Технологічна та енергетична ефективність індукційного наплавлення тонких сталевих дисків

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.731.927.7

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Технологічна та енергетична ефективність індукційного наплавлення тонких сталевих дисків

Спеціальність - 05.03.06

“Зварювання та споріднені технології”

Пулька Чеслав Вікторович

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України та в Тернопільському державному технічному університеті ім. Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Наукові консультанти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Письменний Олександр Семенович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, професор Шаблій Олег Миколайович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, ректор, завідувач кафедри інформатики та математичного моделювання.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Дзюба В'ячеслав Леонідович, Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, зав.кафедри „Технологія машинобудування”, м. Луганськ; доктор технічних наук, професор Гулаков Сергій Володимирович, Запорізький національний технічний університет, професор кафедри „Обладнання і технологія зварювального виробництва”, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться 16 жовтня 2006 р. при Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корпус 19, ауд. 435.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий 11 вересня 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Головко Л.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В різних галузях народного господарства широке застосування знайшли тонкі сталеві диски, які застосовуються як диски лущильників, ножі-гичкорізи, дискові ножі для різання шиферу і зрізання соняшнику, диски копачів бурякозбиральних комбайнів, диски сошників зернових сівалок, фрези і т. п. З метою підвищення їх стійкості проти спрацювання і забезпечення самозагострювання в процесі експлуатації робочі поверхні їх зміцнюють різними методами наплавлення.

Суттєвий вклад в розробку технологічних процесів наплавлення внесли такі вчені, як І.І.Фрумін, Д.А.Дудко, Ю.А.Юзвенко, К.А.Ющенко, І.К.Походня, П.В.Гладкий, В.Н.Ткачев, В.С.Коваленко, Л.Ф.Головко, І.О.Рябцев, О.С.Пись-менний, С.В.Гулаков і зарубіжні вчені Е.Кречмар, Л.Річардсон А.Хасуї, О.Морігакі та ін. В теоретичні дослідження, які пов'язані з тепловими процесами, що відбуваються при зварюванні та наплавленні при визначенні залишкових напружень, деформацій та переміщень значний вклад внесли вітчизняні вчені: В.І.Махненко, Л.М.Лобанов, В.І.Кир'ян, О.М.Шаблій, В.А.Осадчук, В.М.Прохоренко, І.М.Жданов, В.С.Касаткін, М.С.Михайлишин, а також зарубіжні вчені: І.Масумото, Ф.Трайб, Г.Томас та ін.

Найбільш широке розповсюдження для зміцнення робочих поверхонь вище названих деталей отримало індукційне наплавлення стійкими проти спрацювання порошкоподібними твердими сплавами.

Існуючим процесам наплавлення тонких дисків, в тому числі і індукційному, властиві такі недоліки: порівняно низька продуктивність, велика енергоємкість, а також нерівномірність товщини шару наплавлюваного металу.

Відомі методи одночасного індукційного наплавлення тонких дисків призначені для певного діаметра і розміру зони наплавлення. При зміні геометричних розмірів диска і зони наплавлення необхідно шукати інші конструктивні параметри індукторів або нагрівальних систем. Шлях експериментального їх дослідження вимагає певного часу і великих матеріальних затрат. В літературних джерелах відсутні також достатньо точні методи визначення конструктивних параметрів нагрівальних джерел для забезпечення наплавлення дисків одночасно по всій робочій поверхні в залежності від їх механічних, тепло-, електрофізичних властивостей, геометричних розмірів дисків та зони наплавлення при мінімальних енергетичних та матеріальних затратах. Для покращення цих показників необхідно розробити теоретичні основи вдосконалення технології наплавлення, підвищення її енергетичної ефективності та засоби практичної реалізації цих технологій.

Особливу складність являє собою завдання наплавлення тонких сталевих дисків як суцільної так і зубчатої форми з шириною наплавлення, більшою за висоту зуба, що пов'язано з конструюванням і проектуванням нагрівальних джерел (індукторів і систем), і необхідністю проведення значної кількості експериментів, при розробленні нових технологічних процесів для наплавлення дисків довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення виходячи з потреб технології.

В доповіді академіка Б.Є.Патона „Проблеми зварювання на межі віків”, яка була зроблена на Міжнародній конференції „Зварювання та споріднені технології - в ХХІ століття” в листопаді 1998 р. в м. Києві, відмічено, що при розробленні нових технологічних процесів при зварюванні, наплавленні і т. д. багато сил і енергії витрачається на проведення експериментів, які пов'язані з великими матеріальними затратами. Для їх зменшення при проектуванні нових технологічних процесів необхідно розробляти таке математичне моделювання, яке охоплювало б багатогранність явищ, що відбуваються в цьому технологічному процесі, що призведе до зменшення кількості експериментів. Цільовий експеримент в даному випадку повинен використовуватися з метою перевірки теоретичних даних.

При наплавленні дисків актуальним є розробка математичних моделей з оптимізацією конструктивних параметрів нагрівальних джерел (індукторів і систем), а саме: двохвиткових кільцевих індукторів для наплавлення дисків зубчатої форми довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення з метою отримання графічних залежностей та табличних даних для їх визначення без проведення експерименту, що дозволить зменшити матеріальні затрати, які пов'язані з їх виготовленням, а також побудова математичних моделей по проектуванню та конструюванню нагрівальних систем, які складаються з двохвиткового кільцевого індуктора і електромагнітного екрану, індуктора, теплового і електромагнітного екранів (система ІТЕЕ) і системи (індуктор-магнітопровід) для наплавлення дисків суцільної форми з метою покращення техніко-економічних показників процесу наплавлення.

