С. С. Вечканов, А. Н. Проценко.
Методика решения класса задач двухчастотного нагрева мерных заготовок.
С.С.Вечканов, А.Н.Проценко.
МП ЭСО г.Самары
Россия, 443110, г.Самара, ул.Искровская,7
Самарский государственный технический университет
Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
В статье описана новая методика решения класса задач, связанных с двухчастотным индукционным методическим нагревом мерных заготовок в продольном магнитном поле. В этом методике, в частности, реальная индукционная система представлена в виде абстрактной упрощенной системы. Упрощение системы производится для уменьшения размерности математической модели, необходимой для описания системы и ускорения процесса вычисления численными методами с помощью ЭВМ. Правомерность такого упрощения доказывается путем сравнения характера распределения электромагнитного поля в реальной и абстрактной упрощенной системах.
Ключевые слова: продольное магнитное поле, система индукционного нагрева, технологическая операция, заготовка, абстрактная упрощенная система, двухчастотная система индукторов, размерность математической модели, задача вихревых токов.
Практически во всех отраслях промышленности находят широкое применение индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую.Опыт применения индукционных установок для нагрева заготовок в линиях горячей обработки металла показывает, что они являются перспективными в виду своей компактности, надежности, безопасности и возможности автоматического управления процессом нагрева. В то же время разнообразие форм индукционных нагревателей для технической реализации одной и той же задачи, приводит к необходимости исследования ряда специфических проблем. Конструкция диктуется требованиями к нагревателю конкретным технологическим процессом, условиями работы, уровнем рабочих температур, производительностьюи т.д.Например, существуют задачи нагрева мерных стальных заготовок до температуры деформации. Эта температура для стали, как правило, превышает температуру точки Кюри, когда металл теряет магнитные свойства. Для нагрева таких заготовок необходимо использовать двухчастотный нагрев.
|
|
|
В данной статье описывается методика решения класса задач, направленных на исследование двухчастотного методического нагрева мерных заготовок в продольном магнитном поле на примере нагрева загрузки из 11 стальных (Ст17Н3МА) цилиндрических заготовок (D=120мм,l=300мм) до температуры 1200°С±50°Свыше температуры фазовых преобразований (точка Кюри), которая для этой марки стали равна 800°С.Поэтому для нагрева необходимо использовать систему из индукторов, работающих на двух частотах [1,2,3]. На рисунке 1 представлен эскиз индукционной нагревательнойсистемы, необходимой для выполнения данной технологической операции[4].
|
|
|
Рис. 1.Система индукционного нагрева с полной загрузкой (11шт).
В статье [5] предложена методика нагрева с изменением частоты в одном индукторе. При этом электрический расчет[4] показывает, что в случае двухчастотного нагрева необходимо использовать именно два разных индуктора (один нагревает до температуры точки Кюри, а другой от этой температуры до требуемой), так как они имеют различную конструкцию и технические характеристики, что повышает энергоэффективность системы индукционного нагрева. При создании методики этим нельзя пренебрегать. Методика заключается в расчете последовательного нагрева заготовки сначала в индукторе с частотой 50Гц, затем в индукторе с частотой – 1000 Гц. Вычисления производятся методом конечных элементов с помощью ЭВМ. Этот метод подразумевает разделение расчетной области сеткой на множество элементов. На вычисление программой задач, связанных с работой больших индукционных систем, затрачивается очень много времени и это доставляет неудобство. В отдельных случаях долгий процесс вычисления может быть неожиданно прерван различными обстоятельствами. Это вызвало необходимость поиска более простой методики расчетов, например упрощения реальной индукционной системы. На рисунке 2 представлен эскиз упрощенной системы. Здесь загрузка из множества заготовок заменена загрузкой из 2 заготовок, где первая заготовка заменяет все количество таких же одинаковых, нагреваемых на частоте 50 Гц. Вторая заготовка заменяет все количество таких же одинаковых, нагреваемых на частоте 1000Гц. При такой методике можно обсчитывать системы с любым количеством заготовок такой номенклатуры за более короткое время.
|
|
|
 |
Рис. 2. Система индукционного нагрева с 2 заготовками.
В результате сокращения длины индукционной системы возможно возрастание влияния краевых эффектов на окончательное распределение вихревых токов в заготовках и, в частности, в области стыка индукторов. Это может привести к невозможности применения данной методики, так как идентичность реальной и упрощенной модели систем состоит в равенстве распределения вихревых токов в области двух заготовок, стык которых совпадает с соединением индукторов. Для проверки работоспособности методики было проведено исследование магнитного поля в исходной и упрощенной системах. Для этого в качестве примера использовалось решение задачи по нагреву 11 стальных заготовок. Для численного эксперимента использована программа Elcut 5.1 pro. После описания физических свойств компонентов геометрической модели (свойства заготовок: μ=6, g=106 См/м) и назначения граничных условий (принимаются нулевыми), решалась задача вихревых токов для частоты 50Гц. Затем решалась задача нестационарной теплопередачи, в которой нагрев заготовки осуществлялся за время прохождения 3 заготовок через индуктор А. После этого решалась подобная задача вихревых токов для частоты 1000 Гц. Затем решалась задача нестационарной теплопередачи, где полученная в первой такой же задаче температура заготовки принималась в виде начальной. Время нагрева заготовки в задаче было равно времени прохождения 8 заготовок через индуктор Б[3,6]. Среди результатов решения, наибольший интерес представляют графики распределения индукции и напряженности магнитного поля в области двух заготовок, стык которых совпадает с соединением индукторов. Напряженность и индукция рассматривается на поверхности заготовок.
|
|
|
На рисунке 3 представлены графики распределения напряженности магнитного поля в области двух заготовок, стык которых совпадает с соединением индукторов для длинной системы и упрощенной соответственно. На рисунке 4 представлены графики распределения индукции магнитного поля для тех же заготовок.
Рис.3. Графики распределения напряженности магнитного поля
Рис.4. Графики распределения индукции магнитного поля
Как видно на графиках, кривые практически совпадают. На кривых для упрощенной системы по краям заметен краевой эффект из-за близости конца индуктора. Краевой эффект зависит от степени заглубления заготовки в индуктор и есть возможность его отрегулировать до более незначительных показателей. В целом же кривые идентичны и использование упрощения модели системы индукционного нагрева для расчетов такого класса задач можно считать достаточно целесообразным.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Слухоцкий, А.Е. Индукторы для индукционного нагрева [Текст] / А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин. — Л.: Энергия, 1974. – 264 с.
2. Слухоцкий, А.Е. Установки индукционного нагрева [Текст] /А.Е. Слухоцкий, В.С. Немков, Н.А. Павлов. — Л.: Энергоиздат, 1981. – 328 с.
3. Кувалдин, А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей [Текст] / А.Б. Кувалдин. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 200 с
4. Вечканов С.С. Исследование электромагнитного и теплового полей двухсекционного индуктора для методического нагрева мерных заготовок: дис. … магистра техники и технологии.- Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012.- 71 с.
5. Клочкова Н.Н., Обухова А.В., Проценко А.Н. Моделирование двухчастотной проходной индукционной нагревательной установки средствами программного продукта Elcut // Тр. Кольского науч. Центра РАН. – 2012.- том 4.-№1.-С. 34-38.
6. ELCUT: Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.8: Руководство пользователя. С-Пб.: Производственный кооператив ТОР, 2010. URL: http://ELCUT.ru/free_doc_r.htm (дата обращения: 18.09.2011).
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 9; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!