Технология электроконтактного нагрева заготовок

Для сопоставления расчетно-теоретической кривой общего к. п. д. с экспериментальной на той же фигуре приведена кривая 5, выражающая значения общего к. п. д. одной из однопозиционных электроконтактных установок.

Из рассмотрения кривых видно, что действительный к. п. д. нагревательной установки в функции отношения l 2/s2 в основном соответствует расчетно-теоретическому, отличаясь от него только при малых значениях l 2/s2 (от 2,2 до 1,2).

При теоретических расчетах электротехнических характеристик нагревательных установок целесообразнее пользоваться расчетно-теоретической кривой 4 общего к. п. д., а не экспериментальной 5, справедливой для определенной конкретной установки. Экспериментальные данные можно было бы обобщить для любого случая электроконтактного нагрева, если бы они отвечали условию изменения напряжения на заготовке в соответствии с потребной мощностью, вычисляемой по теоретической формуле.

Но так как в действительности такое изменение напряжения осуществить очень трудно, то и получить обобщенную зависимость общего к. п. д. от отношения l2/s2 почти невозможно, поэтому наиболее приемлемой является расчетно-теоретическая зависимость.

Коэффициент мощности

Для всякой электронагревательной установки коэффициент мощности, (после коэффициента полезного действия) является наиболее важным технико-экономическим показателем.

В связи с тем, что электроконтактные установки в большинстве своем имеют большую мощность и преимущественно активную нагрузку при сравнительно высоком коэффициенте мощности, применение компенсирующих конденсаторов для увеличения коэффициента мощности, как правило, нерационально. Тем не менее повышение его весьма желательно, поэтому при разработке электроконтактных установок необходимо использовать все имеющиеся в распоряжении проектанта и конструктора средства, чтобы получить оптимальный для данных конкретных условий коэффициент мощности.

Коэффициент мощности электроконтактных установок зависит от типа и конструкции обмоток трансформатора, их взаимного размещения, от конструкции магнитопровода, а также от индуктивного и активного сопротивления вторичной цепи установки и геометрических параметров нагреваемой детали.

Теоретически учесть перечисленные факторы чрезвычайно сложно и можно только очень приближенно. Поэтому целесообразнее коэффициент мощности выразить с помощью экспериментальных и эксплуатационных данных. Изменение коэффициента мощности в процессе Рисунок 4.4 – График нагрева аналогично изменению сопротивления детали, напряжения на ней и т. Д.

На рисунке 4.4 приведены кривые изменения коэффициента мощности первичной цепи однопозиционной нагревательной установки в процессе нагрева деталей различных типоразмеров.

Из рассмотрения кривых на рисунке 4.4 можно сделать следующие выводы:

1.  Коэффициент мощности медленно возрастает с повышением температуры нагрева детали.

2.  Коэффициент мощности изменяется тем быстрее, чем меньше диаметр нагреваемой детали. Это объясняется тем, что у заготовок малого диаметра относительное влияние активного сопротивления значительно больше, чем у заготовок большего диаметра.

Рисунок 4.5 – График

На рисунке 4.5 приведена зависимость коэффициента мощности от отношения длины к площади сечения детали; коэффициент мощности тем больше, чем больше указанное отношение.

В данном случае речь идет о коэффициенте мощности всей установки, включая и силовой трансформатор, определяемом по формуле:

. (24)

где rт — активное сопротивление силовой цепи установки, приведенное к сопротивлению первичной обмотки силового трансформатора, включая нагрузку;

rm — приведенный импеданс указанной цепи.

Поскольку электрическая цепь установки состоит из трех составных частей: силового трансформатора, вторичной цепи и нагреваемой детали (нагрузки), то и косинусы соответственно этому будут определены по формуле (24) для каждой составной части. В формулу должны быть подставлены значения сопротивлений соответствующей цепи или элемента.

Если электрические сопротивления, входящие в формулу для определения коэффициента мощности, выразить через параметры, определяющие указанные сопротивления, то можно убедиться, что последний находится в наибольшей зависимости от геометри-ческих размеров нагреваемой зоны детали, от числа витков первичной обмотки и индукции в сердечнике магнитопровода трансформатора.

Рисунок 4.6 – График

На рисунке 4.6 дана зависимость коэффициента мощности и характеристик холостого хода трансформатора (250 ква) от числа витков первичной обмотки при нагреве заготовок одинакового типоразмера.