Актуальним питанням є також розроблення методик визначення полів залишкових напружень, деформацій та переміщень, які виникають в диску після наплавлення, експериментальних досліджень температурного поля, товщини шару наплавлюваного металу і деформації дисків, які є важливими для перевірки і впровадження у виробництво нових технологічних процесів.

У зв'язку з вищевикладеним, а також враховуючи те, що тонкі сталеві диски широко використовуються в техніці, підвищення технологічної і енергетичної ефективності їх індукційного наплавлення є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів науково-дослідних робіт Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя в рамках наступних держбюджетних тем: “Розробка високопродуктивної і енергозберігаючої технології індукційного наплавлення тонких фасонних дисків стійкими проти спрацювання порошкоподібними сплавами” (1992-95 р.р.), № д.р. 0193U039369; “Оптимізація енергетичних затрат при нагріванні та індукційному наплавленні циліндричних оболонок і дисків” (1996-98 р.р.), № д.р. 0196U012981; “Математичне моделювання та оптимізація технологічних процесів виконання посадок та наплавлення елементів конструкцій” (1999-2000 р.р.), № д.р. 0198U005103; “Математичне моделювання та оптимізація технологічних процесів посадки циліндричних оболонок” (2001-02 р.р.), №д.р.0100U000789; “Оптимізація процесів термообробки елементів конструкцій шляхом індукційного нагрівання з врахуванням екранування” (2003-05 р.р.), № д.р. 0103U003515 (автор був відповідальним виконавцем цих робіт); в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України по держбюджетній темі „Розробка технології зварювання у твердій фазі труб із легованих та нержавіючих сталей” (2000-02 р.р.) № д.р. 0100U004954(автор - виконавець теми).

Мета роботи і завдання досліджень. Метою роботи є створення теоретичних засад та рекомендацій для проектування енергоощадних нагрівальних джерел і систем одночасного індукційного наплавлення по всій робочій поверхні тонких сталевих дисків і розробка на цій основі технологій і обладнання при мінімальних термінах та матеріальних затратах для їх практичної реалізації. Для розв'язання поставленої мети необхідно:

- побудувати математичні моделі для визначення та оптимізації конструктивних параметрів нагрівальних джерел (індукторів і систем) та режимів нагрівання для наплавлення зубчатих і суцільних дисків довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення у випадках, коли: індуктор вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним полями; існує нагрівальна система індуктор та електромагнітний екран; існує нагрівальна система індуктор, тепловий та електромагнітний екрани (ІТЕЕ); дослідження вільного остигання диска; існує нагрівальна система індуктор-магнітопровід;

- побудувати математичну модель для визначення полів залишкових напружень, деформацій та переміщень при індукційному наплавленні тонких сталевих дисків;

- провести експериментальне дослідження температурного поля в зоні наплавлення, товщини наплавлюваного металу, деформації, стійкості проти спрацювання та програмного керування потужністю за енергоощадним законом;

- виконати дослідження впливу режимів і нагрівальних систем (ІТЕЕ) і (індуктор-магнітопровід) на технологічність, продуктивність, енергозатрати і якість наплавлюваного металу;

- розробити технологічний процес для одночасного наплавлення по всьому периметру тонких сталевих дисків в дрібно- і багатосерійному виробництві з урахуванням конструкцій нагрівальних джерел (індукторів і систем) та режиму нагрівання;

- розробити систему контролю товщини шару наплавленого металу, деформації дисків, температури в зоні наплавлення та якості розроблених технологічних процесів з використанням нагрівальних систем ІТЕЕ та індуктор-магнітопровід;

- розробити спеціальне обладнання для реалізації технологічного процесу наплавлення тонких дисків з допомогою системи ІТЕЕ та індуктор-магнітопровід та виготовлення і забезпечення впровадження його у виробництво.

Об'єкт дослідження: процес індукційного наплавлення тонких сталевих дисків порошкоподібними твердими сплавами і якість наплавлення.

Предмет дослідження: закономірності процесу одночасного індукційного наплавлення по всій робочій поверхні тонких сталевих дисків.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених завдань і отримання основних результатів роботи використані методи технічної електродинаміки, теорії теплопровідності та числові експериментальні, аналітичні методи дослідження електротермічних і термодеформаційних процесів, що протікають у системі „індуктор-метал”, „метал-шихта” при індукційному наплавленні порошковими сплавами. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторії електрозварювання ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”, в лабораторіях Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя і Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України. Якість наплавленого металу визначена методом спектрального, хімічного аналізів і металографічними дослідженнями на сучасному устакуванні. Обробку результатів проводили з використанням комп'ютерних програм і методів математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше для індукційного наплавлення тонких сталевих дисків зубчатої та суцільної форми розроблені математичні моделі для проектування енергоощадних нагрівальних джерел (індукторів, систем - індуктор, тепловий та електромагнітний екрани (ІТЕЕ) та індуктор-магнітопровід) з урахуванням їх тепло-, електрофізичних, енергетичних, механічних та геометричних параметрів з використанням енергоощадного режиму наплавлення. На їх основі створені інженерні методики розрахунку нагрівальних систем для реалізації нового напрямку технології індукційного наплавлення тонких сталевих дисків. Отримані теоретичні та експериментальні результати підтвердили обґрунтованість застосування вибраних моделей з достатньою для інженерних розрахунків і практичних цілей точністю;

