Ви є тут

Технологічна та енергетична ефективність індукційного наплавлення тонких сталевих дисків

Автор: 
Пулька Чеслав Вікторович
Тип роботи: 
Дис. докт. наук
Рік: 
2006
Артикул:
3506U000551
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РОЗДІЛ 2
ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ ЕНЕРГООЩАДНИХ ДЖЕРЕЛ І РЕЖИМІВ НАГРІВАННЯ ДЛЯ НАПЛАВЛЕННЯ
ТОНКИХ СТАЛЕВИХ ДИСКІВ
2.1. Розробка математичної моделі оптимізації конструктивних параметрів
двохвиткового кільцевого індуктора для наплавлення дисків у випадку, коли
індуктор вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним
полями
При індукційному наплавленні деталей машин використовують різного роду
індуктори (джерела нагрівання), з допомогою яких нагрівається основний метал, а
від основного металу розплавляється стійкий проти спрацювання порошкоподібний
твердий сплав [5, 101]. Відповідно із зміною номенклатури деталей, які
випускаються промисловістю для забезпечення якісного наплавлення робочих
поверхонь, необхідно підбирати інші конструктивні розміри індукторів і
нагрівальних систем. В доповіді академіка Б.Є.Патона [102] відмічено, що в
даний час при розробці нових технологічних процесів зварювання, наплавлення і
т. д. багато сил і енергії витрачається на проведення експериментів, які
пов’язані з великими матеріальними затратами.
Тому при проектуванні і конструюванні нових технологічних процесів необхідно
розробляти такі математичні моделі, які б охоплювали багатогранність явищ, що
відбуваються в цьому технологічному процесі, що приведе до зменшення кількості
експериментів. Цьому напрямку, а саме, математичному моделюванню проектування
індукторів і нагрівальних систем для наплавлення тонких сталевих дисків
присвячений даний розділ.
Як було відмічено в розділі 1, широке застосування в техніці знаходять деталі у
вигляді тонких сталевих дисків товщиною 2ј6 мм суцільної і зубчатої форми з
шириною наплавлення 5ј50 мм, робочу поверхню яких наплавляють порошковими
твердими сплавами ПГ-С1, ПГ-С27, ПГ-С25, ПГ-АН9 та ін. за допомогою струмів
високої частоти [5, 95]. При цьому використовують конструкції індукторів для
неперервно-послідовного і одночасного наплавлення робочих поверхонь деталей із
застосуванням генераторів частотою f=440 кГц [5]. Раніше була розроблена нова
технологія індукційного наплавлення тонких сталевих дисків зубчатої форми з
шириною наплавлення більшою за висоту зуба [88, 89], а також конструкція
двохвиткового кільцевого індуктора [98], який дозволяє одночасно наплавляти
диск по всій робочій поверхні. Ця конструкція індуктора дає можливість
наплавляти диски з шириною наплавлення від 5 до 20 мм для конкретного діаметра
диска (наприклад, 210 мм).
Однак на практиці зустрічаються випадки, коли ширина зони наплавлення і
діаметри дисків можуть бути довільними. Для інших розмірів дисків і зони
наплавлення необхідно знаходити нові конструктивні параметри двохвиткового
кільцевого індуктора з метою забезпечення якісного процесу їх наплавлення. Шлях
експериментального підбору таких параметрів вимагає значного часу і
матеріальних затрат. Тому виникає необхідність в розробці методики, яка б
давала можливість на практиці для будь-яких діаметрів дисків і ширини зони
наплавлення швидко знаходити оптимальні конструктивні параметри індуктора без
проведення експерименту.
Для цього необхідно розробити таку методику оптимізації (аналітичні розрахунки
та програмне забезпечення), яка б дозволяла інженеру знаходити графічні або
табличні дані, необхідні для визначення оптимальних конструктивних розмірів
індукторів або нагрівальних систем, виходячи з потреб технології, яка наведена
нижче.
В роботі [88] нами показано, що якісне наплавлення тонких дисків одночасно по
всій робочій поверхні порошкоподібними сплавами за час наплавлення t
забезпечується при постійній величині питомої потужності теплових джерел, яка
визначається за формулою:
(2.1)
Оптимальним (енергоощадним) з точки зору економії енергії режимом наплавлення
являється такий, при якому питома потужність теплових джерел змінюється в часі
за законом [88]
(2.2)
Нами встановлено, що в залежності від складу наплавлюваних матеріалів, економія
електроенергії може досягати 15...25% [88].
Реалізувати розподіл питомої потужності (2.1) або (2.2) можна за допомогою
індуктора, який складається з двох кільцевих витків [89], встановлених
паралельно до наплавлюваної поверхні диска (рис. 2.1 а, б), які з’єднані між
собою зустрічно-паралельно (в протифазі по струму і магнітному потоку). Витки
індуктора як провідники зі струмом утворюють навколо себе електромагнітне поле.
Електромагнітне поле характеризується напруженістю електричного і магнітного
полів. Необхідно визначити напруженість електричного поля і на цій основі –
питому потужність теплових джерел, які створюються полем в середовищі, що
нагрівається.
Електричне поле за межами індуктора описується диференціальним рівнянням [103],
справедливим при синусоїдальній зміні струму індуктора в часі:
, (2.3)
в якому E – комплексна амплітуда напруженості електричного поля;
J – комплексна амплітуда густини струму в індукторі.
Тоді напруженість електричного поля визначається за формулою
(2.4)
де Ii = 2 р ci J - лінійна густина струму індуктора;
ci ( i = в,н ) - радіуси поперечних перерізів витків індуктора;
ai (i = в,н ) - радіуси осей витків;
hi ( i = в,н ) - відстань площин осей витків індуктора від серединної площини
диска;
r, z, ц – координати точок поля в циліндричній системі координат.
Використовуючи умови спряження електричних полів на межі простору i диска, а
також закон проникнення електричного поля в диск [103], одержимо наступні
формули для визначення електричного поля в ньому:
від витка 1 (рис. 2.1) в області верхньої поверхні диска
(2.5)
від витка 2 в області нижньої поверхні диска
(2.6)
від витка 1 в області торця диска в радіальному напрямку
(