Разработка оптимальных конструкций индукционных установок для нагрева деталей с резко переменным радиусом вращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

Разработка оптимальных конструкций индукционных установок для нагрева деталей с резко переменным радиусом вращения

Получение требуемой температуры индукционным нагревом в заданных зонах нагреваемой осесимметричной детали с резко переменным радиусом вращения является сложной задачей. Такие задачи возникают при необходимости разогрева торцов труб перед сваркой, застывшей пластмассы в объеме конической формы до момента отлипания пограничного слоя от стенок формы, нагрева подшипников перед съемом с вала, закалки шеек валов. Сложность формы предъявляет ряд требований к индукционным нагревателям: высокая эффективность, интенсивность процесса нагрева, высокий КПД, малый вес и габариты. Создание индукционной нагревательной установки, удовлетворяющей предъявленным требованиям, невозможно без предварительных исследований на основе математической модели, достаточно полно и точно отражающей процесс индукционного нагрева.

В любом процессе индукционного нагрева превалирующую роль играют электромагнитные и тепловые явления, поэтому наиболее важны так называемые электротепловые модели, т. е. модели, основанные на численном решении уравнений электромагнетизма и теплопроводности. Такие модели учитывают взаимное влияние электромагнитного и температурного полей в процессе нагрева и дают исчерпывающую характеристику индукционного устройства с точки зрения потребления энергии от внешнего источника питания и выделения ее в загрузке.

Связь электромагнитного поля в системе с температурным полем обусловлена зависимостью удельного сопротивления и магнитной проницаемости от температуры [1]. Алгоритм расчета электротепловых процессов в модели при известном начальном распределении температур заключается в следующем.

Исходя из температурного поля загрузки находится удельное сопротивление и магнитная проницаемость каждого элемента дискретизации области загрузки.

Проводится расчет электромагнитного поля.

В интерполяционном блоке происходит формирование массива внутренних источников теплоты для решения тепловой задачи из массива, найденного после решения электрической задачи. Если элементы их дискретизации одинаковы в обеих задачах, то массивы их внутренних источников теплоты совпадают.

Находится температурное поле на следующем временном слое, определяемом шагом по времени .

Если критерии окончания процесса нагрева не удовлетворены, то происходит переход к п. 1.

Выбор шага по времени определяется требуемой точностью расчета. В то же время при фиксированном точность определения температурного поля зависит от свойств схемы решения и от того, насколько сильно изменились внутренние источники теплоты за время . Если источники меняются слабо, то на выбор шага по времени влияние оказывает только первый фактор.

Практически неограниченные возможности МКЭ [2] по описанию сложной геометрии исследуемых объектов и учету существующих нелинейностей при анализе полевых задач, универсальность формы построения вычислительных алгоритмов позволяют использовать его для реализации предлагаемого алгоритма решения данного типа задач.

Электротепловая модель индукционной системы для нагрева осесимметричной детали с резко переменным радиусом вращения может быть построена без существенных погрешностей с учетом следующих допущений: индуктор нагрев энергия температурный

пространственная конфигурация системы позволяет ограничиться рассмотрением двумерной осесимметричной области (R-Z);

не учитываются потери на гистерезис при нагреве ферромагнитных тел в силу их незначительности по сравнению с потерями от вихревых токов.

С использованием программы ELCUT v5.6, выше приведенных алгоритма и допущений проведены исследования электромагнитных процессов в различных деталях.

На основании электромагнитных полей разработаны оптимальные конструкции индукторов для нагрева требуемых зон металлической детали до заданных температур (рис. 1) и разогрева застывшей пластмассы в конической форме (рис. 4) с учетом минимальных затрат электрической энергии и времени.

Оптимизация проводилась по двум критериям: подбор конструкции индуктора и частоты питающего тока.

Рис. 1. Схема для решения задачи поиска оптимальной конструкции индуктора для нагрева точки: А(z1,r1) до температуры 180 °С, В(z2,r2) до 210 °С, С(z3,r3) до 300 °С

Для детали, представленной на рис. 1, нижний предел частоты 1кГц ограничен малыми размерами (dmax=40 мм, xmax=100 мм). При меньшей частоте глубина проникновения тока увеличивается и КПД индуктора недопустимо снижается.

