Технологічна та енергетична ефективність індукційного наплавлення тонких сталевих дисків

(33)

індукційний наплавлений сталевий

де - биття оправки.

Потім будували графік =f(), де - розгорнутий кут нахилу площини А відносно базової площини Б (в градусах) з масштабом 5мм - 10⁰; 10мм - 20⁰ і т. д.

Диски після штампування мали односторонню деформацію в процесі наплавлення, характер деформацій не змінювався, змінювалась тільки їх величина.

Таким чином, розроблена методика дослідження товщини наплавлюваного металу і деформації тонких сталевих дисків дозволяє оцінити якісну характеристику технологічних процесів наплавлення в залежності від режимів і способів наплавлення з використанням нагрівальних джерел (індукторів і систем).

Для дослідження стійкості проти спрацювання наплавленого металу була використана установка НК-М, яка має три доріжки тертя у вигляді мідних кілець.

Оскільки заготовка (основний метал) являє собою тонкий диск товщиною д=3 мм і з наплавленим шаром товщиною порядку 0,8...1,5 мм, були виготовлені спеціальні зразки для проведення дослідження стійкості проти спрацювання з використанням машини НК-М.

В п'ятому розділі проведені дослідження наплавленого металу, отриманого з використанням нагрівальної системи (ІТЕЕ) і режиму нагрівання (вираз (2)) і порівнювали їх з результатами, отриманими за допомогою двохвиткового кільцевого індуктора, у випадку, коли він вільний від допоміжних засобів керування тепловим і електромагнітним полями.

При проведенні експериментальних досліджень металу, наплавленого за допомогою нагрівальної системи (ІТЕЕ), було враховано такі фактори, як рівномірність розплавлення порошкового сплаву по всій робочій поверхні, структура, відсутність пор, стійкість проти спрацювання, твердість, товщину наплавленого шару металу, продуктивність процесу, енергозатрати. В залежності від поперечного перерізу витків індуктора і їх взаємного розташування відносно наплавлюваної поверхні, товщини електромагнітного і теплового екранів, а також матеріалів, з яких вони виготовляються, можна змінювати характер електромагнітного поля в зоні наплавлення і тим самим досягати покращення якості наплавленого металу.

Для проведення порівняльних досліджень властивостей металу, наплавленого для цих випадків без екранування і з екрануванням теплових і електромагнітних полів були наплавлені диски ножів гичкорізів порошковим сплавом ПГ-С1, які виготовлені зі сталі Ст.3.

Наплавлення здійснювалось одночасно по всій робочій поверхні від генератора типу ВЧИ-63/0,44 без обертання деталі. Проведені дослідження структури наплавленого металу з використанням нагрівальної системи (ІТЕЕ). В мікроструктурі металу, наплавленого за допомогою системи (ІТЕЕ), спостерігаються первинні хромисті карбіди у вигляді досить великих пластин прямокутної або ромбовидної форми, достатньо рівномірно розподілених в матриці.

З боку наплавленого металу до межі розділення примикають скупчення карбідної евтектики. На лінії сплавлення наплавлений метал має чітко виражену дендритну структуру. В верхній зоні наплавленого металу спостерігається виділення первинних карбідів віялоподібного характеру, як і при наплавленні двохвитковим кільцевим індуктором без екранування теплових і електромагнітних полів. Для визначення складу структурних складових і встановлення впливу їх на властивості наплавленого металу проведений також мікрорентгеноспектральний аналіз наплавленого металу, отриманого за допомогою нагрівальної системи ІТЕЕ.

Встановлено, що в досліджуваних зразках вміст хрому і нікелю в твердому розчині знаходиться приблизьно на одному рівні.

Також вивчали якісний розподіл вуглецю і хрому в зразку. Помітного дифузійного перерозподілу вуглецю біля лінії сплавлення не спостерігається. Вуглець зв'язаний в карбідах. За даними рентгеноструктурного аналізу, це карбіди типу (Fe,Cr)₇C₃. Проведено лабораторні випробування стійкості проти спрацювання наплавленого металу на машині НК-М за двома системами наплавлення - коли індуктор не екранований і коли існує система ІТЕЕ.