- вперше встановлено, що використання комбінованого екранування теплових та електромагнітних полів з метою керування розподілом температури в процесі наплавлення плоских деталей, в тому числі замкнутих (типу дисків) зубчатої форми, дозволило створити однакову температуру у всій зоні наплавлення, яка забезпечує рівномірне розплавлення наплавлювального металу, усунення перегрівання основного металу на торці диска, покращення якості наплавлювального металу по всій робочій поверхні при коефіцієнтах екранування теплової конвекції К_Т і електромагнітного екранування К_е, що змінюються в межах (0 ? К_Т ? 1), (0 ? К_е ? 1);

- встановлено, що при використанні електромагнітного та теплового екранування разом з індуктором, енергоощадно сконструйованими системами (ІТЕЕ) досягається скорочення часу на наплавлення дисків, а також додаткової економії електроенергії у порівнянні з наплавленням без екранування теплових і електромагнітних полів, тобто затрати електроенергії на один виріб знижуються. Показано, що в результаті впровадження системи (ІТЕЕ) сумарна економія електроенергії складає приблизно 42...56%, або 0,162...0,217 кВт.год на один виріб у порівнянні з наплавленням сегментним індуктором;

- встановлено, що теплова енергія, скерована на одночасне індукційне наплавлення дозованого шару металу на робочу поверхню диска довільних розмірів, формується та спрямовується в екранованому тепловому полі фіксованих параметрів. Таке поле забезпечує рівномірне кероване виділення тепла в зоні наплавлення, що підвищує рівномірність товщини шару наплавленого металу в широкому спектрі конструктивних та експлуатаційних параметрів дисків;

- показано, що після наплавлення дисків з використанням нагрівальної системи ІТЕЕ та енергоощадного режиму нагрівання розтягуюче кільцеве напруження в наплавленому шарі досягає максимальної величини безпосередньо біля межі з'єднання його з основним металом і дорівнює 0,54 МПа при границі міцності наплавленого металу = 150 МПа. При цьому виконуються умови міцності по критерію найбільших нормальних напружень та по енергетичному критерію Губера як для основного, так і наплавленого металу, і залишкові напруження не приводять до виникнення тріщин і втрати працездатності деталі. Встановлено, що для багатьох матеріалів в досить широкому діапазоні зміни температур від 0 до 1220 єС добуток Еб_Т = const, що дозволило значно спростити обчислення, при визначенні залишкових напружень, деформацій та переміщень.

Практична цінність отриманих результатів:

- отримані алгоритми, графічні залежності і табличні дані дозволяють визначати конструктивні розміри нагрівальних джерел (індукторів і систем), а також силу струму для наплавлення дисків зубчатої форми довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення (для прикладу діаметри дисків 210...420 мм, товщиною 2...6 мм, шириною та товщиною наплавлюваного металу відповідно 10...50 мм і 1,0...1,5 мм) без проведення експерименту, що дозволяє скоротити термін і матеріальні затрати, які пов'язані з розробленням нових технологічних процесів наплавлення дисків;

- розроблений автоматичний регулятор плавного нарощування потужності за енергоощадним режимом без перемикання генератора в процесі наплавлення, що дозволяє підвищити довговічність і надійність його роботи в порівнянні з існуючими ступеневими режимами наплавлення;

- розроблені конструкції двохвиткових кільцевих індукторів, способи одночасного наплавлення тонких дисків, нагрівальні системи, що складаються з двохвиткового кільцевого індуктора і електромагнітного екрану, системи індуктор, тепловий і електромагнітний екрани (ІТЕЕ), системи (індуктор-магнітопровід) для одночасного наплавлення тонких сталевих дисків зубчатої і суцільної форми, які захищені 3 патентами України, дозволяють додатково економити електроенергію на 9-20% та покращити якість наплавлюваного металу;

- розроблені методики для вимірювання температури в зоні наплавлення, товщини наплавленого шару, стійкості проти спрацювання та деформації додатково дозволяють: зменшити матеріальні затрати на проведення експериментів, оцінити якісні показники технологічного процесу наплавлення тонких дисків;

- на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено технологічний процес для одночасного наплавлення по всій робочій поверхні тонких сталевих дисків зубчатої форми з використанням системи ІТЕЕ та енергоощадного режиму наплавлення, який дозволяє покращити рівномірність товщини наплавлюваного металу на 12%, скоротити час наплавлення з 32 до 22 с, зменшити витрати сумарної електроенергії на 42...56%, усунути дефект перегрівання торця диска і наплавлюваного металу;

- на базі системи ІТЕЕ розроблено технологічний модуль, який встановлений на всіх трьох позиціях роторної лінії, що дозволяє здійснювати на першій позиції завантаження і розвантаження дисків, на другій - одночасне по всій зоні наплавлення засипання шихти, а на третій - одночасне нагрівання всієї зони наплавлення;

- за участю автора сконструйовано і виготовлено спеціальне обладнання, яке забезпечує реалізацію розробленого технологічного процесу для промислового використання індукційного наплавлення тонких сталевих дисків, які захищені 4 патентами України;

- розроблена технологія і обладнання для індукційного наплавлення тонких дисків (ножів гичкорізів) впроваджені на ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”, режими нагрівання та нагрівальні системи - на ВАТ „Каховський завод електрозварювального устаткування”, а також на ВАТ „Коломиясільмаш” при виготовленні ножів ковша автономного навантажувача-екскаватора ПЕА-1,0 „Карпатець”;

- результати досліджень використовуються в навчальному процесі при підготовці фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня „бакалавр” за напрямом 6.0923 „Зварювання” при вивченні дисципліни „Математичне моделювання зварювальних процесів”, спеціалістів і магістрів спеціальності 7.092301, 8.092301 „Технологія та устаткування зварювання” при вивченні дисциплін „Підвищення зносостійкості та відновлення спрацьованих деталей машин і механізмів”, „Основи наукових досліджень і техніка експерименту” і „Експериментальні дослідження в зварюванні”, при підготовці аспірантів в Тернопільському державному технічному університеті ім. Івана Пулюя, а також в банку даних математичних моделей і енергоощадних технологій Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

