автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление технологическим процессом совмещенной термообработки алюминиевой проволоки в производстве кабельных изделий

На правах рукописи

Луконин Александр Александрович

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ СОВМЕЩЕННОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВОЙ ПРОВОЛОКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05 13 Об - Автоматизация и управление течнолм ическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2008

Работа выполнена на кафедре "Электропривода и электрического транспорта" Иркутского государственного технического университета

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Гоппе Гарри Генрихович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бардушко Валерий Данилович, кандидат технических наук, доцент Бахвалов Сергей Владимирович

Ведущая организация: Ангарская государственная

технологическая академия

Защита состоится «26» июня 2008 года в "10" часов на заседании специализированного совета Д218 004 01 в Иркутском государственном университете путей сообщения (664074, г Иркутск, ул Чернышевского, 15, зал заседаний ученого совета, аудитория А-803, корпус А)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщений

Автореферат разослан "_" мая 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

НН Пашков

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в мире производится более 35 млн тонн алюминия в год, в этом объеме доля России - более 4 млн тонн Алюминий и его сплавы широко используют как конструкционный материал в авиастроении, космической технике, машиностроении Значительная часть выплавляемо1 о алюминия используется как проводниковый материал в производстве проводов и кабелей Эффективность применения алюминия в качестве материала токоведущих жил кабельных изделий обусловлена тем, что, несмотря на меньшую проводимость (62% проводимости меди), плотность его в 3 3 раза меньше Алюминиевый проводник при одинаковой длине и проводимости имеет площадь поперечного сечения на 62% большую, чем медный, но масса его составляет лишь 49% массы медного Цена меди существенно выше и имеет стойкую тенденцию к повышению Это определяет тот факт, что номенклатура выпускаемых промышленностью кабельных изделий с алюминиевыми жилами широка и продолжает расширяться

В качестве токоведущих жил ряда марок кабельной продукции используется алюминиевая проволока малых сечении, получаемая холодным волочением Деформация материала в холодном состоянии повышает его прочность и снижает пластичность Термообработка (отжиг) проволоки является обязательной технологической операцией, служащей для восстановления пластичности материала жил проводов и кабелей

Отжиг алюминиевой проволоки в садочных или проходных печах относится к традиционным способам термообработки Значительное распространение печных способов нагрева объясняется их очевидными преимуществами простота конструкции печей и, следовательно, невысокие капитальные затраты, универсальность относительно геометрических размеров садки, надежность Однако они имеют и существенные недостатки Неоднородность нагрева и охлаждения по сечению мотка (кату шки) приводит к неоднородности структуры и свойств металла Низкая скорость нагрева исключает возможность совмещения с основными операциями производства изолированных проводов

Индукционный высокочастотный нагрев металлических изделий широко применяется в промышленности Однако установки высокочастотного ¡кирева для термической обработки тонкой движущейся проволоки из цветных металлов (медь, алюминий) трудно выполнимы конструктивно, а энергетические показатели ах весьма низки Все это обусловило преимущественное распространение электроконтактного способа нагрева проволоки из цветных металлов, при котором подвод тока к проволоке осуществляется через контактные ролики с соответствующим щеточным аппаратом

В диссертационной работе выполнено исследование нового способа нагрева алюминиевой проволоки, объединяющет о в себе признаки, как индукционного, так и электроконтактного, допускающего совмещение с процессом наложения изоляции Условием совмещения процессов является наличие непре-

рывного контроля качества отжига, исключающего выпуск бракованной продукции

Объектом исследования является автоматизированный процесс отжига алюминиевой проволоки, совмещаемый с процессом наложения изоляции (изолировки) в технологической линии производства проводов для электрических установок

Предметом исследования является метод индукционного нагрева участка движущейся проволоки, имеющего вид замкнутого контура, а также методы и технические средства, обеспечивающие заданное качество отжига

Целью работы является разработка и исследование моделей и структурных решений системы автоматизированного отжига алюминиевой проволоки, подаваемой непосредственно на изолировку

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие основные задачи

1 Разработка математических моделей процесса отжига, имитационное моделирование функционирования системы отжига в установившемся режиме, а также оптимизация режимных и конструктивных параметров

2 Разработка методики и исследование условий формирования замкнутого многовиткового контура нагрева алюминиевой проволоки, охватывающего свободный стержень магнитопровода индуктора

3 Разработка принципа неразрушающего контроля качества алюминиевой проволоки

4 Разработка структурных решений системы автоматического управления качеством отжига алюминиевой проволоки в условиях совмещения с процессом производства изолированных проводов

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические и экспериментальные методы Теоретические исследования проведены методами дифференциального и интегрального исчисления, методами теории поля и теории цепей, а также методами теории автоматического регулирования, математического и имитационного моделирования, математической статистики Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на действующих линиях по производству проводов с алюминиевыми жилами

На защиту выносятся следующие положения:

1 Математическая модель статических (установившихся) режимов процесса отжига движущейся алюминиевой проволоки связывающая конструктивные и электрические параметры индуктора и многовиткового контура нагрева

2 Математическая модель динамики контура нагреваемой проволоки

3 Способ стабилизации силы натяжения проволоки при сходе с отдающей катушки

4 Экспериментальная зависимость электрической проводимости замыкания контура нагрева на контактном отклоняющем ролике от величины натяжения проволоки

5 Принцип построения устройства неразрушающего контроля характеристики пластичности, ожигаемой проволоки

Научная новшиа основных научных положений заключается в следующем

1 В построении модели процесса отжига как системы, объединяющей в себе электромагнитные, тепловые и механические явления

2 Предложенным принципом контрочя качества отжига путем измерения рассеяния энергии при возбуждении колебаний на фиксированном участке движущейся проволоки

3 Обоснованием целесообразности формирования многовитковых контуров нагрева

4 Предложенным принципом поддержания натяжения движущейся проволоки на допустимом по условию прочности уровне

Практическая ценность выполненных исследований. Практическая ценность работы характеризуется следующими положениями

1 Экспериментально } становленной зависимостью переходной электрической проводимости от величины силы натяжения отжигаемой проволоки

2 Перечнем требований и рекомендаций для принятия конструкторских решений, выработанным в процессе испытаний опытно-промышленных образцов индукторов

3 Разработкой инженерной методики расчета основных конструктивных параметров и размеров индуктора для рассматриваемого способа отжига

4 Подтверждением сравнительно высоких энергетических показателей индуктора с сердечником в сравнении с индуктором высокой частоты

5 Возможностью работы установки отжига в автономном режиме, вне связи с процессом изолировки

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, использованы при разработке двух опытно-промышленных установок для отжига алюминиевой проволоки и внедренных в производство проводов и кабелей на предприятии ОАО ВСЭМ г Иркутска

Апробации работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Электропривод и электрическии транспорт" ИрГТУ (1998-2007гг), на Всероссийской научно-практической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (2004, 2005, 2006 гг), г Иркутск, на Международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии" (2007 г ), I 1 омск

Публикации По результатам исследований опубликовано 7 статей

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка Объем диссертации составляет 148 страниц основного текста, 46 рисунков, 15 ыблиц, 5 страниц - библиографический список из 102 наименований

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность

В первой главе рассмотрены условия применения высокочастотного нагрева при совмещенном отжиге алюминиевой проволоки Индуктор в этом случае представляет собой длинный соленоид, на оси которого располагается нагреваемая проволока, движущаяся с некоторой постоянной скоростью В индукторах этого типа энергия на нагрев передается переменным магнитным полем без теплового или электрического контакта с объектом, что является их преимуществом В настоящее время индукционный высокочастотный нагрев рассматривается, как специфическое электромагнитное явление, наиболее точно описываемое уравнениями Максвелла

Уравнение магнитного поля, записанное в цилиндрических координатах, для спучая продольного намагничивания цилиндрического проводящего тела полем с напряженностью Н, синусоидально изменяющейся с частотой со имеет вид

\Шт „ „

+ = 0) аг г аг

где Нт- комплексная амплитуда магнитного поля, /¿0- магнитная постоянная, ¡х- относительная магнитная постоянная среды, у - удельная проводимость среды, г - расстояние от оси симметрии до данной точки, ) - оператор поворота

