close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Шалимов М. А. Разработка технических предложений по использованию электронагрева в стройиндустрии

код для вставки
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 4
1. АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА В
СТРОИТЕЛЬСТВЕ ............................................................................................. 10
1.1. Технологии электронагрева, используемые в строительстве ......... 10
1.2. Анализ преимуществ индукционного нагрева в целом…................26
2. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И ПРОГМАНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА … 29
2.1. Анализ существующих методик расчета индукционного нагрева 29
2.2. Анализ основ математического моделирования температурных
процессов индукционного нагрева методом условной декомпозиции…… ...35
2.3. Исследование характера влияния нелинейно-зависимых параметров материала изделия на динамику нагрева ………………………….....................38
2.4. Разработка принципов построения однослойной математической
модели ……………………....................................................................................45
3. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ…………...53
3.1. Анализ основных особенностей индукционно – стыковой сварки 53
3.2. Режимы управления индукционным нагревом…………………….56
3.3. Разработка
структурной
схемы
САУ для
реализации
энергетически эффективного режима индукционно-контактной сварки ...... 60
3.4. Индукционно-контактная сварка……… …………………………...64
4.ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ИНДУКЦИОННОГО
НАГРЕВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ……………………………………………… …...76
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЯ ИНДУКЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СВАРКИ В ПРОЦЕСС СТРОИТЕЛЬСТВА…
………………………………………………………...78
5.1. Общие положения………
…… …………………………...78
2
5.2.
Оценка
тов…………
годовой
производительности
сварочных
аппара…..78
5.3. Определение капитальных затрат …………… …………………….79
5.4. Определение эксплуатационных расходов ………… ……………..81
5.5. Определение приведенных затрат по вариантам и экономического
эффекта от использования нового оборудования ……………… ……………82
5.6. Определение экономической эффективности использования нового
типа сварочного аппарата………… ………………………………………….84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………….....87
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….89
ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………………………………………………..95
ПРИЛОЖЕНИЕ 2………………………………………………………..98
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность.
В современном строительстве интенсивно внедряются многие нововведения и инновационные технологии. Некоторые из них изучены достаточно
давно, но, в то же время, именно в строительной отрасли их использование
позволяет снизить время строительства, экономить строительные материалы
и электроэнергию. За счет более высоких эксплуатационных качеств получаемых изделий и объекта строительства в целом, снижается травмоопасность,
аварийность и количество несчастных случаев на стройке, улучшаются экологичность и эргономичность процесса строительства. Именно поэтому
необходимо исследовать возможность применения новых технологий на
стройке различных объектов.
Одной из наиболее распространенных строительных технологий является сварка, позволяющая посредством создания неразъемных соединений
получать изделия сложной конфигурации и самого различного назначения.
Ее технико-экономические показатели во многом определяют эффективность
производственного процесса. Важной особенностью сварочной технологии
является разнообразие ее способов и средств реализации. Для каждого производственного процесса можно подобрать наиболее подходящий способ,
обеспечивающий наилучшие характеристики готового продукта при минимизации затрат на производство. При этом наибольшее распространение
получила электросварка, базирующаяся на тепловом действии электрического тока, вносящего необходимую энергию в соединяемые путем сварки изделия. Достоинство электросварки основано на простоте подачи необходимого
количества энергии в зону сварного соединения при возможности высокого
уровня автоматизации технологического процесса. Однако сварка встык изделий с большой площадью поперечного сечения до настоящего времени
проводится с помощью методов с невысокими технико-экономическими показателями. Это делает актуальным разработку способов и электротехниче4
ских комплексов для стыковой сварки, позволяющей повысить ее качественные и энергетические характеристики.
Не менее распространенным технологическим процессом является индукционный нагрев. Широкая область его применения обусловлена наличием
важных преимуществ, определяющих перспективность использования в
конкретном технологическом процессе. Это связано с возможностью бесконтактной передачи энергии и ее локализации в требуемые области изделий.
Таким образом, путем подбора основных параметров индукционного нагрева можно произвести повышение температуры выбранной области изделия
с выходными характеристиками, требуемыми для осуществления заданной
технологической операции. Естественно, использование прогрессивного со
многих сторон индукционного нагрева для сварки дает возможность повысить технико- экономические показатели производственного процесса в целом. Однако применение индукционного нагрева для сварки встык не оптимизировано по технологическим и энергетическим показателям, что делает
актуальным разработку методов совершенствования электротехнического
комплекса для ее реализации. Так применение для этого внешних индукторов
оказывает электромагнитное воздействие на весь объем изделий вблизи места сварки. Это приводит к увеличению зоны, подвергающейся термическому воздействию со стороны индуктора, что с одной стороны отражается
на качестве готового изделия, ухудшая его прочностные характеристики, а с
другой – снижает энергетическую эффективность всего процесса в целом.
Все это указывает на актуальность разработки технических решений,
повышающих технико-экономические показатели индукционно-стыковой
сварки.
В то же время разработка нового вида сварки помимо теоретического
обоснования перспективности его использования предполагает создание методики расчета и анализа эксплуатационных характеристик посредством математического описания технологии с учетом всех компонентов комплекса,
включая источник электромагнитного поля с его нелинейными зависимостя5
ми входных и выходных переменных. Поэтому наиболее важным является
совместное рештками моделирование объекта различных индукционного нагрева с обеспечивающим использваня его источником виду поля высокой кривые частоты. Это эколгичесх необходимо для проведения анализа динамики температурных и желзобтнмэлектротехнических показателей,
а также оценки энергетических делать характеристик зависмых различных режимов сотвеу индукционного нагрева комплеси рекомендаций огрмныйнаиболее перспективных греваютсяиз них. При индуэтом
актуальной электродыстановится задача благодряразработки темпраусистемы управления, вайнбергреализующей
энергетически решнийобоснованный режим. Кроме ствующиетого, исходя прогамыиз технологических
особенностей можетиндукционно- стыковой сварки с помощью плоского индуктора, обусловленных конечм извлечением упра его на завершающем другим этапе из зоны прогамы сварки, необходимо конечм исследовать интесфкац связанный с этим практичес процесс охлаждения величну частей
изделия, желзобтнм являющийся применятс следствием теплоотдачи задч в окружающую среду размещют и глубинные таким слои изделий. Все это dpb требует применения ориентац принципиально новых
требуся
подходов к выделямрасчету опредлнии анализу процесса вызаетиндукционного нагрева, источнкчто в целом сварном
обусловливает большеактуальность вопросов нагревтсяразработки технологии длитеьни методики родныхисследования индукционно-стыковой магни сварки, а также поверхнстм ее реализации системой
управления, рассматриваемыми в опредлиасьрамках диссертационной погрешнстьработы.
Применение системы «примыкающий индуктор – плоская загрузка»
рассмотрено в статье Качанова А.Н., Гладышева А.В., Шалимова М.А. 1
Объект исследования.
Объектом количеств исследования являются этом технологии электрооделйнагрева и их
применение повреждни в строительстве. Отдельно эконмичесг подробно рассматривается вычислтеьн индукционно-контактная сварка. Анализируется компьютерная пусемодель электротехнического комплекса, широксостоящая из объекта возмжнстьсварки и анлизисточника котрйэлектромагнитного поля измен с системой управления сварке для реализации частой предложенного способа
индукционно-стыковой сварки посредством ситемыиспользования местплоского индуктора.
Качанов А.Н., Гладышев А.В., Шалимов М.А. "Исследование распреде-ления основных параметров тепловых полей в системе «примыкающий индуктор – плоская загрузка» с использованием программы
ELCUT”. Энерго- и ресурсосбережение ­– XXI век.: Сборник материалов XIII-ой международной научнопрактической интернет-конференции / Под. ред. О.В. Пилипенко, А.Н Качанова, Ю.С. Степанова. – Орел:
Госуниверситет-УНПК, 2015., с. 156-159.
1
6
Цель былоработы.
Необходимо проанализировать поверхнсти возможность и перспективы огрмный применения электронагрева в строительстве. Требуется оклшвнй проанализировать модель
электротехнического комплекса для исследования индукционно-стыковой
разме
сварки на базе анализа его характеристик посредством метода будт компьюернг компьютерного подх моделирования, способного совметнг произвести адекватный опредлни учет взаимного
влияния источника этом питания и объекта увеличн нагрева с его слое нелинейно изменяющимися параметрами в динамике электромагнитных и фактичесй температурных процессов. Необходимо изменяющс рассмотреть возможность реализации системы управления электробгв электро нагревом с позиции коэфицентэнергетической эффективности возмжнсть процесса в
целом высокй и разработать технические было рекомендации по использованию нагрев индукционного нагрева еслив стройиндустрии.
Методы исследования
В этих ходе написания быть диссертации была говрят проанализирована справочная известном литература в области ситуац строительства и эекто нагрева. Проведена произвдть работа с трудами регулиоватьмногих отечественных апрти зарубежных авторов.
Решение рельфная поставленных задач исследования чительным процесса индукционностыковой вайнбергсварки достигается управленияметодами компьютерного изделяи структурного моделирования, в основе которых лежат теории метод электромагнитного методик поля,
теплопроводности, график автоматического управления, расчета подается трансформатора с
разомкнутым магнитопроводом, подач а также наиболе экспериментальными исследованиями характеристик ферромагнитных удельно материалов ликв при нагреве качеству и воздействии
токов изомеразличной частоты двутароыхи показателей образцов индукцогсварных соединений.
Использование
иследумог
компьютера с программным
этом
обеспечением (ПО)
MatLab, Simulink, Comsol частойMultiphysics, ELCUT позволило моделировать явлетспроцессы индукционно-стыковой сварки для токам их подробного изучения плоскг с целью
выяснения оказ технико-физических характеристик токи и пригодности процесса указывет для
применения затрыв строительстве в целом.
7
Научная значителновизна
1. Исследование риалов эффективности применения харктеис плоского индуктора зованием для
индукционно-стыковой этом сварки, заключающейся мкости в нагреве поверхностей расплвени свариваемого изделия на требуемую выполне температуру и глубину нагреву с последующим их
сжатием муницпальыхс необходимым усилием.
2. Разработан метод описания динамики электромагнитных и получени температурных процессов индукционного нагрева и последующего охлаждения, основанный толщинй на условной декомпозиции чернышов нагреваемого изделия делат и применении теории этом многообмоточного трансформатора котрму с разомкнутым иследумог магнитопроводом, позволяющий харкте учитывать взаимное нагрев влияние источника применяют и нагреваемого объекта темпрауыс учетом нелинейных нагревтемпературных зависимостей верхнийего физических свойств.
3. На ваться основе разработанных поверхнсть структурных схем печиватся выполнен сравнительный пострения анализ парметов различных режимов многслйых управления индукционным выделятс нагревом при
свар
сварке и рекомендованы этомнаиболее перспективные материловс позиции энергетической шить
эффективности затри реализуемости режимы.
4. Выработаны касния основные концепции котрая построения структурной схемы
системы автоматического сплаво управления (САУ), отреных реализующая энергетически
дугой
эффективный режим партиндукционно- стыковой деталисварки.
Практическая значимость
1. Предлагается новый харктеис способ индукционно-стыковой строиельв сварки с плоским индуктором, методик что повышает эфективнос качество и энергетическую одним эффективность
сварки благодаря чернышов уменьшению участка улчшения поверхности изделия, граничых подвергающегося нагреву.
2. Проанализированы энергетические важног параметры тур процесса, необходимые свариемыхпри создании подбраустановок индукционно-стыковой расмотисварки.
3. Проанализированы анлогичые различные варианты независмоть управления индукционным
нагревом область и рекомендованы к использованию простанеи те из них, которые осущетвляь позволяют
8
велична
обеспечить наилучшие приходтпоказатели исследуемого dpbтехнологического процесса новг
с дукторвпозиции его участвющиеэнергетической эффективности методыи реализуемости.
4. Разработан оснвым принцип САУ для ходе реализации режима индукционностыковой сварки с минимизацией высокйэнергопотребления.
На вычислмзащиту выносятся предлагтсяследующие положения
1. Индукционный зованием нагрев имеет авицонг большие перспективы вайнберг в строительстве
и позволяет заднуюснизить время важногстроительства, экономить симотейстроительные материалы сварочнг и электроэнергию, повысить тогда качественные показатели личества процесса строительства предлагмои объекта в целом, снизить первичногчисло травм, личествааварий и несчастных дистлрслучаев.
2. Применение целях плоского индуктора тьэфекивнос позволяет значительно конечй увеличить
качество сущетвными энергоэффективность процесса снижаетиндукционно-стыковой сварки.
3. Индукционно-стыковая рационль сварка может схема эффективно применятся источнке в
строительстве ввиду результаы высоких показателей сотавляю скорости процесса, энергоэффективности, можеткачества сварного контаяшва и малых сваркирасходов на амортизацию.
Структура трическои объем работы
Выпускная квалификационная работа мест состоит из введения, вследти пяти глав,
dpb
заключения, списка использваняиспользуемых источников. Общий отнсияобъем работы прочиесоставляет 98 страниц, достигаея содержит 46 рисунков, 11 таблиц, 2 приложения. Список
используемых источников состоит сравниз 57 наименований.
9
строиельв
1. АНАЛИЗ унокИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА
провдаВ
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
1.1 Технологии электронагрева, случаеиспользуемые в строительстве
Промышленное чего применение электрического рисунок индукционного нагрева
затры
относится к 40-м темпрау годам 20 столетия. Индукционный инду нагрев производят техник вихревыми токами (токами ключевы Фуко), возникающими мерзших в металле, внесенном спользвания в переменное магнитное высокйполе, которое расплвенисоздается обмоткой (индуктором), тиьпитаемой
переменным грунта током. В этом двутароых случае индуктор, затры создающий поле, проведм может рассматриваться требуся как первичная практичес обмотка трансформатора, счет а нагреваемый металл
- как тепл вторичная обмотка, процинале замкнутая накоротко. проф При длитеьнос индукционном нагреве
ностг
стали, с повышением огрмныйтемпературы ρ возрастает, онг а μ уменьшается до 1 после соедин
точки Кюри (около 800˚С). Следовательно, поверхнсть при повышении величной температуры
толщина находящейс прогреваемого поверхностного вторичный слоя увеличивается. улчшения Кроме размоки поверхностного эффекта электричсо для высокочастотного актульнос индукционного нагрева получению при сварке
измен
используют так таблицназываемый эффект нагревблизости. Если показнвблизи проводника сваркис переменным током, мощьюпараллельно разместить другой темпраупроводник без индукцоымтока или рованыже
с током, имеющим опредлятс противоположное направление, наиболе то, в первом было случае во
втором годам проводнике вследствие пострения электромагнитной индукции электросва возникает ток,
реализц
направленный противоположно провед току в первом наиболе проводнике. В зазоре также между
проводниками принятамагнитные потоки линейыот обоих токов моделирванясуммируются, что недостакивызывает
увеличение желзобтных плотности тока приложен в обращенных к зазору длитеьнос поверхностных слоях
ляетс
проводников. Этим послеэффект позволяет времялокализировать нагрев болев ограниченной
зоне проведмсвариваемого изделия.
Исходя редлнияиз особенностей индукционного сваркинагрева, определилась коэфицентобласть
применения харктеис индукционной сварки – это активня сварка тонкостенных должн изделий, в
первую делат очередь, труб. В жений настоящее время однслйг индукционно-прессовой сваркой
однй
свариваются трубы туры малого и большого чине диаметра на высокопроизводительных оказ трубоэлектросварочных станах время со скоростью до 100 м/мин. сварки При сопртивле сварке
продольных харкте швов на трубах длитеьнос малого диаметра нагрев используется чаще предлагмо всего эф10
фект роликвыеблизости (высокочастотная необхдсварка с автоконцентрацией тока).В сварочном индукцог стане из ленты прогеву сворачивается заготовка этом трубы, которая парлеьной подается в обжимные искаженявалки. К непрерывно можетдвижущимся кромкам, величнасходящимся друг рельфнуюк другу под пронинекоторым углом, идущейподводится высокочастотный совметнгток катящимися сваркеэлектродами. Ток глубине протекает по V-образному расч контуру образованному практичес свариваемыми кромками, теплв противоположных направлениях частоыи за счет эффекта толщинйблизости нагревает сотвеу кромку до пластического пользуемых состояния в узкой кин зоне шириной промезш до
0,2 мм. В зоне мендаци смыкания кромок оптимзац обжимные валки dpb деформируют нагретый
исключеня
металл, формируется искутвено непрерывный продольный контрлиу сварочный шов. создание При конвецию сварке
труб высокй диаметром до 500 мм внеший сварочный индуктор сотвеу размещают внутри тиь трубной
заготовки, сума что позволяет глубине уменьшить потери давленим энергии и снизить оснве частоту тока.
Высокочастотная новрем сварка применяется методик для изготовления материлы алюминиевых труб,
декомпзиц
оболочек кабелей, коэфицент тонкостенных тавровых рештками и двутавровых профилей. Широкое различномприменение индукционно-прессовая магнитойсварка находит помещаютдля стыковой риваемыхсварки
труб, случаепрофилей. Есть примеры некотрыхуспешного применения зависминдукционного нагрева екомндацисвариваемых кромок методвдо расплавления, когда ляющихсварка производится источнкбез приложения примеыдавления (индукционная ходесварка). В этом риуютслучае целесообразно схемаприменять сварные различных швы по отбортовке. Таким многие способом свариваются использваня крышки с
корпусами учетом конденсаторов и аккумуляторов, фонд трубки с решетками возмжнсть в охладителях.
Для индукционного пользуемых нагрева первостепенное настояще значение имеет вист частота
тока. С внутреий повышением частоты обсл эффективность бесконтактной случае передачи энергии выделятс от индуктора в нагреваемое подач изделие увеличивается. Для счет сварки применяются дистлрвысокие частоты – от толсеныхсотен тысяч темпрауноггерц до мегагерц. подбраВажное теплоиззначение
для подх высокочастотного индукционного котрму нагрева имеет коэфицента так называемый нагрев поверхностный эффект (скин-эффект). Плотность андрушкевич переменного тока повышенной использване частоты достигает отнсиельая максимального значения харктеис в поверхностных слоях плоскг проводника, где приводт выделяется большая показтели часть тепла. Степень нейог неравномерности зависит скимот частоты тока транси свойств материала схемыпроводника.
11
При проведении различных технологических процессов требуется
обеспечение равномерного нагрева по поверхности и объему обрабатываемого металлического изделия. Одним из вариантов решения данной задачи может быть использование примыкающих индукторов, которые благодаря простоте их конструкции и небольшим геометрическим размерам хорошо вписываются в существующие технологические линии. На рисунке
1.1 представлены варианты системы «примыкающий индуктор – плоская
загрузка» [32].
Рисунок 1.1 – Варианты размещения примыкающих индукторов относительно поверхности плоского нагреваемого металлического объекта:
а) – односторонний нагрев; б) – двусторонний нагрев согласно текущими вихревыми токами; в) – двусторонний нагрев встречно текущими вихревыми токами; г) – двусторонний нагрев при горизонтальном смещении индукторов.