Особистий внесок здобувача. Постановка задач досліджень і вибір наукових підходів до їх вирішення внесок автора був визначальним: при підготовці, проведенні й обробці результатів числових досліджень і експериментів, формулюванні висновків, підготовці публікацій і матеріалів на видачу патентів, розробці наукових основ використання нагрівальних джерел (індукторів та систем) при індукційному наплавленні, розробці технологій для індукційного наплавлення тонких сталевих дисків порошковими сплавами. Автор приймав активну участь у створенні обладнання для практичної реалізації технологій. За його особистою участю здійснювалося конструювання, підготовка і проведення експериментальних досліджень на дослідно-промислових установках, розробка рекомендацій для промислового використання результатів досліджень.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися на: шістьох міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003 рр.); щорічних міжнародних семінарах країн СНД „Наплавка”, організованих ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України (1992-1997 рр.); міжнародній конференції „Ресурсо- і енергозберігаючі технології в машинобудуванні” (Одеса, 1994 р.); IV міжнародній конференції з механіки неоднорідних структур (Тернопіль, 1995 р.); ІІ міжнародній конференції „Управління енерговикористанням” (Львів, 1997 р.); міжнародних наукових конференціях „Зварювання і споріднені технології - в ХХІ століття” (Київ, 1998 р., ІЕЗ ім. Є.О.Патона), „Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (Київ, 1998 р., НТУУ „КПІ”); Міжнародній конференції „Case Histories on Integrity and Failures in Industry” (CHIFI) Мілан (Італія), 1999 р.; міжнародних конференціях „Зварні конструкції” (Київ, 2000 р., ІЕЗ ім. Є.О.Патона), „Зварювання і споріднені технології” (Київ, 2002 р., ІЕЗ ім. Є.О.Патона) і „Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій” (Київ, 2003 р., ІЕЗ ім. Є.О.Патона); другій міжнародній конференції „Математичне моделювання і інформаційні технології в зварюванні і споріднених процесах”, 13-17 вересня, 2004, с. Кацівелі, Крим; міжнародному симпозіумі з трибофатики (Тернопіль, 2002 р.); щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (1992-2005 рр.), а також на щорічних семінарах науково-технічної Ради Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя по держбюджетній тематиці (1992-2005 рр.). В повному обсязі робота доповідалась на об'єднаному семінарі Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя в 2005 р., об'єднаному технологічному семінарі Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України в 2005 р., та розширеному засіданні наукового семінару Зварювального факультету НТУУ „КПІ” в 2006 р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 53 наукових праці, з них 21 - у наукових фахових журналах, збірниках наукових праць, отримано 7 патентів України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Основний зміст викладений на 272 стор., список використаної літератури з 203 найменувань на 23 стор. Робота складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, включаючи 116 рисунків, 17 таблиць і Додатку на 96 стор. Загальний обсяг дисертаційної роботи - 368 стор.

основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику дисертації; розкрито стан наукової проблеми; обґрунтовано актуальність теми дисертації, її зв'язок з науковими програмами; сформульовано мету роботи і задачі дослідження; відзначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів; наведено дані про апробацію результатів дисертації, а також про публікацію; подано стислий опис структури дисертації.

В першому розділі проведено огляд існуючих методів наплавлення тонких плоских деталей, в тому числі сталевих дисків, а також проаналізовано технологічні можливості та обладнання, показано переваги індукційного наплавлення.

Виконаний аналіз електротермічних, електродинамічних і термодеформаційних процесів, конструкцій пристроїв та нагрівальних джерел (індукторів та систем) та їх вплив на технологічний процес наплавлення, а також методи керування процесом наплавлення з урахуванням зміни потужності в зоні наплавлення за необхідним законом.

На основі аналізу сучасного стану теоретичних і технологічних завдань в галузі індукційного наплавлення зроблено висновки про доцільність вдосконалення цього процесу з метою покращення техніко-економічних показників.

Сформульовано завдання, які досліджуються в дисертації стосовно побудови математичних моделей оптимізації потужності нагрівання з метою наплавлення тонких сталевих дисків, визначення залишкових напружень і переміщень після їх наплавлення, розроблення методики їх експериментальної перевірки, а також розроблення технологічного процесу та обладнання для їх реалізації при умовах оптимізації цього процесу.

Другий розділ. Присвячений основам проектування енергоощадних джерел і режимів нагрівання для наплавлення тонких сталевих дисків. Створені математичні моделі оптимізації потужності теплових джерел та температурного поля, які використовуються з метою наплавлення тонких сталевих дисків. Ця проблема є актуальною як у теоретичному, так і в практичному плані і дає можливість досягти значної економії енергії та коштів внаслідок оптимізації конструкції джерел і режимів нагрівання та застосування засобів математичного моделювання в порівнянні з засобами експериментального підбору. Обґрунтована доцільність побудови математичної моделі конструювання і оптимізації джерел та режимів нагрівання і проведення цільового експерименту.