Решение уравнения (1) выражается через функции Бесселя

(2)

где ./„- функция Бесселя первого рода нулевого порядка, Нт - напряженность поля на поверхности нагреваемого цилиндра радиусом г2, тг - относительная координата поверхности намагничиваемого цилиндрического тела

,- гД -Дг

т = (3)

Где А - глубина проникновения тока в металл

Д = I—= -£----------(4)

\/

Анализ выражения (2) показывает, что большие значения т1 дают неравномерное распределение плотности тока и при тг £ 6 нагрев становится практически поверхностным Сквозной нафев для отжига проволоки обеспечивается при тг <2, что достигается выбором граничной частоты, определяемой из выражений (3) и (4)

Л-—г^— (5)

л гг Мо М

Выражение (5) показывает, что граничная частота, при которой нагрев будет сквозным, обратно пропорциональна площади сечения проволоки

Мощность, выделяющаяся в участке алюминиевой проволоки единичной длины на граничной частоте

р(1) ^ л'3 // /А? Н™ гг _ я Ро ¿¡г /^ч

0 4р0(1+а(?) 1+ав "*

где р,- удельное сопротивление алюминия при 0°С,а- температурный коэффициент сопротивления, в- температура участка

Если рассматривать случай интенсивного нагрева, когда потерями теплоты можно пренебречь (адиабатический нагрев), то для малого участка нагреваемой проволоки длиной ах справедливо равенство

Р^сЬс А = с / <к—&, (7)

<3/

где с - удельная теплоемкость материала проволоки, у - плотность материала проволоки

После замены Р"1 по выражению (б) в равенстве (7) и последующим интегрировании найдем, что

н1 , - с г 1

п„ Г„ =-

Ро

в2 -в2

(8)

2

где ?„ - время нагрева, равное времени прохождения любого сечения нагреваемой проволоки через индуктор, 0„0г- температура проволоки на входе в индуктор и на выходе из него, соответственно

Напряженность поля Н^ и действующее значение тока обмотки индуктора связаны законом полного тока Для контура проведенного в воздухе вокруг обмотки справедливо равенство

1 = ™ = л § / д1, (9)

где - действующее значение тока обмотки индуктора, I - длина обмотки, V -число витков обмотки, у,- действующее значение плотности тока обмотки, коэффициент, учитывающий наличие изоляции между витками обмотки, д,-глубина проникновения тока в провод обмотки

Замена Нт в (8) по (9)приводит к выражению с у

} К - ,

8 А

п1

(«,-*)+«■21

(10)

2

Величину, стоящую в (10) слева, принято называть квадратичным импульсом плотности тока Правая часть (10) показывает, что квадратичный импульс плотности тока индуктора в основном определяется конечной температурой нагрева, характеристиками материала проволоки и не зависит от параметров индуктора

Нагрев алюминия с целью отжига характеризуется следующими парамет-г = 1, с - 9А5Дж/кг град, у = 2700кг/м3 , § = 0 9, Ом м При этих данных квадратичный импульс

рами 0г = 250"С, в,=\УС, ir а = 0 004 град'1 , а = 2,43 10"' плотности тока равен

945 2700

0,9 2,43 10"

(250-15)+ 0,004

250 -15

= 46600Лгс/лш"

Следовательно, плотность тока в обмотке индуктора (А/мм2) может вычисляться по формуле

J, =

46600

(И)

Время иагр ,с

На рис 1 представлен график, построенный по выражению (11), из которого следует, что для отжига алюминиевой проволоки гребуется режим индуктора с весьма высокой плотностью тока в обмотке (80 100 А/мм2) Обмотка при эгом должна интенсивно охлаждаться (обычно водой), что существенно усложняет конструкцию и стоимость индуктора Снижение плотности тока (напряженноеги потя) может быть достигнуто только за счет снижения скорости протяжки проволоки и (или) увеличения длины индуктора Частота источника питания должна быть переменной с целью обеспечения сквозного нагрева проволок разных сечений Для получения высоких энергетических показателей (кпд, cos^) необходимо максимально приблизить обмотку к поверхности проволоки, что также представляет значительную трудность Все это указывает на бесперспективность высокочастотного нагрева при совмещенном отжиге алюминиевой проволоки

Во второй главе рассмотрены вопросы построения математической мотели процесса нагрева алюминиевой проволоки с целыо отжига на основе применения нового способа, объединяющего в себе индукционный принцип передачи энергии и электрический контакт, замыкающий нагреваемый контур Математическая модель включает выражения закона распределения темпера-

Рис 1 Зависимость плотности тока обмотки индуктора от скорости протяжки н длины индуктора

туры в контуре нагрева, переходной проводимости замыкания, электрических параметров контура, магнитных потоков индуктора

Считая, процесс нагрева адиабатическим, уравнение баланса энергии элемента контура нагрева длиной сЬс можно записать в следующем виде

1гроа + ав)—Ш = с у я сЬс—Л, (12)

q 81

где I - действующее значение тока на участке нагрева проволоки, д- площадь сечения проволоки

После простых преобразований и интегрирования уравнения (12) получим

0 = 0,

(13)

где х- координата сечения контура с температурой равной в, Ь- характеристика режима, имеющая размерность длины и равная

т со Г V

а- р0

Л

(14)

где ]к =1 / q- плотность тока контура нагрева

Активное сопротивление первой части контура представляет собой сумму сопротивлений малых элементов его длиной <Ь, температура которых подчиняется закону (13)

<Ш3 = р0(1 + ав)— Я

Интегрирование последнего выражения на всем участке нагрева дает следующее выражение

1п

1 + ав,

(15)

1 + ав

где Ям - активное сопротивтение участка нагрева при температуре О" С

Переход тока из проволоки в обод ролика, и наоборот, происходит через зону электрического контакта, образующуюся на поверхностях проволоки и направляющей канавки ролика Природа электрического контакта такова, что его переходное сопротивление зависит от силового взаимодействия контактирующих тет Участок проволоки, расположенный в канавке, охватывает дугу размером я-/2 и находится под действием сил ТгТг и распределенной силы реакции ролика интенсивностью д (рис 2)

д = Г/р,

Рис. 2. Силы, действующие на проволоку

где р - радиус кривизны оси проволоки

Если элемент проволоки, расположенный в канавке, длиной <к заменить эквивалентной Г-образной цепью (рис 2), состоящей из ветви с комплексным сопротивлением 20с1х и ветвью с проводимостью ёа<кс, то весь участок на дуге я/2 может рассматриваться как однородная длинная линия в режиме холостого хода Установившийся процесс холостого хода в линии описывается уравнениями

-/АлАу'у.

(16) (17)

где - напряжение и ток на входе линии, 11 г - напряжение на выходе линии, / - коэффициент распространения, приведенный к дуге один радиан, 1с - волновое сопротивление линии

Расчет величин 2е и /' требует знания переходной проводимости £„, которая может быть найдена опытным путем Схема экспериментально установки приведена на рис 3 Установка состоит из набора грузов, опорного ролика и источника постоянного тока Кусок алюминиевой проволоки, одним концом закрепленный неподвижно, укладывается на опорный ролик К свободному концу проволоки подвешивается груз к нему же подключается один зажим источника Напряжение линии измеряется между закрепленным концом проволоки и опорным роликом Во время эксперимента изменялись масса груза, сечение проволоки, радиус опорного ролика

По известным значениям тока, сопротивления г0' участка проволоки длиной равной радиусу опорного ролика, выходному напряжению 11, и длине дуги охвата <р вычислялось приведенное значение коэффициента распространения по выражению, полученному из (16) и (17)

Рис. 3 Схема экспериментальной установки

и,

у' ¡Ьу'ср

Коэффициент у' из последнего выражения находится графически Искомая проводимость рассчитывалась по формуле

Дисперсионный анализ данных эксперимента показал, чго переходная проводимость не зависит от площади сечения проволоки, а масса груза и ра-

диус опорного ролика связаны через интенсивность распределенной реакции опоры Уравнение регрессии получено в следующем виде ^ = 57+ 0 98?-О 236 КГ1*?2 Для расчета индуктивности сложных контуров используется метод участков Метод участков приводит к следующему выражению для индуктивности провода состоящего из п участков