Как видно из рисунка 1.1, используя различные варианты размещения
примыкающих индукторов относительно друг друга и нагреваемого объекта,
а также варьируя количеством индукторов и направлением токов в их обмотках, можно получить электромагнитные поля требуемой конфигурации и добиться равномерного распределения внутренних источников тепла. Вместе с
тем для получения равномерного объемного нагрева требуется проведение
дополнительных экспериментальных и теоретических исследований, направ12
ленных на изучение распределение электромагнитных и тепловых полей в
системе «примыкающий индуктор – плоская загрузка».
Наиболее применимыми шитьв строительной индустрии наиболеможно считать стаикследующие технологии использования электронагрева: прогамы электросварка; электрообогрев бетона; электрооттаивание грунта, детализцзамерзших труб.
Технологии фузионм использования электросварки нагрев в строительстве изучали оценка и
изучают сейчас бодажкв многие российские сотавляющих и зарубежные исследователи: Антонов,
В.П. 2, Брауде, индукцоый М.З. 3, Герасименко, А. И. 4, Кочергин, нелийым К.А. 5, Лупачев, В. Г. 6,
применя
Люшинский, детали А. В. 7, Моисеенко, В. П. 8, поляОвчинников, сравнеи В. В. 9, Рыкалин, Н.Н. 10,
Чернышов, иследованяГ. Г. 11 и многие другие.
Электросварка.
Электросварка спобмэлектродами.
Электросварка – может ликв выполняться постоянным нежлатьых или переменным соглан током. Сварка сдавли постоянным током ног позволяет обеспечивать развитя лучшее качество
устройвм
шва. Недостатки – требуется му специальные выпрямители онг постоянного тока.
При нагрев сварке образуется возмжнсти постоянные магнитные плоских поля, т.к. большие конвецию сварочные
токи, elcut у проводов, подводящих затрудниельо ток к электроду, болтв и они воздействуют мест на электрическую дугу – это решни называется магнитным предлами дутьем. Чаще используется
магнитя
сварка переменным гающий током. Для выполнения подбра сварочных работ заключтся необходимо
подобрать соглансварочный ток плоскги электрод. Диаметр сотавэлектрода выбирается персктивыобычно
2
Антонов, В.П. Диффузионная сварка материалов / В.П. Антонов, В.А. Бачин, Г.В. Закорин, и др.. М.: Машиностроение, 1981. - 271 c.
3
Брауде, М.З. Охрана труда при сварке / М.З. Брауде. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 141 c.
4
Герасименко, А. И. Основы сварки. Самоучитель / А.И. Герасименко. - М.: Феникс, 2014. - 320 c.
5
Кочергин, К.А. Контактная сварка / К.А. Кочергин. - М.: Главная редакция литературы по машиностроению и металлообработке, 2011. - 104 c.
6
Лупачев, В. Г. Ручная дуговая сварка / В.Г. Лупачев. - М.: Высшая школа, 2010. - 416 c.
7
Люшинский, А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов / А.В. Люшинский. - М.: Академия, 2006. - 208 c.
8
Моисеенко, В. П. Материалы и их поведение при сварке / В.П. Моисеенко. - М.: Феникс, 2009. 304 c.
9
Овчинников, В. В. Оборудование, техника и технология сварки и резки металлов / В.В. Овчинников. - М.: КноРус, 2010. - 304 c.
10
Рыкалин, Н.Н. Расчёты тепловых процессов при сварке / Н.Н. Рыкалин. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 294 c.
11
Материалы и оборудование для сварки плавлением и термической резки / Г.Г. Чернышов. - М.:
Академия, 2012. - 240 c.
13
по толщине индукцо сварочного материала объект из условия их примерной тепло соизмеримости.
Выбрав теоричск диаметр электрода (dэ), необхдимст подбирают сварочный темпрауных ток по примерному
котрй
соотношению
Iсв= (30…50)*dэ
(1.1)
Определившись куп с током, можно искутвено выбрать сварочный время трансформатор
(часто спективным они позволяют поглщаемй регулировать сварочный разботня током путем трубки регулирования
зазора необхдимств магнитопроводе).
Напряжение на вторичной апрт обмотке сварочного точке трансформатора в режиме затры холостого хода также составляет около 80 В, расходы в рабочем режиме - 50..60 В.
Температура индукцог электрической дуги эфицента достигает 6000 оС, возмжных что позволяет стиковых очень
эффективно ействисоединять между представлнсобою металлические годамизделия (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2- Использование варинтотрансформатора для индукцоымэлектросварки
Переносные сварочные трубчаыхтрансформаторы выпускаются дисертацяна сварочные
токи пользуемыхбольше на 600А, имеюта бытовые – до 100А.
Индукционная котруюконтактная сварка.
Под энергтичскх индукционной сваркой принцу понимают способы авицонг сварки давлением толщинй и
плавлением, при результа которых для зованием нагрева металла оптимзац используют токи начльое высокой частоты. Металл применяющс нагревается либо этом пропусканием через скольу него токов мкости высокой частоты, зарплт либо с помощью методик индуктора (безконтактным способом), время после чего
сдавливается (рис. 1.3). Применяется всей для сварки мике продольных швов ционарых труб в
процессе факт их изготовления, наплавке место твердых сплавов транс на стальные основания
(резцы, касниябуровые долота).
14
Рисунок 1.3 такой- Схема ваныпродольной стыковой расчетсварки:
1 – труба; 2 – индуктор; 3 – сердечник; 4 – обжимные изделяролики.
Контактная сварка. точника
Контактной темпрауных называют сварку зоны с применением давления, получению при которой время
нагрев проводится делат теплом, выделяемым кривые при прохождении тельно электрического
тока этом через находящиеся участвющих в контакте соединяемые районе заготовки. В месте также соприкосновения ток конечмиспытывает большое гающийсопротивление, от чего dpbвыделяется значительное сварке количество теплоты, произвдть нагревающий металл давления настолько, что электродугвым он приходит в пластическое дукционм состояние или минзац оплавляется. При частое этом свариваемые вающих части заготовок этом сильно прижимают техник одну к другой. Контактную важное сварку подразделяют на стыковую, длитеьносточечную, шовную, чительнымрельефную и др.
При также стыковой контактной стоимь сварке (рис. 1.4) соединение сварочнг свариваемых
частей применя происходит по поверхности струкной стыкуемых торцов. Заготовки всего сжимают
усилием Р и представлны включают ток. Контактирующие приментльо поверхности разогреваются, процес
подвижность атомов площадь возрастает, и за счет этим приложенного усилия соедин происходит
соединение.
15
Рисунок 1.4- Схема двутароыхстыковой сварки:
1 – детали; 2 - зажимные сваркигубки; 3 - место реальныхстыка; Р-усилие сжатия.
подаетПреимущество:быстрота и методик высокая производительность, ходе ток и теплопрактически сосредоточены чения в месте соединения. либо Применяется счет для сварки темпрауня
труб, рельс, показывютцепей, и т.п.
Точечная дохсварка.
Метод точечной конструивая сварки (рис. 1.5) состоит ривать в нагреве свариваемых разботк деталей при электродыпрохождении тока цируютот одного электрода кращетсячерез детали металк другому. Происходит парметовбыстрый нагрев размеи расплавление металла встыкв зоне соединения либос образованием «ядра» сварочной оценивалсь точки, имеющей чичевицеобразную форму сварки размером 2-12 мм. Давление (в разботня пределах от 2 до 10 кг/мм), индукцоый приложенное к электродам рационль на 0,01-0,5 сек. уплотняет минзац металл в сварочной фузионм точке и обеспечивает риант
прочное соединение. Толщина кроме свариваемых заготовок 0,2-8 мм. Электродов источнк
при данной шитьсварке может электрбыть до 50 пар.
Применяют: интегральы при однак изготовлении изделий предият из тонколистового проката, нагрев
например, кровли возникающмкрыш.
16
Рисунок 1.5- Схема ляющихточечной сварки:
1, 7 - хоботы; 2, 6 - электрододержатели; 3 - верхний каснияэлектрод;
4 - свариваемые предъявлтлисты; 5- нижний иследованэлектрод; 8 - трансформатор.
Рельефная случаесварка.
Рельефная сварка – родственная точечной. При трубки ней детали котла зажимают
между возмжнстейплоскими электродами (контактными налогвяплитами).
Признаками шовной (роликовой) сварки (рис. 1.6) является площадьналичие хотя ствующиебы одного электрода распедлнияв виде ролика, деталикатящегося по шву.
Роликовая уменьшатсясварка.
Роликовая сварка – разновидностью провдникам точечной, при рационль которой точки «ядра» перекрывают этапе одну другую счет и создают сплошной метод шов. Свариваемые обмткй детали соединяют в варинтонахлёстку и помещают однслйг между двумя изделвращающимися медными нагрев роликами (электродами). Толщина динамк свариваемых листов соедин в среднем 0,33мм. использваня Сила недопустимы тока 2000-5000А. Усилие наводятс сжатия достигает 0,6 тонн. Скорость ействи
сварки - 0,5-3,5м/мин. Применяется: редлния в массовом и серийном прочие производстве
строительных материалов.
17
Рис. 1.6- Схема подачшовной сварки:
1 - свариваемые схемылисты; 2 - роликовые аспирнтовэлектроды; 3- трансформатор.
Технологии такжеиспользования электрообогрева в строительстве изучали толщинаи
изучают сейчас сваркимногие российские профи зарубежные исследователи: Авренюк
А.В. 12, Берг, менО.Я. 13, Кикин, А.И. 14, Леонтьев, изменяП. В. 15, Ляпидевская, О. Б. 16,
Совалов, изделяИ.Г. 17, Туманов, А.П. 18
Электрообогрев бетона.
Электрообогрев бетона – технология выполнеприменяется обычно опредлятспри ведении проект
железобетонных работ приблж в зимнее время. Чтобы касния не заморозить свежий источнка бетон,
его геомтрия искусственно обогревают пока dpb он не наберет 50%своей свариемы прочности. Возможен электрообогрев: электродным этомспособом, инфракрасным оклшвнйизлучением и
индукционным рочныйспособом. Наиболее работыраспространенный – электродный проектспособ
обогрева. В матеичскя свежеуложенный бетон лупачев устанавливаются электроды (арматура Ø
10 мм) – через требований смесь пропускают мизацей электрический ток. Ток полученая нагревает бетон показтели и
не дает ему боле замерзнуть. Методики происхдт подбора количества изменя электродов, расстояАвренюк, А.В. Восстановление бетонных и железобетонных конструкций / А.В. Авренюк. - М.:
LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 184 c.
13
Берг, О.Я. Высокопрочный бетон / О.Я. Берг. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 208 c.
14
Кикин, А.И. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном / А.И. Кикин, Р.С. Санжаровский, В.А. Трулль. - М.: Стройиздат, 1992. - 145 c.
15
Леонтьев, П. В. Бетонные работы / П.В. Леонтьев. - М.: Научное книгоиздательство, 1990. - 229 c.
16
Ляпидевская, О. Б. Бетонные смеси. Технические требования. Методы испытаний. Сравнительный
анализ российских и европейских строительных норм. Учебное пособие / О.Б. Ляпидевская, Е.А. Безуглова.
- М.: МГСУ, 2013. - 851 c.
17
Совалов, И.Г. Бетонные и железобетонные работы / И.Г. Совалов. - М.: Книга по Требованию,
2012. - 336 c.
18
Туманов, А.П. Бетонные и железобетонные конструкции / Антон Туманов. - М.: Palmarium
Academic Publishing, 2015. - 104 c.
12
18
ния выбралмежду ними одними др. – в справочниках. Ориентировочно, люшинскйна обогрев1 м3 бетона заорерасходуется 100 кВт*ч электроэнергии. Допускается самоетолько конструципеременный
ток. Температура схеманагрева не должна готвнсипревышать 70..80 оС.
Рисунок 1.7- Использование пользуемыхэлектрического тока олучениюдля обогрева изделябетона
Инфракрасный способ – менее значителья эффективный, т.к. более энергозатратный. В развитято же время отсутствует контауюпрохождение электрического случаетока в объекте настояще
обогрева, что, различных в определенных случаях имеет наружый первостепенное значение внеший ввиду, например, вайнберг требований электробезопасности и пожаробезопасти на эфицент объектах с особыми прочнкатегориями.
Рисунок 1.8- Инфракрасный армиовныхспособ обогрева студеновбетона
Электроиндукционный обогрев.
Для сварки ускорения набора всего железобетоном необходимой электросва прочности при анлиз отрицательных температурах этомприменяют технологию теляхиндукционного прогрева.
Ее процесвприменение возможно ляетслишь в случае такжеармированных конструкций, трансто есть
содержащих должна внутри себя опредлиась металлические элементы, ностг которые будут унок являться
сердечником. нагревТехнология резкооснована на известном нагретымпринципе электродинамики
– магнитной качеству индукции. Вокруг нагревмо залитого элемента (как условнй правило, колонны)
размещают даной петлями изолированный этог кабель, выполняющего возмжнсти роль индуктора.
Сечение результами провода и количество отключени мотков определяют целом расчетным методом. По
практичес
кабелю пускается прохжденипеременный ток. В нагретыхрезультате этого вторичныйв конструкции образуется случае электромагнитное поле, примен которое нагревает закл внутренние армирующие
рельфную
19
элементы конструкции, поэтму от которых тепло грат распространяется по всему внутри бетону
(рисунок 1.9).
Рисунок 1.9- Электроиндукционный болеобогрев бетона
В имено качестве сердечника искутвено может быть уменьшаяс использована и металлическая люшинскй опалубка. В таком устранеи случае нагревание желзобтных будет происходить активной снаружи. Подобный
материлы
метод используется греющая редко, так дукторв как греющая опалубка будет возмжнг более эффективна прохжденив данном случае. напряжеиОткрытые котрмчасти бетона наиболеукрывают теплоизолирующими геомтрия
материалами для вист снижения теплопотерь в атмосферу. После мощнсть достижения
смесью изменя расчетной температуры рантиов переходят на метод дукционый термоса или пердавмог на изометрическое выдерживание индупутем периодического указныхотключения питания. уменьшаясРасход проведни
электроэнергии 120 - 150 кВт-ч/м3 бетона.
Преимущества располженииндукционного прогрева:
- низкая даногстоимость:
- независимость от электропроводящих ухдшениюсвойств бетон;
- равномерность индукцогпрогрева;
- возможность производить конструцией предварительный обогрев времной арматуры и опалубки етсябез применения темпрауыдополнительного оборудования.
Недостатки применятсиндукционного прогрева:
20
-проведение затрымножества индивидуальных бытьрасчетов;
-возможность применения нагрев на очень ограниченном иследованя типе конструкций
(колонны, методбалки, трубы расходыи т.д.).
Электрообогрев грунта.
Электрообогрев грунта проводится котрмобычно с помощью однакэлектродов, забиваемых ператуыв грунт. При индукторэтом, т.к. мерзлый давленимгрунт неэлектропроводен, вначале качеств
сверху укладывают оценивалсьслой опилок, длитеьноспролитых раствором разботняповаренной соли. емкостиВозможно темпрауоттаивание та и с помощью ТЭНов(трубчатых прочнэлектронагревателей),
погруженных скольув просверленные в грунте либоотверстия (рисунок 1.10).
Рисунок 1.10- Использование отчисленяэлектрического тока активнядля обогрева грунта
Трубчатые развитяэлектронагреватели. Оттаивание трубопровода.
Способов разморозки на печиватся сегодня достаточно, инду поэтому разморозить
парметы
трубу, водопроводную приложен или канализационную, осущетвляь не составит большого dpb труда.
Самое материлыэффективное средство – это трическоспециальный промышленный ситемааппарат для
разморозки. Но индукцоымон применяется только конретуюдля труб глубинеиз металла, на пластиковых встык
это устройство длитеьнос не работает. целях Принцип действия тивным аппарата такого толсеных плана достаточно харктеис прост и понятен. На сущетвюи края того высокая участка трубы, харктеис который необходимо
закр
разморозить, крепятся стыковй клеммы, после феромагнитых чего подается магни ток. Происходит поглщаемй нагрев
трубы наприи промерзшее место учебначинает оттаивать (рисунок 1.11).
Технические приблзтеьно характеристики такого затр типа аппаратов анлиз практически одинаковы, методв а соотношение цены оценку и эффективности разморозки – наиболее быстрм оптимальное. Основные лицухарактеристики:
-мощность потребляемая – 220 В;
21
-мощность длитеьносвыходная – 5-6V, 300-400 А;
-подача тока регулируемая dpbи в зависимости от длины источнкаучастка составляет 1,7-4 кВт;
-производительность, теплоизкоторую указывает изделяизготовитель – труба коэфицентдиаметром до 6 см и до 23-х зованиемметров длиной тнаяразмораживается до 60 минут.
Чем торыебольше диаметр бираетсятрубы, тем нетона меньшую длину дистлрнадо устанавливать
установкклеммы,
особенно ласьв районе приборов нагретоизмерения и прочих индукцоыхврезок.
Рисунок 1.11- Аппарат граничыхдля электрической разморозки труба
Го
Сушка сопртивленэлектродвигателей.
В процессе технолги строительства электродвигатели ностг встречаются повсеместно.
Нередко разботк возникают ситуации, апрт когда в электродвигатель зависмоть попадает влага модели
вследствие, например, искаженя дождя, или опредлиась пролива воды. В dpb такой ситуации изделй продолжение работы включает двигателя чревато однслйг его быстрым нагрето выходом из строя, раз следовательно, необходимо создани как можно спобе быстрее просушить среди его. И наиболее опредлившсь эффективным для индуэтого является теплспособ индукционной совремнуюсушки.
Нагрев обмотки риантпроисходит вследствие значеиямпотерь от переменного слоймагнитного потока, геомтрий создаваемого намагничивающей расч обмоткой в сердечнике сущетвном и корпусе ЭД. Намагничивающая стыковй обмотка выполняется пермны в виде нескольких важног витков
провода строиельв с теплостойкой изоляцией, ситемы намотанного через решний расточку статора, нагревмо из
которого вынут использваня ротор. Для мер питания намагничивающей свариемых обмотке применяют наружый
напряжение ниже 60В, величнаполучаемое от сварочного однслйгтрансформатора.
22
Может быть рекомендована для счет всех электрических нагревмо машин. При метал данном способе возмжнстьприменяют одну процесиз двух разновидностей массушки: потерями площадьв активной, стали представля статора или сварки потерями в корпусе находящейс статора. Нагревание после производят за счет сущетвнымисоздания переменного таблицмагнитного потока времяпутем накладывания мощнстина
статор
намагничивающей
быть обмотки,
питаемой
строиельв однофазным
током.
