Н С Дрешпак - Експериментальні дослідження індукційного нагріву з'єднань деталей машин - страница 1

Страницы:
1 

УДК 621.311

Н. С. Дрешпак, канд. техн. наук

(Україна, Дніпропетровськ, Державний ВНЗ «Національний гірничий університет»)

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ІНДУКЦІЙНОГО НАГРІВУ

З'ЄДНАНЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

У роботах [1, 2, 3] розглянуто технологію індукційного нагріву з'єднань циліндричних деталей машин з метою їх демонтажу. У роботах [1,2] викладено умови виконання цієї технологічної операції: забезпечення рівномірності магні­тного поля на поверхні втулки та ідентифікація значення контактної теплової провідності. Пристрій для вирівнювання магнітного поля запропонований в ро­боті [3], а методика експериментального визначення контактної теплової прові­дності - у роботі [1].

У статті розглянуто результати експериментальних досліджень, викона­них на макеті пристрою. Мета досліджень полягає у перевірці ефективності за­пропонованих рішень щодо вирівнювання магнітного поля, в оцінці конкретно­го значення контактної теплової провідності.

Розроблена на основі винаходу [3] експериментальна установка (рис.1) містить у собі стальну втулку 1 і вал 2. По всій довжині поверхні втулки 1 роз­ташована секціонована вимірювальна обмотка 3, що має суцільну намотку і ві­дпайки a, b, c, d для вимірювання ЕРС, наведених в кожній секції, за допомогою вольтметра 4, що має виведення k, f. Кожна із послідовно з'єднаних секцій обмо­тки 3 являє собою однакову кількість витків W тонкого ізольованого проводу. На поверхні втулки мається три секції рівної довжини /. Індуктор 5 виконаний у ви­гляді соленоїда, у середині якого розміщена втулка 1. Індуктор 5 та втулка 1 ма­ють однакову ширину L. Індуктор 5 з'єднаний із джерелом живлення 6. Частота змінного синусоїдального струму джерела живлення становить 50 Гц.

Рис. 1. Пристрій для індукційного нагріву деталей

Суть запропонованого винаходу полягає у створенні пристрою, що має секціоно-вану вимірювальну обмотку, розташовану на поверхні ва­ла. Значення електрорушій­них сил (ЕРС), наведених у секціях обмотки, дозволяють контролювати напруженість поля і створюють умови для її вирівнювання шляхом змі­ни кроку намотування індук­тора.

Як джерело живлення

Рис.2. Зовнішній вигляд секціонованої вимірювальної обмотки

використано знижувальний трансформатор типу ТСЗИ-2,5УХЛ2. Індуктор при­єднується до вторинної обмотки трансформатора напругою 15В через реостат РСП з номінальним струмом 7А. Реостат забезпечує можливість регулювання струму індуктора. Індуктор намотаний мідним ізольованим проводом ПЕВ діа­метром 1 мм. Кількість витків індуктора при його суцільному намотувані в один ряд складає 51 од. Вимірювальна обмотка виконана ізольованим проводом ПЕВ діаметром 0,25 мм. Кожна секція обмотки W=60 витків. Між зовнішньою пове­рхнею втулки і вимірювальною обмоткою мається тонка ізоляційна плівка. Між індуктором та вимірювальною обмоткою також розміщена тонка плівка, що ви­конує роль діелектрика та теплоізолятора.

На рис. 2. наведено зовнішній вигляд секціонованої вимірювальної обмо­тки. З' єднання деталей виконано по замовленню автора роботи і являє собою втулку, посаджену на вал з натягом.

Діаметр стального вала 64 мм. Вал має бурт, діаметр якого складає 80 мм. Посаджена на вал втулка впирається в його бурт. Довжина вала дорівнює 160 мм. Внутрішній та зовнішній діаметри стальної втулки складають відповідно 64 мм та 94 мм. Довжина зони, на якій зосереджені секції вимірюва­льної обмотки, L=66 мм. Ви­мірювання напруги на секціях обмотки здійснюється вольт­метром Ц4317 випрямної сис­теми. Для вимірювання стру­му в обмотці індуктора вико­ристаний трансформатор струму Т-066У3 та амперметр астатичний електромагнітної системи АСТ.

Рис.3. Зони виміру температури в здовж поверхні втулки валу

Для аналізу температурного режиму нагріву втулки на її боковій поверхні та поверхні вала, що безпосередньо прилягає до зони з'єднання із втулкою, ви­ділені ділянки для вимірювання температури за допомогою інфрачервоного безконтактного пірометра ST20. Зони вимірювання покриті чорною фарбою, що забезпечує необхідну точність результатів вимірювання температури (рис. 3).