Проводили дослідження товщини шару наплавленого металу порошкоподібним сплавом ПГ-С1 для двох випадків. Рівномірність товщини шару наплавленого металу, отриманого системою ІТЕЕ, в порівнянні з наплавленням кільцевим індуктором без екранування теплових і електромагнітних полів збільшується на 12% за рахунок більш рівномірного розподілу потужності (температури) в зоні наплавлення, яка досягається за допомогою нагрівальної системи (ІТЕЕ). Крім того, досягається додаткова економія електроенергії на 9...20% за рахунок скорочення часу на наплавлення диска з 32 с до 22 с і зменшення конвективних втрат тепла на торці диска та на нижній поверхні диска, протилежній до тієї, що наплавляється, а також усувається перегрівання торця диска і наплавленого металу в порівнянні з технологією наплавлення без екранування теплових і електромагнітних полів.

Проведені також дослідження на доцільність використання нагрівальної системи (індуктор-магнітопровід) для наплавлення тонких сталевих дисків суцільної форми з використанням високочастотного обладнання типу ВЧИ-63/0,44. Результати досліджень показали, що при наплавленні суцільних дисків з використанням феритного магнітопроводу час наплавлення одного диска складає 50 с, а при наплавленні без магнітопроводу - відповідно 60 с, а витрати електро- енергії зменшуються приблизно на 20%.

Крім того, виявлено доцільність застосування феритного магнітопроводу з метою конструювання системи (індуктор-магнітопровід) для наплавлення тонких суцільних дисків діаметрами 210...420 мм.

Шостий розділ присвячений розробці обладнання для індукційного наплавлення тонких сталевих дисків.

На базі системи ІТЕЕ розроблений 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.

Розроблено обладнання для завантаження і розвантаження деталей, засипання шихти та автоматичний регулятор потужності генератора, який дозволяє плавно нарощувати потужність за енергоощадним законом, яке використане для конструювання промислової автоматичної роторної лінії наплавлення ножів-гичкорізів.

На базі розробок і досліджень сконструйовані і виготовлені роторні автоматичні лінії для наплавлення дисків, в яких джерелами нагрівання є двохвиткові кільцеві індуктори або системи ІТЕЕ та системи індуктор-магнітопровід, які захищені патентами України.

Результати роботи використовуються у навчальному процесі і впроваджені на ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”, ВАТ „Коломиясільмаш”, ВАТ „Каховський завод електрозварювального устаткування”, а також в банку даних математичних моделей і енергоощадних технологій в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України.

В додатку представлені акти по впровадженню і використанню результатів досліджень, копії отриманих патентів України на технологію та устаткування в кількості 7 шт., а також програмне забезпечення для:

- оптимального проектування двохвиткового кільцевого індуктора та нагрівальної системи (індуктор-електромагнітний екран) з метою створення необхідної потужності нагрівання в зоні наплавлення дисків;

- оптимального проектування двохвиткового кільцевого індуктора та нагрівальної системи (ІТЕЕ) з метою створення необхідної температури в зоні наплавлення дисків і дослідження їх вільного остигання;

- дослідження залишкових напружень, деформацій та переміщень, які виникають після наплавлення дисків.

висновки

1. Розроблені основи індукційного нагрівання та наплавлення тонких сталевих дисків суцільної форми, які дозволяють проектувати нагрівальні системи індуктор-магнітопровід з урахуванням їх електрофізичних, енергетичних та геометричних параметрів.