Эксперименты производились при 36, 33, 30, 27 и 24 витках в первичной обмотке и при напряжении на ней, равном 185—210 в.

Изменение коэффициента мощности обусловливалось использованием различного числа витков, а значит, и различной индукцией в железе трансформатора; изменение последней примерно на 40% вызывает уменьшение коэффициента мощности на 5—7%. Такое снижение коэффициента мощности следует признать значительным и избегать его; правда на практике это не всегда удается, но об этом надо помнить, особенно при использовании мощных трансформаторов.

4. Особенности расчета и проектирования

Следует иметь в виду, что, говоря о приведенных ниже специфических особенностях, с которыми приходится сталкиваться при расчете и проектировании электроконтактных установок, нельзя их все рассмотреть в данной книге из-за многообразия технологических разновидностей и конструктивных типов нагревательных устройств. Поэтому целесообразно остановиться только на основных и наиболее важных общих особенностях, справедливых для всех установок независимо от их технологического назначения и конструкции.

При проектировании и расчете электроконтактных установок необходимо учитывать следующее:

1.  Зависимость технологических и электротехнических характеристик режима нагрева от температуры нагреваемой детали или заготовки, т. е. непостоянство характеристик во времени (в процессе нагрева).

2.  Неравномерное распределение температуры по длине и при больших диаметрах (более 50 мм) по сечению нагреваемой заготовки и во времени.

3.  Зависимость тепловых явлений, происходящих под кон тактами, от контактного давления и состояния поверхности нагреваемой детали, а в связи с этим использование тока и мощности нагревательной установки большой величины.

Учесть эту технологическую особенность можно только на основе опытных данных эксплуатации электроконтактных установок.

4.  Расчетные электротехнические данные в большинстве случаев являются "сугубо приближенными, поэтому требуют после дующего уточнения.

5.  Принимать во внимание, что нагрев деталей и целых узлов происходит за счет энергии излучения с нагреваемых заготовок

и вихревых токов Фуко, возбуждаемых в металлических деталях магнитными потоками рассеяния.

Это обстоятельство, как и предыдущее, не поддается теоретическому расчету и может быть учтено при разработке конструкции нагревательной установки. При этом следует помнить, что металлические массы, особенно стальные, необходимо располагать как можно дальше от токоподводящих элементов и от нагреваемой детали.

6. Максимально возможную универсальность нагревательной установки, так как важна не только техническая эффективность применения данного типа нагревательной установки, но и возможность использования ее для разнообразных типоразмеров заготовок. При этом во много раз возрастает техническое совершенство, технико-экономическая эффективность, рентабельность, а следовательно, и народнохозяйственная значимость нагревательной установки.

Исходные данные для расчета и проектирования

Расчет и проектирование электроконтактной установки производится на основании определенного технологического задания, в котором должны содержаться перечисленные ниже исходные технологические, технические и эксплуатационные данные.

1.  Марка материала и типоразмеры заготовок.

2.  Темп выдачи нагретых заготовок или производительность нагревательной установки с учетом времени, потребного на загрузочно-разгрузочные, транспортные и другие операции.

3.  Технологическая разновидность электроконтактного нагрева и назначение электроконтактной установки.

4.  Температура нагрева, точность регулирования и допустимые пределы неравномерности распределения ее по длине и сечению нагреваемой заготовки.

5.  Напряжение для питания установки, т. е. напряжение сети, к которой она подсоединяется.

6.  Технические данные о заводской пневмосистеме и водопроводе, если в электроконтактной установке предусмотрен пневматический привод зажимных головок и водоохлаждение элементовсиловой цепи проточной водой.

7.  Специальные требования, касающиеся механизации и авто матизации загрузки и выгрузки заготовок, или условия встройки установки в автоматические линии или привязки ее к другому оборудованию.

Особое внимание следует обратить на технологический принцип электроконтактного нагрева. Он должен быть подробно указан в задании, в противном случае при проектировании прежде всего должен быть решен вопрос о технологически-конструктивном типе нагревательной установки, дающем наилучшие технико-экономические показатели.