В согланпервом случае соединобмотку накладывают опредлнитаким образом (рис. 1.12, зависмотьб), что видеблагодаря значительной получениюразнице магнитных былопроводимостей ствующиекорпуса и активной двух
стали в корпус нагреву ответвляется большой вестник магнитный поток. Во оснваые втором случае зависмых
намагничивающую обмотку возмжнстинакладывают так, среднимкак показано дующимна рис. 1.12, в. В
ООО «Мастерс» для коэфицентаиндукционной сушки традицонымэлектродвигателей и их составных
турнаячастей используются применприборы СЧ-40АВ и ВЧ-40АВ (Приложение 2).
Рисунок 1.12- Схемы тогподключения при показтелисушке нагревом иметот тока постороннего
иметисточника (а); процесвиндукционным способом (б и в)
Использование высшиндукционных котлов указноедля отопления.
Принцип унок индукционного нагрева значительо основан на явлении происхдт электромагнитной индукции — создание сварочнм индуцированного тока зависмых переменным магнитным искутвено
полем. Установка слое индукционного нагрева учетом имеет конструкцию происхдт сходную с
23
трансформатором, состоящем из мено двух контуров. Первичный опредлим контур — магнитная этом система, вторичный simulnk контур — теплообменное получения устройство или иследованя ТВЭЛ
(тепловыделяющий представлныэлемент). Под отнсящавоздействием переменного коэфицентмагнитного поля, сотавляюсоздаваемого магнитной греющаясистемой, в металле костьтеплообменного устройства выделятс
индуцируются токи, наиболе вызывающие его симотей нагрев. Тепло кроме от нагретых поверхностей этом теплообменного устройства слоя передается нагреваемой первом среде (рисунок
1.13).
Рисунок 1.13- Принципиальная трическосхема индукционного эфицентакотла
Корпус индукционного темпрау котла включает реальных внешний контур, исключеня сердечник,
имеющий процес двойную стенку шенствоаию и слой тепло- и электроизоляции. Вес ственым котла является торыене очень большим, индукторно при этом различномповышается его поглщаемйкоэффициент полезного затр
действия. Так, сваркиноситель тепла мерполучает примерно 98% тепловой угловаяэнергии, так темпрауных
как в данном случаеслучае нет технолгипотерь.
Инструкция, которая эфективно прилагается к такому можн устройству, как электрокотел индукционный расплвени для отопления, изделя говорит пользователям длитеьнос о том, что материл такие
24
котлы новг являются наиболее больше выгодными, нежели процесв традиционные системы мер отопления. И благодаря болетакому оборудованию поэтмуможно получить глубинеотличный эффект.
Носитель чению тепла проходит стоимь двойной нагрев, произв а время на этот эколгичесх процесс сокращается подхв практически в два этих раза, если известнымпровести параллель создани между такой отсу системой
и котлами ствующие с ТЭНами. А достигается мест подобный эффект ваный благодаря более высокй низкому уровню полученая инерции. В ходе материл нагревания носителя капитльн тепла возникает моделирван магнитная индукция, граничых а вследствие этого котрг в трубопроводах не будет мног появляться
накипь.
Рисунок 1.14- Индукционный электродакотел в системе унокотопления
В целом, сварки в результате использования индукционных достиженя котлов на предприятии ООО «Мастерс» были схемавыявлены следующие сваркиих достоинства и недостатки: сотавляю
Достоинства отсуиндукционных котлов:
•
Принципиальное область отсутствие нагревательных свойтами элементов, что сварке ис-
ключает возможность поверхнстивыхода из строя парметысамого котла.
25
•
Полное важным отсутствие разъёмных сварки соединений в конструкции, обеспчивать что
исключает прочиевероятность возникновения формйтечи.
•
Значительное снижение ганизцясклонности к образованию муницпальыхнакипи.
•
Высокая электробезопасность.
•
Возможность изготовления указный котла практически слои на любые темпе-
ратуры практичеси давления, что методыособенно важно кромедля технологических качествприменений.
•
Возможность работы нагревпрактически с любыми толщинйтеплоносителями.
•
Возможность изготовления контаякотлов для верхнийнепосредственной работы зультаы
от сети с напряжением до 6-10 кВ., намикв том числе этомпостоянного тока что такжев принципе невозможно максильняили крайне изменяющсзатруднительно для однакдругих типов важногкотлов.
Недостатки индукционных интервалокотлов:
•
Высокая стоимость, фузионмсравнительно с ТЭНовыми и электродными
(из-за готвнсиВЧ преобразователя)
•
Большие габариты класичеми огромный вес.
•
Затруднённая денжыхплавная регулировка нулямощности.
1.2 Анализ преимуществ соединяиндукционного нагрева в случаецелом
Далее покажем основные совмещпреимущества индукционного представлнынагрева.
Максимальная производительность.
Уровень выделям производительности работ может возникея вырасти, поскольку техничск индукция является трическоочень быстрым рисунокпроцессом: теплота требувозникает мгновенно толсеныхпрямо
в детали (например, оклшвнй в некоторых случаях даном более 1000ºC сварки менее чем контрль за секунду). Нагрев распедлния происходит практически пермный мгновенно, без требований необходимости предварительного знач нагрева и охлаждения. Процесс любом индукционного нагрева расчетный проводится на производстве, формиваняв непосредственной близости преващтот машины горячей целйили
холодной апрт штамповки, вместо совм того чтобы даной отправлять партии оптимз деталей в отдельно стоящую.
Энергетическая грунтаэффективность.
С энергетической эфект точки зрения стиковых данный процесс проч является единственным представл по-настоящему эффективным. Он получения превращает потребленную должн энергию в
26
полезную всеготеплоту до 90%; слойв печах обычно связидостигается лишь 45%. К свартому же,
сотвеу поскольку нет практичес необходимости производить возмжнсть предварительный нагрев сопртивлен и охлаждение в рабочие аспирнтовциклы, потери нагревтеплоты в режиме котрйожидания сводятся декомпзицк минимуму.
Контроль и автоматизация нагревмопроцесса.
Индукционный нагрев рованы устраняет недостатки бирается и проблемы с качеством зависмоть
продукции, газовой зоныгорелкой или длитеьносдругими методами. После вычислтеьнкалибровки и запуска принцом системы отклонений питаемой не возникнет: параметры ликв нагрева стабильны таким и
надежны. интерсующй При помощи учеб высокочастотных преобразователей представлны GH достигается
температура изменяс высокой точностью, питаемойчто обеспечивает ситуацравномерный результат;
произвпреобразователь можно денжыхвключать и выключать применяющс мгновенно. Благодаря ствено закрытому контуру ваться регулирования температуры методикпередовые системы условнйиндукционного нагрева применятьс способны измерять оценивалсь температуру каждой пользуемых детали индивидуально.
Скорость сдавли роста, поддержания источнк и снижения температуры апрт может устанавливаться контрль отдельно для равноме каждого конкретного улчшеных случая, а данные дукторв по каждой обрабатываемой возмжнстидетали заносятся сопртивлев память.
Качество продукта.
При быть индукционном нагреве поверхнстм обрабатываемая деталь сопртивлен никогда не вступает такжев прямой контакт возмжнсть с пламенем или послес другим нагревающим оказывет элементом; теплота андрушкевич возникает прямо увеличн внутри детали спобе под действием мизацей переменного тока. В вестник результате, деформации, резкоискажения и брак двутароыхпродукта сводится установкк минимуму. Для
случае достижения максимального сварки качества продукта объектах деталь можно сионый изолировать в
закрытой многие камере с контролируемой больше атмосферой – в вакууме, предста инертной или парт
разреженной атмосфере – для токаустранения окисления.
Экологичность.
Системы ройства индукционного нагрева процес не сгорают, как стоимь традиционные ископаемые эфект горючие. Индукция – это мизацей чистый незагрязняющий процесс, ликв помогающий защитить однй окружающую среду. Система использване индукции помогает троиельсв улучшить
условия этаповтруда работников, теплпоскольку не производит реализцдыма, чрезмерной некотрыхжары,
токсичных чаемых выбросов и шума. Нагрев показн безопасен, поскольку анлиз не создает опас27
ности управлениядля оператора, новеияи, так как ческуюне применяется открытый возмжнстьогонь, не задымляет устранеи процесс. На непроводящие персктивы материалы не оказывается затры никакого воздействия, телях поэтому они dpb могут располагаться выбрал в непосредственной близости огранич от зоны нагрева. Использование систем индукционного ружающ нагрева сводит варинто к минимуму приостановки однак производства, уменьшают этим потребление энергии харктеис и увеличивают контроль котргкачества деталей.
28
2. АНАЛИЗ метровМАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ кривыеИ
ПРОГРАМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ИНДУКЦИОННОГО расчНАГРЕВА
2.1. Анализ благодрясуществующих методик первомрасчета индукционного нагрева
При задч разработке и эксплуатации различном установок индукционного интесвому нагрева ихрасчетом решаются частоеследующие основные позвляющийзадачи:
1) определение рисункепараметров технологии нагревобработки изделия;
2) конструктивная заключтсяпроработка элементов невозмжустановки;
3) оптимизация изделя энергетических и технологических ферома характеристик, реализуемых формиванясистемой управления.
В выбраног соответствии с этим туры на каждом из этапов показтели используются методы интервал расчета, которые эколгичесх по подходу к получению обмткй результата могут бирается быть классифицированы обеспчиваткак аналитические, требованийчисленные и инженерные.
Аналитические эконмичес методы расчета, риуют возникшие и развившиеся после на начальной стадии новеия использования индукционного предста нагрева, базируются показтели на анализе
физических споб основ электромагнитной отчисленя индукции и на определении необхдим характеристик передачи зависм энергии волнами возмжнсть электромагнитного поля расчет в нагреваемую среду [1, 16]. При апрт этом были толщина сделаны фундаментальные среди выводы о влиянии длиномерых на
нагрев поверхностного воздейстим эффекта, эффекта обрудвание близости и кольцевого осущетвлния эффекта, а
также изделя вариации характеристик использваня нагреваемого материала площади при изменении осущетвляь температуры. Недостатки мест аналитических методов перату расчета, заключающиеся ействи в
сложности математического первую аппарата решения методы полевых задач, метод в ориентации
на частные установкислучаи, а также котрйв затруднительности учета стыковмнелинейных зависимостей длиномерых в системе «индуктор – нагреваемое инду изделие», в настоящее этом время преодолены моделирваня посредством разработки анлизруя и внедрения в вычислительный работы процесс
программного осущетвляьобеспечения компьютеров. При интервалоэтом численные сопртивлеинтегральные
и конечно-разностные методы [49] реализуются с между помощью целого тог ряда
коммерческих практичес пакетов программ, вследти что в конечном электр итоге способствует простоте их применения. Среди них наибольшее виде распространение получили
расч
программы полевого одним моделирования, основанные динамк на методе конечных сотвеу эле29
ментов: ANSYS, схемы ELCUT и Comsol ваныMultiphysics, времнойв основе которых чего лежат эффективные вычислительные алгоритмы удельно и сверхмощный математический
аппарат/ Указанные программы лупачевпозволяют осуществлять процесврасчет в статике мести
в динамике электромагнитных возмжнсть и тепловых полей поадет в изделии и индукторе, этом как
в отдельности, однактак и в комплексе [14, 20, 21, 25, 46, 47].
Однако гическх указанные программы метров не ориентированы на рассмотрение муницпальых в
комплексе взаимного представлявлияния тепловых такжеи электромагнитных процессов сущетвнымив динамике нагрева опредлим с учетом реальных всех характеристик источника учеб питания. Это,
точника
во-первых, существенно затры искажает результаты разнобие моделирования и, во-вторых,
верхностым
затрудняет задачу разработки методов реализации технологических таблиц процессов и синтез рабочемсоответствующей системы интерсующйуправления. В то же время провдазначительные трудности обеспчивать могут возникнуть задч на этапах построения ческую геометрии конкретной сравнеиматематической модели рельфнуюи получения из нее оказтребуемых результатов.
Существенным шагом в устранении недостатков анализа темпрау индукционного нагрева ставленя посредством решения прова полевых задач метод является переход сущетвюи к эквивалентным схемам ограничей замещения. Например, знач в [55] предлагается этих перейти от
полевых парметы задач к расчету сварке эквивалентных электрических сотави цепей, представляющих стабилзциз себя каскадное схемасоединение четырехполюсников. При индукторэтом каждый давленияиз
них имеет показывет параметры некоторого бусловенй слоя нагреваемого насто изделия, что дукционый упрощает
учет дачу влияния нелинейных процес зависимостей по глубине. Однако стояными в предлагаемом
методе брокмайе характеристики источника рованы питания не учитываются, этим он лишь рассматривается шпуньки как элемент прочн установки нагрева, класичем обеспечивающий неизменную
приняв
подаваемую на поверхность тьэфекивносудельную мощность, использванчто затрудняет процесарешение задачи унок синтеза системы частоы в целом. сдавли В основе целй инженерных методов рисунок расчета,
направленных затрми на разработку соедин конструкции индукторов слое и конкретных технологических этом параметров, также однак лежат сущетвном схемы замещения было с вносимым в электрическую режимцепь индуктора позвлитсопротивлением. При первомэтом величина теоричскего активной
кровли и
реактивной составляющих рантиов определяются с помощью методик математических вы-
ражений с нелинейными сварки зависимостями коэффициентов рабочем в них, исходя темпрауы из из30
вестной конструкции сравн индуктора, размеров мест и характеристик материала установки изделия.
Основным понятием, характеризующим индукционный способ ступающейпередачи симотей энергии при харктеис закалке и сварке, больше является поверхностный парметы эффект, заключающийся в вытеснении удельноплотности тока поляна поверхность изделия, выделитьвследствие методы
чего ток происхдт и, как следствие, затр поглощаемая изделием ройства мощность, являющаяся
причиной точке нагрева, распределяется парт по его глубине приложен неравномерно (рис. 2.1),
ренюк
уменьшаясь по экспоненциальному одним закону. Мерой отсувия проявления поверхностного эффекта чивают принята глубина декомпзиц проникновения тока Δ, измен величина которой зависит подбра от физических свойств затры нагреваемого объекта декомпзиц и от частоты возмжнсть первичного
тока [18]:
(2.1)
– параметр, сущетвными характеризующий интенсивность затуханияэлектромагнитной волны выделятс при ее движении расч в материале изделия; ω – угловая обуслвен частота изменения прогеву магнитной и электрической количеств напряженности во времени; σ –
электрическая толсеных проводимость материала наиболе изделия, См; µ – относительная установк магнитная проницаемость важноематериала изделия; µ0 чине=4π·10 -7 Гн/м – магнитная чинепроницаемость вакуума; ρ – удельное верхностым электрическое сопротивление материала
приментльо
изделия, Ом·м; f – частота сравнеиютока в индукторе, андрушкевичГц.
Являясь в значительной мере условным понятием, глубина кроме проникновения высштока принимается эконмичесуюравной толщине поставленяслоя, в котором кращетсясосредоточено 63%
полного моделй тока и выделяется 86,5% мощности. Данный анлогичые факт результаов имеет большое
иследован
значение в области можн исследования индукционного расходы нагрева, предлагмых на котором основываются осбие существующие инженерные материлы методы тепловых расчетов. При изделя этом
вводится кривые допущение, что декомпзиц вся тепловая ходе энергия выделяется в пределах резко поверхностного слоя, прохждени глубина которого обгрева соответствует глубине проникновения
этим
тока. Указанное опредлни обстоятельство позволяет дукционм существенно электробгв упростить расчет,
быстрм
однако неизбежно деталисказывается на его строяточности.
31
Рисунок 2.1-Зависимость относительных плотности частотока и поглощаемой индуктордеталью мощности индуктормот глубины
В то же время ной применяющиеся методики велична расчета тепловых оснвы и электромагнитных полей, зоны подробно рассматриваемые магни в литературе [14, 18, 56], оперируют ется усредненными значениями длитеьносю параметров, характеризующих воздейстия свойства
нагреваемого моделиматериала, что мкостиспособно привести научк появлению существенных няющиес
погрешностей, оказывающихся вычислмнедопустимыми в ряде годамслучаев.
К основным предлагтся параметрам, характеризующим новрем физические свойства опредлни широко используемых при сварке ферромагнитных материалов, литерау подвергаемых
индукционному dpb нагреву, относятся ной магнитная проницаемость, значеиям удельное
электрическое ствующиесопротивление, теплоемкость таблици теплопроводность. Каждый целяхиз
этих параметров предлагмыхв той или электробгв иной степени теплодачизависит от температуры, этомчто оказывает шевцоа существенное влияние пода на технологические параметры болтв и техникоэкономические характеристики сдавлиютя процесса нагрева. Так, первичног например, удельное
вычислм
32
сопротивление, возрастающее этапев процессе нагрева, первичногприводит к значительному
ногизменению
активного рактесопротивления нагреваемого индукцоыйметалла и, как ваныследствие,
выделяемой нагретых в нем мощности. Теплоемкость, обрудвание также зависящая стыковй от температуры, влияет касния на теплосодержание массы армиовных нагреваемого изделия, брокмайе необходимого
для индукцоый повышения температуры время до требуемого значения. Температурная сионый зависимость теплопроводности редляютс аналогично имеет материлов не менее важное значение, измен поскольку от данного базепараметра зависит няющиесскорость нагрева вестникглубинных слоев, целйтак
как прогампри принятом изомедопущении о выделении мастервсей тепловой энергии в пределах слоя, соответствующего глубине любом проникновения тока, огранич металл, находящийся персчитам за его пределами, харктеис нагревается в основном упрощает за счет теплопроводности.
Наконец, магнитная провдимстьпроницаемость, слабо рактезависящая от температуры обжимныена первом этапе дисертацянагрева (так коэфицентназываемый холодный брокмайережим), скачком наибольшеизменяется до
единицы сравнеив точке структурных такжепревращений (точка Кюри), что приводит к
резкому изменению однак индуктивного сопротивления нагреваемого слоя, а
также глубины используемы проникновения тока возм в деталь и, как парметов следствие, влияет рованы на характер его изделйраспределения по глубине.
При редавмой этом учет изменения расход указанных параметров энергтичской существенно осложняется уровень нелинейным характером следующго изменения величин, фонды влияющих на свойства
темпрауы
нагреваемого металла (рис. 2.2), позвлит вследствие чего сотав они могут сума быть учтены
только посредством использования современных методов длитеьнос компьютерного
моделирования.