Безконтактний пірометр забезпечує точність вимірювання температури ±0,8 °С, що дозволяє виконувати експеримент у діапазоні порівняно низь­ких температур.

Перший етап проведення експерименту передбачав створення умов для вирівнювання напруженості поля вздовж поверхні втулки. Для цього здійснено суцільне намотування обмоток індуктора. При цьому загальна кількість витків обмотки склала 51 од. У табл.1 наведено результати вимірювань ЕРС в трьох секціях вимірювальної обмотки при різних значеннях струму в індукторі. Ви­ходячи із існуючого зв' язку між ЕРС і напруженістю електричного поля на по­верхні втулки [4], отримано відповідні значення Ee. Слід звернути увагу на те,

що незважаючи на рівність кількості витків індуктора і вимірювальної обмотки, віднесених до кожної із секції, спостерігається відмінність виміряних ЕРС. Ма­ксимальні значення отримано в центрі втулки (секція ІІ), дещо менші - по її краях, що свідчить про наявність крайового ефекту.

Таблиця 1

Результати вимірювань напруженості електричного поля Ee

Сила струму в індукторі

Параметри режиму

Секція вимірювальної обмотки

 

 

І

ІІ

ІІІ

I _ 2 А

Значення ЕРС, В

0,52

0,65

0,535

 

Напруженість Ee, В/м

0,029

0,037

0,03

I _ 4 А

Значення ЕРС, В

1,05

1,3

1,07

 

Напруженість Ee, В/м

0,059

0,073

0,06

Крім того, відрізняються значення ЕРС двох крайніх секцій, що зумовлено наявністю бурта на валу, розташованого з боку секції ІІІ. Виходячи з того, що на­пруженості поля в секціях І та ІІ відрізняються на 27% , то питомі потужності в цих зонах (вони пропорційні квадратам напруженостей) відрізняються на 61%. Це підтверджує доцільність процедури вирівнювання напруженості поля на поверхні втулки. Ступінь нерівномірності поля Сн [2] визначається за формулою:

Э      - Э

C _ и.макс и.мін    100%) ;

Эи

Эи= Эи1 +ЭиП+ЭиПЬ

де Эимакс,, ЭимН - максимальне та мінімальне значення ЕРС, зміряних на окре­мих ділянках втулки; Эи - ЕРС, наведена у вимірювальній обмотці.

Відповідно до табл. 1 Сн склала: при струмі I _ 2 А Сн _ 7,6%, при I _ 4 А Сн _ 7,3%. Як бачимо, при різних струмах I, значення Сн практично не зміню­

ється. Врахуємо існуючу функціональну залежність між напруженостями елек­тричного Ee та магнітного He поля на поверхні втулки:

де р - питомий опір матеріалу втулки; Ae - глибина проникнення електромаг­нітної хвилі в циліндричну поверхню втулки; /2 (n) _ ^2n | (n +1); n _ 9,4 (для вуг­лецевих сталей).

Оскільки в рамках проведеного експерименту (при однаковому струмі I) значення р, Ae не змінюються, то співвідношення між напруженостями елект­ричного ї магнітного полів не змінюються, тобто наведені значення нерівно­мірностей характерні не тільки для електричного поля, але й для магнітного.

Використовуючи методику отримання одновимірного магнітного поля, викладену в роботі [2], було розраховано необхідну кількість витків в окремих секціях індуктора і виконано його перемотування. Після завершення цієї опера­ції здійснено вимірювання напруженостей електричного поля Ee при струмі в

індукторі I _ 4 А. Результати вимірювань занесено до табл. 2.

Таблиця 2

Напруженість електричного поля Ee після перемотування індуктора

Параметри режиму

Секція вимірювальної обмотки

 

І

ІІ

ІІІ

Значення ЕРС, В

0,9

1

0,95

Напруженість Ee, В/м

0,051

0,056

0,054

Отже, розбіжності в значеннях Ee для секцій вимірювальної обмотки пі­сля перемотування індуктора зменшилися, а це свідчить про підвищення рівно­мірності напруженості поля. Визначена ступінь нерівномірності поля для отри­маних значень Ee, тобто Сн _ 3,5%. Це свідчить про те, що значення Сн зменши­лася удвічі одновимірність поля практично досягнута. При цьому кількість вит­ків індуктора в секції ІІ склала 7, а в секції ІІІ - 16, тобто крок намотування об­мотки індуктора в цих секціях збільшено.