Иногда вместо производительности или скорости нагрева в задании указывается мощность установки и по ней требуется определить время нагрева деталей заданного типоразмера. В этом случае необходимо исследовать вопрос, подойдет ли вычисленное по заданной мощности время нагрева (по условиям равномерности распределения температуры по длине и сечению детали, а также по токовой нагрузке на контакты). Если этому или одному из этих условий время нагрева не удовлетворяет, то заданная мощность должна быть уменьшена.

Механизация загрузки и выгрузки заготовок и автоматизация работы нагревательной установки являются очень важными вопросами не только с эксплуатационной точки зрения, но и с точки зрения конструкции установки, которая при этом усложняется. Поэтому, прежде чем приступить к разработке проекта, нужно обосновать необходимость и целесообразность механизации и автоматизации загрузки и выгрузки заготовок, учитывая все ее преимущества и отрицательные стороны.

Определениепроизводительности электроконтактной установки

Производительность электроконтактной установки задается или устанавливается исходя из местных специфических условий каждого отдельного предприятия.

Она указывается в соответствующем технологическом задании. При разработке проекта остается определить скорость нагрева с учетом времени, необходимого для разгрузочно-загрузочных, транспортных и других операций.

Если расчетное время не отличается от полученного графическим путем, то заданную производительность можно считать приемлемой, в противном случае необходимо выяснить обоснованность заданной производительности и принять меры к устранению осложнений, которые могут возникнуть при нагреве.

Но если время нагрева или производительность должны быть определены при проектировании, то первое находят по указанному графику с учетом типоразмера заготовки; затем, прибавив к этой величине дополнительное время, затрачиваемое на другие операции и равное 15—25% от, времени нагрева (зависит от величины последнего), по формуле (25) определяют производительность электроконтактной установки:

П = (3,6 К.' G2 )/τ т/ч, (25)

где G2 — масса нагреваемой части заготовки в кг;

К.' — коэффициент, учитывающий дополнительное время, за трачиваемое на другие операции, связанные с нагревом;

τ — время нагрева в сек.

Темп выдачи нагретых заготовок или время одного Цикла работы установки определяется по формуле:

 (26)

Выбор технологического варианта и типа электроконтактной установки

Выбор технологического варианта электроконтактного нагрева и соответственно выбор конструктивного типа нагревательной установки является одним из основных вопросов, который должен быть решен, как правило, перед проектированием конкретной установки определенной технологически-конструктивной группы.

В большинстве случаев технологический принцип или вариант нагрева определяет тип нагревательной установки, конструкцию и предопределяет принадлежность ее к соответствующей технологически-конструктивной группе. Но разнообразие конструктивных типов электроконтактных

установок данной группы

Рисунок 5.1 - График

приводит к необходимости выбирать установки с оптимальными данными, обеспечивающими наилучшие технико-экономические показатели: к. п. д., коэффициент мощности, стоимость нагрева, производительность и др.

Бывает, что, несмотря на меньшую массу металла, подлежащего нагреву, двухзональная установка оказывается менее рентабельной и эффективной, чем однозональная, на которой будет нагреваться заготовка по всей длине, включая и участок между зонами.

Вопрос о выборе конструкций установки должен быть решен в каждом отдельном случае применительно к конкретным условиям.

Покажем это на конкретном примере. Предположим, что по технологическим соображениям требуется нагреть заготовку в двух местах для гибки (рисунок 5.1). Участок заготовки /2 = 200 мм между нагреваемыми зонами можно не нагревать, так как это не требуется по условиям гибки.

Если остановить выбор на однозональной установке, т. е. нагревать заготовку по всей длине, включая и участок между зонами, то отношение длины к площади сечения /2/s2 будет равно 2,4, а при двухзональном варианте установки — 1,6.

По графикам на рисунке 5.2 и 5.3 находим к. п. д. и коэффициент мощности для указанных значений /2/s2 применительно к однозональнои и двухзональной установкам. Для первой ή = 0,67 и cos f1 = 0,65, а для второй ή= 0,46 и cos f 2 = 0,64.

Если принять полезную энергию для нагрева двух зон заготовки на двухзональной установке W2, то расход энергии из сети будет:

 (27)

Для однозональной установки потребный минимум энергии возрастет в 1,5 раза по сравнению с двухзональной установкой, поэтому энергия, потребляемая из сети однозональнои установкой, будет равна:

Wс1=1,5 W2 /(ή1cos f 2) (28)

Расход активной и реактивной энергии, потребляемой из сети этими установками, практически одинаковый, несмотря на то, что на однозональнои установке нагревается большая масса металла; поэтому, учитывая сложность конструкции двухзональной установки и неудобство ее эксплуатации, целесообразно в подобных случаях применять однозональную установку.