В даному розділі спочатку проведені дослідження у випадку, коли джерелом нагрівання для круглого суцільного і фасонного диска служить двохвитковий кільцевий індуктор, вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним полями. В цьому випадку витки індуктора під'єднані в протифазі по струму і магнітному потоку метою концентрації енерегії в зоні наплавлення для досягнення необхідної температури. В роботі показано, що якісне наплавлення диска по його периметру здійснюється за час з допомогою постійної питомої потужності теплових джерел, яка визначається за формулою:

,(1)

або змінної в часі питомої потужності теплових джерел, яка визначається за енергоощадним по потужності законом

, (2)

який дозволяє економити електроенергію на 15...25%. Тут введені позначення: - температура (задана), при якій здійснюється якісне наплавлення і яка досягається за час ; , Вт/(м ^{. 0}С); с - питома теполоємність, ; а - температуропровiднiсть,; - густина, кг/м³; ; - критерій Біо; - коефіцієнт теплопровiдності матеріалу диска, Вт/(м ^.0С); б - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м^{2 .0}С); t - біжучий час; - час наплавлення.

Питома потужність теплових джерел, у випадку двохвиткового кільцевого індуктора, вільного від допоміжних засобів керування електромагнітним полем, визначається за формулою

,(3)

в якій Z_в, Z_н - повний опір у верхньому і нижньому витках індуктора, U - напруга на індукторі; - глибина проникнення струму;- електрична провідність матеріалу диска; - кругова частота струму в індукторі; , - відповідно діелектрична і магнітна проникність простору за межами індуктора; I_в, I_н, а_в, а_н - відповідно струми і радіуси верхнього і нижнього витків індуктора, м; r₂ - зовнішній 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 двохвитковим кільцевим індуктором із заданою питомою потужністю, що забезпечує наплавлення за час . Вона записується у вигляді

.(4)

Тут визначається за формулою (3), а - за формулою (1) або (2) в залежності від того, яка питома потужність, постійна чи змінна (енергоощадна), використовується для здійснення процесу наплавлення. При обчисленнях прийнято якщо визначається за формулою (1), або коли знаходимо з допомогою формули (2), в яких .

Проведено обчислення для різних діаметрів дисків і розмірів зони наплавлення.

При розрахунках прийнято:

для диска: r₂ = 0,105…0,210 м; r₃ = 0,0550,200 м; 2h = 0,003 м;

; ; =5969,2кг/м³; = 1,25^.10^-6; Т_зд = 1200^оС; ; = 32 c.

Основний метал - сталь Ст.3;

для індуктора : ; с_в = 0,005 м; с_н = 0,008 м; l_в = 0,155 м; l_н = 0,09 м; d₁ = = 0,024 м; d₂=0,004 м;; ; ; = 2,763^.10⁶ Гц; = 0,1710^-7Ом^.м, де _в і _н - відповідно товщини стінок верхньої і нижньої трубок індуктора; l_в і l_н - довжини трубок для з'єднання витків індуктора.

При збільшенні ширини зони наплавлення на індуктор необхідно подавати більший струм. Так, якщо ширину зони наплавлення для диску з діаметром 2r₂=420 мм збільшити від 10 до 50 мм, силу струму І необхідно збільшити від 20,7 А до 22,9 А, тобто в 1,11 рази.

Крім цього, в дисертації приведені табличні дані для конструктивних параметрів а_в, а_н, h_в, h_н, с_в, с_н, а також сили струму І в залежності від радіусу дисків r₂ і ширини зони наплавлення S відповідно в межах від 105...210 мм та 10...50 мм.

Ця математична модель дає можливість визначити конструктивні розміри двохвиткового 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.

З метою створення більш ефективної нагрівальної системи, а саме перерозподілу потужності електромагнітного поля (джерел нагрівання) застосовують екрани електромагнітних полів, що дає можливість вирівняти теплові джерела по ширині зони наплавлення. Для цього виконано оптимізацію двохвиткового кільцевого індуктора з врахуванням наявності електромагнітного екрану.

Питома потужність теплових джерел, отримана в диску за допомогою даної нагрівальної системи, визначається за формулою

,(5)

в якій всі величини, які входять в дану формулу, описані вище, а коефіцієнт електромагнітного екранування К_е має вигляд:

,(6)

де - товщина екрану, а - глибина проникнення електромагнітного поля в екран, що знаходиться так:

.(7)

Тут _e - магнітна проникність, _e - електрична провідність матеріалу екрану.

В заданому режимі підведення питомої потужності до деталі W_зд використовувалися залежності (1) або (2), а оптимізацію параметрів індуктора та електричного струму в індукторі проводили шляхом мінімізації функціоналу (4). В результаті розрахунку встановлено, що більш рівномірний розподіл потужності електромагнітного поля по ширині зони наплавлення досягається в ідеальному випадку при повному екрануванні торця диска. Розбіжність із заданою оптимальною (по вимогам технології) потужністю та потужністю, яка створюється електромагнітним полем індуктора, складає 3...5% на всій ширині зони наплавлення.

На основі цієї методики отримано розрахункові і графічні залежності геометричних параметрів індуктора а_в, а_н, h_в, h_н і струму І в залежності від коефіцієнта екранування К_е, радіуса диска r₂ і ширини зони наплавлення S.

Із сказаного вище випливає, що отримана математична модель розрахунку нагрівальної системи (індуктор-екран) дає можливість забезпечити її проектування з заданою точністю з метою створення необхідного розподілу питомої потужності в зоні наплавлення.

Тепловий екран розташований на торці і в нижній поверхні диска з протилежної сторони наплавлення.

При цьому радіус теплового екрану, який розташований в нижній поверхні диска r₄, може змінюватися від 0 до r₂.

Для побудови моделі керування нагрівання диска за допомогою системи ІТЕЕ використано рівняння теплопровідності:

,(8)

в якому ; , - відповідно температура диска і середовища; - коефіцієнт теплопровідності матеріалу диска; - коефіцієнт тепловіддачі в середовище при відсутності екрану.