2. Розроблені математичні моделі, які дозволили:

а) отримати інженерні методики для розрахунку геометричних розмірів нагрівальних джерел (індукторів і систем), що дозволили у виробничій практиці визначати їх конструктивні параметри і силу струму для наплавлення дисків довільних діаметрів і розмірів зони наплавлення (для прикладу, диски товщиною і діаметром відповідно 2...6 мм і 210...420 мм та шириною і товщиною наплавлюваного металу відповідно 10...50 мм і 0,8...1,5 мм), виходячи з потреб технології;

б) обґрунтувати доцільність одночасного наплавлення дисків по всьому периметру з допомогою постійної питомої потужності джерела нагрівання в часі, бо при цьому на наплавлення одного диска тратиться 0,356 кВт.год енергії, тоді як на наплавлення сегментним індуктором потрібно 0,425 кВт.год, тобто в останньому випадку витрати в 1,2 рази більші;

- показати, що при застосуванні енергоощадного режиму нагрівання додатково досягається економія енергії (до 16%), тобто затрати електроенергії зменшуються ще на 0,057 кВт.год на один виріб;

- показати, що при використанні електромагнітного та теплового екранування разом з індуктором, сконструйованими енергоощадними системами (ІТЕЕ) досягається в порівнянні з попереднім випадком скорочення часу на наплавлення дисків зубчатої форми з 32 до 22 с, підвищення рівномірності нагрівання диска в зоні наплавлення, усунення перегрівання торця диска, а також додаткової економії електроенергії на 9-20%, тобто затрати електроенергії знижуються на 0,037-0,082 кВт.год за рахунок зменшення часу на наплавлення та конвективних втрат тепла;

- встановити, що в результаті впровадження системи (ІТЕЕ) сумарна економія електроенергії складає приблизно біля 42...56%, або 0,162...0,217 кВт.год на один виріб у порівнянні з наплавленням сегментним індуктором;

в) проектувати та досліджувати енергоощадні нагрівальні електромагнітні джерела з урахуванням їх електро-, теплофізичних, енергетичних, механічних та геометричних параметрів, а також режимів нагрівання;

г) конструювати нагрівальні системи індуктор, тепловий і електромагнітний екрани (ІТЕЕ) з метою одночасного наплавлення по всій робочій поверхні дисків зубчатої і суцільної форми в широкому діапазоні, бо коефіцієнти екранування теплової конвекції К_Т і електромагнітного екранування К_е змінюються в проміжках (0 ? К_Т ? 1), (0 ? К_е ? 1);

д) визначати поля залишкових напружень, деформацій та переміщень в залежності від геометричних розмірів диска і наплавлюваного металу, а також їх механічних та теплофізичних характеристик, що дало можливість керувати величиною прогину для отримання дисків із заданими геометричними характеристиками;

– встановити, що для багатьох матеріалів в досить широкому діапазоні температур від 0 до 1220 єС добуток модуля пружності і коефіцієнта температурного розширення основного і наплавлюваного металів Еб_Т = const, що дозволило значно спростити обчислення при визначенні вище згаданих характеристик;

– показати, що після наплавлення дисків із сталі Ст.3 порошковим сплавом на залізній основі ПГ-С1 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 054 МПа при границі міцності наплавленого металу = 150 МПа. При цьому виконуються умови міцності по критерію найбільших нормальних напружень та по енергетичному критерію Губера, і залишкові напруження не приводять до виникнення тріщин і втрати працездатності деталі;

е) здійснювати контроль за температурою в довільній точці диска в будь-який момент часу, що дозволило зменшити обсяг експериментальних досліджень, і тим самим значно економити матеріальні затрати при знаходженні технологічних режимів та конструктивних розмірів нагрівальних систем для виконання процесу наплавлення;

ж) дослідити процес індукційного нагрівання та остигання сталевих дисків з використанням системи ІТЕЕ. Показано, що розроблений інженерний варіант визначення температурного поля в диску в процесі нагрівання і остигання значно спрощує математичний апарат, а результати обчислень відрізняються від точних на 2-3% при нагріванні і на 5,0-7,5% при остиганні.

3. 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 встановлених параметрів. Таке поле забезпечує рівномірне кероване виділення тепла в зоні наплавлення, що підвищує рівномірність товщини шару наплавленого металу на 12% в широкому спектрі їх конструктивних та експлуатаційних параметрів дисків.

4. Визначено, що при наплавленні суцільних дисків з використанням нагрівальної системи (індуктор-феритний магнітопровід) час наплавлення одного диска скорочується з 60 до 50 с, а витрати електроенергії зменшуються на 20% в порівнянні з індуктором без магнітопроводу.

