О Шаблій - Розроблення енергоощадних нагрівальних систем для індукційного наплавлення деталей сільськогосподарських машин - страница 1

Страницы:
1  2  3 

Розроблення енергоощадних нагрівальних систем для індукційного наплавлення деталей сільськогосподарських машин / Шаблій О., Пулька Ч., Сенчишин В., Гаврилюк В. // Вісник ТНТУ. — 2011. — Том 16. — №4. — С.107-119. — (машинобудування, автоматизація виробництва та процеси механічної обробки).

УДК 621.791.927.7

О. Шаблій, докт. фіз.-мат. наук; Ч. Пулька, докт. техн. наук; В. Сенчишин; В. Гаврилюк

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя

РОЗРОБЛЕННЯ ЕНЕРГООЩАДНИХ НАГРІВАЛЬНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ІНДУКЦІЙНОГО НАПЛАВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ МАШИН

Резюме. Розроблено математичну модель оптимізації конструктивних параметрів нагрівальних систем наплавлення дисків зубчастої і суцільної форми, довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення, які дозволяють зменшити матеріальні, трудові та енергетичні затрати, виходячи з потреб технології.

Ключові слова: індукційне наплавлення, тонкі сталеві диски, індуктори, нагрівальні системи, оптимізація, тепловий та електромагнітний екрани, температурне поле, шихта.

O. Shabliy, Ch. Pulka, V. Senchyshyn, V. Gavryliuk

DEVELOPMENT OF POVER-SAVING HEATING SYSTEMS FOR THE INDUCTION FUSION OF THE AGRICULTURAL MACHINE

PARTS

The summary. Mathematic models of the construction parameters optimisation of the heating systems for fusion of the gear and continuous form disks of the arbitrary fusion area diameters and sizes, which allow to decrease material, labour and power expenditures according to the technology.

Key words: induction fusion, thin steel disks, inductors, heating systems, optimisation, heat and electromagnetic screens, temperature field, charge.

Постановка проблеми. В різних галузях народного господарства широке застосування знайшли тонкі сталеві диски, до яких відносяться диски лущильників, ножі гичкорізів, дискові ножі для різання шиферу і зрізування соняшнику, диски копачів бурякозбиральних комбайнів, диски сошників зернових сівалок, фрези і т. п.

З метою підвищення їх зносостійкості та забезпечення самозагострювання в процесі експлуатації робочі поверхні зміцнюють різними методами наплавлення. Найширше розповсюдження для зміцнення робочих поверхонь названих вище деталей отримало індукційне наплавлення зносостійкими порошкоподібними твердими сплавами [1-4].

Існуючим процесам наплавлення тонких дисків, у тому числі й індукційному, властиві такі недоліки: порівняно низька продуктивність процесу, велика енергоємність, нерівномірність товщини шару наплавленого металу, а також складність підбору конструкцій індукторів і нагрівальних систем для наплавлення деталей залежно від їх геометричних розмірів та конструкції. Особливою складністю є завдання наплавлення дисків як суцільної, так і зубчастої форми, які використовуються в сільськогосподарських машинах, з шириною наплавлення більшою за висоту зуба. Для покращення наведених вище недоліків необхідно розробити теоретичні основи для проектування й конструювання нагрівальних систем з метою підвищення енергетичної і технологічної ефективності та засобів практичної реалізації цих технологій.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Відомі методи одночасного індукційного наплавлення по всій робочій поверхні тонких дисків, призначені для певного діаметра і розміру зони наплавлення [5-9]. При зміні геометричних розмірів диска і зони наплавлення необхідно шукати інші конструктивні параметри індукторів та нагрівальних систем для їх наплавлення. Шлях їх експериментального дослідження вимагає певного часу і великих матеріальних затрат.

У літературних джерелах відсутні достатньо точні методи визначення конструктивних параметрів нагрівальних систем із використанням струмів високої частоти для забезпечення якісного наплавлення залежно від їх механічних, тепло- та електрофізичних властивостей, геометричних розмірів дисків і зони наплавлення, що зумовлює необхідність удосконалення даного способу наплавлення.

Метою роботи є розроблення математичних моделей з оптимізацію конструктивних параметрів нагрівальних джерел (індукторів і систем) наплавлення дисків зубчастої і суцільної форми для довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення з отриманням графічних залежностей і табличних даних для їх визначення при мінімальних термінах та матеріальних затратах.

Постановка завдання. Побудова математичних моделей з проектування та конструювання нагрівальних систем у випадках, коли: індуктор не екранований, тобто відсутні теплові та електромагнітні екрани; існує нагрівальна система індуктор та електромагнітний екран і нагрівальна система індуктор, тепловий та електромагнітний екрани (ІТЕЕ).