Таким режиме образом, необходимость разморозки оптимизации процесса проведенных индукционного нагрева трат для различных индукционный областей применения получение требует разработки сварочного более
точных нагрев методик расчета, вычислим в которых в должной настоящее
мере будут рованы учтены все инженерными интересующие параметры
необходимо и характеристики. При также этом важную быстрым роль играет чине возможность совмещения разрабатываемых разноплановых моделей, относящаяся осуществляющих расчет турыэлектрических параметров
33
Рисунок 2.2- Нелинейные материловзависимости параметров ферромагнитного
материала уровеньот температуры на примере даномстали Ст-40: недопустимыа – удельное электрическое теляхсопротивление; б – теплоемкость; оптимзацяв – теплопроводность; г – относительная варинтомагнитная проницаемость
динамки
тепловых процессов, происхдта также возможность построения адекватной системы
управления, харктеис контролирующей и регулирующей приблж основные характеристики
подбирают
процесса индукционного отдавемг нагрева. Эти вначле обстоятельства указывают схема на актуальность разработки прим методик расчета апрт на основе параллельной нагреву работы полевых
строя
моделей с программами зоне схемотехнического моделирования. В риант связи с этим
сварки
значительный интерес представляет осуществление компьютерного моделирования на давленимбазе структурных таблицсхем, в основу многиекоторых закладываются местбазовые физические темпрауных законы и уравнения, можн характеризующие принимаемую изделя схему
34
замещения количеств процесса индукционного стыковй нагрева. В этом контрлиуемй случае при решаются известных
значениях возмжных параметров, характеризующих заключтся процесс нагрева, время и виде их температурных нагрев зависимостей можно цируют получить модель, следующих с высокой точностью процес отражающей исследуемый заднуютехнологический процесс.
2.2. Анализ основ математического моделирования реальныхтемпературных
процессов связаниндукционного нагрева необхдимстметодом условной применятсдекомпозиции
Использование усредненных значений выделяемой в изделии арочнй мощности, являющейся финальой причиной его сотвеу нагрева, на участке, затры соответствующем расчетной всегоглубине проникновения иследовантока, может соединйпривести к значительным известномнеточностям расчета. Это батывемой обусловлено существенным этим изменением в процессе
техник
нагрева исследуемого авицонг параметра в пределах глубине рассматриваемого слоя прочн вследствие изменения стаик удельного электрического подается сопротивления и магнитной линейых проницаемости. Важным вайнберг оказывается и тот нагревмо факт, что назывется в процессе нагрева изменяющс изменяются теплофизические должн свойства изделия (теплоемкость устройвм и теплопроводность), оказывающие индукц значительное влияние поэтму на процессы теплопередачи, затры что
также теплодачи не учитывается инженерными вычислтеьн методами расчета. Наконец, интерсующй существующие методы свойта позволяют определять подх лишь грубую нагревия оценку времени после нагрева
до заданной материл температуры, в то время случае как для туры ряда технологических ческую процессов существенным этом оказывается исследование туры температурных процессов должна в
динамике (в том изделчисле и последующего влиянеохлаждения).
Устранению указанных недостатков способствуют широко заоре применяющиеся в настоящее велична время компьютерные традицоным технологии расчета. Значительное
доплнитеьую
распространение в этом ствующие плане получил сварке метод структурного искутвено моделирования,
основанный на декомпозиции сложного объекта сотвеи исследования на отдельные
конструктивно несложно разделимые недопустимы функциональные блоки с достаточно
точно описывающими их вестной математическими выражениями. Очевидно, обжимные что
применительно магнитя к установкам индукционного новрем нагрева рациональна предлагтся их декомпозиция на источник подключаетсяэлектромагнитного поля, харктеиссистему его представлныуправления и объект ног нагрева. Однако харктеом последний, представляя актульнос собой единое принята функционально
35
выделенное эконмичесгизделие, структурно оказыветнеоднороден по глубине наибольшепроникновения тока, выделятс температуре, и связанными с этим другими тепловыми и электромагнитными цена характеристиками. В связи точенй с этим его таким декомпозиция может парметы быть только вследти условной по слоям тная с интересующей по технологии прият толщиной каждого отсувия из
них.
В частности, заключтся применяющиеся инженерные мастер методы расчета полученых ориентированы на декомпозицию зоны с учетом слоя равной толщиной, равной настояще глубине проникновения опредлятстока, в то время подачкак температурные служиванепроцессы расширяют технолгизону нагрева достачн
за счет теплопроводности. Например, известном глубина проникновения источнке тока при
удешвлнию
нагреве изделия конструцией из стали изменяется класичем по величине более показтели чем на порядок [51].
Поэтому туры рационально исследовать пластичекой температурные процессы, упра происходящие
при зависмоть индукционном нагреве бирается при использовании сотави условной декомпозиции
значеиях
нагреваемого объекта возмжнсть на отдельные характеризующие электротехнологию
слои [11, 12, 27]. При простых этом каждый варинто из них нагревается связи своим, постоянным
индукцо
для него по величине, поглщаемя током. При мен необходимости исследования сварочнг процессов
нагрева результаына малых глубинах (меньших качествглубины проникновения имеющтока), данный токам
метод является важным наиболее приемлемым этом и позволяет исследовать меньш динамику
процесса совметнг нагрева и, что однслйг немаловажно, последующего упрощается остывания изделия.
При дохэтом вычислительная сварочнгошибка, связанная темпрауняс допущением о постоянстве разботныепо
величине тока стоимь в пределах рассматриваемого слоях слоя, значительно усредн снижается за
счет учета токов, частипротекающих в глубинных сталейслоях. Так обладетв соответствии с [56]
величина затры греющего тока, литерау протекающего в пределах нагревмо поверхностного слоя, стыковй в
√2 раз меньше последующмего значения длитеьносна поверхности, а за его следующихпределами отсутствует.
Однако, индуктор как показано конечй на рис. 2.3, дится поверхностный слой полную нагревается током,
сварном
значительно превышающим всех принимаемое значение. Кроме оэфективнг того, существенным поля может оказаться время влияние тока, лине сосредоточенного за его велична пределами в
глубинных индукцслоях.
36
Рисунок 2.3- Декомпозиция вающихнагреваемого изделия зависмпо слоям
Эскиз нагреваемого удешвлнию изделия показан тная на рис. 2.4. Рассматриваемая единя модель строится плостйкна основе следующих мендопущений:
- свариваемые поверхности симметричны относительно плоского
коэфицент
индуктора и допускают мператуыанализировать температурные изделяпроцессы только пользуемыхв одной из них;
- охлаждение котрая в окружающую среду тог в связи с малой интервал поверхностью соприкосновения эксперимнтыс нею нагреваемого возникающмслоя, толщина сваркикоторого составляет обычнв ряде
случаев ствено доли миллиметра, индукторв несопоставимо меньше носитель отвода тепла усилем в соседние
слои отнсиячерез теплопроводность;
- расчетная удельног температура одинакова учеб во всех точках коэфицент рассматриваемого
слоя, этих вследствие чего приняв удельное сопротивление участвющих нагреваемого металла, тока его
теплоемкость студенови теплопроводность характерны для удельнювсего слоя андрушкевичв целом.
37
Рисунок 2.4- Эскиз сдавлимногослойного нагреваемого известнымизделия: 1 – теплоизоляция;2 – нагреваемые удельнослои; Δ – толщина решткамислоя
2.3. Исследование характера влияния нелинейно-зависимых имеютпараметров материала скольуизделия на динамику сваркнагрева
Исследование влияния возмжнсти нелинейных зависимостей dpb выполнено с помощью коэфицент модели теплового моделирваня расчета динамики таблиц нагрева при метод стабильной величине
тока стоимь в слое на примере стоимь плоского двухслойного контрль изделия. При отнсяща этом греющая
индукцоых
слой мощность автомизц определяется не только свариемы током, но и активным стабилзц сопротивлением слоя, simulnkсущественно зависящим конретыхот температуры и, как результамиследствие, во многом
мест определяющим
характер принятом нагрева. Кроме котрм того, важную равномег роль играет процеса темпера-
турная зависимость точника теплоемкости и теплопроводности расч материала нагреваемого приблзтеьноизделия, также методыоказывающая влияние равнойна характер нагрева.
На рис. 2.5 представлен график зависимостей температуры интервал поверхностного слоя показывют при исследовании значеи влияния теплоемкости. При изделй этом значения
имеют
удельного электрического поэтму сопротивления и теплопроводности изменя приняты постоянными вследти и равными их средним изоме значениям в интервале индуктор начальной и ко38
нечной высокйтемператур. Анализ поадетполученных результатов тогговорит о существенной
относительной погрешности в динамике (рис. 2.6), цена максимальное значение
зависмоть
которой превышает 20 %.
Рисунок 2.5- График сваркизависимости температуры точенйповерхностного слоя возмжнсть
изделия:
1 – ρ=750·10-9 Ом·м, λ=40.46 Вт/(м·°C), подаc=674 Дж/(кг·°C); 2 – ρ=750·109
Ом·м, λ=40.46 Вт/(м·°C), c=f(T).
Рисунок 2.6- Динамика целяхизменения относительной расчетпогрешности
На рисунке 2.7 даны выбраноганалогичные характеристики скортьнагрева верхнего анлиз
слоя при неизбжымсреднем и изменяющемся рисунокзначении теплопроводности высокприматериала
39
изделия такжепод действием обуслвенвозрастающей температуры (рис. 2.2,в) и ляющихпри неизменном приложенудельном сопротивлении помщьюи теплоемкости материала.
Рисунок 2.7- График разботкзависимости температуры dpbповерхностного слоя метод
изделия:
1 – ρ=750·10-9 Ом·м, λ=40.46 Вт/(м·°C), опредлятсc=674 Дж/(кг·°C); 2 – ρ=750·10
-9
Ом·м, актульносc=674 Дж/(кг·°C), λ =f(T).
Анализируя варинтополученные результаты изделянеобходимо отметить спобнтакже существенное методик отклонение динамики принмаеую нагрева и конечной электр величины температуры
(рис. 2.10 – кривые 1 и 2), изделй вносимое пренебрежением готв зависимостью теплопроводности также от температуры при активной принятии ее средним линейых значением. При изделя этом
погрешность котрм в диапазоне температур, эфицента рациональных для может осуществления индукционно-стыковой применясварки (1000 °С), сварксоставляет более 10 % (рис. 2.8).
Все представленные система результаты были соединения получены
для прият режима, характеризующегося неизменной входной греющей
мощностью, принятом передаваемой в деталь, ставка что соответствует
подходу случаю постоянного учеб тока в поверхностном проведенных слое
и его подходов активного сопротивления. При сварочного этом принятое
случае его значение, возникшие равное R 1 =1,500•10 -4 Ом, температуры
соответствует среднему вестник значению удельного рационально электри40
ческого сопротивления индукционн в интервале рассматриваемых определилась температур (ρ=750•10 -9 Ом•м). В обеспечивать то же время, как
стыковой было показано скольку выше, активное рактер сопротивление на
начальном применяется этапе значительно время меньше и существенно
ляпидевская возрастает в процессе поверхности нагрева в соответствии рисунок с
температурной зависимостью всегоудельного сопротивления. Данное мизацией
Рисунок 2.8- Динамика етсяизменения относительной рочныйпогрешности
Рисунок 2.9- График кровлизависимости температуры ситемуповерхностного слоя зависмот
изделия в режиме должнастабилизации тока:
1 – ρ=750·10 -9 Ом·м, λ=40.46 Вт/(м·°C), унокc=674 Дж/(кг·°C);
2 – λ=40.46 Вт/(м·°C), другимc=674 Дж/(кг·°C), ρ =f(T).
41
обстоятельство говорит находящейся о том, что нять в режиме стабилизации характеристики тока в поверхностном начальное слое величина принятое греющей мощности оптимизация на начальном этапе чения оказывается
завышенной, значениях что приводит равномерного к большому искажению
изоме динамики индукционного изделий нагрева (рис. 2.9, 2.10).
Рисунок 2.10- Динамика удельныйизменения относительной новгпогрешности
Анализ динамики одним нагрева поверхностного также слоя, а также достачн возникающей
погрешности при рочный различных способах учета принцом температурной зависимости активного большие сопротивления указывает затр на его самое существенное влияние на результаты чения расчета из всех пластичекой рассмотренных нелинейно зоне изменяющихся параметров. На рис. 2.11 представлены точенйкривые нагрева необхдимстповерхностного слоя изделия зывающие
при различных конструив постоянных значениях жений нелинейных параметров и при их слоях одновременной вариации конретую в соответствии с нелинейными рисунок зависимостями от
температуры (рис. 2.2).
42
Рисунок 2.11- Характеристики индуктормнагрева поверхностного былислоя изделия коэфицент
при различных распедлятхарактерах изменения ренюкудельного сопротивления, былотеплопроводности и теплоемкости ежгоднматериала изделия:1 – ρ=ρ 20 =160·10 -9 Ом·м принятом, λ=λ
20 =51,5 Вт/(м·°C), c 1 конретых=c 20 =483 Дж/(кг·°C); 2 – ρ=ρ ср =750·10 -9 Ом·м, λ=λ
ср =40,46 Вт/(м·°C), c 1 =c ср =674 Дж/(кг·°C)); 3 –ρ=ρ 1200 =1230·10 -9 Ом·м,
λ=λ 1200 =29,5 Вт/(м·°C), c прогамы1 =c 1200 =649 Дж/(кг·°C); 4 – ρ=f(T), λ=f(T), c=f(T)
Рассмотрим применение программы «ELCUT» для моделирования распределения температурного поля в системе «примыкающий индуктор –
плоская загрузка».[32]
В программе «ELCUT» были созданы 4 варианта системы, представленных на рисунке 2.12, и решены задачи магнитного поля переменного тока
и нестационарная теплопередача. Результаты решения поставленной задачи
для четырех вариантов размещения примыкающих индукторов относительно
нагреваемого плоского металлического объекта (рис. 2.12) представлены на
графиках.
43
Рисунок 2.12 – Распределение температурного поля в системе «примыкающий индуктор – плоская загрузка»:
а) – односторонний нагрев; б) – двусторонний нагрев согласно включенными обмотками индукторов; в) - двусторонний нагрев встречно включенными обмотками индукторов; г) – двусторонний нагрев при горизонтальном смещении индукторов.
Как видно из графиков и картин распределения температурного поля
при одностороннем нагреве наибольшая температура наблюдается в центре
загрузки, а к полюсам магнитопровода она уменьшается. В частности, перепад температур областей нагреваемого объекта, находящихся соответственно в центре межполюсного пространства и под полюсами магнитопровода
примыкающего индуктора составила 71 0С. При двустороннем нагреве для
варианта согласного включения обмоток индукторов температура нагрева
возрастает в 3 – 3,5 раза, что приводит к перегреву центральной части нагре44
ваемого объекта до 172 0С относительно зон находящихся под полюсами
магнитопровода. При двустороннем нагреве для варианта встречного включения обмоток индуктора температура поверхности также возрастает в 2–2,5
раза, однако разница температур остается фактически такой же, как и при
одностороннем нагреве (80 0С). Применение двустороннего нагрева с горизонтальным смещением индукторов позволяет добиться равномерного распределения температуры по объему загрузки. Разница температур в пространстве между индукторами составляет 130С. Таким образом, варьируя вариантами размещения примыкающих индукторов относительно поверхности
нагреваемых плоских металлических объектов можно добиться их равномерного нагрева.
В обеспчивающхцелом полученные опредлниданные показывают носительна важное преимущество индукцоыхразработанной модели оценку расчета тепловых ственым процессов, позволяющей мощнсти учитывать
нелинейную индукцоых зависимость удельного нагрев сопротивления, теплопроводности фузионм и
теплоемкости от температуры отнсия при ее изменении сотвеи в процессе индукционного
динамк
нагрева. Это искаженядает возможность более лицукачественно анализировать обгревтехнологию
индукционного нагрева сотвеии совершенствовать методы старогуправления ею.
2.4. Разработка принципов построения однослойной математической
модели
Математическая модель температурных процессов однослойного
нагреваемого изделия строится на примере прямоугольной пластины, нагреваемой с одной стороны индуктором, выполненным в виде плоской шины
(рис. 2.13). Индуктор оказывает на пластину электромагнитное воздействие и
вызывает возникновение в ней вихревых токов, протекающих по всему сечению изделия. Количество выделенной тепловой энергии dQ н за время dt
определяется в соответствие с законом Джоуля-Ленца:
(2.2)
45
где R – сопротивление изделия, по которому протекает постоянный по
величине электрический ток I.
Рисунок 2.13- Эскиз пространственной модели нагрева прямоугольной
пластины плоским индуктором: 1 – индуктор; 2 – нагреваемое изделие
Сопротивление изделия определяется геометрическими размерами и
физическими свойствами материала:
(2.3)
где ρ – удельное сопротивление материала изделия; l – длина нагреваемого изделия; S – площадь поперечного сечения изделия.
Ввиду ярко выраженной температурной зависимости удельного электрического сопротивления, данный параметр является одним из основных
показателей, с которым связаны электротехнические и технико- экономические характеристики режима нагрева. Как видно из рис. 2.2, в интервале
температур от начальной до приблизительно 750 °C, соответствующей
точке магнитных превращений, указанная зависимость практически линейна.
В связи с этим в литературе широкое распространение получили приближенные линейные зависимости удельного электрического сопротивления
от
температуры, основанные на введении понятия температурный коэффициент сопротивления, характеризующего интенсивность изменения удельного
46
сопротивления под воздействием применяемых температур. В этом случае
приближенная зависимость удельного электрического сопротивления от температуры имеет вид:
(2.4)
где ρ20 – удельное электрическое сопротивление при температуре 20 °C;
αt –температурный коэффициент сопротивления материала изделия; T1 , T2 –
соответственно начальное (20 °C) и текущее значение температуры нагрева.
Применение данного выражения возможно при исследовании режимов
нагрева до точки структурных изменений, в то время как при более высоких
температурах необходимо использование кривых, полученных экспериментальным путем и приводимых в справочной литературе [39] для конкретной марки стали. Количество тепла, передаваемое нагретым изделием в
окружающую среду dQп , определяется в соответствии с выражением:
(2.4)
где α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; Sо – площадь
соприкосновения изделия с окружающей средой; Tо – температура окружающей среды, °C.
Коэффициент теплоотдачи, нелинейно зависящий от температуры,
включает в себя конвективную и радиационную (лучистую) составляющие:
(2.4)
Конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи в спокойном
воздухе приближенно описывается выражением:
(2.4)
Радиационная составляющая коэффициента теплоотдачи:
(2.4)
где C0 =5,7 Вт/(м2 ·К4 ) – излучающая способность абсолютно черного
тела;
47
εк– коэффициент теплового излучения, зависящий от материала (для
стали εк =0,8).
Анализ приведенных выражений показывает, что при температуре
нагрева T>800 °C, потери на конвекцию значительно меньше потерь на излучение, вследствие чего их можно не учитывать.
Тепловая энергия dQг = dQн - dQп , оставшаяся в изделии, повышает его
температуру
(2.4)
где m – масса изделия; C – теплоемкость материала изделия, нелинейно
зависящая от температуры.
Преобразованные по Карсону-Хевисайду [4] и совмещенные уравнения
(2.3), (2.6) и (2.10), имеют в операторной форме вид:
(2.4)
где p=α+jβ – комплексная переменная.
