Введение к работе
Актуальность темы. В последние, годы практически во всех отраслях машиностроения остро встали вопросы освоения передовых энергосберегающих технологий, повышения качества изделий и увеличения их ресурса В значительной, степени это относится к термообработке гякэлонагруженных крупногабаритных изделий, где имеют место значительные энергозатраты. Одним из видов указанных изделий являются крановые колеса, диапазон типоразмеров которых значителен. Поскольку краны различных, видов работает во многих отраслях промышленности, увеличение их срока службы представляет важную народнохозяйственную задачу. Решение ее достигается упрочнением поверхности изделий и получением соот-' ветствутацей структуры наружного слоя, получаемых в результате специальных видов термообработки. Для этого используются различные нагревательные установки, наиболее перспективными из которых являются индукционные устройства, особенно с применением токов промышленной частоты.
Вопросы повышения энергетических характеристик индукционных установок достаточно полно рассмотрены в литературе. Представлены конкретные рекомендации по их расчету и выбору оптимальных параметров. Однако, , основном эти работы посвящены нагреву достаточно длинномерных изделий, имеющих традиционную цилиндрическую или плоскую поверхность. Изделия же типа крановых колес являются "короткими" (отношение высоты их к диаметру составляет 0,25-0,35) и имеют сложный профиль нагреваемой поверхности. Для их термообработки требуется создание специальных видов индукционных устройств, учитывающих указанные особенности загрузки. -..-
Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении, а также работы по созданию промышленных образцов установок для нагрева крановых колес с 1984 года ведутся в ВПТИ-тяжмаш и МЭИ. '.
. Конструирование У"аукционных устройств для нагрева изделий типа крановых колес, ставит ряд самостоятельных задач и, в первую очередь, задачу выбора оптимальной геометрии индуктора, выбора режимов нагрева, обеспечивающих требования технологии при высоких технико-экономических показателях, и т.д. Решение
этих задач требует проведения специальных исследований.
В силу наличия многих взаимосвязанных факторов поставленные задачи частично возможно решить с помощью расчетных методов, а неучтенную часть - при опытной эксплуатации устройств. Экспериментальные исследования являются длительными, дорогостоящими и трудоемкими. Поэтому все большее применение находят методы математического моделирования. Применение численных методов с использованием ЭВМ позволяет" значительно сократить время поиска оптимального варианта конструкции индуктора. Разработанные методы позволяют создать математический аппарат для решения задач расчета электромагнитного поля в "коротких" индукторах с учетом формы загрузки, осуществить выбор их параметров.
цель работы: исследование электромагнитных и тепловых процессов в системе "короткий" индуктор-загрузка сложной конфигурации и разработка и внедрение индукционных установок для нагрева изделий типа крановых колес токами промышленной частоты с улучшенными энергетическими характеристиками. .
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
-
Разработка метода расчета системы "короткий" индуктор - загрузка слозшой конфигурации.
-
Экспериментальные исследования температурных полей. .
-
Создание инженерной методики расчета устройств для нагрева крановых колес.
-
Разработка и внедрение установок на предприятиях отрасли.
Научная новизна работы состоит в следующем: 1. На базе метода индуктивно связанных элементов разработана усовершенствованная математическая модель для исследования элетромагнитных процессов в многослойном "коротком" цилиндрическом индукторе с учетом загрузки сложной конфигурации;
Z. Проведен анализ зависимостей энергетических характерис-тик системы "короткий" индуктор-загрузка сложной конфигурации от геометрических параметров индуктора и формы загрузки;
3. Изучены закономерности изменения температурных полей в загрузке сложной конфигурации в зависимости от геометрии системы с учетом влияния магнитопроводов; результаты обобщены в виде графиков и являются основой для шданерных расчетов;
-
Выявлены способы повышения энергетических характеристик при использовании цилиндрических индукторов для нагрева в них изделия сложной конфигурации различных типоразмеров;
-
Разработаны усовершенствованные конструкции индукторов для нагрева изделий сложной конфигурации.
Практическая ценность работы. Предложенные способы повышения энергетических параметров "коротких" индукторов при нагреве загрузки сложной конфигурации дают' методологическую основу для совершенствования индукционных устройств.
Предложенная математическая модель может быть применена для расчетов и исследований индукторов любых типов с учетом загрузки, а выявленные закономерности формирования температурного поля в изделии сложной конфигурации позволяют разработать оптимальные режимы нагрева в зависимости от технологических требований.
Разработанная инженерная методика ' является теоретической базой для создания промышленных установок для индукционного нагрева.
Реализация результатов работы. Рекомендации по выбору основных параметров системы "короткий" индуктор-аагрузка сложной конфигурации, инженерная методика расчета индуктора, исследования температурных полей в изделии использованы при разработке промышленных установок для H' -рева крановых колес. На их основе для ряда предприятий спроектированы участки термообработки колес, при организации которых были учтены рекомендации по выбору оптимальных режимов нагрева. В 1989 году был сдан в промышленную эксплуатацию участок сорбитизации крановых колес на Александрийском заводе НТО, включающий две установки для нагрева колес диаметром 400 мм и 710 мм. Годовой экономический . эффект в ценах 1992 года составляет 1 млн. руб. На ряде предп-. риятий в^ стадии испытаний находятся установки для нагрева колес в диапазоне 300-900 мм.
"'". Предложенные математические модели в виде программы, написанной на алгоритмическом, языке ООРТРАН-4 для ЭВМ серии ЕС, переданы в . вычислительный центр НПО ВПТИтяжмат и используются для исследования и.расчета индукторов с .загрузкой сложной конфигурации, а также при выполнении дипломных проектов студентами МЭИ по специальности "Электротермические установки". .
Апробация работы. Основные положения и результаты диссер-
тации докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях НПО БПТИтяжмаш и ряда предприятий отрасли, в частности. Кировском заводе (г.С -Петербург), Саратовском экспериментально-механическом заводе, ПО "Кран" (г.Узловая) и др. в 1988-92ГГ; на заседании кафедры АЗТУС МЭИ, 1993г.
Публикации. Материалы диссертационной работы представлены в пяти печатных трудах.
Объем и структура работы. ^ Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем 167 стр.; в той числе 25 рис.; 15 табл.; список литературы из 78 наименований.