Результати досліджень. На першому етапі проведено дослідження у випадку, коли джерелом нагрівання для круглого суцільного і зубчастого диска служить двовитковий кільцевий індуктор, який вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним полями (рис. 1). У цьому випадку витки індуктора під'єднані до генератора в протифазі по струму і магнітному потоку (рис. 2) з метою концентрації енергії в зоні наплавлення для досягнення необхідної температури.

Рисунок 1. Диск з індуктором (розрахункова схема):

1 - диск; 2 - шихта; 3 - двовитковий кільцевий      Рисунок 2. Схема під'єднання витків індуктора: індуктор; ав, ан - радіуси верхнього і нижнього 1, 2 - відповідно верхній і нижній витки (решта

витків індуктора; hB he - відстані від центру верхнього позначень у тексті)

і нижнього витків індуктора до серединної поверхні диска; св сн - радіуси поперечних перерізів верхнього і нижнього витків індуктора

У роботах [5,6], показано, що якісне наплавлення диска по всій робочій поверхні здійснюється за час т з допомогою постійної питомої потужності теплових джерел, яка визначається за формулою [5]

,2

W  =      ^    g     2     , (1)

1 - e-am т

або змінної в часі питомої потужності теплових джерел, яка визначається за енергоощадним за потужністю режимом [5]:

W =W =-g-T e (2)

sh- (a -m -т)

який дозволяє економити електроенергію на 15...25 % залежно від типу використання порошкоподібних твердих сплавів. Наприклад, для сормайту ПГ-С1 економія складає 15 %, а для ПГ-АН9 - відповідно 25 %. Тут введено позначення:

Тзд - температура (задана), при якій здійснюється якісне наплавлення і яка

Вт . Дж

досягається за час т;  Ag = cay, -—;  с - питома теплоємність, ——;   а -

м ■ °С' '   кг■0С '

м кг       2    Ві 2- h ■ а

температуропровідність, -;  y - густина, —-; m =—-; Bi =- - критерій

с м 2h А

Біо;   А  - коефіцієнт теплопровідності матеріалу диска, —°—;   а  - коефіцієнт

м- С

Вт _.

тепловіддачі, —^"0; t - біжучий час; т - час наплавлення.

м2 0 С

Питома потужність теплових джерел, у випадку двовиткового кільцевого індуктора, вільного від допоміжних засобів керування тепловим та електромагнітним полями, визначається за формулою [6]

2 2

W

128 п-2-h

' - 2<Г2-r) 1

М„2 - A2-a.2 +М„2-a„2-B2 + 4-h-a„2 2-C2-e А

L

(3)

в якій і = U  і = U  ZB, ZH - повний опір у верхньому і нижньому витках індуктора;

U - напруга на індукторі; а= /_2_     - глибина проникнення струму в деталь; а -

електрична провідність матеріалу диска; а> - кругова частота струму в індукторі; є0,

Л0 - відповідно діелектрична і магнітна проникність простору за межами індуктора;

Ів, Ін, ав, ан - відповідно струми і радіуси верхнього і нижнього витків індуктора, м;

r2 - зовнішній радіус диска; r3 - внутрішній радіус диска. Коефіцієнти А, В, С

визначаються через геометричні розміри диска та індуктора.

Оптимальні конструктивні параметри індуктора та закон зміни сили струму в індукторі визначаються з умови найкращого співпадання питомої потужності теплових джерел, створеної в диску двовитковим кільцевим індуктором із заданою питомою потужністю, що забезпечує наплавлення за час т . Вона записується у вигляді [5, 6]

Т r2

Ф = JJ(W - W3d)2rdrdt -> min. (4)

0 r1

Тут W визначається за формулою (3), а - за формулою (1) або (2) залежно від того, яка питома потужність, постійна чи змінна (енергоощадна), використовується для здійснення процесу наплавлення. При обчисленнях прийнято U2 = Ax, якщо W3d

визначається за формулою (1), або U2 = A1eam't, коли W3d знаходимо з формули (2), в яких А1 = const.

Проведено обчислення для різних діаметрів дисків і розмірів зони наплавлення. При розрахунках прийнято:

Вт

для диска:    r2 =0,105...0,210 м;  r3=0,055...0,2000 м;  2h =0,003 м;  А =40 -—;

м -оС

c =846^^; y = 5969,2      ; а = 1,25-10-6 —!—; Тд = 1200 °С; а = 455 -ВВтт-; м - С м Ом - м м - С

т = 32 с.

Основний метал - сталь ВСт 3.

Для індуктора: = = 0,001 м; св = 0,005 м; сн = 0,008 м; їв = 0,155 м; lH = 0,09 м; d1= 0,024 м; d2 = 0,004 м; л = 2,75/0; є0 = 8,854-10 12 Ф/м; Л0 = 4п-10 7 Гн/м; а = 2,763-106Гц; р = 0,17-10 7Ом-м, де і SH - відповідно товщини стінок верхньої і нижньої трубок індуктора; Ів і Ін - довжини трубок для з'єднання витків індуктора (див. рис. 2).