Коли на торці і нижній поверхні диска встановлено тепловий екран, то на цьому торці має місце гранична умова

при, (9)

в якій - коефіцієнт теплового екранування, який змінюється в проміжку .

При маємо повне теплове екранування, а при - екранування відсутнє. Коефіцієнт теплового екранування з допомогою екрану товщиною і коефіцієнтом теплопровідності матеріалу екрану визначається із співвідношення:

. ,(10)

де - коефіцієнт теплової провідності екрану, d_T - товщина теплового екрану.

Зауважимо також, що питома потужність в рівнянні (8) визначається за формулою (5) через параметри індуктора, електромагнітного екрану та силу струму, яка подається на індуктор.

Для знаходження температури в диску з рівняння (8) використано також початкову умову при і умову симетрії при r=0.

при Размещено на http://allbest.ru

; при r=0.(11)

Размещено на http://allbest.ru

Розв'язок рівняння (8) з використанням граничної умови (9), а також умови симетрії і початкової умови (11) має вигляд

(12)

де W(r,t) знаходиться з допомогою формули (5),

а - функція Бесселя першого роду нульового порядку дійсного аргументу,

б - коефіцієнт тепловіддачі;

- корені, які визначаються з характеристичного рівняння

.(13)

Таким чином, отримана математична модель знаходження температури в диску через параметри джерела його індукційного нагрівання з використанням електромагнітного і теплового екранування торця диска і нижньої поверхні, протилежній наплавленню.

Це дає змогу визначити та оптимізувати вказану температуру в зоні наплавлення в залежності від параметрів індуктора, диска, електромагнітного і теплового екранів та електричного струму.

Для оптимізації параметрів індуктора та електричного струму, який подається на нього, тут необхідно мінімізувати функціонал

,(14)

в якому Т визначається за формулами (12) і (13); - визначається за формулою

Внаслідок того, що в нагрівальну систему входять всі конструктивні параметри індуктора та електромагнітного екрану, а в рівняння (13) - параметри теплового екрану, реалізовуючи процес мінімізації функціоналу (14) по необхідних параметрах, ми отримуємо оптимальний варіант конструкції нагрівальної системи та електричного струму для забезпечення технологічного процесу одночасного індукційного наплавлення круглого або фасонного тонкого диска по всьому периметру.

Як приклад, проведені обчислення для нагрівальної системи індуктор, тепловий і електромагнітний екрани (ІТЕЕ) з урахуванням конструктивних особливостей та можливостей оптимізації.

Задаємо геометричні розміри нагрівальної системи: радіус зовнішнього витка індуктора a_в = 0,131 м, критерій - для теплоізоляційного матеріалу на зовнішньому контурі і нижній поверхні, протилежній наплавленню, диска, який виготовлений з азбестошиферного шару товщиною м, радіус м і час наплавлення с, Вт/мС - коефіцієнт теплопровідності матеріалу теплового екрану з азбестошиферу (К_Т = 0,0192).

Експериментальні дані підтверджують, що температура наплавлення становить .

Тоді при маємо . Якщо електромагнітний екран виготовлений з міді (), то при круговій частоті кГц глибина проникнення електромагнітного поля в екран становить мм.

Візьмемо за параметри оптимізації a_н, h_н, h_в, A₁, K_e. Виконавши процедуру мінімізації функціоналу по цих параметрах одержуємо їх значення, які рівні a_н = 0,0945 м; А₁=165,2 А; К_е=0,655; h_н = 0,0315 м; h_в = 0,01 м.

Оскільки твердий сплав (для прикладу ПГ-С1) розплавляється від поверхні основного металу, тим самим досягається рівномірність товщини шару наплавлюваного металу по всій робочій поверхні.

Зауважимо також, що для реалізації знайденого оптимального коефіцієнта електромагнітного екранування досить (згідно формули (6)) взяти мідну пластинку товщиною мм, тобто практично можна зробити напилення теплового екрану мідним порошком або наклеїти мідну фольгу такої товщини.

При розрахунках прийняті такі ж дані, як у випадку, коли індуктор вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним полями.

Проведено також підрахунки у випадку, коли зона наплавлення є значно вужчою за попередню і рівна S= r₂-r₃=0,125-0,105=0,02 м.

Числові дослідження показують, що графічні залежності температури (що створюється нагрівальною системою) від радіуса диска і часу добре апроксимуються такими виразами

Т=Т₀₁ при .

при ,(15)

де ,(16)

в яких в назвемо коефіцієнтом нагрівальної системи, який визначається з умови найкращого співпадання температури, визначеної за формулою (12) і формулою (13) і за формулами (15) і (16).

Коефіцієнт нагрівальної системи в в цьому випадку рівний в = 0,35.

Інженерні формули визначення температури, знайдені таким чином, дають можливість достатньо точного її дослідження для даної нагрівальної системи.

Таким чином розроблена математична модель дозволяє проектувати складну нагрівальну систему (ІТЕЕ) для наплавлення тонких сталевих дисків довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення з метою досягнення рівномірної температури в зоні наплавлення.

Досліджено також вільне остигання диска після його нагрівання з метою наплавлення.

Формула зміни температури диска в кожній його точці і в кожний момент часу має вигляд

,(17)

в якій корені _j визначаються з рівняння

,(18)

а - кінцева температура нагрівання диска з метою наплавлення.

Проведені підрахунки вільного остигання диска, у випадку, коли нагрівальна система (ІТЕЕ) вимкнена і працює тільки тепловий екран з коефіцієнтом теплового екранування К_Т = 0,0192, а ширина зони наплавлення рівна 20 мм або 50 мм.