Для нагрева деталей с переменным радиусом вращения наибольшее распространение получили индукторы цилиндрической формы с различным количеством слоев. В процессе подбора индуктора рассматривались варианты: однослойный индуктор, состоящий из цилиндрической и конусной части (рис. 1, б); двухслойный индуктор с несколькими витками во втором слое (1-5 витков от конца индуктора, рис. 1, в). Усложнение конструкции индуктора не дало существенных результатов для улучшения процесса нагрева. По этой причине в дальнейшем исследовалось влияние заглубления загрузки и частоты питающего тока на затраты энергии. Результаты в виде графиков представлены на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2. Графики зависимости энергозатрат
от частоты питающего тока Рис. 3. Графики зависимости времени
нагрева от частоты питающего тока

На рис. 2 показаны графики зависимости энергозатрат системы от частоты и заглубления (dz), где 1 - dz=25 мм, 2 - dz=15 мм, 3 - dz=10 мм, 4 - dz=5 мм, 5 - dz= _5 мм, 6 - dz=-15 мм, 7 - dz=-25 мм. На рис. 3 представлены графики зависимости времени нагрева от частоты и заглубления при dz=-25 мм (кривая 1), dz=25 мм (кривая 2). Кривые 1 и 2 приведены для граничных значений заглубления, так как зависимость времени нагрева от частоты при промежуточных значениях заглубления имеет аналогичный характер.

Из графиков видно, что наилучшие результаты по быстродействию и энергозатратам получены при заглублении dz=25 мм. С увеличением частоты время нагрева уменьшается в 4 раза, но энергозатраты при этом увеличиваются. При нагреве на частоте 1 кГц производительность установки снижается вчетверо (tнагр=40,7 сек при f=1 кГц, tнагр=10,8 сек при f=8 кГц), а потребляемая мощность уменьшается почти в 5 раз (Р=4,3 кВт и Р=19,95 кВт).

Таким образом, следует вывод, что наиболее эффективным является процесс нагрева на предельно низкой частоте 1 кГц. При необходимости сохранения производительности на уровне можно использовать четыре таких установки. Такой вариант дает экономию энергозатрат 40,5 кДж на единицу продукции.

В задаче разогрева застывшей пластмассы в конической форме важен глубинный нагрев, поэтому с учетом предварительных исследований за основу был взят цилиндрический четырехслойный индуктор (рис. 4), питающийся током 50 Гц. Применение промышленной частоты снижает расход энергии и капитальные затраты в связи с отсутствием преобразователя частоты, уменьшает время нагрева изделия. Например, в установках с питанием от тиристорных преобразователей расход электроэнергии составляет 380-400 кВт*ч/т, а при питании нагревателей от сети 50 Гц - 360 кВт*ч/т, расход воды также снижается на 8-10 %.

Рис. 4. Индуктор (1) и изделие - в разрезе:

2 - корпус изделия, 3 - пластмасса

Исследовались распределения объемной мощности индуктора по длине изделия и температурных полей при различных конструкциях индуктора. Оптимизация конструкции индуктора в данной задаче сводилась к изменению количества витков в слоях индуктора, так как заглубление заготовки несущественно влияет на распределение объемной мощности и улучшение процесса нагрева.

Модели индукторов и температурное распределение по длине корпуса изделия для различных типов индукторов представлены на рис. 5-8.

Рис. 5. Многослойный индуктор с равномерным шагом намотки

Рис. 6. Многослойный индуктор с неравномерным шагом намотки

Рис. 7. Многослойный индуктор с неравномерным шагом намотки

Рис. 8. Многослойный индуктор с неравномерным шагом намотки

Анализ распределения температурного поля по длине изделия (по критериям быстродействия и энергозатрат), а также диаграммы распределения мощности внутренних теплоисточников по развертке образующей корпуса изделия (рис. 9) показали, что наилучший вариант получен при оптимальной конструкции индуктора (рис. 7).

Рис. 9. Распределение мощности внутренних теплоисточников по развертке образующей корпуса изделия для различных типов индукторов

В данном случае время нагрева до температуры плавления 70 оС составило 85,5 с, энергозатраты - 3027,04 кВт·с при токе 1 кА.

На основе этих моделей была построена замкнутая система регулирования с релейным регулятором. Точка контроля выбиралась на основании исследуемых тепловых полей.

Библиографический список

1. Слухоцкий А.Е. Установки индукционного нагрева. - Л.: Энергоиздат, 1981.

2. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. - М.: Мир, 1986.

Аннотация

Рассматривается одно из направлений оптимального проектировании конструкции индуктора для нагрева деталей с резко переменным радиусом вращения с учетом минимальных затрат электрической энергии и времени.

Ключевые слова: индуктор, оптимальное проектирование, конструктивные параметры, алгоритм.