»=1 |>1

где I,- собс1венная индуктивность ¿-ого участка, Мь - взаимная индуктивность между А"-ым и ;-ым участками

Взаимная индуктивность криволинейных проводов выражается через геометрические размеры лишь в редких случаях В практических задачах каждая из кривых, по которой изогнуты оси проводов, заменяется достаточно близкой к ней ломаной линией На рис 4 показан контур нагрева после замены дуг окружностей отрезками прямых

При расчете индуктивности участков контура расположенных параллельно поверхности сердечника учитывалось его влияние Близость сердечника допускает считать, что индуктивная связь между лобовьми частями и частями контура, расположенными параллельно сердечнику, отсутствует Влияние сердечника определялось по методу зеркальных отражений

Магншная система индуктора включает магнито-провод стержневого типа, обмотку и нагреваемый контур Расчет магнитных потоков система выполнялся методом теории цепей на основе схемы замещения Элементами схемы являются комплексные магнитные со-протиаления, определяемые по формулам активное сопротивление

Мо м, $

индуктивное сопротивление

^ ^ 2 Рст ут 1_ со В\ Я'

Рис 4 Контор на- сопротивление контура нагрева = у — грсва

Резучьтатами расчета схемы замещения являются выражения магнитных потоков в ветвях как функции ма1 нитодвижу щей силы (МДС) обмотки индуктора и параметров схемы

Третья глаиа посвящена разработке компьютерной модели процесса отжига алюминиевой проволоки и ее исследованию Уравнения математической модели процесса, полученные в предыдущей главе в большинстве своем трансцендентные и нелинейные, что сильно затрудняет их совместное реше-

ние В этих условиях наиболее эффективны машинные методы моделирования

Основные результаты исследования, полученные на модели - масса сердечника индуктора, зависящая от частоты питания индуктора, интенсивно уменьшается с ростом частоты до 200 Гц При больших частотах эффект уменьшения массы резко понижается (рис 5, а),

- ЭДС, индуктируемая в контуре нагрева практически не зависит от площади сечения нагреваемой проволоки и определяется в основном скоростью движения (рис 5, б),

5 он

£ 0.6 -В1 04 -1 0,2-I 0-

У = 156.01Х ,л|"

100 200 Чосюта, Гц

400

0 1 2 3 4 5

Сшчюс11>1ЧМ1««ш и>е

у= 7,88вх"'

а) б)

Рис 5 Зависимость массы сердечника от частоты (а), зависимость ЭДС контура нагрева от скорости (б)

- графики, представленные на рис 6,а, показывают, что кпд процесса отжига достаточно высок (к п д высокочастотного нагрева существенно ниже),

- коэффициент мощности индуктора (рис 6,6) также относительно высок

а) б)

Рис. 6. Зависимость к.п д индуктора от загрузки (а) и коэффициента мощности от сечения проволоки и числа витков контура (б)

В многовитковых контурах при одной и той же величине ЭДС токи в витках при переходе от первого к последующим виткам уменьшаются, так как

активная составляющая полного сопротивления увеличивается В табл 1 приведены температуры на выходе витков, получетшые па модели

Таблица 1

Тсмперат}ра на выходе, 'С

Контур нагрсил Первый виток Второй виток Третий вшок

Одновитковый 250 - -

Двухвитковый 150 250 -

Трехвитковый 109 185 250

Экспериментальное исследование проводилось на лабораторной и двух опытно-промышленных установках Испытания в лаборатории и в производственных условиях показали, что искрение на контактном ролике не возникает, по крайней мере, до скорости 2 м/с Отклоняющий ролик может быть выполнен не металлическим (стеклотекстолит) Шарикоподшипниковые опоры роликов должны быть изолированы по теплу (полые оси для пропуска воды, обод контактного ролика соединяется со ступицей через диск, в котором выполнены сверления большого диаметра) Движение проволоки в многовитко-вых контурах не устойчиво из-за нелинейности сухого трения и удлинения проволоки при нагреве Прямотинейные участки контура (струны) подвержены поперечным колебаниям, вследствие чего интервалы между витками приходится выбирать так, чтобы не допустить их замыкания На основе данных, полученных при исследовании модели процесса отжига, предложена инженерная методика расчета основных конструктивных размеров индуктора предлагаемого типа

В четвертом главе рассмотрены вопросы управления процессом отжига алюминиевой проволоки при совмещении его с наложением изоляции Технические условия (ТУ) устанавливают правила и методы контроля качества отжига, применяемые по окончании процесса с целью установления марки проволоки Совмещенный процесс отжига может быть реализован при условии непрерывного контроля качества

Основной характеристикой отжига является температура проволоки на выходе из индуктора, которая зависит от плотности тока в контуре нагрева, скорости движения, температуры на входе в индуктор, температуры окружающей среды и скорости ее движения, напряжения цеховой подстанции, химического состава материала проволоки

Скорость движения по технологическим причинам может изменяться в широких пределах Изменение скорости для сохранения температуры отжига должно компенсироваться соотвеютвующим изменением плотности тока контура нагрева Закон изменения плотности тока вытекает из дифференциального уравнения нагрева, решение которого определяет распределение температуры вдоль контура

-^Аг --в = (18)

а р0 Jk Л а

Распределение температуры в установившемся движении не будет зависеть от скорости, если

V

— = const Л

откуда

Jt=C,S (19)

Уравнение контура нагрева в относительных приращениях, полученное из решения уравнения (18) имеет вид

1 2 Г . . «II I 172

А9 ={1 + ^в~}2к ^ ^ *+2к2 ^ '1}' (20) где Ав - относительное приращение температуры проволоки на выходе из индуктора, Д/ - относительное приращение плотности тока в контуре, 0к - базовое значение температуры, д- базовое значение плотности тока, к - коэффициент, зависящий от параметров алюминия, равный

¿ = ^ = 4 12 10 "5Л(4М2 с у

Уравнение индуктора также в относительных приращениях

Д; = [(1 + Лё,) (1+ - а Дб>)--1]-^—, (21)

где ЬЕк- относительное приращение ЭДС контура нагрева, в0 - температура на входе в индуктор, Г, - постоянная времени индуктора

Выбор типа устройства, контролирующего качество отжит должен ориентироваться на технические условия (ТУ) "Проволока алюминиевая круглая электротехническая" ТУ устанавливают для проволок номинальным диаметром от 1 50 до 5 00 мм число перегибов, которое она должна выдерживать без разрушения, либо иметь относительное удлинение не менее 3% при испытании на разрыв

Реальное деформирование поликристаллических тел сопровождается рассеянием энергии, поэтому деформации называют неупругими Механизм рассеяния энергии в материале весьма сложен Однако считается, что рассеяние энергии в материале в основном обусловлено локальными пластическими деформациями микрообъемов материала Таким образом, рассеяние энергии может служить мерой пластичности Широко известен метод, основанный на измерении расхода электрической мощности возбудителя на поддержание установившихся колебаний исследуемого образца В качестве образца может быть участок движущейся алюминиевой проволоки ограниченный двумя опорами Устройства такого типа называются струнными датчиками Возбуждение колебаний немагнитных струн достигается пропусканием тока по самой струне, помещенной между полюсами постоянного магнита Для измерения рассеяния амплитуда колебаний должна поддерживаться постоянной

Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) процессом отжига по показателю качества представлена на рис 7 Скорость дви-

жения проволоки V является основным возмущающим воздействием контура нагрева КН Сигнал от датчика скорости линии наложения изоляции ДС подается на вход функционального преобразователя ФП, где преобразуется в соответствии с выражением (2) и подается на вход управляемого источника питания ПЧ и далее на вход индуктора И, компенсируя влияние изменения скорости Выход контура нагрева (температура 9) соединен с входом индуктора, что определено выражением (4) Эта связь отражает зависимость электрического сопротивления контура от температуры Датчик пластичности ДП связан с выходом контура нагрева через звено транспортного запаздывания Датчик пластичности соединяется с входом ПЧ через регулятор РП, образуя главный контур регулирования