В цьому випадку також знайдені приблизні вирази для визначення температури процесу остигання, які мають вигляд:

при ,(19)

,, [в] = м(20)

де в також назвемо коефіцієнтом нагрівальної системи, він рівний також в = 0,35, а замість m² слід поставити 1,135m².

Знайдена за уточненими формулами температура відрізняється від температури, визначеної за допомогою формули (17) не більше, як на 5,0-7,5% (суцільні лінії і лінії, зображені з допомогою трикутних знаків). Отримані таким чином інженерні формули дають можливість проводити розрахунки температурного поля, яке створюється в диску даною нагрівальною системою.

Наступним етапом в розробленні ефективної енергоощадної нагрівальної системи для наплавлення тонких плоских деталей, в тому числі і суцільних дисків, є система індуктор-магнітопровід, за допомогою якої досягається економія електроенергії до 20%. В цій системі необхідно було визначати електричні параметри (опори, К.К.Д., cos ) та потужність індукційної системи.

Це необхідно не лише для підбору типу джерела живлення, але й для розроблення пристосувань, що узгоджують параметри індукційної системи та джерела живлення (трансформатори, конденсатори).

В електротехнічних розрахунках індукційна система розглядається як двохкотурна, в якій первинний контур - це власна обмотка індуктора, а вторинний - це контур, який еквівалентний полю вихрових струмів у нагрівальному виробі. Цей контур виступає по відношенню до обмотки індуктора електричним навантаженням.

При розрахунку індукційних систем, які розглядаються, доцільно застосовувати метод схем заміщення, параметри яких повинні визначатися з урахуванням конструктивних властивостей досліджуваного об'єкту.

Розрахунок активних опорів для цієї схеми визначали за формулою:

,(21)

де - питомий опір, який вимірюється на зразках металу індуктора і навантаження на постійному струмі; l_сер = d_сер - середня довжина шляху струму; - глибина проникнення струму в метал, визначається за формулою, яка описана вище; - ширина зони протікання струму, для індуктора вона дорівнює половині периметру провідника індуктора, k_втр - коефіцієнт збільшення втрат через нерівномірний розподіл густини струму в обмотці і визначається з виразу:

,(22)

де - відношення зовнішнього і внутрішнього радіусів витка індуктора, а а_R визначається за формулою:

_,(23)

де n - показник степеню параболи, який апроксимує основну криву намагнічування сталей ( - кут втрат на гістерезис). Середнє значення для цього коефіцієнта для конструкційних сталей складає 1,4.

Розрахунок власного індуктивного опору контурів з урахуванням наявності магнітопроводу здійснювали за формулою:

,(24)

де k_i=0,5, а опір короткого замикання визначали з виразу

,(25)

де g - відстань між обмотками.

Таким чином, створені методики для визначення конструктивних параметрів індукторів та нагрівальних систем дозволяють розробляти нові технологічні процеси індукційного наплавлення тонких сталевих дисків зубчатої і суцільної форми довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення без проведення великозатратних матеріалоємких експериментів.

Третій розділ присвячений побудові методу визначення залишкових напружень, деформацій та переміщень, які виникають після наплавлення тонких сталевих дисків в зоні робочої кромки, яка може мати різну ширину. Найважливішою причиною їх виникнення є те, що матеріали основного і наплавленого металу мають різні механічні та теплофізичні властивості і, перш за все, модуль пружності Е і коефіцієнт температурного розширення _Т та несиметричне розташування наплавленого металу відносно серединної площини диска.

Після нагрівання до необхідної температури наплавлення індуктор вимикається і система „основний метал і розплав” остигає і проходить процес кристалізації розплаву (перший етап остигання).

Оскільки розплав кристалізується при певній температурі, то існує така температура, починаючи з якої можна вважати, що закристалізований наплавлений твердий шар стає твердим деформованим тілом (початок другого етапу остигання).

Цю температуру позначимо через Т_д і зауважимо, що вона нижча від температури плавлення шихти (порошкового сплаву). При моделюванні спільного деформування основного і наплавлюваного металу будемо нехтувати перехідним шаром.

Вважатимемо, що між основним і наплавлюваним металом існує термомеханічний контакт. На другому етапі можна вважати, що в початковий момент вільне від зовнішнього навантаження і нагріте до постійної температури Т_д кільце з диском основного металу з'єднується з основним, в якому існують напруження і деформації від попереднього індукційного нагрівання і остигання, причому температура металу диска, з'єднаного з кільцем, також постійна і дорівнює Т_д. Напруження диска після наплавлення, знайдені як напруження, які виникають в кільцевій пластинці з наплавленим на ній по периметру кільцем, після їх повного остигання, і кільце має разом із пластинкою в момент з'єднання в цій зоні температуру Т_д. Слід наголосити, що температура нагрівання диска та його остигання можуть бути приблизно знайдені за допомогою формул (15), (16) та (19), (20). Останню формулу у випадку, коли температура інтенсивно спадає від краю диска до його центру, слід переписати у вигляді

.(26)

З допомогою цієї формули обчислюємо розподіл температури по радіусу диска при різних значеннях градієнтності в для системи, яка складається з індуктора, теплового і електромагнітного екранів (система ІТЕЕ) на торці диска та на його бокових поверхнях при r<r_3.

Значно полегшує розв'язок задачі припущення, що добуток модуля пружності і коефіцієнта температурного розширення основного і наплавлюваного металу є постійним E_Т = const. Незалежними від температури для цих інтервалів будемо вважати також значення коефіцієнта Пуассона як для диска, так і для наплавленого металу.

