Метод нагрева и закалки зубчатых колес при вращении в магнитном поле

Размещено на http://www.allbest.ru/

НИУ Московский энергетический институт

Россия, г. Москва, Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова

МЕТОД НАГРЕВА И ЗАКАЛКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ПРИ ВРАЩЕНИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р., Лепешкин С.А.

Аннотация

закалка нагрев зубчатый колесо

Предложен метод нагрева и закалки зубчатых колес, в котором получение и выделение дополнительной тепловой энергии c разными частотами тока в зубчатом колесе осуществляется за счет вращения в электромагнитном поле, созданном постоянными сильными магнитами. При этом повышается энергосбережение в указанном процессе нагрева. Расчетные исследования параметров электромагнитного процесса при вращении зубчатого колеса проведены с использованием программы Maxwell 3D. Получены распределения плотности тока в зубьях колеса.

Ключевые слова: электромагнитное поле, плотность тока, частота вращения, зубчатое колесо, закалка.

Основная часть

При проведении индукционного нагрева и термообработки (закалки и др.) деталей сложной формы, зубчатых колес (шестерен, фрез и др.) используют комбинацию различных режимов индукционного нагрева, характеризуемых различными частотами тока [1]. Зубчатое колесо или другая обрабатываемая деталь может быть нагрета путем пропускания через индукционную катушку переменного тока. Ток создает вокруг этой катушки магнитное поле, которое имеет магнитную связь с зубчатым колесом, и индуцирует в нем вихревые токи. Закалка зубчатых колес при индукционном нагреве обеспечивает слой мартенсита на поверхности зубьев колеса, повышающий прочность и износостойкость зубьев, в то же время на остальную часть зубчатого колеса индукционный нагрев не оказывает влияния. Увеличение твердости, кроме того, повышает контактную усталостную прочность и другие механические свойства. Сложность геометрической формы зубчатых колес и изменение электромагнитной связи между индукционным нагревателем, вершиной зубьев и округлением впадин приводит к различной интенсивности индукционного нагрева вершин и впадин зубчатого колеса. Частота электрического тока оказывает заметное влияние на величину вихревого электрического тока, проходящего внутри зубчатого колеса, и на распределение тепла. В основном, когда необходимо упрочнить вершины зубьев с помощью только одной частоты тока, используя одновитковую или многовитковую соленоидную катушку, применяют относительно высокую частоту (например, от 20 кГц и выше) и высокую плотность электрической энергии. При индукционном упрочнении впадины зуба предпочтительно применение относительно низкой частоты тока (например, от 50 Гц до 10 кГц). При низкой частоте глубина проникновения вихревого тока много больше, чем при высокой частоте. В случае нагрева зубчатых колес с малым или средним шагом зубьев намного выгодней, чтобы индуцированный ток низкой частоты проходил короткий путь и следовал линии профильной окружности или впадины зубчатого колеса, а не профиля зуба.

Известен метод получения энергии [2], состоящий в том, что проводящее тело в виде диска вращают в магнитном поле с угловой скоростью щ. В данном методе при вращении диска в магнитном поле в нем выделяется тепловая энергия и обеспечивается нагрев диска до заданного распределения температур.

Известен способ для упрочнения зубчатого колеса, в котором используют источник энергии одновременно двух частот, например, такой, как описан в [3]. Выходной электрический ток, генерируемый одновременно двумя источниками энергии с различной частотой, включает две значительно отличающиеся друг от друга частоты. Одна из этих частот обеспечивает нагревание кромочной части впадины, а другая частота обеспечивает нагревание контура зуба. Основной недостаток известного способа нагрева одновременно двумя частотами заключается в том, что для обеих частот не может быть оптимизирована форма единственной индукционной катушки.

В способе закалки зубчатых колес [4] размещают колесо внутри первого нагревателя, устанавливают второй нагреватель во внутреннем отверстии колеса, размещают первый и второй магнитные концентраторы по боковым поверхностям колеса, подачу первого и второго переменного электрического тока от указанных нагревателей для индукционного нагрева колеса, при этом частота первого переменного тока превышает частоту второго переменного тока, второй нагреватель имеет магнитопровод.

Недостатками указанного способа являются повышенные затраты электроэнергии на нагрев зубчатого колеса и значительные тепловые и электрические потери в магнитопроводе и применение высокочастотных систем электропитания, имеющих высокую стоимость. Неравномерность окружного зазора между первым нагревателем и зубчатым колесом понижает равномерность закалки зубьев колеса.

В данной работе осуществляется разработанный метод нагрева и закалки [5], который заключается в получении и выделении дополнительной тепловой энергии c разными частотами тока в зубчатом колесе за счет вращения в электромагнитном поле, созданном стационарными постоянными сильными магнитами, расположенными по окружности зубчатого колеса с постоянным зазором, и постоянными магнитами, расположенными с двух сторон зубчатого колеса напротив впадин (рис. 1).