Виконані в лабораторних умовах експериментальні дослідження щодо за­безпечення одновимірності магнітного поля на поверхні втулки підтверджують прийнятність розробленої методики для виконання практичних завдань безпо­середньо в умовах проведення демонтажних робіт.

Другий етап проведення експерименту передбачає визначення (ідентифі­кацію) контактної теплової провідності aв між втулкою і валом. Алгоритм іден­тифікації цього параметра викладений в роботі [1]. Для визначення a в здійсню­вався нагрів вала шляхом пропускання через індуктор струму частотою 50 Гц. Використаний індуктор із зміненим кроком намотування обмотки, тобто з ра­ніше отриманим значенням Сн _ 3,5%. Струм в індукторі I _ 7 А.

Значення ав повинно визначитися в стаціонарному режимі нагріву. Тому

нагрівання здійснювалося протягом 30 хв, і потім з інтервалом у 10 хв вимірю­валися температури Тз, Тв, Твл у визначених точках. Вимірювання здійснювало­ся безконтактним методом за допомогою пірометра з інфрачервоним променем. При проведенні експерименту температура нагріву втулки не перевищувала 50 °С, тобто вимірювались низькотемпературні режими. Результати визначення коефіцієнта aв згідно з роботою [1] наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Результати вимірювання значень aв в стаціонарному режимі нагріву

Тривалість нагріву, хв

30

40

50

60

Значення aв, Вт/м2-°С

5500

5900

6600

6054

Із табл. 3 видно, що значення ae в стаціонарному режимі нагріву прак­тично не змінюється, а його коливання відносно середнього рівня (ae _ 6014 Вт/м2-°С ) відбувається завдяки похибці, що виникає у процесі вимі­рювання. Таким чином, викладений в роботі [1] алгоритм ідентифікації параме­тра ae слід вважати прийнятним для використання в практиці демонтажу

з' єднань деталей.

Отримане із експерименту середнє значення параметра ae свідчить про те, що в низькотемпературному режимі нагріву при значному натягу посадки існують сприятливі умови для передачі тепла від втулки до вала. Значення ae

значно (на два порядки) перевищує значення тепловіддачі із зовнішньої повер­хні втулки a3, що дозволяє зробити припущення про відсутність втрат тепла з поверхні втулки і здійснювати на цій основі розрахунок необхідного значення питомої поверхневої потужності P0 [1].

Висновки

1. Створення макету установки на конструктивній основі розробленого пристрою забезпечило можливість вирівнювання напруженості поля на поверх­ні втулки, ідентифікації значення контактної теплової провідності зони з' єднання втулки з валом. За результатами експерименту ступінь нерівномірно­сті поля зменшилась вдвічі, а середнє значення контактної теплової провідності ae _ 6014 Вт/м2-°С.

2. Вимірювання значень температур на макеті установки в стаціонарному режимі нагріву з' єднання деталей і використання розробленого алгоритму роз­рахунку контактної теплової провідності між втулкою і валом забезпечує іден­тифікацію цього параметра в умовах низькотемпературного нагріву, що важли­во для застосування цього підходу при проведенні ремонтних робіт із демонта­жу з' єднань.

Список літератури

1. Випанасенко Н.С. Определение удельной поверхностной мощности индукционного нагрева соединений деталей, выполненных посадкой с натягом [Текст]/ Н.С. Випанасенко // Вісн. Приаз. держ. техн. ун-ту. - 2008. - Вип. 18, ч.2. - С. 131- 136.

2. Дрешпак Н.С. Методика забезпечення однорідності магнітного поля

в процесі демонтажу з'єднань циліндричних деталей [Текст]/ Н.С. Дрешпак // Гірн. електро­механіка та автоматика: Наук. - техн. зб. - 2009. - Вип.82. - С. 21-27.

3. Пристрій для індукційного розпресовування деталей [Текст]: пат. 43365 Україна: МПК В23Р19/02 / Г.Г. Півняк, Н.С. Дрешпак; заявник та патентовласник Національний гірничий університет. - № u 2009 03180; заявл. 03.04.2009; опубл. 10.08.2009, Бюл.№15. - 4 с.

4. Немков В.С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева [Текст]/ В.С. Немков, В.Б. Демидович.-Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 280 с.

Рекомендовано до друку: доцентом Тарасенко В.Г.

Страницы:
1 


Похожие статьи

Н С Дрешпак - Експериментальні дослідження індукційного нагріву з'єднань деталей машин

Н С Дрешпак - Режими індукційного нагріву ціліндричних деталей з'єднаних