WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 12 |

При той же частоте тока можно подобрать мощность таким образом, чтобы температуры поверхности и сердцевины, постепенно поднимаясь, одновременно достигали заданных значений. Ввиду того, что такой режим нагрева используется чаще, чем нагрев при постоянной температуре, его принято называть обычным нагревом. Нагрев при постоянной температуре позволяет нагревать заготовку за минимальное время. Большой градиент температуры обеспечивает быструю передачу тепла от поверхности к сердцевине, поэтому среди всех возможных режимов нагрева током данной частоты режим при постоянной температуре будет иметь самый высокий термический КПД.

Уменьшая частоту, можно увеличить «горячую» глубину проникновения тока. При этом меньший объем металла будет нагреваться за счёт теплопроводности. Время нагрева уменьшится, а, следовательно, термический КПД возрастёт. Это показывает, что величина термического КПД так же зависит от отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока. Чем больше это отношение, тем термический КПД меньше.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Таким образом, при увеличении отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока электрический КПД возрастает, а термический КПД убывает. Это обстоятельство позволяет для каждого диаметра заготовки установить полосу частот тока, в пределах которой полный КПД имеет достаточно высокое значение. При обычном индукционном нагреве КПД будет достаточно высоким, если отношение диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока лежит в пределах от 3,5 до 5. В отдельных случаях, когда нежелательно вводить дополнительную частоту тока, диапазон нагреваемых диаметров может быть расширен.

Стадии нагрева В соответствии с формулой (1.13) полное электрическое сопротивление индуктора:

ZИ = r1 + r'2 + j(xS + x'2m ) = rИ + j x.

И Активное сопротивление r1 для весьма длинного индуктора и реактивное сопротивление рассеивания xS не зависят от физических свойств нагреваемого объекта, изменяющихся в процессе нагрева.

Однако сопротивления r'2, x'2m нагреваемого объекта существенно зависят от его удельного сопротивления 2 и относительной магнитной проницаемости, претерпевающих значительные изменения в течение нагрева.

При рассмотрении индукционного нагрева стали до температуры, превышающей точку магнитных превращений, целесообразно ввести понятие о стадиях нагрева, характеризующих режим работы системы.

Выделим три основные стадии нагрева:

1. Начало нагрева – «холодный» режим. Удельное сопротивление по всему сечению равно исходному. Магнитная проницаемость в любой точке сечения определяется кривой намагничивания.

2. Промежуточный режим. Температура поверхности нагреваемого объекта ниже точки магнитных превращений, но выше исходной. Для температуры магнитных превращений примем среднее значение Тµ=750°С.

Эта стадия нагрева отличается от первой зависимостью удельного сопротивления от координаты, так как функцией координаты является температура. Очевидно, что непостоянство удельного сопротивления существенно лишь в пределах участка, равного глубине проникновения электромагнитной волны:

x = (1,5...2,0)2. (1.17) На таком расстоянии от поверхности температура и удельное сопротивление падают не более чем в 2 раза; что несоизмеримо с изменением магнитной проницаемости, возрастающей от поверхности в глубь в сотни и тысячи раз.

В практических расчётах удельное сопротивление в этом режиме будем принимать равным его значению на поверхности. Обычно расчёт ведётся при PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com температуре поверхности Т0=650…600 °С, при которой в среднем 2=(6,0…6,5)10-7Омм.

3. «Горячий» режим. У поверхности слой некоторой толщины хк прогрет выше точки магнитных превращений, остальное сечение имеет более низкую температуру, постепенно спадающую по мере удаления от поверхности. Переменными являются и µ, причём магнитная проницаемость изменяется почти скачком на границе прогретого слоя.

В предельном случае «горячего» режима всё сечение прогрето насквозь, и тогда 2 и µ можно считать постоянными (µ=1 – относительная проницаемость). Практически это возможно, если ХК>2К, где К – «горячая» глубина проникновения тока.

1.4. ПРИБЛИЖЁННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ НАГРЕВА И УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ СКВОЗНОМ НАГРЕВЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК.