Рис 7. Структурная схема системы управления процессом отжига

Исследование динамики САР проведено методом имитационного моделирования Изучалось поведение системы при действии возмущения в главном контуре в виде относительного приращения температуры проволоки на выходе из индуктора, соответствующего некоторому состоянию проволоки с показателем пластичности отличном от заданного На модели процесса отжига отыскивались такие настройки, при которых имеет место перерегулирование <40% и 2-3 периода колебаний

Наибольшее влияние па динамику имеет величина транспортного запаздывания, возникающего вследствие пространственного смещения индуктора и датчика Время запаздывания

где Ьь- смещение датчика относительно точки выхода проволоки из индуктора

Так как скорость по технологическим причинам может изменяться, то регулятор целесообразно выполнять с автоматической перестройкой, т е регулятор должен быть адаптивным

На рис 8 представлены графики переходных процессов в системе при линейно нарастающем возмущении 0 2 с1 (кривая 2) Кривая 1 - реакция выхода датчика, кривая 3 - относительная температура на выходе индуктора Рис 8 а получен при скорости движения проволоки 0 25 м/с, рис 8,6 получен при скорости 1 м/с

Рис. 8 Переходные процессы при различных возмущениях в контуре регулирования 1 - показатель пластичности, 2- возмещение, 3 - температура на выходе из контура

Заданный режим отжига может быть обеспечен при постоянной силе натяжения проволоки Это требование обусловлено двумя обстоятельствами первое связано с необходимостью ограничения натяжения, для того чтобы не допустить вытяжку или обрыв "горячей" проволоки Второе продиктовано работой струнного датчика

Традиционно натяжение создается путем создания постоянного по величине тормозного момента на валу отдающей катушки По мере уменьшения радиуса заполнения катушки при постоянном тормозном моменте натяжение увеличивается Постоянство натяжения достигается уменьшением тормозного момента пропорционально радиусу заполнения

Установившийся процесс отжига характеризуется постоянными по величине силой натяжения и скоростью протяжки, и следовательно постоянной мощностью тормозного устройства

Рт = /у \'=МТ а>,

где - сила натяжения проволоки, V - скорость протяжки, Мт - тормозной момент на оси катушки, со - угловая скорость катушки

Условие постоянства мощности тормозной системы требует реализации гиперболической зависимости между тормозным мометом и частотой вращения Наиболее эффективны управляемые тормозные устройства электромагнитного типа, построенные на базе, серийно выпускаемых электрических машин или электромагнитных муфт скольжения

В работе выполнен анализ двух вариантов тормозных систем первый основан на применении машины переменного тока, второй - на применении машины постоянного тока Машина переменного тока в режиме динамического торможения естественным образом имеет механическую характеристику близкую по форме к гиперболе, но может быть использована на скоростях выше скорости, на которой тормозной момент достигает критической величи-

ны Гиперболическая механическая характеристика машины постоянного тока может быть получена только за счет автоматической стабилизации гока якоря Применение добавочного источника напряжения в цепи якоря расширяет диапазон скоростей, в котором достигается постоянство тормозной мощности

Заключение

В диссертационной работе содержатся новые научно обоснованные результаты, которые решают задачу повышения эффективности технологии производства кабельных изделий, за счет совмещения термообработки алюминиевой токоведущей жилы с процессом наложения изоляции

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие результаты

1 Установлено, что нагрев алюминиевой проволоки малых сечений при продольном намагничивании полем высокой частоты мало эффективен и трудно реализуем Энергетически значительно более эффективно применение индуктора низкой частоты с ферромагнитным сердечником, свободный стержень которого огибает участок движущейся проволоки, образующий замкнутый контур (контур нагрева)

2 Разработана математическая модель процесса отжига алюминиевой проволоки позволяющая исследовать установившиеся и переходные режимы

3 Установлены закономерности распределения температуры в контуре и ее изменения на выходе из индуктора, показана эффективность применения многовитковых контуров и повышенной част оты тока индуктора

4 Предложено применение струнного датчика как преобразователя характеристики пластичности материала отжигаемой проволоки в электрический сигнал В сочетании с устройством возбуждения колебаний на участке движущейся проволоки струнный датчик является устройством неразрушаю-щего контроля пластичности

5 Анализ технологии производства изолированных проводов показал, что система управления совмещенным отжигом должна разрабатываться как комбинированная с компенсацией основного возмущения - скорости движения проволоки Влияние других (не контролируемых) воздействий нейтрализуется за счет обратной связи и соответствующего регулятора

6 Установлено, что настройка регулятора в основном определяется транспортным запаздыванием в контуре регулирования В связи с этим показана необходимость применения адаптивного регулятора, для которого разработан алгоритм изменения настроек в зависимости от текущего значения скорости

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях

1 Луконин А А, Гоппе Г Г Система управления инвертором для термообработки алюминиевой проволоки // Вестник ИрГТУ, 2007 - №2(30) -С 126-128

2 Гоппе Г Г , Луконин А А Замыкание контура нагрева в установке индукционного отжига алюминиевой проволоки // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири Материалы ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Иркутск Изд-во ИрГТУ, 2004 - С 48 - 52

3 Луконин А А, Гоппе Г Г Индукционный нагрев алюминиевой проволоки // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири Материалы ежегодной Всероссийской научно-практической конференции Иркутск Изд-во ИрГТУ, 2004 - С 42 -47

4 Гоппе Г Г , Луконин А А Моделирование статики индуктора для протяжно термообработка алюминиевой проволоки // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Иркутск Изд-во ИрГТУ, 2005 - С 142-146

5 Гоппе Г Г, Луконин А А Расчет размеров индуктора для термообработки алюминиевой проволоки // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Иркутск Изд-во ИрГТУ, 2006 - С 88-92

6 Луконин А А Принцип выбора основных параметров индуктора для отжига алюминиевой проволоки // Материалы международной научно-технической конференции - Электромеханические преобразователи энергии -Томск Изд-воТПУ, 2007 - С 137-140

7 Луконин А А, Гоппе Г Г Модель нагрева алюминиевой проволоки с целью отжига // Сборник научных грудов НГТУ - Новосибирск Изд НГТУ, 2008 -С 61 -67

Подписано в печать 20 05 2008 Формат 60 х 84 /16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,0 Уч-изд л 1,25 Гираж 100 экз Зак 337 Поз плана 47н

ИД № 06506 от 26 12 2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул Лермонтова, 83

Введение.

Глава первая. Электромагнитные и тепловые процессы в индукторе без сердечника для термообработки алюминиевой проволоки

1.1. Электромагнитные процессы при термообработке алюминиевой проволоки.

1.2. Мощность, выделяющаяся в проволоке.

1.3. Распределение температуры на участке нагрева.

1.4. Рабочий режим индуктора.

1.5. Выводы.

Глава вторая. Расчет параметров и анализ режимов индуктора с ферромагнитным сердечником для термообработки алюминиевой проволоки.

2.1. Общие положения.

2.2. Распределение температуры на контуре нагрева.

2.3. Активное сопротивление контура нагрева.

2.4. Условия и параметры замыкания контура нагрева.

2.5. Экспериментальное определение переходной проводимости.

2.6. Нагрев проволоки на дуге замыкания.

2.7. Расчет индуктивности контура нагрева.

2.8. Расчет магнитной системы индуктора.

2.9. Выводы.

Глава третья. Модель процесса термообработки.

3.1. Структура модели.

3.2. Исследование процесса термообработки на модели.

3.3. Экспериментальное исследования метода протяжной термообработки алюминиевой проволоки.

3.4. Инженерный метод расчета индуктора.

3.5. Выводы.

4. Глава четвертая. Система управления процессом отжига алюминиевой проволоки.

4.1. Марки алюминиевой проволоки, механические свойства, контроль качества.

4.2. Модель динамики контура нагрева.

4.3. Стабилизация силы натяжения проволоки.

4.3.1. Динамическое торможение асинхронной машины.

4.3.2. Динамическое торможение машины постоянного тока.

4.4. Система стабилизации тока тормозной машины.

4.5. Выводы.