Дійсно, ці припущення дають можливість після введення функцій

, ; , ,

представити вирази для зусиль і моментів, які виникають в диску в процесі нагрівання та першого етапу остигання (додаткові їх значення), у вигляді:

;

;

; (27)

Враховуючи, що добуток E₀б₀ = const та підставивши в останні вирази в рівняння рівноваги диска для визначення функцій і , отримаємо рівняння:

; (28)

,

де позначено .

Загальний розв'язок рівняння (28), який задовольняє граничним умовам, має вигляд

;

;

Знайдені за допомогою останніх формул вирази для визначення зусиль, моментів та поперечних переміщень, будуть такими:

; (30)

;

; ;.

Для (момент з'єднання) зусилля, моменти і поперечні переміщення в кільці диска будуть відсутні, а радіальне переміщення буде

. (31)

Напружений і деформований стан в диску в момент з'єднання його з кільцем описується формулами (29), (30), оскільки внутрішні напруження в кільці в момент з'єднання будемо вважати відсутніми.

В подальшому в результаті зміни температурного поля внаслідок остигання диска здійснюється деформування такої неоднорідної конструкції, як диск основного металу і з'єднаного з ним кільця наплавлюваного матеріалу (другий етап остигання).

Розв'язуючи рівняння рівноваги для зони r₁ ? r ? r₃ і для зони r₃ ? r ? r₂, використавши при цьому граничні умови і умови неперервності для напружень і переміщень, отримаємо остаточні вирази для визначення зусиль, моментів і переміщень. Через їх громіздкість приведено тільки вираз для прогину (переміщення) в зоні r < r₃.

. (32)

Коли нас цікавить, які зусилля, моменти і переміщення будуть мати місце в наплавленому диску, то у вирази для їх визначення потрібно покласти і дійсно, врахувавши те, що ; і поклавши тут , отримаємо , а звідси Т=Т₀, тобто ми обчислюємо шукані величини при температурі, рівній температурі середовища.

Максимальне кільцеве напруження у₂ виникає в наплавленому шарі безпосередньо біля межі з'єднання його з основним металом на границі з ненаплавленою зоною і дорівнює при границі міцності наплавленого матеріалу ПГ-С1 (сормайту) 150 МПа. При цьому виконуються умови міцності по критерію найбільших нормальних напружень та по енергетичному критерію Губера, як для наплавленого, так і для основного металу, а це означає, що виникнення тріщин неможливе, що підтверджується також структурним аналізом наплавленого металу.

Аналізуючи числові результати, приходимо до висновку, що для здійснення наплавлення дисків, створюючи при цьому низький рівень залишкових напружень, необхідно використовувати температурне поле з низьким рівнем градієнтності по радіусу (наприклад, поле, що описується формулою (20) при в = 0,35).

Залишкові прогини при цьому також незначні і не перевищують w ? 0,001 м при товщині наплавлюваного шару д = 1 мм для всіх наведених значень в.

Значить, розроблена нова (запатентована) конструкція нагрівальної системи (ІТЕЕ), яка здійснює нагрівання з низьким рівнем градієнтності по радіусу диска, створює низький рівень залишкових напружень, які не перевищують допустимих, дає можливість усунути операцію попереднього підігріву деталі, що використовується для зниження рівня залишкових напружень. Це зменшує також енергозатрати на здійснення операції наплавлення.

Слід зауважити, що використання високоградієнтного нагрівання по радіусу диска приводить до створення поля залишкових напружень, частина яких перевищує допустимі. Для їх зниження необхідно здійснювати додаткову технологічну операцію (наприклад, відпал).

В даному розділі розроблена математична модель, яка дозволяє визначати поля залишкових напружень, деформацій і переміщень, що виникають в результаті індукційного наплавлення тонких сталевих дисків, в залежності від геометричних розмірів диска і наплавлюваного металу, а також їх механічних та теплофізичних характеристик, що дозволяє оцінити їх міцність та усунути додаткові технологічні операції.

В четвертому розділі описані методики експериментальних досліджень.

Так, при розробленні нових технологічних процесів індукційного наплавлення тонких сталевих дисків важливе місце займає проектування і конструювання нагрівальних джерел (індукторів і систем). Результати теоретичних досліджень по оптимізації конструктивних розмірів індукторів і нагрівальних систем наведені вище. З метою перевірки теоретичних даних для їх конструювання, тобто для експериментального дослідження температури в зоні наплавлення, товщини шару наплавлюваного металу, стійкості проти спрацювання і деформації дисків були розроблені спеціальні методики і пристрої, а також пристрій для плавного регулювання потужності в зоні наплавлення по енергоощадному закону без перемикання генератора в процесі наплавлення. Так, при вимірюванні температури в зоні наплавлення був розроблений спеціальний пристрій з використанням вольфраморенієвих термопар. Значення температури записувались за допомогою чотирьохканального приладу Н338-4П з використанням тензопідсилювача „Топаз-4-01” з регулятором живлення „Агат-7”.

Важливим критерієм, який характеризує якість наплавлення, є рівномірність товщини шару наплавлюваного металу по всій робочій поверхні, яка, згідно технічного завдання, повинна знаходитися в межах . Для оцінки технологічного процесу індукційного наплавлення тонких дисків для двох систем наплавлення, для прикладу, одночасного, з використанням різних нагрівальних джерел (індукторів, систем) була розроблена спеціальна методика, яка описана в дисертації. Обробку результатів вимірювання товщини шару наплавлюваного металу проводили за допомогою методів математичної статистики.

Деформації заміряли на поверхні з середнім радіусом R₁=192мм в 36 точках. При вимірюваннях деформації враховувалося биття поверхні оправки до якої прилягає базова поверхня ножа. Деформації диска з врахуванням биття оправки розраховували за формулою

...