Показано доцільність застосування феритного магнітопроводу для наплавлення тонких суцільних дисків переважно великих розмірів і складної конфігурації.

5. Перевірені експериментально результати, отримані з допомогою математичної моделі нагрівання та остигання диска після наплавлення. Похибка при використанні цих методик відносно експериментальних вимірювань складає при нагріванні 2-3%, при остиганні - 5,0-7,5%.

6. Розроблені методи автоматизованого експериментального дослідження температури в зоні наплавлення, товщини шару наплавленого металу та деформації дисків дозволяють швидко оцінити та контролювати якість розроблених технологічних процесів наплавлення дисків при мінімальних матеріальних затратах і часу.

7. Розроблено та впроваджено трьохпозиційну роторну лінію для індукційного наплавлення сталевих дисків на базі розроблених технологічних систем ІТЕЕ та індуктор-магнітопровід, які захищені патентами України.

8. Результати роботи впроваджені на ВАТ „Тернопільський комбайновий завод”, ВАТ „Коломиясільмаш”, ВАТ „Каховський завод електрозварювального устаткування”, а також в банк даних математичних моделей і енергоощадних технологій в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України. Запропоновано використання результатів досліджень у навчальному процесі при підготовці бакалаврів, спеціалістів, магістрів та аспірантів зварювального виробництва.

Достовірність отриманих результатів забезпечується адекватністю моделей, коректністю постановок задач та їх відповідністю фізичним процесам, що відбуваються при індукційному наплавленні; використанням перевірених методів їх розв'язання; узгодженням числових результатів з експериментальними даними; дослідно-промисловою перевіркою технології і устаткування.

Основні публікації по темі дисертації

1. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В. Технология и оборудование для индукционной наплавки тонких фасонных дисков // Автомат. сварка. - 1994. - № 5-6. - С. 48-50.

2. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В., Письменный А.С. Оптимизация конструктивных параметров индуктора для индукционной наплавки тонких стальных дисков // Автомат. сварка. - 1997. - № 6. - С. 17-20.

3. Пулька Ч.В. Методика исследования температурных полей при индукционной наплавке // Автомат. сварка. - 1997. - № 7. - С. 52-53.

4. Пулька Ч.В. Влияние режимов индукционной наплавки на толщину наплавленного слоя и величину деформации тонких стальных дисков // Автомат. сварка - 1997. - № 10. - С. 57-58.

5. Пулька Ч.В. Программирование режима нагрева при индукционной наплаве тонких стальных дисков // Автомат. сварка. - 1998. - № 1. - С. 48-50.

6. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В., Письменный А.С., Михайлишин В.М. Остаточные перемещения тонких стальных дисков при индукционной наплавке износостойкими порошкообразными твердыми сплавами // Автомат. сварка. - 1999. - № 9. - С. 55-57.

7. Письменный А.С., Пантелеймонов Е.А., Прокофьев А.С., Пулька Ч.В. Расчет индуктора с магнитопроводом для нагрева плоских поверхностей изделий // Автомат. сварка. - 2000. - № 11. - С. 39-43.

8. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В., Письменный А.С. Оптимизация параметров индуктора для равномерного нагрева дисков по ширине зоны наплавки с учетом экранирования // Автомат. сварка. - 2002. - № 11. - С. 24-26.

9. Пулька Ч.В. Наплавка рабочих узлов почвообрабатывающей и уборочной сельскохозяйственной техники // Автомат. сварка. - 2003. - № 8. - С. 36-41.

10. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В., Письменный А.С. Оптимизация индукционной наплавки тонких дисков с учетом теплового и электромагнитного экранирования // Автомат. сварка. - 2003. - № 9. - С. 22-25.

11. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В., Письменный А.С., Шарик М.В. Усовершенствование конструкций индукторов для индукционной наплавки тонких элементов деталей машин // Автомат. сварка. - 2004. - № 4. - С. 50-54.

12. Пулька Ч.В., Шаблий О.Н., Письменный А.С. Влияние режимов индукционной наплавки на структуру и свойства наплавленного металла // Автомат. сварка. - 2004. - № 10. - С. 19-21.