В настоящее время в мире производится более 35 млн тонн алюминия в год, в этом объеме доля России - более 4 млн. тонн. Алюминий и его сплавы широко используется как конструкционный материал в авиастроении, космической технике, машиностроении. Значительная часть выплавляемого алюминия используется, как проводниковый материал в производстве проводов и кабелей. Эффективность .применения алюминия в качестве материала токоведущих жил кабельных изделий обусловлена тем, что, не смотря на меньшую проводимость (62% проводимости меди) плотность его в 3.3 раза меньше. Алюминиевый проводник при одинаковой длине и проводимости имеет площадь поперечного сечения на 62% большую, чем медный, но масса его составляет лишь. 49% массы медного. Цена меди существенно выше и имеет стойкую тенденцию к повышению. В связи с этим существует требование Правил устройства электроустановок (ПУЭ), по которому в стационарных установках должны применяться провода и кабели с алюминиевыми жилами. Недостатком алюминия является сравнительно низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в 3 раза менее прочен на разрыв, чем медь.

Для производства ряда марок кабельной продукции требуется, алюминиевая проволока малых сечений, получаемая холодным волочением из 9-ти миллиметровой катанки. Пластическая деформация в холодном состоянии нарушает структуру исходного металла, повышает его прочность и снижает пластичность. Термообработка проволоки малых сечений, получаемой волочением, является обязательной технологической операцией и служит для восстановления пластичности.

Структура деформированного алюминия имеет тенденцию к превращению в более стабильную. В алюминии, очищенном зонной плавкой (содержание алюминия не менее 99,99%) этот переход может происходить при комнатной температуре [2]. В менее чистом алюминии (проводниковый алюминий - 99,5%) переход совершается при повышенных температурах. Различают несколько стадий этого процесса, что приводит к представлению о различных механизмах, отжига. Первый из них, проходит при самых низких температурах и самых коротких выдержках, известен как возврат. В процессе возврата повышается электропроводность, уменьшаются внутренние напряжения. Возврат, полностью снимающий нагартовку, происходит только после рекристаллизации. Для прохождения рекристаллизации требуется большее время или более высокие температуры, чем для возврата. Физические свойства проводникового алюминия приведены в табл.1 [21].

Таблица 1 - Физические свойства алюминия

Характеристики Показатели

Плотность при 20°С, кг/м3 2703

Удельное электрическое сопротивление при 0°С, Ом-м~* 2,620

Температурный коэффициент сопротивления при 20° С 0,00403

Точка плавления, "С 657

Теплоемкость, Дж/кг град 946

Коэффициент линейного расширения при 20°С, 1 ГС 23 • 10~б

Модуль упругости, кГ/мм2 6000-7000(20° С) 5500(200° С)

Отжиг алюминиевой проволоки в садочных или проходных печах относится к традиционным способам термообработки. В качестве источника - энергии в них используется сжигание газа-или джоулево тепло в печах сопротивления. Проволока в мотках или на катушках помещается в муфель печи, где поддерживается требуемая температура. Равномерное распределение температуры достигается циркуляцией воздуха. Использование принудительной конвекции повышает скорость нагрева садки. Значительное распространение печных способов нагрева объясняется их очевидными преимущеК ствами: простота конструкции печей и, следовательно, невысокие капитальные затраты, универсальность относительно геометрических размеров садки, надежность, Однако они имеют и существенные недостатки. Неоднородность нагрева и охлаждения по сечению мотка (катушки) приводит к неоднородности структуры и свойств металла проволоки по сечению мотка. Низкая скорость нагрева существенно замедляет цикл производства.

Протяжная термообработка лент и полос получила развитие* в. металлургии цветных металлов. По виду используемой энергии установки такого рода можно разделить на электрические (сопротивления); газового нагрева и электромагнитные (индукционные) [58]. По способу передачи тепла: непосредственно передающие энергию ленте (электроконтактные, светолучевые, индукционные) и опосредованно (теплоконтактные и конвективные).

Электроконтактный метод основан на нагреве лент за счет джоулева тепла выделяемого непосредственно в самой ленте, и характеризуется высоким к.п.д. Однако сложность осуществления непрерывного электрического контакта с движущейся лентой позволяют использовать этот метод весьма ограниченно.

Определенное распространение получил метод термоконтактного нагрева. Равномерность контактного теплообмена в значительной степени определяется плотностью механического контакта между металлом ленты и нагревательным роликом и, следовательно, ограничивается точностью формы нагреваемой ленты. Эта задача успешно решается только при отжиге тонких лент. В этом случае нагрев осуществляется через рабочее тело, в роли которого выступает нагревательный ролик, что приводит к дополнительным, потерям энергии.

Непосредственная передача энергии- возможна при наведении в протягиваемой ленте индукционных токов, которые ее нагревают в результате джоулева тепловыделения. Главное преимущество индукционного нагрева -низкие энергозатраты. Методы и технологии, связанные с высокочастотным индукционным нагревом, известны более ста лет. Первое промышленное применение они получили в начале 30-х годов прошлого века в металлургии и машиностроении. Плавка легированных сталей, цветных металлов и сплавов производится в индукционных печах двух типов: канальных и тигельных [82,83]. В машиностроении высокочастотный индукционный нагрев используется для поверхностной закалки деталей машин, а также для нагрева заготовок перед ковкой и штамповкой. Кроме того, разнообразные установки индукционного нагрева используются ремонтными предприятиями. Широко известно применение их в службах локомотивного, вагонного и путевого хозяйств железных дорог. Такие операции, как снятие и посадка подшипниковых и лабиринтных колец колесных пар и тяговых электродвигателей, выполняются наиболее эффективно с помощью установок высокочастотного индукционного нагрева.

Протяжные методы нагрева также находят применение для термообработки проволоки. Наиболее распространенными из них являются: электроконтактный и конвекционный газового нагрева. Электроконтактный метод для нагрева проволоки реализуется сравнительно просто, так как трудности осуществления электрического контакта проволоки и токоподводящего ролика значительно ослаблены в сравнении с условиями нагрева лент и полос. Конвекционный метод нагрева проволоки реализуется в трубчатых муфелях с продольным пазом, устанавливаемых с наклоном 3-10° относительно горизонтали. Газ дешевле электроэнергии, но это компенсируется более высоким к.п.д. электрического нагрева

Баланс мощности при протяжной термообработке без учета потерь (адиабатический нагрев) имеет вид

Чп где / - действующее значение тока; рср - среднее значение удельного сопротивления алюминия на участке нагрева; - длина нагреваемого участка; q„ - площадь сечения проволоки; с - удельная теплоемкость алюминия; у - плотность алюминия; v - скорость протяжки проволоки; вк - температура проволоки на выходе из участка нагрева; ви - температура проволоки на входе в участок нагрева. Плотность тока в сечении, нагреваемой проволоки j = L= jc-m-я) v .

Чп v РсР К С учетом физических свойств алюминия (табл. 1) и вк = 250"С, 0К - 15°С,

Рср =1>5Л)> = 1.24-10® — . К

При протяжке со скоростью 1 м/с и длине нагреваемого участка проволоки

1 м плотность тока не может быть меньше 124 А/мм . Если наибольшее сечение нагреваемой проволоки 10 мм2, то действующее значение греющего тока будет равно 1240 А. В качестве источника тока при электроконтактном методе обычно используют сварочные трансформаторы. Трансформатор ТД-500 для ручной сварки с номинальным сварочным током 500А и относительной продолжительностью нагрузки 60% может обеспечить в продолжительном режиме ток

V юо v 100

Длина нагреваемого участка в этом случае должна быть увеличена до 10 м. Следует отметить также и то, что применение электроконтактного метода связано с проблемой эксплуатации щеточных контактов, через которые осуществляется передача тока от источника к отклоняющим роликам.

Плотность, допускаемая для медно-графитовых щеток, не превышает 20 А/см2.

Для протяжной термообработки проволоки с применением индукционного способа нагрева могут использоваться два типа индукторов. Первый тип имеет ферромагнитный замкнутый сердечник с обмоткой (рис.1,а). Нагреваемая проволока пропускается через окно сердечника и с помощью отклоняющих роликов образует электрически замкнутый контур. Дляг этого один из роликов выполняется из электропроводного материала и имеет канавки для укладки набегающей и сбегающей ветвей контура. Наведенная в контуре электродвижущая сила (ЭДС) вызывает ток и, следовательно, джоулево тепловыделение. Ток в этом случае протекает вдоль оси проволоки. Длина участка нагрева может быть сравнительно большой за счет увеличения числа витков контура без заметного усложнения конструкции и. размеров индуктора.

