Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию индукционной технологии демонтажа сложных неразборных конструкций.
Актуальность проблемы: Использование различных технологий при сборке сложных изделий и конструкций с применением сварки, пайки или наплавки позволяет обеспечить высокое качество соединения, но зачастую делает систему неремонтнопригоднои или неразборной. По истечении срока эксплуатации или выявлении брака изделия возникает задача разборки изделия с целью ремонта или утилизации компонентов, которые могут быть дорогостоящими. Использование в этих целях механической или электродуговой резки малопригодно, так как не всегда удается осуществить разделение конструкции на нужные элементы. Опыт применения индукционных установок для нагрева геометрически сложных конструкций показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими способами демонтажа индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в экономичности, локализации зон нагрева и высокой интенсивности процесса. Обеспечение разогрева до нужной температуры позволяет осуществлять рассоединение изделий без их расплавления, производить одновременное быстрое расплавление или нагрев в пределах узкой протяженной зоны. Кроме того, индукционные нагреватели обладают свойством формировать значительные электродинамические, силы и моменты, используемые, например, в электромагнитных перемешивателях в дуговых сталеплавилиных печах или при плавке во взвешенном состоянии. Однако на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относятся проблема разработки и реализации конструкции нагревателя с оптимальными энерготехнологическими и силовыми характеристиками, и синтез систем управления, обеспечивающих высокое быстродействие и точность температурного распределения.
Внедрение эффективных технологий, использующих индукционный нагрев, требует предварительного исследования процессов методами физического и математического моделирования. Моделирование процессов теплопередачи при индукционном нагреве осложняется тем, что фрагменты конструкции имеют сложную геометрическую форму и различные электрофизические свойства, а также необходимостью учета таких факторов, как изменение свойств материалов при нагреве-удельного сопротивления, теплопроводности, магнитной проницаемости.
Решение практически важной задачи разработки адекватных моделей сложных электромагнитных и тепловых процессов в сопряженных физически разнородных средах, позволит осуществить оптимизацию конструкции индукционных систем и режимов работы.
В связи с этим актуальными являются задачи исследования электромагнитных, электродинамических, тепловых и деформационных процессов в системе «индуктор-изделие», разработки методики проектирования энерго-
эффективных индукционных установок, совмещающих свойства нагревателей и деформирующего оборудования.
Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.
Дель работы. Целью диссертационной работы является разработка методик расчета индукционных систем для процессов разборки сложноконструк-тивных изделий.
Достижение поставленной цели представляется в виде последовательного решения следующих задач:
Разработка проблемно-ориентированной математической модели индукционного нагрева изделия, имеющего сложную геометрическую форму и различные электрофизические свойства компонентов.
Исследование при индукционном нагреве сложносоставных изделий электромагнитных и тепловых полей, электродинамического взаимодействия электропроводящих компонентов конструкции, статических и гармонических деформаций.
Оптимальное проектирование конструкции индуктора.
4. Разработка системы управления индукционной установкой.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе
решаются следующие задачи:
анализ существующих способов и устройств нагрева, разборка индукционным способом сложных конструкций;
построение математических моделей электромагнитных и тепловых полей для анализа процессов в системе «индуктор-изделие»;
разработка математической модели статического и гармонического процессов деформации элементов изделия под воздействием электромагнитных сил;
разработка вычислительных алгоритмов для реализации метода расчета электромагнитных и тепловых полей в сложной структуре изделия;
- разработка системы управления, обеспечивающей требуемое темпера
турное распределение и своевременное формирование электромагнитных сил.
Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, теории упругости, теории оптимального проектирования, численные методы расчета, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.
Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:
- разработаны численные математические модели процессов теплопро
водности, электромагнитного поля и упругих деформаций при индукционном
нагреве составных изделий из материалов с различными физическими свой
ствами сложной геометрической формы, ориентированные на решение задач проектирования индукционных систем нагрева и деформирования;
разработано алгоритмическое обеспечение и вычислительная технологій реализации метода расчета электромагнитных и тепловых полей, деформаций под воздействеим электродинамических усилий в сложных структурах изделий;
определены оптимальные частоты питающего устройства при смене режимов работы технологической установки;
обоснована и разработана структура системы управления, учитывающая основные возмущающие воздействия и обеспечивающая требуемую точность температурного распределения по объему изделия.
Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукторов для индукционного нагрева изделий для последующего демонтажа, выбора источника питания, расчета оптимального режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических установках.
Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:
Разработано алгоритмическое обеспечение и вычислительная технология реализации метода расчета электромагнитных и тепловых полей, а также деформаций под воздействием электродинамических усилий в элементах изделия сложной геометрической формы;
Разработана методика расчета конструкций индукционных нагревателей с переменными условиями нагрева, обеспечиваюшая возникновение максимальных значений электромагнитных усилий в изделиях и между составных частей;
Разработана инженерная методика расчета на ЭВМ электромагнитных, тепловых полей и полей деформаций в индукционных системах для процессов разборки сложных соединений на основе термодеформаций;
Рассчитана индукционная система для разборки составного изделия за счет термодеформаций путем нагрева с заданным градиентом температур;
Рассчитана индукционная система для разборки многослойного изделия путем нагрева с заданным температурным распределением и последующим электродинамическим воздействием,
На основании полученных в диссертации результатов и выводов разработаны функциональная и структурная схемы индукционной системы для демонтажа неразборных изделий.
Полученные электромагнитная и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской (с международным участием) молодёжной научной конференции (11-х Туполевских чтениях) (г. Казань 2003); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск 2003); 9-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва 2003); 10-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва 2004); Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара 2004); 59-й Научной конференции студентов, 4-й научной конференции магистрантов (г. Самара 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти 2004); Международной научно-технической конференции, «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (12-е Бенардосовские чтения) (г. Иваново 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти 2006).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