13. Шаблій О.М., Михайлишин М.С., Михайлишин В.М., Пулька Ч.В. Математичне моделювання виникнення залишкових напружень, деформацій та переміщень при індукційному наплавленні тонких сталевих дисків // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - 1998. - Т. 3, число 4. - С. 5-12.

14. Пулька Ч.В. Механізована лінія для неперервно-послідовного індукційного наплавлення тонких фасонних дисків // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - 2002. - Т. 7, № 2. - С. 83-90.

15. Пулька Ч.В. Енергозберігаюча автоматизована лінія для одночасного індукційного наплавлення тонких фасонних дисків // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - 2002. - Т. 7, № 3. - С. 41-48.

16. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Дослідження індукційного наплавлення тонких фасонних дисків з використанням магнітопроводу // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - 2002. - Т. 7, № 4. - С. 77-80.

17. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Шарик М.В. Вдосконалення обладнання для індукційного наплавлення ножів-гичкорізів // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - 2003. - Т. 8, № 1. - С. 36-43.

18. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С., Шарик М.В. Індуктори для наплавлення тонких фасонних дисків при мінімальних енергозатратах // Вісник Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - 2003. - Т. 8, № 3. - С. 48-53.

19. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Дослідження стійкості проти спрацювання наплавлених індукційним способом деталей сільськогосподарських машин // Вісник ТДТУ ім. Івана Пулюя. - 2004. - Т. 9, № 1. - С. 22-26.

20. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Програмне керування процесом індукційного наплавлення по оптимальному режиму // Зб. наук. праць присвячений 100-річчю механіко-машинобудівного і 50-річчю зварювального факультетів. Том IV. 1998. - С. 344-345.

21. Шаблій О. М., Пулька Ч. В. Дослідження наплавленого металу одержаного шляхом реалізації оптимального за енергозатратами режиму нагрівання // Пр. 4-го Міжнародного симпозіуму з трибофатики (ISTF 4), 23-27 вересня 2002 р., Тернопіль (Україна) / Відп. ред. В.Т.Трощенко - Тернопіль: Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. Т. 2. - С. 636-642 (Зараховано як фахове видання. Постанова Президії ВАКУ від 15.01.03 № 1-05/01).

22. Патент України №40547, С21Д1/10. Спосіб обробки виробів із сталі. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Василюк П.М. (Україна) Опубл. Бюл. № 6 від 16.07.2001 р.

23. Патент України № 55346, В23К 13/00. Пристрій для наплавлення плоских тонкостінних деталей. Пулька Ч.В., Шаблій О.М., Будзан Б.П. (Україна) Опубл. Бюл. № 3 від 17.03.2003 р.

24. Патент України № 55349, В23К 13/00. Спосіб наплавлення тонкостінних фасонних дисків. Пулька Ч. В., Шаблій О.М., Будзан Б.П., Скочило В.М. (Україна) Опубл. Бюл. № 3 від 17.03.2003 р.

25. Патент України № 55350, В23К 37/04. Автоматична потокова лінія для наплавлення тонкостінних фасонних дисків. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Дячук С.Ф. та ін. (Україна) Опубл. Бюл. № 3 від 17.03.2003 р.

26. Гичкозрізувальний пристрій. Деклараційний патент UA. №56031А, 7 А01Д23/02/ Мартиненко В.Я., Вовк Я.Ю., Пулька Ч.В. та ін. - №2002097165; Заявл. 03.09.2002; Опубл. 15.04.2003, Бюл. № 4.

27. Пристрій для регулювання потужності в зоні наплавлення. Деклараційний патент UA. № 58943А, 7 В23К13/00/Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Михайлишин М.С. та ін. - № 2002119491; Заявл. 28.11.2002; Опубл. 17.11.2003, Бюл. № 11.

28. Пристрій для регулювання потужності в зоні наплавлення. Деклараційний патент UA. 68940A, 7B23K 13/00 / Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. - № 2003 1110476; Заявл. 20.11.2003; Опубл. 16.08.2004. Бюл. № 8.

29. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Високопродуктивна і енергозберігаюча технологія індукційного наплавлення тонких фасонних дисків // Прогресивні технології і обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей першої науково-технічної конференції ТПІ. - Тернопіль, 1992. - С. 73.

30. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Підвищення зносостійкості тонких дисків шляхом наплавлення зносостійкими сплавами // Прогресивні технології і обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей першої науково-технічної конференції ТПІ. - Тернопіль, 1992. - С. 74.

31. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Розробка енергозаощадливих механізмів для індукційної наплавки деталей // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей другої науково-технічної конференції ТПІ. - Тернопіль, 1993. - С. 89-90.

32. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Вдосконалення технології індукційного наплавлення ріжучих елементів // Тези доповідей 1-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - 1993. - С. 325-326.

33. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Шляхи економії енергії в процесі індукційної наплавки тонких дисків // Матеріали міжнародної конференції „Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроении”, Одеса, 6-8 вересня 1994, С. 47-48.

34. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Пулька Т.Ч. Індукційне наплавлення твердих тіл при мінімальних енергозатратах // Тези доповідей 2-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - 1995. - С. 131.

35. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Шарик М.В. Зносостійкість та твердість наплавленого металу одержаного шляхом реалізації оптимального за енергозатратами режиму нагріву // Тези доповідей IV міжнародної конференції з механіки неоднорідних структур. - Тернопіль, 1995. - С. 232.

36. Пулька Ч.В. Енергоощадна технологія індукційного наплавлення тонких стальних дисків // Материалы 2-й Международной конференции по управлению использованием энергии (Львов, 3-6 июня 1997 г.). - Tacis Bistro/96/052/ - С. 2-47 - 2-48.

37. Пулька Ч.В. Розробка індукторів для індукційного наплавлення тонких стальних дисків / Тези доповідей 3-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - 1997. - С. 152-153.

38. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Керування розподілом потужності при індукційному наплавленні тонких сталевих дисків з використанням електромагнітного екранування // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей третьої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 1998. - С. 68.

39. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Енергозберігаючі технології наплавлення деталей машин // Тезисы докладов Международной конференции “Сварка и родственные технологии - в ХХІ век”. - Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 1998. - С. 132.

40. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Михайлишин М.С. Методика визначення полів залишкових напружень, деформацій та переміщень при енергоощадному режимі індукційного наплавлення тонких металевих конструкцій // Тези доповідей 4-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - 1999. - С. 112-113.

41. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Регулювання залишкових переміщень при індукційному наплавленні тонких металевих конструкцій // Материалы международной конференции “Сварочные конструкции”. - Киев: НТК ИЭС им. Є.О.Патона, 2000. - С. 64-65.

42. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Михайлишин В.М. Визначення залишкових переміщень при індукційному наплавленні тонких металевих дисків, коефіцієнти лінійного температурного розширення матеріалів, яких залежать від температури // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей четвертої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2000. - С. 51.

43. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Михайлишин В.М. Математичне моделювання процесу індукційного наплавлення тонких сталевих дисків з врахуванням пружно-пластичного деформування // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей п'ятої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2001. - С. 4.

44. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Методика розрахунку індуктора з магнітопроводом для нагрівання деталей машин // Тези доповідей 5-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - 2001. - С. 112-113.

45. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Вдосконалення технології індукційного наплавлення робочих поверхонь деталей машин // Материалы международной конференции “Сварка и родственные технологии 2002”. - Киев: НТК ИЭС им. Є.О.Патона, 22-26 апреля, 2002. - С. 46-47.

46. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Шарик М.В. Розробка обладнання для індукційного наплавлення ножів гичкорізів // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні: Тези доповідей шостої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2002. - С. 3.

47. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Михайлишин В.М. Вплив екранування на розподіл потужності по ширині зони наплавлення і конструктивні розміри індуктора // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні: тези доповідей шостої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2002. - С. 4.

48. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Методи регулювання потужності теплових джерел при індукційному наплавленні деталей машин // Матеріали сьомої наукової конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2003. - С. 5.

49. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Оптимізація температурного поля при індукційному наплавленні фасонних дисків // Матеріали сьомої наукової конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2003. - С. 6.