Второй тип индуктора, показанный на рис. 1,6, основан на использовании индуктора в виде соленоида, по оси которого протягивается нагреваемая проволока. Линии индукционного тока представляют собой концентрические окружности в поперечном сечении проволоки. Заданный режим нагрева, в зависимости от площади поперечного сечения, осуществляется выбором частоты тока, напряжения питания обмотки индуктора и длины индуктора (участка нагрева) или числа последовательно устанавливаемых индукторов.

Принципиальным преимуществом индукционного нагрева является его высокая интенсивность. В печах сопротивления удельная мощность редко превышает 25 кВт/м2, в то время как в индукционных нагревателях она лежит обычно в пределах 500-1000 кВт/м2 [58]. Кроме того, индукционные нагреватели наиболее приспособлены для использования в технологических линиях.

Рассматривая электрические способы нагрева алюминиевой проволоки, следует принять во внимание, что на практике наблюдается потеря прочности проводов, шин и других изделий, вызванных токовыми нагревами [13].

РисЛ. Типы индукторов

Испытания при высоких токовых нагрузках приводит к полному разупрочнению проводов из алюминия со значительной степенью деформации, причем разупрочнение наступает очень быстро. Проволока из алюминия с 99%-ной холодной деформацией полностью разупрочнилась в течение всего 0,6с при температуре 440 °С. Потеря прочности сильно деформированной проволоки при очень кратковременных (0,1; 0,3; 1,0; 10 с) действиях тока короткого замыкания лежит в интервале 160-180°С. Быстрое восстановление пластичности алюминия при электрическом импульсном нагреве заставляет отдавать предпочтение этим методам. Вместе с тем, потеря прочности при использовании протяжного способа термообработки ставит задачу ограничения тягового усилия, с целью предотвращения обрывов.

Отжиг алюминиевой проволоки благодаря прочной оксидной пленке, которая не разрушается при температуре отжига, может производиться на открытом воздухе. Термообработка же медной проволоки для предотвращения окисления поверхности должна проводиться в защитной атмосфере или в вакууме, что существенно усложняет установки отжига.

Установки для протяжной термообработки могут быть автономными или использоваться в составе технологической линии. Кроме индукционного нагревателя, как основного элемента, установка должна быть укомплектована системой обеспечивающей протяжку с постоянной скоростью и силой тяги, не превышающей предела прочности горячей проволоки. Протяжная термообработка, следовательно, требует наличия комплекса технологического оборудования, высокая производительность которого не может быть достигнута без применения средств автоматизации.

Объектом исследования является автоматизированный процесс отжига алюминиевой проволоки, совмещаемый с процессом наложения изоляции (изолировки) в технологической линии производства проводов для электрических установок.

Предметом исследования является метод индукционного нагрева участка движущейся проволоки, имеющего вид замкнутого контура, а также методы и технические средства, обеспечивающие заданное качество отжига.

Целью работы является разработка и исследование моделей и технических решений системы автоматизированного отжига алюминиевой проволоки, подаваемой непосредственно на изолировку.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие основные задачи.

1. Разработка математических моделей процесса отжига, имитационное , моделирование функционирования системы отжига в установившемся режиме, а также оптимизация режимных и конструктивных параметров.

2. Разработка методики и исследование условий формирования замкнутого многовиткового контура- нагрева алюминиевой проволоки, охватывающего свободный стержень магнитопровода индуктора.

3. Разработка принципа неразрушающего контроля качества алюминиевой проволоки.

4. Разработка структурных решений системы автоматического управления качеством отжига алюминиевой проволоки в условиях совмещения с процессом производства изолированных проводов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические и экспериментальные методы. Теоретические исследования проведены методами дифференциального и интегрального исчисления, методами теории поля и теории цепей, а также методами теории автоматического регулирования, математического и имитационного моделирования, математической статистики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на действующих линиях по производству проводов с алюминиевыми жилами.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель статических (установившихся) режимов процесса отжига движущейся алюминиевой проволоки связывающая конструктивные и электрические параметры индуктора и многовиткового контура нагрева.

2. Математическая модель динамики контура нагреваемой проволоки.

3. Способ стабилизации силы натяжения проволоки при сходе с отдающей катушки.

4. Экспериментальная зависимость электрической проводимости замыкания контура нагрева на контактном отклоняющем ролике от величины натяжения проволоки.

5. Принцип построения устройства неразрушающего контроля характеристики пластичности, ожигаемой проволоки.

Научная новизна основных научных положений заключается в следующем:

1. В построении модели процесса отжига как системы, объединяющей в себе электромагнитные, тепловые и механические явления.

2. Предложенным принципом контроля качества отжига путем измерения рассеяния энергии при возбуждении колебаний на фиксированном участке движущейся проволоки.

3. Обоснованием целесообразности формирования многовитковых контуров нагрева.

4. Предложенным принципом поддержания натяжения движущейся проволоки на допустимом по условию прочности уровне.

Практическая ценность выполненных исследований. Практическая ценность работы характеризуется следующими положениями:

1. Экспериментально установленной зависимостью переходной электрической проводимости от величины силы натяжения отжигаемой проволоки.

2. Перечнем требований и рекомендаций для принятия конструкторских решений, выработанным в процессе испытаний опытно-промышленных образцов индукторов.

3. Разработкой инженерной методики расчета основных конструктивных параметров и размеров индуктора для рассматриваемого способа отжига.

4. Подтверждением относительно высоких энергетических показателей индуктора с сердечником в сравнении с индуктором высокой частоты.

5. Возможностью работы установки отжига в автономном режиме, вне связи с процессом изолировки.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, использованы при разработке двух опытно-промышленных установок для отжига алюминиевой проволоки и внедренных в производство проводов и кабелей на предприятии ОАО ВСЭМ г. Иркутска.

4.5. Выводы

По данным исследования двух способов стабилизации натяжения проволоки в системе совмещенного отжига можно сделать следующие выводы:

1. Постоянство силы натяжения на протяжении всего времени ее подачи с отдающей катушки достигается применением управляемого тормозного устройства.

2. Наиболее эффективны управляемые тормозные устройства на базе электрических машин постоянного и переменного тока.

3. Асинхронная машина естественным образом обеспечивает постоянную-тормозную'мощность на частотах вращения-больше критической.

4. Система торможения на основемашиньъпостоянноготока обеспечивает тормозные режимы практически при любом сочетании рабочих характеристик отдающей катушки.

5. Заключение

Нагрев алюминиевой проволоки малых сечений при продольном намагничивании оказывается мало эффективным (весьма» низкие к.п.д. и коэф фициент мощности) и трудно реализуемым. Изготовление соленоидной обмотки индуктора с внутренним диаметром соизмеримым с диаметром проволоки, а также создание поля с напряженностью порядка 105 А/м представляет собой сложную техническую задачу.

Альтернативным решением является индукционный нагрев за счет наведенной трансформаторной ЭДС в контуре, образованном участком проволоки и охватывающим свободный стержень сердечника индуктора. Энергетические показатели процесса при этом способе существенно выше и приближаются к таковым у электрических машин.

Замкнутый контур движущейся проволоки создается с помощью отклоняющих роликов с направляющими канавками, один из которых выполняется электропроводным. Малое переходное сопротивление на дуге замыкания обеспечивается достаточной силой натяжения проволоки, выбором формы направляющей канавки. Канавка треугольной формы с углом 60° наиболее эффективна за счет того, что образуется две контактных дорожки не зависимо от диаметра проволоки, кроме того наличие двух дорожек снижает вероятность потери контакта.

Практика использования опытно-промышленных установок подтвердила устойчивость и надежность замкнутого состояния контура нагрева. Многовитковые контуры практически исключают разомкнутое состояние контура. Существенным является еще и то, что движение проволоки сопровождается скольжением по поверхности направляющих канавок вследствие ее удлинения при нагреве, что также снижает переходное сопротивление замыкания. Прямолинейные участки многовитковых контуров подвержены вибрации из-за неустойчивости скольжения и электромагнитного взаимодействия между собой. Малый промежуток между витками может привести к замыканиям между ними, перераспределению токов и местным перегревам вплоть до плавления.