Подобные примеры еще чаще встречаются при проектировании установок других технологически-конструктивных групп многозонального нагрева.

При проектировании установок сталкиваются с двумя основными вопросами: выбором технологического варианта нагрева и выбором конструктивного типа нагревательной установки данной технологически-конструктивной группы.

Определение коэффициента полезного действия

Для определения к. п. д. наиболее целесообразно расчеты производить в следующей последовательности:

1.  Определить отношение длины к площади поперечного сечения нагреваемой детали.

2.  По кривой 4 на рисунке 4.2 в соответствии со значениями отношений /2/s2 определить предварительное оптимальное значение к. п. д., по которому найти другие характеристики или технические данные проектируемой установки с учетом того, что используемый в расчетах к. п. д. является оптимальным (если конкретный тип установки не выбран, а речь идет вообще о контактном нагреве).

3.  Определить эксплуатационный к. п. д. в соответствии с расчетным отношением /2/s2 в случае, если выбран конкретный тип одно- или двухзональной установок, конструкция которых

аналогична разработанным в НЙИТракторосельхозмаше, и если геометрические размеры нагреваемых зон соответствуют размерам, приведенным на рисунке 5.2. Эти значения к. п. д. следует рассматривать как минимальные, так как они соответствуют эксплуатационным данным одно- и двухзональных нагревательных установок.

4. Для установок других типов расчет к. п. д. производится по данным, соответствующим конкретной технологически-конструктивной группе установок. При отсутствии последних можно воспользоваться кривыми на рисунках 4.2 или 5.2.

Если ни один из перечисленных вариантов определения к. п. д. не может быть использован и требуется произвести подробные расчеты к. п.д. цепи установки и тепловой к. п. д., то следует воспользоваться формулами и рекомендациями, изложенными применительно к данным конкретным условиям.

Рисунок 5.2 - График

Однако следует иметь в виду, что для таких расчетов необходимо иметь конструктивные размеры всех элементов силовой цепи установки, а следовательно, почти полностью спроектированную установку. Для ориентировочных расчетов или оценки тех или иных характеристик или показателей, необходимых при проектировании, следует воспользоваться предварительными расчетно-эмпирическими кривыми (рисунок 4.2) и экспериментальными кривыми для соответствующей группы установок.

Определение коэффициента мощности

Следующим после к. п. д. техническим показателем электроконтактной установки является коэффициент мощности, который определяется в такой последовательности:

1. Находят отношение длины к сечению заготовки или заготовок (если в техническом задании речь идет о нескольких типоразмерах, нагреваемых на данной установке).

В соответствии с этим отношением по кривой рисунка 4.5 определяют коэффициент мощности, который следует считать оптимальным независимо от типа электроконтактной установки.

В том случае, когда выбран тип одно- или двухзональной установок обособленного нагрева, значения коэффициента мощности следует определять по кривым на рисунке 5.3, показывающим зависимость коэффициента мощности указанных электроконтактных установок НИИ Тракторосельхозмаша от отношения /2/s2 для различных типоразмеров заготовок. При этом значения коэффициента являются минимальными и наиболее правильными.

Рисунок 5.3 - Зависимость коэффициента мощности cos f1 электроконтактных установок обособленного нагрева от отношения /2/s2.

1 — для двухпозиционной установки при поочередном _нагреве заготовок d = 70 мм; 2 — то же при одновременном нагреве заготовок d= 60 мм 3 — для однозональной однопозиционной установки ЭУ-150, U = 180-360 мм; 4 — для двухпозиционной установки при поочередном нагреве заготовок длиной l2 = 850 мм; 5 — то же при одновременном нагреве заготовок длиной l2 = 850 мм', 6 — для однопозиционной двухзональной установки ЭУ-150 при нагреве заготовки с общей длиной нагреваемых зон l2 = 550-=-750 мм.

4.  Для других типов установок коэффициент мощности следует брать по данным, соответствующим конкретной технологически- конструктивной группе.