Структурная схема математической модели индукционного нагрева
плоского однослойного изделия представлена на рис. 2.14.
Рисунок 2.14- Структурная схема математической модели индукционного нагрева плоского однослойного изделия
48
Представленная структурная схема показывает на ее достаточно простую реализацию, например, в пакете Simulink. При этом ток, протекающий в
нагреваемом слое и выходные величины – его температура и количество тепла, отдаваемого в окружающую среду – связаны звеньями, позволяющими
проводить расчет динамики процесса нагрева с учетом нелинейно зависимых
параметров.
Одной из особенностей разработанной модели является то, что в некоторые внутренние слои, находящиеся вне глубины проникновения тока, он
может не подаваться, а слои нагреваются посредством теплопередачи от поверхностных нагретых током слоев. Это свойство модели оказывается важным фактором в частности при ее использовании для исследования динамики
процессов охлаждения изделия после отключении источника тока.
Проверка адекватности модели проводилась путем расчета статики и
динамики нагрева. Точность модели, разработанной на основе декомпозиции, оценивалась посредством сравнения результатов расчета конечной температуры нагрева слоя изделия, определенной по используемой для
практических целей инженерной методике. с результатами моделирования
нагрева этого же изделия, полученных с помощью разработанной модели.
Сравнение результатов расчетов показывает на их относительную разницу в
пределах 2%.
Точность расчета динамики изменения температуры слоев изделия по
разработанной на основе декомпозиции, оценивалась посредством сравнения
результатов, полученных на основе моделирования по применяющемуся для
этих целей пакету программ Comsol Multiphysics. При этом сохранялась расчетная область и характеризующие ее парамеметры. На рис. 2.15 представлены результаты исследования динамики нагрева поверхностных слоев изделия, полученные с помощью двух моделей.
49
Рисунок 2.15- Сравнение результатов расчета: 1, 2, 3 – динамика изменения температуры в слоях в программе Comsol; 4, 5, 6 – динамика изменения температуры в слоях в декомпозиционной модели тепловых процессов
Анализ представленных результатов говорит об аналогичном характере
нагрева, рассчитанном обоими методами. При этом расхождение наблюдается в основном на финальной стадии нагрева. Так относительная разность
для наиболее важного для сварки поверхностного слоя в конце нагрева находится ниже 8%. В глубинном, третьем от поверхности слое, она несколько
превышает 10%. Полученные результаты расчета статики и динамики процесса индукционного нагрева говорят о достаточной точности разработанного метода послойной декомпозиции для изучения температурных процессов
и, как следствие, о возможности его использования при оптимизации технологических и энергетических параметров. Важным достоинством модели является возможность исследования температурных процессов (нагрева и последующего остывания) в динамике. В то же время в разработанном методе
доступен широкий спектр интересующих параметров, включая в дополнение
к токам по слоям также поступающую, передаваемую и накапливающуюся в
них энергию. Это дает возможность сочетать разработанную модель темпе50
ратурных процессов с моделью электромагнитных процессов в источнике
питания.
Таблица 2.1 - Численные примзначения коэффициентов длиномерыхтеплоотдачи
Таблица 2.2-Сводные цена энергетические показатели этим режимов управления
ограничей
индукционным нагревом
51
Одновременно разработанная модель позволяет провести учет нелинейных
температурных зависимостей
параметров,
характеризующих
свойства
нагреваемого материала (удельное электрическое сопротивление, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и коэффициент теплоотдачи в окружающую среду) с дифференциацией по глубине, что затруднительно при
использовании аналитических и инженерных методов анализа тепловых процессов индукционного нагрева.
Анализ требу полученных кривых намик нагрева поверхностного транспоые слоя изделия пр
различных ственовидах учета используемынелинейных параметров сварочнгуказывает на то, достачнчто в целом ства
принятие их неизменными такжево время нагрева приложенприводит к погрешности времярасчета
по сравнению веног с учетом их изменения индукторм при росте харкте температуры. При рационль этом ее
значение расплвени столь велико, следующго что в большинстве сущетвном случаев не позволяет оптимзаця ставить задачу сваркикорректного анализа металтехнологии индукционного онгнагрева и ее оптимизации. В спобсвязи с этим нежлатьыхдля повышения новгточности расчетов грунтанеобходим учет нелинейного инжерымхарактера изменения единяуказанных параметров.
52
3. РАЗРАБОТКА послеРЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
ИНДУКЦИОННОГО расходвНАГРЕВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Индукционный даную нагрев, как конструцию вид технологии, полученых имеет самое оптимзаця широкое распространение веногв самых различных паемыобластях промышленности, трансбытовой сферы
унок и
строительства. Разнообразие дится целей и видов происхдт оборудования, использующих
имеющ
индукционный нагрев, отсу ведет к существенному удельно отличию его уровень технологии, выражающегося, ваный как в связи длитеьнос ее с мощностями установок, детализц так и в конкретных
харкт
технологических этапах отнсиельаяее реализации.
Разработанная индукционно-стыковая сотвеи сварка имеет отсу значительные отличия сравнеи от других видов провдникам применения индукционного прим нагрева характером количеств его
введения этимв нагреваемое изделие, допускаетяналичием периода варитносотключенного источника выбраног
энергии, конструкцией ваемыйплоского индуктора мени его позиционированием значительяв рабочем пространстве, нагрев а также рядом теплодачи других особенностей. Кроме прим того, как оснвых и в
любой электротехнической конструивая установке, важным котрых вопросом является мощнсти анализ
энергетических характеристик технологии, оптимизация режима пермныйэнергопотребления и конструктивная проработка используемого различныхоборудования. Все
это трическая делает важным темпрау проведение исследования расчет характеристик индукционного
нагрева плоских поверхностей для строиельныхиндукционно-стыковой сварки как этомс помощью разработанных сварки моделей, так использван и посредством применения известных
методик решения конкретных харктеомтехнологических задач.
3.1. Анализ унокосновных особенностей процесиндукционно - стыковой
сварки
С используемы целью формирования интервал основных направлений мператуы конструирования установок высш индукционно – стыковой также сварки, а также кривые выбора параметров технологии использванембыло проведено энергиее исследование с помощью предпрограммы ELCUT [48].
Моделирование, объектах проводимое в программе спользвания ELCUT, осуществлялось мизацей в
соответствии с геометрией этоммодели, представленной покуна рис. 3.1.
53
Рисунок 3.1- Эскиз такиммодели индукционного затрынагрева
Модель состоит формулеиз следующих частей:
1) Плоский такойиндуктор из меди, этомдля которого нагревтзаданы магнитная нечойпроницаемость μ = 1, проводимость γ = 58100000 См/м рианти ток I = 1000 А.
2) Нагреваемое максильняизделие из материала вайнбергСталь 40, ганизцядля которого интервалзаданы μ =
100 и γ = 6250000 См/м.
3) Воздушный геомтриязазор между стоимьиндуктором и изделием, трубчаыхдля которого заданы μ = 1 и γ = 0.
4) Расчетная индукцообласть, для моделикоторой заданы значеияхграничные значения, глубинеа именно равенство зависмотнулю векторного этихмагнитного потенциала.
Класс модели – плоская, эксперименты проводились с нелийо изменением
значений поверхнстивоздушного зазора мощьюот 0,1 мм до 5 мм, рабочемчастоты от 2 кГц чернышовдо 50 кГц и
удельного dpb сопротивления, которое формиваня изменяется с ростом выделятс температуры согласно возникающмтабл. 3.1.
Таблица 3.1- Зависимость этомудельного сопротивления потреблямйот температуры
54
Картина распределения магнитного поля в расчетной зоне, длиномерых представленная на рисунке 3.2, матеичскя а, б, указывает значител на его концентрацию нуждается в поверхностном слое вносиланагреваемого изделия, рационльчто при сионыйпеременном токе обеспчиватприводит к его
прохждениинтенсивному
нагреву.
Рисунок 3.2- Распределение обгревмагнитного поля приблжв расчетной зоне
График возмжныхраспределения индукции однимпо глубине при закрытойвоздушном зазоре моделирванХ =
0,1 мм и при изделя частоте тока f = 20 кГц стыковйпредставлен на рис. 3.3. Анализ делат распределения индукции предлагмый показывает, что elcut при увеличении принятое глубины она нагрев убывает,
уменьшаясь режимыдо нуля при вистХ = 5 Δ.
График интесвоьраспределения тока покажемпо глубине проникновения этогпри воздушном
зазоре Δ = 0,1 мм темпрауныхи при частоте практичестока f = 20 кГц этомпредставлен на рис. 3.4. Анализ методраспределения тока проведпоказывает, что меньшуюпри увеличении однимглубины ток электрубывает по экспоненциальному спобезакону, уменьшаясь значеияхдо нуля при наружыйХ = 5 Δ.
55
Рисунок 3.3. График сваркираспределения индукции комплеснаяпо глубине проникновения расчетмагнитного поля
3.2. Режимы методуправления индукционным матеичскянагревом
Проблема разработки котла и совершенствования индукционно-стыковой
обмткй
сварки является нагревмногокритериальной задачей, электробгврешение которой партнаправленно
на оптимизацию кинследующих показателей:
- качество дельносварного соединения;
- технология корлиндукционного нагрева;
- система наружыйуправления сварочным усреднпроцессом;
- параметры связанплоского индуктора;
- конструкция рельфнаяисточника питания;
- характеристики катящимспотребления установкой унокэлектрической энергии.
56
Помимо выделямчисто технологических времязадач проанализированные модели нуждаетсяиндукционного нагрева интесвому и структуры их реализации имеющ позволяют качественно
оценить
направления
построения
систем
управления схемы индукционным
нагревом провдимстьс целью оптимизации индукцомего энергетических удельнохарактеристик. Для точкеэтого
проведено регулято моделирование как строя используемых, так нагрев и предлагаемых режимов
получен
управления, к которым слои относятся установки проф со стабилизацией напряжения,
динамк
тока и мощности опредлятс в индукторе, а также рисунок тока поверхностного прогам слоя и поступающей вестной в него активной сварочнг мощности. Для котрм сопоставления рассматриваемых проф режимов во всех недопустимыслучаях принято научодно и то же конечное позвляющийзначение температуры
трудаповерхностного
слоя (1400 0 С), ценаа также одинаковое усилемвремя ее достижения (3,5
с). При авицонг этом анализируются использванем получаемая из совмещенной редлятс модели динамика
времной
температуры поверхностного затр слоя, как спользвания одного из основных кроме технологических
параметров, рисунок поступающей в слой сварки электрической и передаваемой помщи во внутренние слои равномести мощности. В качестве вторая энергетических показателей результами изучается изменение величнунапряжения, тока, цесовполной и активной трическомощности индуктора, рисункоэффициента мощности требу и количества потребленной рисунке за время нагрева приводт до заданной
температуры затрэнергии. Одним свариз важных показателей материлоценки качества приблзтеьнотехнологии в целом риалов предлагается определение технологического коэффициента
полезного следующих действия η т , который осбие рассчитывается как соглан отношение нагревающей зависм непосредственно предназначенный для сварки поверхностный слой
настояще
мощности к потребляемой токсичных индуктором активной резко мощности. Изменение глубина в
процессе нагрева недостакипотребляемой полной нагревS и и активной Р и мощности кроминдуктора, технологического осущетвлниякоэффициента полезного источнкдействия η т и коэффициента случмощности cosθ и изменяющсрассчитывались по формулам:
(3.1)
57
Характер предлагтся изменения в процессе прият нагрева напряжения свойта на индукторе, а
также комплесная потребляемой им полной технолги и активной мощности, боле представлен на рис.
3.4.
Вид харкте изменения выделяемой нагрев в поверхностном слое темпрауня электрической и аспирнтов передаваемой солвьво второй слой нагревмощности, а также нелийосуммарной мощности, ружающидущей
достинвана
нагрев изделия, скольуприведены на рис. 3.5. На быстрмрис. 3.6 представлены иследованэнергети-
ческие применяпоказатели процесса удельносварки – коэффициент принявмощности и нагревтехнологический большиеКПД.
Рисунок 3.4- Динамика троиельсвизменения технологических шпунькипараметров индуктора:
а – полная годаммощность; б – активная тепломощность; в – напряжение
58
Рисунок 3.5- Динамика паемыизменения характеристик однимпервого слоя паемынагреваемого изделия:
1 – мощность, меньшвыделяемая в поверхностном нагревмослое; 2 – мощность, помщьюпередаваемая во второй корлслой; 3 – мощность, наиболенагревающая поверхностный источнкаслой
Рисунок 3.6- Динамика конветиаяизменения энергетических слояхпоказателей процесса каснияиндукционного нагрева: 1 – коэффициент вихреымощности; 2 – технологический быть
КПД
59
Анализ динамики стабилзцей изменяющихся в процессе трансфом нагрева величин интегральы показывает на снижение рочныйинтенсивности нагрева эфект поверхностного слоя выделятс в 1,8 раза рационль при
температуре высокпривыше 1000 0 С. Это имеющсвязано с уменьшением сотвеитоков индуктора етсяболее чем соединв 1,6 раза строиельныхи первого слоя харктев 3,7 раза, контрлиуа также зависящих электричсогот них активных литерау мощностей. С этим ной же связано резкое исключеня падение технологического брокмайе КПД
процесса зависм до 0,17-0,18, а также отчисленя низкий коэффициент имеющся мощности в пределах
0,48, индукцог что свидетельствует провдникамо невысокой энергетической высокйэффективности всего
технологического процесса со стабилизацией совмещнапряжения на индукторе.
3.3. Разработка структурной схемы САУ поверхнстмдля реализации зультаыэнергетически эффективного налогвярежима индукционно-контактной требованийсварки
Как указывалось нагревмо выше, существо вследти индукционно-стыковой сварки ракте заключается матеичскя в нагреве свариваемых варинто поверхностей с помощью строиельва плоского индуктора и сдавливания заоре соединяемых частей возмжнсти изделия. Однако, отсувия при детализации
процесса пода сварки в целом, нагревцикл состоит индукцог из подготовительного времяпериода, а также ператуы интервалов времени токсичных нагрева свариваемых затрудниельо поверхностей, извлечения
плоского зультаы индуктора из пространства отсувия между ними, было последующего сдавливания и его имет выдержки с требуемой посредтвм длительностью и усилием затры для достижения
заданного начльое качества сварного материлов соединения (рис. 3.7). Как этом длительность нейог каждого из периодов, контай так и интенсивность усредн воздействия на прогамы сварное фонд соединение,
определяются шитьпараметрами конкретного сдавлиизделия и спобреализуемой индуктормтехнологией.
Длительность панель подготовки свариваемых доплнитеьую поверхностей зависит от выбранного мендаци вида сварки дачу в каждом конкретном целом случае. При ликв индукционностыковой сварке рисункес помощью плоского предстаиндуктора возможна, помщьюкак сварка с расплавлением, рационль так и диффузионная сварка [51]. При свариемы сварке с расплавлением
индуктор
свариваемых поверхностей капитльных не требуется их специальная частоы подготовка, поскольку качествувозникающая при изделянагреве оксидная харктеиспленка вместе недопустимыс возможными загрязнениями стояными выдавливаются из шва сущетвными в грат при приводт сжатии с давлением 20 – 50
МПа. Диффузионная принмаеую сварка требует глубине более тщательной сварочнг подготовки сваривае60
мых рабочиеповерхностей посредством транспоыеих механической обработки, иметочистки от инородных надежостьзагрязнений и возможного заклнанесения подслоев.
Рисунок 3.7- Цикл электробгвиндукционно-стыковой сварки. 1 – время совметнгподготовки свариваемых оказыветповерхностей, координатного соединйпозиционирования и закрепления свариваемых ляетсчастей изделия; 2 – нагрев симотейсвариваемых поверхностей харкте
путем ввода графикгреющей мощности рисунP; 3 – интервал извлечения выделятсиндуктора из
пространства слояхмежду нагретыми вследтиповерхностями; 4 – процесс уменьшаяссдавливания
сварного дистлрсоединения с усилием эксперимнтыF; 5 – извлечение готового костьсварного соединения обснваияиз зоны сварки
На методик интервале нагрева сущетвюи свариваемых поверхностей традицоным его максимальная
эконмичесг
температура также ферома зависит от выбранного оказывется вида сварки. При увеличнм сварке с расплавлением базовые поверхностного слоя индукцог его температура осбе может достигать стоимь температуры плавления процесвили быть изделяблизкой к ней ограничейс последующим внесением длитеьносдополнительного тепла мощнсти за счет пластической деформации целом при давлении 50 МПа.
Диффузионную сварку рационально проводить при нагреве можетповерхностей
до (0,5 – 0,7) Т пл . При толсеныхэтом проблему нойобразования оксидной болтвпленки решают длитеьнос
использованием вакуумных частоекамер, наполнением схемаих инертными и другими простыхгазами или этомнанесением подслоев [42].
61
Режимы воздушныйиндукционного нагрева напряжеидостаточно полно сравнеиюпроанализированы в
предыдущих главах с помощью литерау метода условной неизбжым декомпозиции и даны компьютерная рекомендации по их реализации. Однако наибольше достоинство метода было заключается также нагрев в том, что разнобие имеется возможность значеи исследовать интервал соглан времени, связанный дох с неизбежным извлечением должна плоского индуктора сравнеию из зоны нагрева нагревт и имеющимся при полей этом снижением ника температуры нагретых котрм поверхностей за счет
теплопроводности индукц во внутренний объем строиельва изделия и отдачи приводт энергии в окружающую часто среду. Это трическо оказывает влияние важным на выбор технологии технолги сварки и реализации необхдимстее средствами автоматизации.
С изделяцелью определения электрсвязи длительности расчнагрева и остывания становияповерхностного слоя при отключении индуктора было проведено возмжнсть моделирование этих риуют процессов. При этим этом температура дох нагрева оставалась применятс постоянной
для теплоиз всех вариантов применятс и равнялась 1400 0 С, люшинскй а длительность нагрева нагрев определялась величиной нагревающего тока. Отключение его при достижении регулятоповерхностным слоем если заданной температуры качеств приводило к снижению зованием температуры за счет теплопроводности снижаетво внутренние слои. Длительность зарплтостывания
определялась инжерых как интервал резко времени снижения средним температуры от начального
(1400 0 С) до фонд конечного (900 0 С), методы при котором куп еще возможна сварка значеи в диффузионном режиме. Динамика желзобтных нагрева и снижения качеств температуры представлена достиженяна рис. 3.8.
Анализ полученных рованы графиков показывает, возмжнсть что при олучению реализации индукционно-стыковой источнк сварки интенсивный метров нагрев (0,5 с) не вмест приводит к повышению различном температуры внутренних детали слоев за счет теплопроводности. Это проведм отражается на высокой проваскорости снижения закрытойтемпературы при точникаотключении индуктора
плоскг за
счет значительного количества опредлятс тепла, передаваемого упра во внутренние слои.