Контур нагрева — одновитковая вторичная обмотка трансформатора. Получение достаточной ЭДС в контуре достигается' выбором площади сечения стержня сердечника индуктора и частотой источника питания. Исследования режимов работы индуктора на модели показали, что при термообработке проволоки сечением от 2.5 мм достаточно поднять частоту до 200 Гц, которую можно считать оптимальной- по допустимой температуре сердечника.

В многовитковых контурах каждый последующий- виток оказывается менее эффективным вследствие увеличения, активного сопротивления при той же самой величине ЭДС. ЭДС пропорциональна скорости протяжки проволоки в степени 0.5 и определяет производительность процесса.

Определяющим размером индуктора- является1 радиус отклоняющего ролика. Наибольшая скорость протяжки пропорциональна числу витков контура нагрева и третьей степени радиуса отклоняющего'ролика. Массогаба-ритные характеристики индуктора оказываются приемлемыми в большинстве случаев.

Процесс отжига находится под влиянием ряда внешних факторов (скорость движения, начальная температура, температура и скорость окружающей среды, химический состав и др.). Скорость движения проволоки по технологическим причинам изменяется в широких пределах. В' связи с этим, система управления процессом- должна строиться как комбинированная с компенсацией изменения скорости и обратной связью по параметру косвенно связанному с нормируемыми характеристиками отожженной проволоки.

Таким параметром может быть энергия, рассеиваемая'в материале проволоки при ее деформации с заданной амплитудой и частотой. Участок отожженной проволоки, зафиксированный между двумя опорами (струна) в сочетании с возбудителем незатухающих колебаний, мощность которого косвенно связана с пластичностью, может служить датчиком в контуре регулирования.

Транспортное запаздывание сигнала струнного датчика, зависящее от скорости движения проволоки, затрудняет получение высоких показателей качества регулирования. Реально система управления процессом отжига должна быть адаптивной.

Проволока на переработку поступает на катушках, устанавливаемых на отдающих устройствах снабженных ленточным тормозом. Постоянный по величине тормозной момент создает увеличивающуюся силу натяжения проволоки по мере ее схода с катушки. Малая величина предела прочности алюминия и снижение его в нагретом состоянии вынуждает ограничивать натяжение. Напряжение растяжения практически должно быть ниже предела текучести с коэффициентом запаса прочности 1.5-2.

Наиболее простой и надежной системой регулирования натяжения проволоки является система на базе машины постоянного тока в режиме динамического торможения с автоматической стабилизацией тока якоря за счет изменения возбуждения. Иные средства регулирования потребуют установки датчика натяжения.

1. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Марков, Ю.В. Грановский. — М.: Наука, 1976.

2. Алюминий. Металловедение, обработка и применение алюминиевых сплавов: справочное пособие. — М.: Металлургия, 1972.

3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. -М:: Энергоатомиздат, 1982.

4. Бабат Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение / Г.И. Бабат. — М.: Энергия, 1965.

5. Борисенко А. И. Аэродинамика и теплопередача'в электрических машинах/А.И. Борисенко, В.Г. Данько, А.И. Яковлев. -М.: Энергия, 1974.

6. Борисенко А. И. Векторный анализ и начала тензорного исчисления / А.И. Борисенко, И.Б. Таранов. М.: Высшая школа, 1966.

7. Борцов Ю.А. Автоматизированный электропривод с упругими связями / Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский. — СПб.: Энергоатомиздат. Санкт- Петербург. отделение, 1992.

8. Бутовский А.Г. Управление нагревом металла / А.Г. Бутовский, С.А. Малый, Р.В. Яковлева. - М.: Металлургия, 1981.

9. Вешеневский С.Н., Характеристики двигателей в электроприводе / С.Н. Вешеневский. М. JL, Энергия, 1966.

10. Волович Г.И. Динамика вентильных источников вторичного электропитания постоянного тока/Г.И. Волович. — М.: Энергоатомиздат, 1991.

11. П.Воронин П.А. — Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П.А. Воронин. 2-е изд. - М.: ДОДЭКА -XXI, 2005.

12. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления / A.A. Воронов.- M.-JI. Энергия, 1965.

13. Воронцова Jl. А. Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях / J1.A. Воронцова, В.В. Маслов, И.Б. Пешков. — М.: Энергия, 1971.

14. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, H.H. Юрченко, П.Н. Шевченко. -М.: Радио и связь,1988.

15. Головин Г. Ф. Высокочастотная термическая обработка / Г.Ф. Головин, М.М. Замятин. Д.: Машиностроение, 1990.

16. Губанов В.В. Стабилизированные полупроводниковые преобразователи в системе с немагнитными резонансными устройствами /В.В. Губанов. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд- ние.1985

17. Демирчан К.С. Машинные расчеты электромагнитных полей / К.С. Демирчан, В.Л. Чечурин. М.: Высшая школа, 1986.

18. Ейльман Л. С. Проводниковые материалы для кабелей и проводов / Л.С. Ейльман, В.И. Королев, В.М. Цесарский. -М.: Энергия, 1966.

19. Залесский A.M. Основы теории электрических аппаратов / A.M. Залесский.- М: Высшая школа, 1974.

20. Ильинский Н.Ф. Общий курс электропривода: Учеб. для вузов / Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко. — М.: Энергоатомиздат, 1992.

21. Ильинский Н.Ф., Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом / Н.Ф. Ильинский. — М.: Энергоатомиздат, 1981.

22. Казанцев Ю.А. Методы расчета потенциальных электромагнитных полей / Ю.А. Казанцев, В.А. Кузовкин, В.Г. Миронов. М.: Издательство МЭИ, 1994.

23. Калантаров П.Л. Расчет индуктивностей. Справочная книга / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. Л.: Энергоатомиздат, 1986.

24. Калачев Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов / Б.А. Калачев, В.И. Елгин, В.А. Ливанов. М.: МИСИС, 1999.

25. Копытин B.C. Тормозные режимы системы преобразователь частоты двигатель / B.C. Копытин, В.И. Лихошерст, М.М. Соколов. — М.: Энергоатомиздат 1985.

26. Коврев Г.С. Электроконтактный нагрев при обработке цветных металлов / Г.С. Коврев. М.: Металлургия, 1975.

27. Ключев В.И. Теория электропривода / В.И. Ключев. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

28. Криштал М.А. Внутреннее трение и структура металлов / М.А. Криштал, С.А. Головин. М.: Металлургия, 1976.

29. Кувалдин А.Б., Дианов А.И. Исследование электрических и энергетических характеристик индукционных нагревательных систем со стержневыми индукторами / А.Б. Кувалдин, А.И. Дианов // Вестник МЭИ №1, 2005.-С.

30. Кунцевич В.М. Адаптивное управление: алгоритмы, системы, применение / В.М. Кунцевич; под ред. В.В. Павлова. — Киев: Выща шк., 1988.

31. Кузнецов Д.С. Специальные функции / Д.С. Кузнецов. — М.: Высш. Шк.,1962.

32. Лазарев Ю.Ф. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс / Ю.Ф. Лазарев. СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005.

33. Левин А.П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной аппаратуры / А.П. Левин. — М.: Советское радио, 1972.

34. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов / Л.В. Лейтес. — М.: Энергия, 1981.i

35. Лейтес Л.В. Схемы замещения многообмоточных трансформато- * ров / Л.В. Лейтес. М.: Энергия, 1974.

36. Лейтес Л.В. Эквивалентные схемы многообмоточных трансформаторов / Л.В. Лейтес. М.: Отделение ВНИИЭМ по науч.-техн. информации, стандартизации и нормализации в электротехнике, 1968.

37. Луконин A.A. Принцип выьора основных параметров индуктора для отжига алюминиевой проволоки // Материалы международной научно-технической конференции. — Электромеханические преобразователи энергии. -Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 137 - 140.

38. Луконин A.A. Индукционный нагрев алюминиевой проволоки / A.A. Луконин, Г.Г. Гоппе // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы ежегодной Всероссийской научно-практической конференции. Иркутск 2004. — С.

39. Луконин A.A. Модель нагрева алюминиевой проволоки с целью отжига // Сборник научных трудов НГТУ. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. — С.61-67.