1.4.1. Расчёт по средней удельной мощности (обычный нагрев) Применительно к нагревателям периодического действия, работающим при постоянном напряжении, и нагревателям методического действия с постоянным шагом витков используем расчёт при постоянной удельной мощности, выбрав её по среднему значению за время нагрева[3].

Время нагрева:

TS(,1)- S(,0) TЦ Dt = =, (1.18) К T4 a - TЦ где Т0 – температура поверхности цилиндрической заготовки;

Тц – температура на оси заготовки;

S(,1) – значение функции S(,) при =1;

S(,0) – значение функции S(,) при =0;

= 1- - относительная глубина активного слоя;

rx = 1- - относительная координата;

r - глубина активного (в отношении выделения тепла) слоя.

В общем случае функция S зависит от переменных,,. Переменная – критерий Фурье:

a t = (относительное время), R где а – температуропроводность;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com t – время нагрева;

R2 – радиус цилиндра.

Функция S(,, ) входит в решение уравнений теплопроводности.



Уравнение теплопроводности для нагрева цилиндра:

T T 1 T a - a 2 + = q, t r r r P0 2 R где q = – объёмная плотность источников тепла, 2 R - распределённых в слое ;

Р0 – удельная мощность;

– коэффициент теплопроводности;

Решение уравнения P0 R T = 2 [ + S(,, )], (1.19) Т – температура на расстоянии х от поверхности.

Если >0,2, то можно считать, что функция S не зависит от. Тогда имеем:

1) при > S(,, ) S(,) = 8 (1 - 2)(2 2 + 2 - 3 ln ), 2 2 2 ln 2) при < S(,, ) S(,)= + + 4 2 (1 - 2).

Нагрев под ковку, штамповку производится с температурой 1200…1300°С. Принимаем в качестве средних значения тепловых коэффициентов при 800°С. Тогда имеем:

Дж 1) Удельная теплопроводность c = 6,68102 ;

кг 0 С Вт 2) Коэффициент теплопроводности = 33,5 ;

м гр м3) Коэффициент температуропроводности а = 6,410-6.

с В практике допускается перепад температуры между поверхностью и осью заготовки Т=100…150°С. При перепаде температуры Т=100°С имеем:

t 22104[S(,1)-1,18S(,0)], с. (1.20) K При Т=150°С имеем:

tK 13104[S(,1)-1,3S(,0)], с, (1.21) где функция S находится по таблице.

Полезная удельная мощность находится по формуле:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com TВт P0 =,, (1.22) 2 R ( + S(,1, )) мгде S(,1, ) S(,1).

Полная полезная мощность:

РТ=D2a2Р0. (1.23) В расчётные формулы входит относительная глубина активного слоя, которая вычисляется для конца нагрева. Для соотношения К 0,4R2, где 0,к = («горячая» глубина проникновения тока) справедливо равенство:

f = K.

Когда К>0,4R2, то глубина активного слоя перестаёт увеличиваться с понижением частоты 0,4 R 0,2 D Имеем предельное значение пред=0,6.

Примерно с той же точностью можно определить время нагрева, приняв =0 и =1, если вместо диаметра D2 подставить в формулы (1.20) и (1.21) расчетный диаметр D2’=D2. (В этой формуле 0).

Тогда S(,1)=S(1,1)=0,125 и S(,0)=S(1,0)= -0,125.

Время нагрева 1) для Т=100°С tк=5,9104 D1, (1.24) 2) для Т=150°С tк=3,7104 D1.

(1.25) Зная время нагрева можно определить среднюю полезную мощность M c Tср M PT = = 8,4105, Вт, (1.26) t t k k где М – масса заготовки, кг;

Тср=1250°С.

1.4.2. Расчёт при постоянной температуре поверхности.

Заданными являются температура на поверхности Т0, которая поддерживается постоянной, и температура на оси заготовки Тц.

Время нагрева:

tK=K·D1, [c]. (1.27).