Рис. 1 Зубчатое колесо и расположение магнитов

При быстром увеличении частоты вращения электропривода (к которому присоединено зубчатое колесо) в зонах вращающегося зубчатого колеса, где установлены постоянные магниты генерируется тепловая энергия за счет вихревых токов, причем она возрастает при повышении частоты вращения и при достижении заданной частоты вращения становится существенной. В указанных зонах колесо начинает нагреваться, причем частота тока в вершинах зубьев зависит от суммарного количества магнитов и зубьев колеса, а в зоне впадин - от количества магнитов, установленных на боковой поверхности колеса.

Для исследования распределения токов повышенных частот по глубине их проникновения в зонах зубьев и впадин были проведены электромагнитные расчеты при вращении зубчатого колеса в поле постоянных магнитов (рис. 1) в процессе закалки. Методика указанных расчетов была разработана с использованием метода конечных элементов в программе Maxwell 3D. В расчетах использовались следующие данные: наружный диаметр и толщина зубчатого колеса - 93 мм и 5 мм, количество зубьев - 18, модуль зубчатого колеса - 4.5, частота вращения - 12000 об/мин. 12 магнитов были установлены по наружному диаметру, 16 магнитов с двух сторон колеса, т.е. по 8 магнитов - по каждой боковой поверхности. Были использованы магниты с уникальным сочетанием сильных магнитных свойств, коррозийной устойчивости и стабильности при температурах до 300-350°С и остаточной магнитной индукцией 1 тесла.

В результате расчетов были получены распределения тока по глубине зубьев и впадин на разных частотах вращения зубчатого колеса в поле указанных постоянных магнитов. На рис. 2 показано распределение плотности тока по профилю зубьев в текущий момент времени (кадр фильма) на частоте вращения 12000 об/мин. Максимальная величина плотности тока составляет 9.510⁶ А/м². В данный момент времени распределение плотности тока видно в зонах только на некоторых зубьях. Однако при реализации полного оборота колеса распределение плотности тока будет на всех зубьях. Это будет повторяться на каждом обороте и в результате будет осуществлен равномерный нагрев зубьев. Для повышения плотности тока (удельной мощности нагрева) при закалке можно увеличить частоту вращения, использовать более сильные магниты или дополнительно использовать электромагниты постоянного или переменного тока [5].

Рис. 2 Распределение плотности тока в зубьях колеса в текущий момент времени

С использованием предлагаемого метода закалки зубчатых колес с нагревом за счет выделения дополнительной тепловой энергии достигается снижение расхода электроэнергии по сравнению с другими способами закалки. Кроме того, повышается равномерность закалки зубьев колес (например, конических зубчатых колес, шестерен и фрез и др.) и снижаются деформации зубчатого колеса, достигаемые за счет вращения, при котором будет достигаться одинаковое распределение тепла и температуры в каждом зубе колеса.

Эффективность нагрева возрастает за счет повышения составляющей мощности нагрева за счет увеличения частоты вращения зубчатого колеса в электромагнитных полях, создаваемых постоянными магнитами и дополнительно электромагнитами постоянного или переменного тока, генерирующих токи высокой и низкой частоты. Кроме того, повышение эффективности нагрева обеспечивается и за счет расширения диапазона частот вращения и свойств постоянных магнитов. При этом повышается энергосбережение в указанном процессе нагрева.

Список литературы

1. Кувалдин А.Б. Скоростные режимы индукционного нагрева и термонапряжения в изделиях [Текст] / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин. Монография. Новосибирск: Изд.-во НГТУ, 2006. 286 с.

2. Пат. 2416869 Российская Федерация, МПК H02N 11/00. Способ получения энергии и устройство для его реализации / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин; Заявитель и патентообладатель НИУ “МЭИ“. № 2010117026/07; заявл. 30.04.2010; опубл. 20.04.2011, бюл. № 11.

3. Пат. US 2444259. Способ высокочастотного индукционного нагрева.

4. Пат. 2359431 Российская Федерация, Термообработка детали посредством многочастотного индукционного нагрева / Д. Лавлесс, В. Руднев; Заявитель и патентообладатель Индактохит, Инк. (US). № 2006140990/09; заявл. 21.04.2005; опубл. 20.06.2009, бюл. № 17.

5. Пат. 2534047 Российская Федерация, МПК H05B 6/10. Способ нагрева и закалки зубчатых колес и устройство для его осуществления / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин, С.А. Лепешкин; Заявитель и патентообладатель НИУ “МЭИ“. № 2013125683/07; заявл. 04.06.2013; опубл. 27.11.2014, бюл. № 33.

Размещено на Allbest.ru