50. Шаблій О.М., Пулька Ч.В. Енергозберігаюча технологія індукційного наплавлення ріжучих засобів з врахуванням теплового й електромагнітного екранування // Тези доповідей 6-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - 2003. - С. 103-104.

51. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Шляхи регулювання температурного поля в зоні індукційного наплавлення тонких дисків з врахуванням теплового і електромагнітного екранування // Материалы международной конференции “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций 2003”. - Киев: НТК ИЭС им. Е. О. Патона, 24-27 ноября, 2003. - С. 79-80.

52. Шаблій О.М., Пулька Ч.В., Письменний О.С. Вдосконалення технології індукційного наплавлення тонких сталевих дисків // Матеріали восьмої наукової конференції ТДТУ. - Тернопіль, 11-12 травня 2004. - С. 3.

53. Шаблий О.Н., Пулька Ч.В., Письменный А.С. Математическое моделирование остывания диска после индукционной наплавки в нагревательной системе // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: Сб. тр. Второй междунар. конф. - пос. Кацивели, Крым, Украина, 13-17 сент. 2004 г. / Под ред. В.И.Махненко. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2004. - С. 245-247.

АНОТАЦІЯ

Пулька Ч.В. Технологічна та енергетична ефективність індукційного наплавлення тонких сталевих дисків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 „Зварювання та споріднені технології”. Національний технічний університет України „КПІ”, м.Київ, 2006 р.

В дисертаційній роботі для умов індукційного наплавлення тонких сталевих дисків зубчатої та суцільної форми, на основі методів технічної електродинаміки та теорії теплопровідності вперше 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 засадах створені інженерні методики розрахунку нагрівальних систем для реалізації нового напрямку технології індукційного наплавлення тонких сталевих дисків. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено технологію і обладнання для одночасного наплавлення тонких сталевих дисків по всій робочій поверхні з використанням конструкцій нагрівальних джерел (індукторів, системи ІТЕЕ та індуктор-магнітопровід), а також енергоощадного режиму наплавлення.

Ключові слова: індукційне наплавлення, порошкові сплави, тонкі сталеві диски, тепловий і електромагнітний екрани, нагрівальні джерела (індуктори та системи), оптимізація, режими нагрівання, енергоощадні технології.

АННОТАЦИЯ

Пулька Ч.В. Технологическая и энергетическая эффективность индукционной наплавки тонких стальных дисков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 „Сварка и родственные технологии”. Национальный технический университет Украины “КПИ”, г.Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена разработке эффективной и энергосберегающей технологии индукционной наплавки тонких стальных дисков с использованием комбинированного экранирования тепловых и электромагнитных полей, что позволило создать новое технологическое направление для изготовления новых изделий машин (типа замкнутых дисков) с использованием токов высокой частоты.

На основании методов технической электродинамики и теории теплопроводности впервые разработаны математические модели и на их базе - основы проектирования (с учетом оптимизации конструктивных параметров систем для нагрева при условии одновременной наплавки по всей рабочей поверхности тонких стальных дисков произвольных диаметров и размеров зоны наплавки, энергосберегающего режима нагрева и тока) индукторов, когда нагрев осуществляется:

- двухвитковым кольцевым индуктором с целью создания необходимой удельной мощности тепловых источников в зоне наплавки;

- нагревательной системой индуктор и электромагнитный экран с целью создания необходимого распределения удельной мощности тепловых источников по ширине зоны наплавки;

- нагревательной системой индуктор, тепловой и электромагнитный экраны (ИТЭЭ) с целью достижения равномерного распределения температуры в зоне наплавки;

- нагревательной системой индуктор-магнитопровод.

Полученные графические зависимости и табличные данные для нахождения геометрических размеров нагревательных источников (индукторов и систем) дают возможность в инженерной практике определять их конструктивные параметры и силу тока для наплавки дисков произвольных диаметров и размеров зоны наплавки толщиной и диаметром соответственно 2…6 мм и 210…420 мм шириной и толщиной наплавленного металла соответственно 10…50 мм и 0,8…1,5 мм, исходя из потребностей технологии без проведения экспериментов.