На рис. 3 наведено залежності геометричних параметрів індуктора ав, ан, he, hH від ширини зони наплавлення для диска радіусом r2 = 105 мм, які можна використати при конструюванні індукторів.

На рис. 4 наведено залежності струму індуктора в початковий момент наплавлення при енергоощадному режимі зміни потужності від ширини зони наплавлення. При збільшенні ширини зони наплавлення на індуктор необхідно подавати більший струм. Якщо ширину зони наплавлення для диска діаметром 2r2 = 420 мм збільшити від 10 до 50 мм, силу струму І необхідно збільшити від 20,7 А до 22,9 A, тобто в 1,11 раза. Крім цього, в таблиці наведено дані для конструктивних параметрів ав, ан, he, hH, св  сн, а також сили струму І залежно від радіуса дисків r2 і ширини

зони наплавлення S відповідно в межах від r2 = 105...210 мм та £=10...50 мм. Ця математична модель дає можливість визначити конструктивні розміри двовиткового кільцевого індуктора для нагрівання дисків довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення, виходячи з потреб технології, у випадку, коли індуктор вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним полями і забезпечує необхідне температурне поле в зоні наплавлення. Крім графічних залежностей, в табл. 1 наведено числові дані, за якими підбираються всі сім параметрів нагрівальної системи залежно від заданих радіусів дисків і розмірів зони наплавлення. Для спрощення розрахунків радіуси поперечних перерізів верхнього і нижнього витків прийняті постійними відповідно св=5 мм та сн=8 мм, які отримані експериментально.

140 120 100

SO

60

40

20

 

 

 

 

 

 

а»

 

 

' 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[-;

[-1

 

 

 

 

 

 

10

20

ЗО

40

50

S. мм

Рисунок 3. Залежність геометричних параметрів індуктора від ширини S зони наплавлення диска радіусом r2 = 105 мм (позначення в тексті)

Рисунок 4. Залежність струму індуктора І в початковий момент наплавлення при

енергоощадному режимі зміни потужності від ширини зони наплавлення при різних

радіусах диска r2 : 1 - r2 = 210 мм; 2 - 205

мм; 3 - 185 мм; 4 - 165 мм; 5 - 145 мм; 6 -125 мм; 7 - 105 мм

Для підтвердження теоретичних результатів ми провели експериментальні дослідження нагрівальної системи, яка зображена на рисунку 1 (індуктор без екранування). На рисунку 5 показано засипання шихти на диск, далі введення і наплавлення його в двовитковому кільцевому індукторі (рисунок 6 і на рисунку 7 -наплавлений диск). Теоретичні й експериментальні результати добре узгоджуються, розходження складає 3-5%.

Таблиця 1. Розрахункові значення геометричних параметрів індуктора залежно від

ширини S зони наплавлення і радіуса r2 диска без екранування торця диска

S, мм

r2, мм

ав, мм

ан, мм

hB, мм

hH, мм

I, A

1

2

3

4

5

6

7

10

105

125

98

20

14,5

20,64

 

125

145

117

20

14,5

20

 

145

165

138

20

14,5

19,7

 

165

185

157

20

14,5

19

 

185

205

177

20

14,5

18,3

 

205

225

195

20

14,5

18,16

 

210

230

201

20

14,5

18

20

105

125

96

20

14,5

21

 

125

145

117

20

14,5

20,3

 

145

165

134

20

14,5

19,9

 

165

185

154

20

14,5

19,3

 

185

205

174

20

14,5

19

 

205

225

193

20

14,5

18,6

 

210

230

198

20

14,5

18,5

30

105

125

93

20

14,5

21,6

 

125

145

112

20

14,5

21

 

145

165

133

20

14,5

20,2

 

165

185

151

20

14,5

19,7

ВІСНИК ТЕРНОПІЛЬСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ. 2011. Том 16. № 4

S, мм

r2, мм

ав, мм

ан, мм

hB, мм

hH, мм

I, A

 

185

205

170

20

14,5

19,3

 

205

225

190

20

14,5

19

 

210

230

195

20

14,5

18,9

40

105

125

91

20

14,5

22

 

125

145

109

20

14,5

21,3

 

145

165

128

20

14,5

20,71

 

165

185

149

20

14,5

20,13

 

185

205

168

20

14,5

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

О Шаблій - Визначення початкових швидкостей руху розплавленого металу в технологічному тигелі

О Шаблій - Розроблення енергоощадних нагрівальних систем для індукційного наплавлення деталей сільськогосподарських машин

О Шаблій - Технологічні пристосування для індукційного наплавлення деталей сільськогосподарськихмашин

О Шаблій - Технологічні особливості відновлення спрацьованих залізничних коліс