Более ператуы длительный нагрев площади ведет к прогреву объект внутренних слоев широк и, соответственно, к уменьшению методиктемпа остывания возмжныхповерхностного слоя.
62
Рисунок 3.8- Графики, стоимьхарактеризующие процессы снижаетнагрева и остывания темпрауняпри различном трансвремени повышениянагрева
моделиОчевидно, simulnkчто
полученная сварочнмзависимость должна расчетныйучитываться при электрразра-
ботке автоматизации числе оборудования для разнобие индукционно- стыковой котрг сварки на
интервале невозмжизвлечения индуктора предлагмои срабатывания устройства затрудняесдавливания поверхностей.
Проведенное прямойисследование режимов редляютснагрева с позиции анлизоценки их энергетической новг эффективности, а также подач при учете тная требований к источнику измен питания, позволяет нагревмо рекомендовать для пользвания реализации режим самое стабилизации тока скольу индуктора. Он обладает практичесминимальным потреблением выделятсэнергии на нагрев представляпри относительно высоком коэффициенте мощности и технологическом dpb коэффициенте полезного преващт действия. В то же время сварочнм этот режим целй не предъявляет повышенных электр требований к диапазону мест изменения напряжения воздейстим на индукторе и
может дельбыть реализован ходес помощью достаточно харктепростых средств.
Функциональная наружый схема системы спобн стабилизации тока ческую индуктора по
принципу обслподчиненного регулирования [31] представлена излучающяна рис. 3.9.
63
Рисунок 3.9Функциональная армиовныхсхема системы ставленястабилизации тока зоныиндуктора
РТИ – регулятор обжимныетока индуктора; получению
РН – регулятор напряжения расчна индукторе;
ИП – высокочастотный нагревисточник питания; режимы
И – индуктор;
ОУ – объект андрушкевичуправления (индукционного приментльонагрева);
ДН – датчик темпраунянапряжения;
ДТ – датчик нагревтока
В соответствии этим с принципом подчиненного должн регулирования настройка
всей сводсистемы осуществляется имеютпоэтапно, начиная величнас внутренних контуров. Организация требумой контура регулирования ника напряжения связана количеств с тем, что иследованя от него потребляются различных большие токи, принцы в результате которых такой напряжение на выходе возмжнстей источника характеризуется выраженной расплвенинестабильностью.
3.4. Индукционно-контактная стоимьсварка
Анализ различных этим видов сварки очень позволяет, не отвергая мерной некоторые,
имеющие преимущества дукционым в узком ряде измен конкретных случаев, тольк сделать выбор вычислм
наиболее связаношироко используемых декомпзици перспективных из них. К минальяним, прежде теплвсего, совмещнияотносится группа затрытехнологии сварки ликвна основе использования увеличнм электрического пермны тока. Достоинства этом ее заключаются в широком ная спектре технических
64
возможностей реализации, возможности регулирования вестниктемпературных видурежимов, автоматизации представлн процессов, технико-экономических ностг и коэфицент экологических
преимуществах [17, 35]. Это установки связано с тем, больше что величиной электрического примено
тока и, следовательно, частоы количеством выделенного simulnk в вносила сварном соединении эфективнос тепла легко толсеных управлять, подбирая анлизруя их под конкретную затры технологию [17, 33, 55]. В сварки
то же время установки вычислтеьн на основе совмещ использования электрической ликв энергии могут поку быть автоматизированы становия с использованием не только оценивалсь прямого, но и косвенного следующго контроля качества, темпрауня как собственно технологии, поверхнсть так и готового ступающей продукта [53, 54, 57, 59]. Особое максильня значение изменяющс при этом сварки имеют показатели слоя производительности производства этом изделий, парметы энергосбережения и улучшения коэфицент условий
труда.
Из возмжнстикласса технологий широкэлектрической сварки представляследует выделить связанконтактную мастер сварку, широко жений применяющуюся в строительстве[2, 22]. эфицента Процесс коэфицент образования сварного время соединения происходит котла в результате нагрева воздушнм деталей ежгодн по
всей поверхности помщьюих касания до требуемой должнапо технологии широктемпературы и одновременном парметы или последующем приводт их сжатии. При сотвеу этом могут темпрауня применяться грунте
различные способы струкной нагрева свариваемых достиженя деталей, однако отключени наибольшее помщью распространение получило методв выделение тепла конструив в месте контакта предлами свариваемых ваны поверхностей за счет пропускания нейогтока требуемой охлажденивеличины [7, мест33, 44, 51]. сваркиОднако, комплес при всей годам простоте такого мендаци технического решения, индукцой нагрев посредством
пропускания ситема электрического тока токсичных ограничен как токи требованиями к качеству мощнсть
сварного соединения, совмещтак и видом базовыесоединяемых частей отдавемгизделия.
Например, контактная полей сварка гарантирует сварное персчитам соединение авшяс без высоких таблиц требований к качеству послйн по всей его нагрев площади. В то же время нять попытки
применить измен контактную бусловенй сварку для правлениях бесшовного соединения харктеис изделий значительной материлы толщины привели ухдшению к необходимости усложнения технологии с целью гарантированно равномести равномерного капитльн сварного соединения обгрев по всей его стоимь площади [54]. Одновременно принявшовная обычнсварка труб, нагревотносящаяся также к контактной,
кроме кроме указанного должна недостатка, линейых имеет пониженные первом энергетические характеристики использван за счет токов этом шунтирования [73]. Все это готвнси делает необходимым ног поиск
65
технических метод решений нагрева соединяемых сваркой поверхностей различной конфигурации новреми площади с помощью питаняэлектрической энергии.
Одной индукторв из специфичных технологий получен является сварка панель встык [7, 43, 51].
При новеияэтом свариваемые прогамыповерхности либо капитльнравны по величине, зависмотьлибо ограничены частью проектизделия с минимальной включаетплощадью. В этом унокслучае определяющим
фактором ключевыявляется качество дуемыйсоединения по всей послеего площади. сравнеиНапример, еслипри
соединении слояхрельсов встык наружыйи использовании контактного панельвида сварки [54] для
желзобтных реализации равномерности разежной нагрева по всему внедрия сечению система управления недостаки
определяла его осущетвляь качество по косвенному анлиз показателю, к действия которому относится
удельное усилие сдавливания, и вносила связи дополнительную равномег энергию на завершающем кривые этапе сварки. Очевидно, даном что такой подход изделй снижает энергетические выделятс характеристики технологического унок процесса проведни и не является абсолютной
гарантией отсуконечного качества разсоединения. Таким котрмобразом, сварка моделирванвстык требует последующминых подходов значительов решении литераууказанных проблем.
Все это интесвоь делает актуальным брокмайе разработку средств послйн и технологии сварки величны
встык, произвдть обеспечивающих повышение темпрауня показателей ее качества. Наиболее технико перспективным целом в этом отношении мас является использование индукционного
нагрева. магнитя Возможность катящимс передачи значительного использваня количества энергии бодажкв от источника к нагреваемому телу указывает на целесообразность применения
индукционного послйн нагрева для тра сварки [5, 44]. Одним представлны из примеров такого использования обмткйможет служить энергтичскхспособ диффузионной методиксварки многослойных изделий нагрев из разнородных сталей [56], при котором нагрев будт свариваемых частей применятс
осуществляется с помощью упрощается многовиткового индуктора, внутрь этим которого помещаются нагревия свариваемые изделия. При пострения этом для исключения нагрев нежелательной
деформации анлизсварку осуществляют целйв два этапа.
На поверхнс первом этапе одну задают большое ляпидевска усилие сдавливания изделя при невысоких
значениях тока индуктора и температуры нагрева. На втором интенсифицируют сварки процесс диффузии, повышением счет температуры нагрева, резко упрощает снижая
усилие однй сдавливания. Такое фицент снижение усилия холднй приходится делать потому, велична что
многовитковый случае индуктор нагревает высокпри равномерно не только поверхности, индукцоая
66
участвующие в создании капитльных сварного соединения, отсувия а весь объем из издел свариваемой
мартенситной индукцоыйстали. Она созданиже обладает повышенной ползучестью использваняпри высоких
ваемый температурах, необходимых минзац для интенсификации процесса диффузии, что
способно привести к недопустимым эфицента деформациям колец. Указанный изменя недостаток возникает вследствие новеия равномерности нагрева слой металла в индукторе, протекающих в
то время как использваня для получения качественного целй сварного соединения велична необходимо
нагреть апрт только поверхностные слои в оценки месте их касания практичес на глубину эффективной мер диффузии. Нагрев остальной размоки части изделия соединй не только отрицательно нагрев
сказывается на также технико-экономических показателях и снижает энергоэффективность нагрев сварочного процесса в связи с затратами большего количества электроэнергии, этом но и оказывает неблагоприятное затрми влияние на качество подбра
получаемых сварных соединений ввиду возможных деформаций, возникающих в стаикпроцессе сжатия. Устранение реализуютсяуказанного недостатка существенно затры
усложняет процесс спользванияи снижает его производительность строиельвв связи с увеличением андрушкевич
временных затрат.
Для вающихустранения этих этихнедостатков более апртперспективным представляется
использование дугойдля нагрева важнымсвариваемых деталей средиплоских индукторов [11, 24,
25, 26]. На отдавемгрис. 3.10 представлены увеличнконструктивные формы применяющихся в
настоящее качестввремя для использванемсварки наружных промезши предлагаемых плоских такиминдукторов.
В предлагаемом варианте плоский индуктор оказывает электромагнитное воздействие непосредственно на поверхности, участвующие методик в создании сварного происх соединения, вследствие зависмоть чего в них наводятся тивным токи, являющиеся кость причиной нагрева. При первую этом пространственное расположение всех протекания токов стыковм определяется формой обснваия индуктора, а требуемая сварочнг глубина нагреваемого втораяслоя – частотой скортьпервичного тока.
Таким инжерымобразом, при случаеиспользовании плоского свойтаиндуктора, форма задчкоторого соответствует профилю связан нагреваемых поверхностей, унок а также путем интервал подбора частоты можно нагрев добиться требуемого расплвени тепловыделения в изделиях, интесвоь что при
последующем их сжатии подху приведет к получению лубки качественного сварного со67
единения интервалпри улучшенных ционарыхэнергетических и технико-экономических показателях провдапроцесса.
Рисунок 3.10- Формы воздейстияиндукторов для налогвязакалки цилиндрических (а) и электрич
плоских поверхностей (б)
Предлагаемый использванем способ может быть этим использован для тная сварки изделий
встык (рис. 3.11) при частоелюбом профиле ляпидевскапоперечного сечения предъявлти для сварки схемавнахлест поверхнсть для плоских расчет лент (рис. 3.12). В электричсог процессе сварки модели между свариваемыми
изделиями – 1 помещается ператуы стыковой индуктор – 2, лупачев форма которого соответствует дукционм профилю свариваемых возмжнсть поверхностей. Индуктор кром подключается детализц к источнику питания линейы с заданной частотой ферома тока. Свариваемые годаря поверхности – 3
нагреваются кращется до требуемой температуры, уменьшаяс которая определяется длительностью другпротекания тока. Далее зоныиндуктор удаляется этомиз зоны сварки, послеи свариваемые части комплетизделия сдавливаются сматривеяс заданным связаноусилием P.
68
Рисунок 3.11- Индукционно-стыковая массварка изделий верхностйвстык: 1 – свариваемые вайнбергизделия; 2 – стыковой традицоныминдуктор; 3 – нагреваемая симотейповерхность, непосредственно опредлившсьучаствующая в создании прогамесварного соединения
Рисунок 3.12- Индукционно-стыковая показывютсварка изделий традицонымвнахлест: 1 –
свариваемые другизделия; 2 – стыковой чаемыхиндуктор; 3 – нагреваемая стоимьповерхность
По сравнению электрода с известными аналогами [54, 56] предложенный послйн способ различных
позволяет повысить зависмотькачество сварного созданисоединения и оптимизировать однакэнергетические контрлиуемй характеристики процесса этом сварки за счет равномерного скольу нагрева изделя до
требуемой температуры технолгии на заданную глубину аспирнтовтолько тех нагревуповерхностей, рисункекоторые непосредственно чинеучаствуют в создании такжесварного соединения.
В целом обеспчивающх способ индукционно-стыковой зованием сварки осуществляется индукцоый следующим этомобразом:
- перед началом происхдт сварки двух между изделий – 1 встык (рис. 3.11,а) или внахлест (рис. 3.12,а) между плоскгих свариваемыми поверхностями – 3 устанавливают
плоский стыковой индуктор – 2, банов который, например, мощнсти для сварки индуктор труб (рис. 3.5) пред69
ставляет внедрия собой выполненную брокмайе в виде плоского плоскг кольца – 2 катушку чению индуктивности с проводниками – 1;
- в допускаютстыковой индуктор – СИ времяподается электрический совмещнияток от источника одну
питания – ИП (рис. 3.14), затры частота тока оэфективнг которого подбирается рованы в зависимости
от заданной дукционый глубины нагрева значеиям свариваемых поверхностей – 3 (рис. 3.11,а;
3.12,а);
- длительность протекания тока в стыковом индукторе определяется ваный
блоком управления фицент процессом сварки – БУ болтв в зависимости от заданной пром температуры нагрева (рис. 1.6);
- после транспоые завершения нагрева разботк свариваемых поверхностей – 3 источник после
питания отключается времяот индуктора – 2;
- индуктор – 2 удаляется улчшеных из зоны сварки гающий и изделия – 1 сдавливаются соглан
внешним устройством опредлятьс заданным усилием Р (рис. 3.11,б; 3.12,б).
Рисунок воздейс3.13- Эскиз траиндуктора для сварстыковой сварки начльоетруб
Рисунок 3.14- Функциональная риватьсхема системы индукцоыйуправления сваркой:
СИ – стыковой котре индуктор; ИП – источник котрую питания стыкового провед индуктора; БУ– блок напри управления этом процессом сварки, нагрев задающий частоту свариемой и длительность протекающего имеюттока в устройвминдукторе
70
Применение ствено предложенного способа матеичскя индукционно-стыковой сварки туры
обеспечивает получение высокого качества сварных соединений с изделя оптимизацией выполнеэнергетических характеристик высокйпроцесса сварки огрмныйза счет:
- равномерного нагрева соглан ограниченной по глубине поверхнстм поверхности свариваемых изделий;
- применения подбра плоского стыкового ставленя индуктора, обеспечивающего стабилзц равномерный осбиенагрев свариваемых класповерхностей;
- подбора частоты тока, подаваемого в индуктор и зарплтобеспечивающего представлнызаданную глубину свариемынагрева поверхности;
- обеспечения изделязаданной длительности затрыпротекания тока нагревв индукторе толщинадля
получения реализцтребуемой температуры напринагрева поверхностей;
- уменьшения приток зоны температурного имется воздействия на околошовный управления объем участвющихизделия;
- отсутствия затрат нагрев энергии на нагрев после объема изделия желамый около свариваемых поверхностей, технолги не участвующих в процессе издел создания сварного провдимсть соединения;
- исключения значительой нежелательной деформации имеющ нагретого объема воздушнм изделия нагретых
при сжатии.
Теоретическое показывют обоснование перспективности мас использования плоских мастер
индукторов обсл при индукционной нагрев сварке может использване быть выполнено соединя путем сравнения технологических и технико-экономических характеристик коэфицент предлагаемого площадь метода нагрева харктеис свариваемых поверхностей технолги с применяемыми в метода настоящее время для тех же целей внешними цилиндрическими носитель индукторами.
При результаы этом определяющим литерау показателем при ройства выборе лучшей строиельв технологии является равномерность нагрева свариваемых кромок, площадь способствующая получению качественного и надежного сварного стоимь соединения этом при отсутствии использванем
нежелательных дефектов, активной к которым относятся, источнка в первую очередь, няющиесграт и непровар. В иследован то же время, существует котрму необходимость минимизации подвергающейся оценкитермическому воздействию околошовной ухдшениюзоны, рительногспособной привести желзобтнмк
71
деформации в месте заднойсварки, а также значеистать причиной возможного поверхнстиразрушения
готового коэфицент изделия. Наконец, использваня весьма существенными факторами протекающих являются
время, электросва затрачиваемое на нагрев слоя до требуемой температуры, дукционм уменьшение которого поверхнстг дает возможность повысить мест производительность оптимз технологического
процесса, свод и количество затрачиваемой помщи на электробгв нагрев энергии, харкт обуславливающее
его нагретыйэкономическую эффективность.
Использование трансфом для сварки предлагмый внешних индукторов воздушнм приводит к нагреву
всего показывет объема изделий дох вблизи стыка, моделирваня при котором целях глубинные слои прогреваются харктеис за счет теплопередачи, обусловленной оценку теплопроводностью. Такое техническое чаемыхрешение имеет прогамыограниченную область целяхприменения и рационально ратуныхк
использованию при редляютс сварке тонкостенных процинале труб и изделий сплошных процесв сечений
небольших закл размеров. При индукцоых этом для требумой обеспечения равномерного нагрева перату по
всему сечению чени применяют токи длитеьнос сравнительно небольшой величины ривать со значительным временем нагрева. Очевидно, становия что сварка изделий подхв больших толщин сварки и диаметров (более 30 мм) требует оценивалсь столь длительного времени неизбжым нагрева,
что пусе процесс становится нерациональным [51]. Кроме контрлиуемй того, неблагоприятное режимы
воздействие в этом зависмслучае оказывает нежелательная вторйтеплопередача в изделия
по веногих длине, увеличивающая поверхнстмзону неблагоприятного температурного поверхнстивоздействия, что приводит увеличнмк ухудшению их прочностных нагревмяхарактеристик.
В связи обснваие с этим большим независмоть преимуществом использования индукцоый плоских индукторов является возможность электромагнитного воздействия величнунепосредственно студеновна свариваемые кромки, интесфкацпо которым происходит эфективноссоздание неразъемного соединения. Указанное выбраног обстоятельство позволяет стоимь путем подбора для варинто
конкретного изделия возникея вида технологии осущетвляь обеспечить заданный варитнос уровень зависмых нагрева
требуемой поверхнсти области, уменьшая схема тем самым внедрия зону термического таблиц воздействия.
Исследование изделй указанных характеристик изделй было выполнено применяют на примере стыковой сварки обснваие толстостенных стальных нагревмо труб с наружным темпрауня диаметром 102 мм и однслйг
толщиной стенки 10 мм. С темпрау этой целью нагрев в среде полевого значительой моделирования
Comsol Multiphysics были ственым разработаны вторая модели с различной конструкцией этим
применяемых индукторов. В ключевы первом случае рисунок использовался двухвитковый
72
внешний интервало индуктор, а во втором – в вайнберг виде плоской результа катушки индуктивности.
Поставленная вычислм задача была тепл реализована путем совместного расчета точника электромагнитных и тепловых часто полей в соответствующих ситемы модулях при осесимметричной постановке.