Впервые на основании построенной математической модели свободного остывания диска после нагрева с помощью нагревательной системы ИТЭЭ получены инженерные формулы для определения температуры, которые в дальнейшем используются в разработанной математической модели определения полей остаточных напряжений, деформаций и перемещений. Разработанные инженерные методы расчетов температуры диска в процессе его свободного остывания хорошо согласуются с результатами, полученными по более точным, но сложным формулам. Расхождение не превышает 2-3% при нагреве и 5,0-7,5% при остывании для данной нагревательной системы ИТЭЭ. Полученная математическая модель и программное обеспечение позволяют определять поля остаточных напряжений, деформаций и перемещений, которые возникают в процессе наплавки тонких стальных дисков, в зависимости от геометрических размеров диска и наплавляемого металла, а также их механических и теплофизических характеристик. С учетом того, что для многих материалов в достаточно широком диапазоне изменения температур произведение модуля упругости и коэффициента температурного расширения основного и наплавленного металлов =const позволило упростить расчеты и построить соответствующие алгоритмы определения остаточных напряжений и перемещений.

Разработанная экспериментально-числовая модель расчета нагревательной системы индуктор-магнитопровод позволяет находить числовые результаты для конструирования устройств согласования электрических параметров генератора, а также системы индуктор-изделие. Найденные теоретические и экспериментальные результаты подтверждают обоснованность использования выбранной методики с достаточной для инженерных расчетов и практических целей точностью в пределах 3-4%.

Разработанные методики для измерения температуры в зоне наплавки, толщины наплавленного металла, износостойкости и деформации, позволяют: уменьшить материальные затраты на проведение экспериментов с целью оценки качественных показателей технологического процесса наплавки тонких стальных дисков, а предложенная методика плавного наращивания мощности по энергосберегающему закону без переключения генератора во время наплавки повысить надежность и долговечность его работы.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология и оборудование для одновременной наплавки тонких стальных дисков с учетом конструкций источников нагрева (индукторов, систем ИТЭЭ и индуктор-магнитопровод), а также режимов нагрева. Предложенный новый технологический процесс наплавки тонких дисков зубчатой формы с шириной наплавки больше высоты зуба с использованием разработанной нагревательной системы ИТЭЭ, позволяет уменьшить суммарные затраты электроэнергии на 42…56%, повысить равномерность толщины слоя наплавленного металла на 12%, ликвидировать перегрев торца диска и наплавленного металла, а также сократить время наплавки с 32 до 22 по сравнению с нагревательной системой без экранирования тепловых и электромагнитных полей.

Ключевые слова: индукционная наплавка, порошковые сплавы, тонкие стальные диски, тепловой и электромагнитный экраны, индуктор-магнитопровод, нагревательные источники (индуктора и системы), оптимизация режимов нагрева, энергосберегающие технологии.

ABSTRACT

Pulka Ch.V. Technological and energy efficiency of induction surfacing of thin steel discs. - Manuscript

The thesis submitted for the scientific degree of Doctor of Technical Sciences in specialism 05.03.06 “Welding and Allied Technologies” - National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2006.

In the thesis the mathematic models for designing of energy-saving heating sources (inductors, inductor-system, heat and electro-magnetic screens (ITEE) and inductor-magnetic wire), taking into account their thermal, electro-physical, power, mechanical and geometric parameters using the energy-saving surfacing regime, basing on the methods of technical electrodynamics and theory of thermal conductivity, have been developed for the first time. Using them engineering methods of calculation of heating systems to realize a new direction in the technology of induction surfacing of thin steel discs, were developed.

Basing on the theoretical and experimental investigation carried out, technology and equipment for simultaneous surfacing of thin steel disks over the whole working surface using heating sources constructions (inductors, ITEE systems and inductor-magnetic wire), as well as energy-saving regime of surfacing, have been developed.

Keywords: induction surfacing, powder alloys, thin steel discs, thermal and electromagnetic shields, heat sources (inductors and systems), optimization, heating modes, energy-saving technologies.

Размещено на Allbest.ru