40. Мануковский Ю.М. Широкорегулируемые автономные транзисторные преобразователи частоты / Ю.М. Мануковский. — Под ред. Г.В. Ча-лон; АН ССРМ, Отд. энерг. киберненики. Кишинев: Штиинца 1990.

41. Милохин Н.Т. Частотные датчики систем автоконтроля и управления / Н.Т. Милохин. — М.: Энергия, 1968.

42. Мирошник И.В. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами / И.В. Мирошник, В,О. Никифоров, A.JI. Фрад-ков. — СПб.: Наука. С.- Петерб. изд. фирма, 2000.

43. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев. Госэнергоиз-дат.1956.

44. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи / B.C. Моин. — М.: энергоатомиздат 1986.

45. Недовизий И.Н. Совмещение процессов производства проволоки / И.Н. Недовизий, С.И. Петрухин, А.Г. Комаров. М.: Металлургия, 1979.

46. Нейман JI.P., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники: в 2 т. / JI.P. Нейман, К.С. Демирчан. — Л.: Энергоатомиздат, 1981. Т.2.

47. Немков В. С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева / B.C. Немков, В.Б. Демидович. — Л.: Энергоатомиздат, 1988.

48. Немков B.C. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева / B.C. Немков, Б.С. Полеводов. М.: Машиностроение,1980.

49. Никифоров В.О. Адаптивное управление с компенсацией возмущений / В.О. Никифоров. СПб.: Наука. С.-Петерб. изд. фирма, 2003.

50. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие / П.И. Орлов. М.: Машиностроение, 1988.

51. Основы теории электрических аппаратов. Под ред. И.С. Таева. -М.: Высш. шк., 1987.

52. Основы теории цепей / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, A.B. Нетушил, C.B. Страхов. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

53. Основы управления технологическими процессами / С.А. Аниси-мов, В.П. Дынькин, А.Д. Касавин, В.М. Лотоцкий, A.C. Мандель, Н.С. Рай-бман, В.М. Чадеев; под ред. Н.С. Райбмана. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1978.

54. Певзнер М.З. Непрерывная индукционная термообработка лет и полос / М.З. Певзнер, Н.М. Широков, С.Г. Харютин. М.: Металлургия, 1994.

55. Пешков И.Б. Кабельная промышленность России: итоги первого полугодия 2004 года / И.Б. Пешков // Кабели и провода №4 2004. С.7-11.

56. Пешков И.Б., Уваров Е.И. Кабельной промышленности России 125 лет: этапы пути, становление, современное состояние / И.Б. Пешков, Е.И. Уваров // Кабели и провода №5 2004. С.3-8.

57. Писаренко Г.С. Вибропоглощающие свойства конструкционных материалов. Справочник /Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. Киев: Наукова думка, 1976.

58. Писаренко Г.С. Методы определения характеристик демпфирования колебаний упругих систем / Г.С. Писаренко, В.В. Матвеев, А.П. Яковлев. Киев: Наукова думка, 1976.

59. Писаренко Г.С., Стрижало В.А. Экспериментальные методы в механике деформируемого твердого тела / Г.С. Писаренко, В.А. Стрижало. -Киев: Наукова думка, 1986.

60. Писаренко Г.С., Обобщенная нелинейная модель учета рассеяния энергии колебаний / Г.С. Писаренко. Киев: Наукова думка,1985.V

61. Полупроводниковые преобразовательные устройства: межвуз. сб. науч. тр. / Чуваш, гос. ун-т им. И.Н. Ульянова: редкол.: В.М: Яров (отв. Ред.) и др.. Чебоксары: ЧТУ.

62. Полупроводниковые системы преобразования, управления и автоматизации технологических процессов: межвуз. сб. науч. тр. / Мордов. гос. ун-т им. Н.П. Огарева: Редкол.: H.H. Бондаренко (отв. ред.) и др. — Саранск: МГУ 1990.

63. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах / B.C. Постников. -М.: Металлургия, 1969.

64. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел / Ж.П.Пуарье; пер. с франц. Г.Д. Стельмаковой; под ред. A.C. Кагана, С.С. Рыжак. -М.: Металлургия, 1982.

65. Рид Р. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие / Р. Рид, Дж. Прауниц, Т. Шервуд; пер. с англ. Л.: Химия, 1982.

66. Риневич Е.С. Обработка цветных металлов в кабельном производстве / Е.С.Риневич, A.M. Джетымов. М.: Энергия 1971.

67. Ротерс Р. Электромагнитные механизмы / Р. Ротерс. — М., Л.: Гос-энергоиздат, 1949.

68. Слухотский А.Е. Индукторы для индукционного нагрева / А.Е. Слухотский, С.Е. Рыскин. Л.: Энергия, 1974.

69. Справочник по теории автоматического регулирования / под. ред. A.A. Красовского. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.

70. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. — М.: Энергоатомиздат,1988. — Т1.

71. Тихомиров П.М., Расчет трансформаторов / П.М. Тихомиров. М.: Энергия, 1968.

72. Туровский Я. Техническая электродинамика / Я. Туровский. — М.: Энергия, 1974.

73. Уильяме Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление: справочное пособие / Б. Уильяме; пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1993.

74. Уваров Е.И. Динамика объемов экспорта-импорта кабельных изделий России в 2003 году / Е.И. Уваров // Кабели и провода №3, 2004. С.9-15.

75. Установки индукционного нагрева / под ред. Слухоцкого А.Е. — Л.: Энергия, 1981.

76. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Техническая кибернетика. Книга 1. Измерительные устройства, преобразующие элементы и устройства. Под. ред. В.В. Солодовникова. — М:: 1973.

77. Фельдман И.А. Промышленный электронагрев / И.А. Фельдман, Г.К. Беляев, Л.Ф. Рубин. -М.: Информэлектро, 1971.

78. Фарбман С.А. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов / С.А. Фарбман, И.Ф. Колобнев. М.: Металлургия, 1968.

79. Фрадков А.Л. Адаптивное управление в сложных системах. Беспоисковые методы / А.Л. Фрадков. М.: Наука, 1990.

80. Царенко А.И. Новый принцип построения статических преобразователей электрической энергии / А.И. Царенко, Д.Л. Серегин // Вестник МЭИ: 2008, №1, С. 98 104.

81. Цейтлин Л.А. Индуктивность проводов и контуров / Л.А. Цейтлин. — Л.: Госэнергоиздат, 1950.

82. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЬАВ, 81шРошег8уз1ет8 и втиПпк / И.В. Черных. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008.

83. Чернышев И.А. Система автоматического регулирования относительного удлинения медной проволоки при отжиге на непрерывных линиях:автореф. Дис.канд. тех. Наук: 24.05.00 / H.A. Чернышов Томск: Изд-во ТПУ, 2000.

84. Чертавских А.К. Трение и технологическая смазка при обработке металлов давлением / А.К. Чертавских, В.К. Белосевич. — Металлургия, 1968.

85. Шамов А.Н. Высокочастотная сварка металлов / А.Н. Шамов, И.В. Лунин, В.Н. Иванов. Л.: Политехника, 1991.

86. Шевяков A.A. Управление тепловыми объектами с распределенными параметрами / A.A. Шевяков, Р.В. Яковлев . — М.: Энергоатомиздат, 1986.

87. Шимони К. Теоретическая электротехника / К. Шимони. М.-Л.: Мир, 1964.

88. Электромеханические аппараты автоматики / Б.К. Буль, О.Б. Буль, В.А.Азанов, В.Н. Шоффа. -М.: Высшая шк., 1988.

89. Электромеханические комплексы с синхронными двигателями и тиристорным возбуждением / П.А. Абрамович, В.Я. Чаронов, Ф.Д. Дудинин, Ю.В. Коновалов. Л.: Наука, 1995.

90. Эроносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями / С.А. Эроносян. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение 1991.

91. Ядыкин И.Б. Адаптивное управление непрерывными технологическими процессами / И.Б. Ядыкин, В.М. Шумский, Ф.А. Овсепян. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

92. Янке Е. Специальные функции (Формулы, графики, таблицы) / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. М.: Мир, 1968.