Геометрия разработанных изготвлемоделей (рис. 3.15, 3.16) включает интегральыв себя индуктор – 1, выполненный энергтичскх из медной водоохлаждаемой трубки нагретых диаметром 8
мм и толщиной dpbстенки 1 мм, высшсвариваемые изделия – 2 и греющаярасчетную область –
3, ограниченную с уровень одной стороны простанеи осью симметрии, комплесная а с другой – линией
окружности, деталинаходящейся на значительном симотейрасстоянии от источников ликвполя.
В качестве техничск граничных условий корл принимается равенство требу нулю векторного магнитного потенциала. Величина обычн воздушного зазора график между свариваемыми изделиями, а также отраж между ними слое и индуктором в обоих этих случаях принята
равной 1 мм.
Рисунок 3.15- Геометрия удельнюмодели мернойпри нагреве ценаизделий внешним свойтамииндуктором
73
Рисунок 3.16- Геометрия чаемыхмодели провекапри нагреве результаовизделий плоским индуктором
Рисунок 3.17- Картина изделяраспределения магнитного годаряполя в расчетной магнитяобласти: а – наружный индуктор; стоимьб – плоский индуктор
Исходными плоскихданными разработанных интесвомоделей является влиянеток в индукторе
длитеьнос высокой тоимсь частоты (f=50 кГц), сотвеи стабилизированный по величине, сущетвном которая подбирается из условия торые получения такого люшинскй характера нагрева, конвецию при котором транспоые обес74
печивается тная равномерное распределение возм температуры по всему частоы сечению.
Кроме того, контаую задаются параметры, принцом описывающие физические вайнберг свойства используемых материалов парт и окружающего воздуха. При источнка этом значения намик параметров сваркматериала изделий, изделяхарактеризующие его предияттеплофизические и величнумагнитные соединй свойства (теплоемкость, возмжнсть теплопроводность и относительная важное магнитная полей
проницаемость) приняты имется для обеих свар моделей постоянными индукцоым и равными их
средним конструив значениям в интервале возмжн применяемых температур, ситемой а температурная
зависимость соглан удельного электрического полученых сопротивления учтена иследованя путем получены линейной аппроксимации dpbна основе температурного парлеьнойкоэффициента сопротивления.
Аналогичные сравнеию параметры индуктора произвдть приняты постоянными отреных и соответствующими начальной спользваниятемпературе поскольку, результамииндуктор охлаждается отнсящадистиллированной предиятводой. В качестве расходыжелаемой принята равноместитемпература на поверхности дистлризделия 1350 °C, затрудниельочто соответствует таблицрекомендациям [5].
75
4. стоянымиВЫВОДЫ настоИ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ затрыИ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНДУКЦИОННОГО длитеьносНАГРЕВА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
В время итоге необходимо прочие отметить, что показывет индукционный нагрев может имеет большие таблицперспективы применения упрощаетв строительстве. Необходимо мастердальнейшее изучение необхдимст этого вопроса как настояще с теоретической, так увеличн и с практической стороны. харктеис В
устройвм
целом, в ходе предлагмо работы над распедлят диссертацией были этом предложены следующие интервал рекомендации по оптимизации сравнеию и совершенствованию использования индукционного результаминагрева:
1) Необходимо выбраног использовать современную ческую элементную базу ракте источников питания(высокочастотных проф инверторов) индукционных возмжнсть котлов на основе
представлны
транзисторов с изолированным равномезатвором (IGBT). Частотные индукцоыйпреобразователи
на базе после транзисторов IGBT отнсиельая выгодно отличаются указное двумя особенностями, этим важными как лицу для потребителей, вследти так и для темпрау изготовителей. Прежде строиельв всего, эти
изделй
устройства создают источнке потенциальные возможности возникающм для снижения мизацей затрат, главным ется образом благодаря дующим удешевлению сборки начльое и повышению эффективности
очень
систем питания. Вторая повышенй особенность, которая прочие способствовала быстрому
пострения
внедрению преобразовательной другим техники на базе возникея транзисторов IGBT, модели заключается в повышенной тока надежности и эксплуатационной затры готовности систем
спользвания
питания. Транзисторы решткамиIGBT управляются котланапряжением при противлдовольно малых турная
управляющих токах фузионм заряда и разряда финальой входной емкости количеств полупроводникового
прибора. Благодаря онг этому значительно затрми упрощается схема пермны управления затвором. Современные давления преобразователи на основе приходт биполярных транзисторов больше с
изолированным затвором (IGBT) имеют процес высокий КПД, спользвания кроме того, этом использование преобразователей котрмнебольшого размера класпозволит повысить dpbэргономику рабочего стыковйместа оператора зависми свести всю нагревсистему управления обслна единую панель ственоконтроля.
2) Необходимо носитель тщательно отслеживать нагревмо качество изготовления измен материалов составных невозмж частей котла, туры особенно стенок, иследован катушки и теплообменника,
этом
76
так как ваныповреждение этих динамкэлементов может полученыпривести к перегреву транси выходу из
строя подхудорогостоящей аппаратуры техникопитания.
3) По сравнению возмжнсть с традиционными электрокотлами с ТЭН, слой необходимо пересчитывать повышениамортизационные отчисления длиныввиду того, котрмчто надежность высокй
и срок службы внутрьиндукционных котлов, величнакак правило, токив несколько раз мествыше.
4) Индукционная отнсиельаяконтактная сварка анлизимеет огромный расходыпотенциал в строительстве. В начльог ходе проведенных нагревмо исследований была изменя проанализирована модель интесфкац процесса сварки, электрода с помощью которой ляющих были получены сварке и проанализированы все трическаяключевые технико-физические методвпоказатели процесса.
77
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
эконмичесг
ВНЕДРЕНИЯ располжениИНДУКЦИОННО-КОНТАКТНОЙ СВАРКИ риватьВ ПРОЦЕСС СТРОИТЕЛЬСТВА
5.1. Общие деталйположения
В экономической величны части диссертации проведем греваются исследование экономической процеса целесообразности применения индукционно-контактной указывет сварки в
процесс трубки строительства. Рассмотрим сварочнг в качестве примера ООО «Мастерс», андрушкевич на
котором я проходил развитя практику. На предприятии равной недавно стали службы использовать
сварочные источнкеаппараты серии KX-5188A18 для моделииндукционной сварки. Одновременно рисунок используются и классические батывемой аппараты электродуговой обгрева сварки ТСС
PRO ется MMA-500. Согласно темпрауных наблюдениям, эти выделятс аппараты выполняют функциоалья примерно
один внутрьспектр задач, целйпоэтому я выбрал подачименно их. сотвеу
Определим возмжнсть экономическую эффективность оклшвнй применения новых были типов
аппаратов. Для dpb сопоставления вариантов индукцоых применяемого оборудования и
определения нелийо экономической эффективности помщью модернизации, предварительно
вначле
определим три сотвеутехнико-экономических показателя:
– производительность ваныоборудования;
– капитальные мензатраты;
– эксплуатационные рочныйрасходы.
5.2. Оценка соедингодовой производительности сварочных результамиаппаратов
Оценим показатели цесовкачества с точки методикзрения производительности.
Индукционный метровсварочный аппарат KX-5188A18 имеют затрылучшие рабочие спективным параметры (удельную мощность, желамый скорость нагрева, площади износ расходных цена материалов, влияние целом на сеть и т. д.) по тра сравнению с классическими аппараты
допускаетя
электродуговой сварки ТСС зультаыPRO MMA-500.
Кроме может того, двигатель KX-5188A18 имеют принцом лучшие габаритные наиболе показатели, большую нагревмо надежность ввиду рисунок более мягкого указное режима электроники и,
следовательно, было меньшее время аварийных простоев опредлятс и, соответственно большую эфицентавеличину эффективного ухдшениюпроизводственного времени.
78
Из используемывышесказанного можно требусделать вывод, благодрячто применение динамксварочных
аппаратов KX-5188A18 нового simulnkтипа в процессе строительных находящейсработ должно индукцоый
повысить общую производительность улчшения труда, за счет сварки экономии времени вследти на
технологическое обслуживание, величнат. е. за счет времени торыебесперебойного рабочего времяпроцесса. Также такжевырастет качество сотавсварки. [14]
5.3. Определение толсеныхкапитальных затрат
Капитальные нагреву затраты включают обычн в себя стоимость случае привода, затраты дачи на
монтаж, накладные слоях расходы и прочие обрудвание расходы (заготовительно-складские,
проведных
транспортные и др.).
Капитальные рационль затраты на покупку знач и начало эксплуатации однак сварочного
аппарата определим поляпо следующей формуле:
Кi = Коб.i + Ктрансi + Кппi + Кпрочi,
(5.1)
где стыковйКi – капитальные затраты;
Коб.i либо– цена имеютоборудования;
Ктрансi – транспортные изменрасходы;
Кппi – стоимость жногпереподготовки персонала;
Кпрочi расчет– прочие методызатраты.
В дальнейшем плоскгиндекс «1» будет двутароыхсоответствовать варианту сварочного унок
аппарата KX-5188A18
нового армиовных типа, а «2» – классическим раз электродуговым
сварочным обслаппаратам ТСС PRO всегоMMA-500.
Стоимость сварочного аппарата
рельфная
KX-5188A18, согласно
поку
прайс-
листу приведена индукцоымв таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Стоимость сварочного возникающм аппарата KX-5188A18 с
комплектом расходных оснваыематериалов
СтоиОборудование
мость, руб.
Сварочный опредлниаппарат KX-5188A18
138100
Комплект туррасходных материалов
25500
Итого
163600
поверхнстг
79
Стоимость зонезаменяемого оборудования установкиприведена в таблице 5.2.
Таблица 5.2 – Стоимость риалзаменяемого оборудования
СтоиОборудование
требумой
мость, руб.
Сварочный аппарат глубинеТСС PRO унокMMA-500
48500
Комплект расходных частейматериалов
14300
Итого
62800
Стоимость транспортных индукцограсходов рассчитаем новгс учетом того, совмещниячто они чего
составляют (5 – 10) % от трическаякапитальных затрат:
К транс
= 0,05 ⋅ К об.
(5.2)
Ктранс1=0,05*163600= возмжнсть8180 руб;
Ктранс1=0,05*62800= стыковй3140 руб;
Стоимость реализуются переподготовки персонала рассчитаем делат с учетом того, источнка что она
составляют (15 – 25) % от имеюткапитальных затрат:
Кпп = 0,15 ∗ Коб позвлит
(5.3)
Кпп1=0,15*163600= 24540 магнитяруб;
Кпп2= 0 опредлимруб;
Стоимость чернышов прочих расходов делат рассчитаем с учетом соедин того, что точке они составляют (5 – 10) % от чинекапитальных затрат:
К проч
= 0,1 ⋅ К об.
(5.4)
Кпр1=0,1*163600=16360 сравнеиюруб;
Кпр2=0,1*62800=6280 руб;
В иследованя соответствии с формулой (5.1) определим лицу капитальные затраты другим на покупку и переобучение ходеперсонала:
К1 = Коб.1 + Ктранс1 + Кпп1 + Кпроч1 = 163600 + 8180 + 24540 + 16360 =
212680 электробгвруб.;
К2 = Коб.2 + Ктранс2 + Кпп2 + Кпроч2 = 62800 + 3140 + 0 + 6280= 72220 руб.
Очевидно, влияне что К1 > К2, т. е. затраты дукционым на покупку классического струкной электродугового сварочного этим аппарата ТСС PRO оснве MMA-500 ниже, науч чем на покупку предъявлт и
внедрение сварочного требуаппарата KX-5188A18 нового ситемутипа.
80
5.4. Определение однуэксплуатационных расходов
В значеиэксплуатационные расходы емкостивходит стоимость простанеипотребляемой электроэнергии, автомизц затраты на ремонт, динамк зарплата обслуживающего индукцог персонала, отчисления новремв различные фонды такжеи прочие расходы:
Иi = Иэл.энi магнитя+ Иремi + Иобслi точника,
(5.5)
где Иэл.энi равной– стоимость процеспотребляемой электроэнергии, греющаяруб./год;
Иремi – затраты представлнына ремонт, руб./год;
Иобслi – затраты фондна обслуживание, руб./год.
Расходы делатна электроэнергию определяем сотвеипо формуле:
Иэл.эн = W · Цэ,
(5.6)
где W – количество ставкпотребляемой электрической толсеныхэнергии, кВт·ч/год;
Цэ – цена (тариф) на применоэлектроэнергию для достигаепотребителей, руб./кВт·ч.
В клас целях упрощения ставленя расчета, проведем технолги вычисления с использованием
одноставочного тарифа, Цэ начльог= 3,9 руб./кВт·ч.
Количество уменьшатсяпотребляемой электрической противлэнергии определяется размекак:
W = N · T · Kисп/η,
(5.7)
где N – номинальная показыветмощность аппарата, изделякВт;
T – время материлработы оборудования меньшуюв году, принимаем парметовТ = 5000 ч (работа индукцойв
2 смены);
Kисп – коэффициент случае использования оборудования: счет для сварочного рисунок аппарата Kисп = 0,3.
η – КПД сварочного процесаппарата
Для нового этогсварочного аппарата:
W1 = 18 · 5000 · 0,3/0,85 = слоя31764,705 кВт·ч/год.
Для количествстарого сварочного реализцаппарата:
W2 = 25 · 5000 · 0,3/0,51 = 73529,411 кВт·ч/год.
Расходы технолгина электроэнергию составят:
Иэл.эн1 = 31764,705 · 3,9 = 123882,3 руб./год;
Иэл.эн2 = 73529,411 · 3,9 = 286764,7 руб./год.
81
Затраты огрмныйна капитальный и текущий непосрремонты будем грунтапроизводить с учетом удельнотого, что помещаютони составляют линейыхдо 10% от капитальных неизбжымзатрат. И того изменя что, индукционный сварочный любом аппарат является авицонг более надежным, в связи конструцию с отсутствием непосредственной работой примеыс дугой и резких темпраупереходных процессов, электричсоа,
следовательно, не нуждается частое в частых капиталовложениях уменьшатся на ремонт и обслуживание
Е1=0,05*К1=0,05*212680=134516,3 целйруб/год
Е2=0,1*К1=0,1*72220=7222 руб/год
Расчет частоырасходов на обслуживание.
Они торые включают в себя опредлять основную и дополнительную родных затрату обслуживающего анлиз персонала. Эту обычн составляющую определять целью не целесообразно, т. к.
количество изменя обслуживающего персонала моделирваня и его профессиональный может уровень не
изменяется. Соответственно, важным нет необходимости дукторв определять и взносы тепл в пенсионный фонд, достачни отчисления в фонд кромесоциального страхования, сотвеуи в фонд обязательного различныхмедицинского страхования. зывающие[14]
Тогда достиженяобщие эксплуатационные унокрасходы по вариантам применябудут равны:
И1 = Иэл.эн1 + Е1 = 134516,3 + 134516,3 = 205409,6 руб./год;
И2 = Иэл.эн2 + Е2 = 293986,7 + 7222 = 318060,0 руб./год.
Проведем денжых предварительную оценку стыковй сравнительной экономической имеют эффективности вариантов числе методами периода сварки окупаемости и приведенных может затрат.
5.5. Определение индукцоых приведенных затрат лине по вариантам и экономического
были
эффекта от использования циентанового оборудования
Приведенные такимзатраты определим частойпо формуле
Зi = E н ⋅ К i + И i ,
(5.8)
где Eн – нормативный активнякоэффициент экономической развитяэффективности, который делат обратно пропорционален функциоалья нормативному (рекомендуемому) сроку дукционымокупаемости Ток.норм. = 3 индукцогода. [14]
82
В вместсоответствии с формулой (5.8) определим процесприведенные затраты:
З1=(1/3)* токи212680+134516,3=205409,6 руб/год;
З2=(1/3)* также72220+293986,71=318060,0 руб/год
Результаты включаетрасчетов технико-экономических ренюкпоказателей сведем однйв таблицу 5.3.
Таблица 5.3 – Технико-экономические равномепоказатели проводимой мператуымодернизации
Значение
Наименование показателя
Единица удельно
новый
старый использванем
измерения
вариант
вариант
(1)
(2)
1 Капитальные ласьзатраты:
болтв
– стоимость индукцогоборудования
руб.
163600
62800
– транспортные резкорасходы
руб.
8180
3140
– строительно-монтажные возмжнстьзатра-
руб.
24540
0
– прочие замирасходы
руб.
16360
6280
Всего
руб.
212680
72220
ты
2 Эксплуатационные использванерасходы:
мерной
– затраты конвециюна электроэнергию
руб./год
– затраты трансна капитальный и те-
руб./год
123882,35 286764,706
10634
7222
кущий электросваремонты
Всего
руб./год
134516,35 293986,706
3 Приведенные высокйзатраты
руб./год
205409,69 318060,039
Экономический эффект ставленя от использования нового изменя оборудования рассчитаем индукцпо формуле:
Э = З2 – З1 = 318060,0 также – 205409,6 форму = 112650,3 руб./год.
(5.9)
83
Таким возмжнсти образом, внедрение индукционного сварочного однслйг аппарата KX5188A18 нового показнтипа вместо длитеьносклассического электродугового солвьсварочного аппарата энергтичскхТСС PRO рантиовMMA-500. позволит предприятию dpbсэкономить как интервалминимум
112650,3 руб. ежегодно.
5.6. плостйкОпределение известномэкономической эффективности использования участвющихнового
типа показыветсварочного аппарата
Эффективность втораямодернизации оценивается такжепо следующим показателям:
– чистый ственодисконтированный (приведенный) доход, сводNPV;
– расчетный транспоыесрок окупаемости интервалокапитальных затрат.
Чистый показн дисконтированный (приведенный) доход практичес NPV определяется дистлр по
следующей формуле
=
NPV
Tcл.об.
D
t
− Кi ,
∑ (1 + R)
t
(5.10)
t =1
где Тсл.об. ваемой– срок этомслужбы оборудования, нагревг.;
R – ставка верхнийдисконтирования (принимаем 10%);
Dt – доход, оптимзацприток наличности, ступающейруб./год.
Доход определяется дукторвв соответствии со следующей оформулой:
эфективнг
D = Э ⋅ (1 − Н с ) + А отч. ,
(5.11)
где Э – экономический комплес эффект от внедрения затры нового оборудования,
дачи
руб./год;
Нс – налоговая зоныставка (20%);
Аотч. – амортизационные индукцоготчисления, руб./год.
Амортизационные котрмотчисления определяются недостакикак
А отч. =
Кi
.
Tсл.об.
(5.12)
С учетом формул (5.9) и (5.12) определим электродугвым приток наличности развитя на основании формулы (5.11)
84
D=112650,35*(1-0.2)+ темпрауы212680/10=111388,2 руб
Приняв спобнD1 = D2 = … = Dt контаявычислим можетпо формуле (6.2) чистый линейыхдисконтированный (приведенный) доход:
10
684432,8
=471752,8
t
t =1 (1 + 0.1)
NPV = ∑
руб
Т. к. NPV >>0, допускаетято проект следует обуслвенсчитать экономически болтвцелесообразным.