мСчитая, как и прежде Т0 = 1300°С и a = 6,4 10-6, получим:

с PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com c При Т = 100°С K = 2,5 104 ;

м(1.28) c При Т = 150°С K = 1,8 104.

мСредняя полезная мощность может быть вычислена по формуле (1.26), в которую подставляется истинный диаметр D2.

Этот режим нагрева может быть осуществлён, если выполнить индуктор с переменным шагом витков, увеличивающимся к его разгрузочному концу. Так как по всем виткам индуктора проходит один и тот же ток, то напряжённость магнитного поля, а следовательно, и удельная мощность в начале индуктора будут максимальными, что обеспечивает быстрый подъём температуры.

1.5. УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ Поверхностная закалка относится к основным процессам, в которых используется индукционный нагрев. Целью поверхностной закалки является получение высокой прочности и твёрдости поверхностного слоя при сохранении пластичной сердцевины. Подбирая марку стали, температуру, время нагрева и режим охлаждения, можно получить изделия с комплексом свойств, наиболее соответствующих конкретному назначению. В качестве глубины закалённого слоя хК обычно принимают глубину слоя, содержащего не менее 50% мартенсита[2,3].

Экспериментальные исследования показывают, что цилиндрические образцы малых и средних диаметров имеют наибольшую усталостную x K прочность, если удовлетворяется равенство = 0,05...0,1. Процесс ведётся DкВт при мощностях 0,5...2 и малом времени нагрева, составляющим см единицы секунд.

Выбор частоты определяется следующими основными факторами:

1. необходимостью нагрева глубинного типа, при котором образуется наименьший перепад температуры в слое хК, наибольший термический кпд и высокая производительность;

2. допустимым уровнем удельных потерь в индукторе;

3. достаточно высоким электрическим кпд индуктора;

4. типом высокочастотного оборудования.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com На рис.1.4 представлено распределение плотности тока при индукционном нагреве.

Т tе 1,0 ТТК ХК х ХК х Рис.1.4. Распределение плотности Рис.1.5. Распределение тока в стальной заготовке, нагретой температуры по сечению при выше точки магнитных индукционном нагреве превращений, на глубину xK Кривая состоит из отрезков двух экспонент, первая из которых соответствует стали, нагретой выше точки магнитных превращений, а вторая – стали, обладающей магнитными свойствами.

Излом кривой ярко выражен, если глубина прогретого слоя хК меньше К. В этом случае выделение энергии в слое хК более равномерно, вследствие чего нагрев происходит быстро без большого перепада температура в нагретом слое и с малыми тепловыми потерями на нагрев сердцевины.

На рис.1.5 представлено распределение температуры при нагреве под поверхностную закалку на глубину хК. Кривая 1 соответствует режиму хК<К, называемому глубинным, то есть теплота выделяется по всей глубине слоя хК. Кривая 2 соответствует случаю хК>К. Здесь основную роль играет теплопроводность. Такой тип нагрева называется чисто поверхностным. Он характеризуется большими потерями на утечку тепла вглубь нагреваемого объекта, чем глубинный. Время нагрева при том же перепаде температуры в нагреваемом слое резко увеличивается и становится таким же, как при нагреве с внешними источниками тепла. Этот тип нагрева является невыгодным.





С уменьшением глубины закалённого слоя при неизменной частоте увеличивается необходимая удельная мощность Р0 при одновременном уменьшении времени нагрева. Так как электрический кпд индуктора при этом мало меняется, то приблизительно в таком же соотношении будут возрастать удельные потери РИ в индукторе. Опыт показывает, что в кВт массовом производстве недопустимы режимы PИ > 0,4. При этом сминдуктор часто перегорает вследствие нестабильности охлаждения.

