский экспериментально-механический завод, Тираспольский завод "Точлиткаш" и ДР.

В 1989 году на Александрийском заводе НТО внедрен участок сорбитизаци". включающий две установки для нагрева колес 400-700 мм. Экономический эффект от внедрения установок составил величину порядка 1,1 млн. руб. в ценах 1992 г. Конструкция установок проста и надежна. Оборудование удобно в эксплуатации. Процесс нагрева экологически чист. Условия труда рабочих - термистов значительно улучшились.

В настоящее время проводится дальнейшая разработка более

совершенного оборудования.

. Заключение.

1. Выполнен обзор существующих способов нагрева изделий под термообработку. В результате сравнительного анализа выявлен наиболее экономичный из них, связанный с нагревом в 'индукторах на промышленной частоте. Проведен анализ существующих-методов расчета систем "индуктор-загрузка" сложной конфигурации и предложено использование наиболее перспективного из них - метода индуктивно связанных элементов.

2. На базе этого метода разработана математическая модель для исследования электромагнитных процессов в системе "короткий" индуктор - загрузка сложной конфигурации". Отличительной чертой модели является способ дискретизации загрузки и индуктора. Алгоритм расчета реализован в виде программы на языке Фортран-4 для ЭВМ, на основе которой проведены исследования индукционных устройств для нагрева изделий тина крановых колес. *

3. Исследованы зависимости электрических и энергетических параметров устройств от диаметра и высоты индуктора, числа ,' слоев и толщины трубки, рассмотрено влияние величины выемки на поверхности изделий. Установлены оптимальные соотношения reo- . метрических размеров индуктора для обеспечения требуемых энергетических параметров устройства . ... .

4. Экспериментально исследовано влияние магнитопроводов на ' энергетические характеристики индуктора и выявлена их конфигу-рацп для обеспечения технологических требований при нагреве изделий различных типоразмеров. Исследованы температурные поля . в изделиях типа крановых колес и определены оптимальные режимы . нагрева. Подтверждена достоверность результатов, полученных с помощью математического моделирования.

5. Разработана инженерная методика расчета индукторов для . нагрева изделий типа крановых колес, включающая выбор .оптимальных конструктивных характеристик и р'^чет электрических и энергетических параметров. '

5. На основе результатов расчетов и экспериментов создан : ряд индукционных установок для нагрева крановых колес различ- : ных размеров, часть из которых внедрена на предприятиях тяжелого машиностроения. Внедрение их дает экономию электрознер-

гил, природного топлива, металла, значительно улучшает условия труда рабочих. Усредненные технико-экономические показатели внедрения:-экономия электроэнергии - до 250 кВт ч/т; металла - 2*4$; уменьшение времени нагрева колес в 10-12 раз по сравнен:«) с нагревом в печах с улучшением качества поверхности.

7. Разработаны усовершенствованные установки для нагрева изделий сложной конфигурации, на которые получены авторские свидетельства. .

Основное содержание диссертации опубликовано в слздуидас работах:

■ . I, A.C. ii 1407967(СССР), 1Ш НО Н05В6. Установка для индукционного нагрева деталей. / Дементьева Л.П., Хомич О.Н., Розин Л.Ш. (СССР). - И 4208582/23-02. Заявлено 04.01.87, опубл. 07.07.83, бюлл. Js 25.

2. A.C. № 1504266(СССР), МКИС21Д 1/10. Установка для пндук-

■ ционного нагрева деталей. / Дементьева Л.П., Хокич О.Н., Розин Л.Ш. (СССР) - № 435S60I/23-02. Заявлено 04.01.80,

■ опубл. 30.08.89, бялл. Уз 32.

.. . 3.,- A.C. Уз 1684940(СССР), ШШС5В6/36. Устройство индукционного нагрева деталей. ВПТИтяямаи.. Авт. изобрет. Дементье-■"•'. ва Л.П., Хомич Ф.Н., Шаров В.А., Розин Л.Ш. (СССР) -

№ 4630131/07. Заявлено 04.01.89, опубл. 15.10.91, бюлл. _ й 38. • :

4.'Л.Д.Бойко, Т.В.Прохорова, М.А.Мельцер, Л.П.Дементьева. . Графитовый электронагреватель для крупногабаритных изде-;■.-'•'. 'лий'// Электротехн, прсм-сть. Сер.-Электротермия. Наута.-

техн. сб. - Ii., 1979. - Вып. 10 (206). - стр. 9. '. 5,. Л.П.Дементьева, Л.Ш.Роз1ш. Установка для нагрева токами промышленной частоты крановых колес под сорбитизацию. // Тез. докл. научн.-техн. конф. "Технология и оборудование термической обработки".'. -.Липецк,-1991. - С. 22-23.

Подписью к печати .'i— ;лл la Si

Тираж l(/0 3;»кал ¿¿Ц

Типография МЭИ,- Красноказарменная, 13. ■