5.  После определения действительных конструктивных размеров элементов силовой цепи и конструкции установки можно произвести теоретический расчет коэффициента мощности по формуле (24), подставив в нее соответствующие значения общих со противлений установки, приведенных к сопротивлению первичной обмотки силового трансформатора. К теоретическому расчету следует прибегать только в том случае, если нельзя воспользоваться экспериментальными или эксплуатационными данными, приведенными выше. Такой расчет будет сугубо ориентировочным из-за целого ряда допущений, к которым при этом приходиться прибегать.

Расчет мощности нагревательной установки

После определения к. п. д. и коэффициента мощности можно перейти к расчету мощности нагревательной установки. При этом различают:

а)активную и реактивную мощности, потребляемые из сети нагревательной установкой;

б)активную и реактивную мощности, подводимые к нагреваемой детали.

Активная мощность определяется по формуле: (29)

.

Полная мощность, подводимая к нагреваемой детали, определяется по формуле: (30)

Где cos f2 коэффициент мощности нажимных контактах нагреваемой детали,

Определяемый по формуле: (31)

где r2 — активное сопротивление заготовки переменному току; z2 — полное сопротивление заготовки.

Поскольку активное сопротивление заготовки зависит от температуры, то и мощность изменяется в процессе нагрева.

Если в формулы (29), (30) и (31) подставить средние значения всех факторов, изменяющихся в процессе нагрева от температуры, то значения мощностей также будут средними.

Активная мощность, потребляемая из сети нагревательной установкой, определяется по формуле:

Pa=( CG2 (t2-t1))/ή0τ квт (32)

где ή0 — общий к. п.д.

Полная мощность', потребляемая из сети, определяется по формуле:

(33)

Значения к. п. д. и коэффициента мощности определяются по указанной выше методике.

Из сопоставления формул (30)—(33) видно, что активная и реактивная полные мощности, подводимые к заготовке, могут отличаться от таких же мощностей, потребляемых из сети, в зависимости от значения- теплового и общего к. п. д. и значения коэффициентов мощности нагрузки и установки. Разница в потребляемой мощности видна из кривых на рисунках 5.4 и 5.5; из фигур также видна зависимость коэффициентов мощности нагрузки и установки от диаметра детали и отношения длины к диаметру.

Следует иметь в виду, что определяемые по указанным формулам мощности являются средними за период нагрева.

Рисунок 5.4 – График Рисунок 5.5 - График

Для каждого данного момента времени они будут различны и соответствовать значениям сопротивлений заготовок и токов в них при температуре, относящейся к этому моменту времени. При проектировании целесообразно производить расчет мощности для начала и конца нагрева с тем, чтобы оценить, насколько значительны колебания мощности в процессе нагрева, а для этого необходимо знать сопротивления заготовки и всей цепи, а также температуру детали для соответствующего момента времени.

Расчет сопротивления нагреваемой детали

Активное и реактивное сопротивления' детали являются одними из основных и определяющих электротехнических характеристик (тока, напряжения, мощности и др.) режима нагрева и технических показателей электроконтактной нагревательной установки.

Определение электрического сопротивления деталей при электроконтактном нагреве осложняется наличием скинн-эффекта и зависимостью удельного сопротивления и магнитной проницаемости материалов от температуры.

Сопротивление детали переменному току находится в более сложной зависимости от геометрических параметров детали и магнитных свойств. Это объясняется своеобразной зависимостью магнитной проницаемости от температуры.

Активное сопротивление цилиндрической заготовки переменному току можно определить по формуле:

r2/r0 =0.5ε0 (j0 (ε0)/j1(ε)) (34)

Здесь μ — магнитная проницаемость материала; μ0 = 4π-10-9 гн/см;

R2 — радиус цилиндрической заготовки в см;

ς2 — удельное электрическое сопротивление в ом-см;

j0 — функция Бесселя первого рода нулевого' порядка;

j1 — функция Бесселя первого рода первого порядка.

Зависимость активного сопротивления от отношения радиуса детали к глубине проникновения R2/δ2 приведена на рисунке 5.6 (кривая 1)

Из рисунка 5.6 видно, что для R2/δ2 от 0 до 1 активное сопротивление детали переменному току не отличается от сопротивления постоянному току, а для R2/δ2 >1 оно отличается от последнего тем больше, чем больше значение R2/δ2.

На рисунке 5.6 приведены экспериментальные и расчетные кривые активных сопротивлений заготовок диаметром 12 и 35 мм в функции температуры по отношению к сопротивлению при 20° С.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5