Расчёт и опыт показывают, что минимальная глубина закалённого слоя, кВт при котором потери в индукторе не превышают 0,4, связана с частотой смPDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 0,соотношением: xK min 0,25 K = м. Диапазон частот, обеспечивающий fглубинный тип нагрева и допустимые потери в индукторе, определяется 0,015 0,неравенством < f <. Максимум полного кпд достигается при xK xK 0,x (0,4...0,5) K или при f. Глубинный нагрев для большинства K x K машиностроительных деталей обеспечивается при средних частотах, приведенных в таблице 1.1.

Таблица 1.Глубина закаленного слоя при различных частотах Глубина закалённого Частота, кГц слоя, мм 0,05 1,0 2,5 4,0 8,0 10,Минимальная 17,5 4 2,5 2 1,4 1,Оптимальная 35 8 5 4 2,8 2,Максимальная 70 16 10 8 5,6 Для наиболее часто встречающегося случая закалки внешней цилиндрической поверхности нижняя граница частоты, при которой электрический кпд мало отличается от предельного, задаётся соотношением Ff >, D где D2 – диаметр детали;

D1 D F0 = f,.

D2 a DЗначения F0 при = 1,05...1,1, что наиболее характерно для Dзакалочных индукторов, таковы:

D 0 1,0 2,0 5,0 10,aF0 2,2 4,5 8,0 28,0 75,В диапазоне средних частот (f<18 кГц) в качестве источников питания применяют машинные генераторы или статические преобразователи частоты, кпд которых достигает 90-92%. Закалочные трансформаторы имеют кпд 8590%. На частотах f 6,6 кГц используются ламповые генераторы и воздушные трансформаторы, имеющие более низкий кпд, поэтому при закалке на глубину хК 2 мм следует использовать средние частоты.

Радиочастоты следует использовать при хК<2 мм, а также для универсальных PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com установок малой производительности, предназначенных для термообработки широкой номенклатуры деталей.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОМУ РАЗДЕЛУ 1. Теоретической основой исследования индукционного нагрева является теория электромагнитного поля и теория теплопроводности.

Инженерные расчеты ведутся на основе теории электрических и магнитных цепей.

2. Основой метода индукционного нагрева является поверхностный эффект. Наибольшая плотность тока наблюдается у поверхности проводника, на которую падает электромагнитная волна. Если напряженности электрического и магнитного полей являются синусоидальными функциями времени, то они, а также плотность тока, в зависимости от расстояния изменяются по экспоненциальному закону. Расстояние, на котором названные величины уменьшаются в е раз, называется глубиной проникновения тока. В пределах этого слоя выделяется 86,5% тепловой энергии. Использование этой величины позволяет упростить расчет многих величин, в частности расчет сопротивлений.

3. При периодическом способе нагрева режим работы индуктора непрерывно меняется вместе с изменением физических свойств заготовки.

4. При методическом способе нагрева режим работы индуктора при постоянстве напряжения в нём практически можно считать постоянным.

5. Нагрев при постоянной температуре поверхности позволяет нагревать заготовку за минимальное время. Этот режим имеет самый высокий термический кпд. После достижения поверхностным слоем заданной температуры мощность, подводимая к заготовке, должна постепенно уменьшаться.

6. При увеличении отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока электрический кпд возрастает, а термический падает. Для каждого диаметра заготовки существует полоса частот тока, в пределах которой полный кпд, равный произведению электрического и термического кпд, имеет достаточно высокое значение.

7. При обычном индукционном нагреве кпд будет достаточно высоким, если отношение диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока лежит в пределах от 3,5 до 5.

8. Активное сопротивление r1, а для весьма длинного индуктора и реактивное сопротивление рассеивания XS не зависят от физических свойств нагреваемого объекта, изменяющихся в процессе нагрева. Приведённое к току индуктора активное сопротивление r2 и реактивное x1 существенно 2m зависят от его удельного сопротивления 2 и магнитной проницаемости, претерпевающих значительные изменения в процессе нагрева.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 9. Применительно к нагревателям периодического действия, работающим при постоянном напряжении на индукторе, и нагревателям методического действия с постоянным шагом витков расчёт ведут при постоянной удельной мощности, выбрав её по среднему значению за время нагрева.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.