Вычислим срок пермныокупаемости инвестиций длитеьносюв целом за 10 лет времяпо формуле:
DPBP =
Tcл.об.
D
t
,
∑ (1 + RD)
t
(5.13)
t =1
где RD – ставка магнитядисконтирования (процентная сдавлиютяставка в банке), RD=10%.
Пересчитаем вающихденежные потоки:
DPBP1=111388,2/(1+0.1)1=101262,07 мощьюруб;
DPBP2=111388,2/(1+0.1)2=92056,43 руб;
DPBP3=111388,2/(1+0.1)3=83687,66 возмруб;
DPBP4=111388,2/(1+0.1)4=76079,69 руб;
DPBP5=111388,2/(1+0.1)5=69163,3 наибольшеруб;
DPBP6=111388,2/(1+0.1)6=62875,78 руб;
DPBP7=111388,2/(1+0.1)7=57159,80 бесконтайруб;
DPBP8=111388,2/(1+0.1)8=51963,45 руб;
DPBP9=111388,2/(1+0.1)9=47239,50 стыковмруб;
DPBP10=111388,2/(1+0.1)10=42945,0 руб;
Определим либопериод, по истечению ваныйкоторого затраты пластичекойокупаются.
Сумма дисконтированных обгревдоходов за 10 лет:
∑ DPBP=684432,7757 питаемойруб
что большие больше размера персчитам затрат и это реальных значит, что процес возмещение первоначальных дующимзатрат произойдет плоскийраньше 10 лет.
85
Расчетный обраткисрок окупаемости такжеопределим по формуле:
Т ок. =
К1 − К ликв.
,
D
(5.14)
где Кликв. – ликвидационная интервал стоимость (принимаем опредлим в размере 0% от капитальных искутвеновложений), руб.
Вычислим устранеи примерный срок клас окупаемости внедренного решний оборудования
как
Ток=(К1-Кликв)/D= (К1-0*Кликв)/D=(212680-0*212680)/ поэтму111388,28=1,909 г
Так сталикак фактический толщинапериод окупаемости должнаменьше нормативного (3 года), сварочнгпроект можно харктеиссчитать экономически возмжнстьцелесообразным.
При прохождении велична практики, на предприятии ООО «Мастерс» имелась
наглядная редавмой статистика сравнения денежных опредлим затрат на отопление ТЭНовым и уровень
индукционным котлами (рисунок 5.1), становиякоторая используется устранеидля обоснования
оснвевыбора типа применюкотла и в рекламных кромецелях.
Рисунок 5.1 - Сравнение зонеденежных затрат нормативыйна отопление ТЭНовым и
индукционным котлами
86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нагрев сварки металлов является простанеи важной частью рисунок технологического цикла
строительства. Именно сварки поэтому все стоимь большее внимание капитльн обращается на методы сущетвюискоростного и автоматизированного оэфективнгнагрева с наименьшим слоиугаром металла электрода и обезуглероживанием. Удельный вычислм вес электронагрева металла сотвеу неуклонно
растет. Такой затры рост и полное индукцоая вытеснение видов слоя нагрева, связанных шпуньки с использованием добываемых траный углеводородов в качестве нагретым топлива, очевидно известным неизбежен. Более упрощается того, если процес совсем недавно питаня такой сценарий мизацей можно было магни рассматривать лишь ператуыв отдаленном будущем, инжерымто сегодня это подареалии, внесенные нагретов планы развития предият промышленного производства, осбие например, Европейского совметнг Союза
(ЕС).
Повышение энергоэффективности во целью всех отраслях тогда деятельности в
нашей применятсстране является оченьприоритетной задачей. Президент сваркеРоссии В.В. Путин представлны
официально ввел динамкпоказатели энергоэффективности в состав оптимзотчетных показателей, индукцог за которые несут полную ответственность губернаторы и главы
муниципальных виду образований. Индукционный показн нагрев традиционно процес применяется для даный нагрева трубных рационль заготовок и наиболее оклшвнй приспособлен для либо этого. С
его нагрето помощью возможно свойта проведение локальных олучению видов нагрева, грунте объемного и
поверхностного бетона нагрева с контролируемой кровли толщиной прогретого оптимзаця слоя, для
закрытой
осуществления упрочнения оценивалсь только поверхностного этом слоя металла. Возможность тной подвода высоких труб удельных мощностей поверхнстм и компактные размеры, очень позволяет встраивать инжерым индукционные нагреватели длитеьнос непосредственно на месте слоя установки обрабатываемого издел объекта. С помощью слои индукционного нагрева целом можно
контролировать соедин процесс подъема улчшеных температуры металла дится и осуществлять любой провднстижелаемый график теляхнагрева, добиваясь налогвявысокого качества максильнятехнологического процесса.
Проведенный учеб анализ видов другим сварки указывает установки на актуальность эфицент разработки новых осущетвлния видов стыковой результа сварки с целью велична расширения ее непоср технических
верхностй
возможностей, получения апрткачественного сварного капитльныхсоединения и полученияоптимизации
эксперимнтыее
технико-экономических характеристик. На мператуыоснове этого электронагвпредложен изделяспособ
87
индукционно-стыковой сварки, отнсиельая позволяющий получить опредлни следующие выделятс техникоэкономические преимущества: скортнг равномерный нагрев комплесная ограниченной нуля по глубине поверхности имеющ свариваемых изделий, глубине уменьшение зоны температурного
нагретый
воздействия на околошовный объем иследован изделия, энергосбережение, а также
исключение нежелательной деформации счетнагретого полученыобъема изделия вистпри сжатии. Моделирование расчетныйэлектромагнитного поля системы цесов индуктор – ферромагнитное изделие слоя позволило провести рабочие сравнение всего двух вариантов анлиз технологии
индукционно-стыковой дугойсварки и дало тогдавозможность интервалоценить технологические
количестви
энергетические преимущества увеличниспользования плоских индукторов, нагре-
вающих непосредственно этихсвариваемые сопртивленповерхности, по сравнению олучениюс наружными индукторами.
Разработаны принципы структурного моделирования оценкииндукционного плоский
нагрева при ограничстыковой сварке такжена основе условной удельнюдекомпозиции нагреваемого изделия при вариативности удельного решний сопротивления, технолги теплопроводности и теплоемкости активнойв соответствии с их этомнелинейными важногзависимостями от температуры. Проанализированы модели процесса индукционного нагрева и их
структурные екомндаци схемы при различных многослойной декомпозиции задной нагреваемого инжерых изделия.
Проведен количествфакторный анализ динамквлияния нелинейных сотвеухарактеристик партизменяемых
в процессе именонагрева параметров дануюна динамику затртемпературных процессов. Показана важногзначительная и в ряде повышенияслучаев недопустимая погрешность датчикрасчетов при дится
использовании стационарных электричсог значений проч удельного сопротивления, таким теплопроводности и теплоемкости.
Составлена ваемой совмещенная модель требу расчета тепловых вносила процессов в кром индукционно апртынагреваемом изделии случаес учетом характеристик находящейсисточника энергии и их
взаимным площадь влиянием. Моделирование двух динамики температурных верхностым процессов
полей
показало расширенные этапе возможности совмещенной оклшвнй модели по вызает получению
сварке
широкого спектра подхуинформации, необходимой нагревтпри разработке принятатехнологии частейиндукционного нагрева верхностйи совершенствования применяемого уменьшатсяоборудования.
Проведен динамк технико-экономический расчет, эскиз показывающий эффективность многвнедрения индукционных новгсварочных аппаратов теплов строительство.
88
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ дующимИСТОЧНИКОВ
1. Андрушкевич, В.В. Автоматизация бытьтехнологических процессов
индукционного явлютс нагрева длинномерных ориентац изделий перед класичем прокаткой или воздушнм с
целью термической обработки [Текст] / В.В. Андрушкевич, электричсог Г.П. Киреева,
распедлят
М.В. Севергин, цена А.А. Меркушев. // Индукционный этом нагрев. - 2009. - Вып. №1
(7), значителС. 42-45.
2. Банов, непоср М.Д. Технология однй и оборудование контактной споб сварки / оптимз М.Д.
Банов. – 4-е бодажквизд., стер. – М.: принятомАкадемия, 2009. – 224 с.
3. Безручко, другим И.И. Индукционный расплвени нагрев для паемы объемной штамповки /
вайнберг
И.И. Безручко. – Л.: нуждаетсяМашиностроение, 1987. – 126 с.
4. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: динамкэлектрические цепи: учеб. для студентов электротехнических, сотавляющих энергетических представлн и
приборостроительных специальностей токв вузов / Л.А. индукцоыйБессонов. – 7-е ситемыизд. – М.:
Высш. школа, 1978. – 528 с.
5. Богданов, результаыВ.Н. Высокочастотная провед сварка металлов / В.Н. нагревБогданов. –
М.-Л.: использванеМашиностроение, 1965. – 68 с.
6. Бодажков, носитель В.А. Индукционный обсл нагрев труб / В.А. Бодажков. – Л.:
также
Машиностроение, 1969. – 151 с.
7. Болотов, частойА.В. Электротехнологические установки: токсичныхучеб для развитявузов по
спец. «Электроснабжение пром. предприятий» / А.В. Болотов, ействиГ.А. Шепель. –
М.: Высш. шк., 1988. – 336 с.
8. Брокмайер, распедлят К. Индукционные плавильные воздейстим печи / пер. с важным нем. Под
ред. М.А. Шевцова плостйки М.Я. Столова. – М.: вихреыЭнергия, 1972. – 304 с.
9. Вайнберг, спользванияА.М. Индукционные глубинаплавильные печи: подаетсяучеб. Пособие для
вузов / А.М. Вайнберг. – Изд. 2-е, переработ. и харктдоп. – М.: приложенЭнергия, 1967.– 415
с.
10. Виноградов, профВ.М. Основы грунтасварочного производства: харктеисучеб. пособие
для вихреы студ. высш. учеб. заведений / В.М. Виноградов, процеса А.А. Черепахин, индукцоый Н.Ф.
Шпунькин. – М.: величнуАкадемия, 2008. – 272 с.
89
11. Волков, А.С. Разработка декомпозиционного метода предлагмо исследования dpb индукционно-стыковой сварки / А.С. Волков, управления И.Ю. Долгих // может 151 Вестник Рыбинского государственного авиационного технического технолгич университета траимени П.А. Соловьева. – 2015. – № 2 (33). – С. 64-69.
12. Волков, оснваые В.В. Исследование ликв многослойной модели широк индукционного
нагрева / В.В. Волков, размещют И.Ю. Долгих, рисунок А.Н. Королев // Энергия-2014: ским материалы слои Девятой междунар. науч.-техн. конф. студентов, также аспирантов и моделирваня молодых
слоя
ученых / ИГЭУ. – Иваново, 2014. – Т. 3. Ч. 2. – С. 3-7.
13.
Волков, темпрауы В.В. Исследование ферромагнитных материалов строиельва при
нагреве / В.В. Волков, обеспчивать И.Ю. Долгих, геомтрия А.Н. Королев // Энергия-2013: равномег материалы равномести Восьмой междунар. науч.-техн. конф. студентов, ваемой аспирантов и темой молодых
указывет
ученых / ИГЭУ. – Иваново, 2013. – Т. 3. Ч. 2. – С. 83-87.
14. Волков, В.В. Исследование энергетических характеристик управления индукционного бирается нагрева в программе капитльных ELCUT / В.В. Волков, расмоти И.Ю. Долгих, следующих А.Н.
Королев // Энергия-2014: стоимь материалы Девятой междунар. науч.-техн. энергтичскх конф.
студентов, значеи аспирантов и молодых значеи ученых / ИГЭУ. – Иваново, 2014. –Т. 3. Ч.
2. – С. 7-11.
15. Вологдин, заоре В.В. Индукционная нагревмо пайка / В.В. Вологдин, решаются Э.В. Кущ. – родных
4-е заднойизд., перераб. и доп. – Л.: сущетвнымМашиностроение, 1979. – 80 с.
16. Вологдин, случаеВ.П. Поверхностная эфектаиндукционная закалка / В.П. отсувияВологдин. – М.: Оборонгиз, 1947. – 291 с.
17. Гладков, высокй Э.А. Управление минзац процессами и оборудованием слоя при сварке: учеб. опредлившсь пособие опредлятс для студ. высш. учеб. заведений / Э.А. Гладков. – М.: магнитой Академия, 2006. – 432 с.
18. Глуханов, полей Н.П. Физические преимущство основы высокочастотного активня нагрева /
напряжеи
Н.П. Глуханов; зависмоть под. ред. А.Н. Шамова. – 5-е траный изд., перераб. и доп. – Л.: решний Машиностроение, 1989. – 56 с.
19. Головин, интесвоь Г.Ф. Технология динамк термической обработки оказывет металлов с сварке применением коэфицент индукционного нагрева / Г.Ф. Головин, режимы Н.В. Зимин. – 4-е мен изд., перераб. и доп. – Л.: применяютМашиностроение, 1979. – 120 с.
90
20. Голубев, поглщаемя А.Н. Автоматизированный схема программный модуль прочие для моделирования процессов индукцоыминдукционной закалки / А.Н. Голубев, непосрЛ.Б. Корюкин
// Вестник оптимз научно-промышленного общества. – М.: Алев-В. – 2011. практичес – Вып.
16. – С. 3-10.
21. Голубев, А.Н. Методика математического моделирования нуждается процесса нагревтиндукционной закалки / А.Н. Голубев, удешвлниюС.Н. Кадников // Вестник коэфицентИГЭУ.
– 2006. – Вып. 2. – С. 61-64.
22. Гуляев, класА.И. Технология контрлиуи оборудование контактной рационльсварки: учеб. линейых
для техникумов / А.И. Гуляев. – М.: питаемойМашиностроение, 1985. – 256 с.
23. Демичев, таблиц А.Д. Поверхностная тольк закалка индукционным темпрауы способом /
большие
А.Д. Демичев. – Л.: изменяющсМашиностроение, 1979. – 80 с.
24. Демидович, симотей В.Б. Исследования dpb одновременного способа индукционной термообработки тнаятруб большого техникодиаметра [Текст] / В. Б. Демидович, случаеА.
И. Михлюк, В. В. Андрушкевич.// Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2016. - Вып.
№7
25. Демидович, исключеня В.Б. Индукционный снижает нагрев толстостенных значеи труб перед
зоны
объемной закалкой [Текст] / В. Б. Демидович, интесвоьФ. В. Чмиленко, П. А. Ситько, требований
В. В. Андрушкевич.// Индукционный независмотьнагрев. - 2015. - Вып. №2 (29), осбеС. 33-36.
26. также Демидович, В.Б. Периодический влияне способ индукционной зависмот термообработки труб грунтабольшого диаметра [Текст] / В.Б. Демидович, эколгичесх В.В. Андрушкевич,
А.М. Гусев.// Индукционный значеиямнагрев. - 2013. - Вып. №1 (23), соединС. 14-18.
27. Демидович, В.В. Моделирование контрльиндукционного и газового унокнагрева
слябов ными в линиях непрерывной прочн разливки – непрерывной носитель прокатки [Текст] /
В.Б. Демидович, глубина В.В. Андрушкевич, Ф.В. Чмиленко, шевцоа И.И. Растворова.// Индукционный случаенагрев. - 2011. - Вып. №3 (17), С. 4-10.
28. Зимин, Л.С. Применение индукционного нагрева в эфицентапромышленных струкной технологиях / Л.С. Зимин, обеспчиват А.В. Байкин // Состояние разме и перспективы развития электротехнологии: трансфом материалы Международной ствующие научно-технической
новых
конференции / ИГЭУ. – Иваново, 2013. – Т. 1. – С. 3-7.
91
29. Иванова, активнойЛ.И. Индукционные применюканальные печи: редляютсучеб. пособие / авшясЛ.И.
Иванова, метода Л.С. Гробова, Б.А. Сокунов. – 2-е самое изд. доп. – Екатеринбург: осбие УГТУУПИ, 2002. – 105 с.
30. Иванова, нагретыхЛ.И. Индукционные процесвтигельные печи: индуктормучеб. пособие / коэфицентЛ.И.
Иванова [и оказыветдр.]. – 2-е необхдимизд., перераб. и доп. – Екатеринбург: решниУГТУ-УПИ, 2002.
– 87 с.
31. Ильинский, телях Н.Ф. Михеев М.А., протекающих Михеева И.М. Основы опредлившсь теплопередачи. -М.: Энергия, 1977. - 343 с.
32. Качанов А.Н., Гладышев А.В., Шалимов М.А. "Исследование распределения основных параметров тепловых полей в системе «примыкающий
индуктор – плоская загрузка» с использованием программы ELCUT”. Энерго- и ресурсосбережение ­– XXI век.: Сборник материалов XIII-ой международной научно-практической интернет-конференции / Под. ред. О.В. Пилипенко, А.Н Качанова, Ю.С. Степанова. – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2015.,
с. 156-159.
33. Кидин, готвнси И.Н. Термическая представл обработка стали сматривея при индукционном
коэфицент
нагреве / И.Н. Кидин. – М.: котрых Государственное научно-техническое усредн издательство подбралитературы по черной важноеи цветной металлургии, 1950. – 317 с.
34. Кисаримов, нагревуР.А. Справочник длитеьносюсварщика / Р.А. Кисаримов. – 2-е вихреыизд.,
происхдтстереотип.
– М.: достигаеяИП РфдиоСофт, 2010. – 288 с.
35. Козловский, деталй С.Н. введение выделям в сварочные технологии: тепло учеб. пособие
/ С.Н. Козловский. – СПб.: иметсяЛань, 2011. – 416 с.
36. Козырев, управления Ю.Г. Применение пром промышленных роботов: стыковй учебное пособие / Ю.Г. Козырев. – М.: Кнорус, 2011. – 488 с.
37. Кошкарев, настояще Б.Т. Теория бирается сварочных процессов: кращется учеб. пособие / Б.Т.
гающий
Кошкарев. – Ростов н/Д: троиельсвДГТУ, 2003. – 217 с.
38. Кузьмин, линейыС.И. Плавка иследумоги литье жаропрочных возникшесплавов и сталей возмжнстьв вакууме / С.И. Кузьмин. – М.: ривать Государственное научно-техническое нагревмо издательство апртмашиностроительной литературы, 1962. – 129 с.
92
39. Кушнер, ситемыВ.С. Технологические ногпроцессы в машиностроении: случаеучеб.
для огранич студ. высш. учеб. заведений / В.С. Кушнер, финальой А.С. Верещака, расплвени А.Г. Схиртладзе. – М.: технолгиАкадемия, 2011. – 416 с.
40. Лившиц, индукцог Б.Г. Физические шенствоаию свойства металлов удельно и сплавов / Б.Г. осбие Лившиц, отчисленяВ.С. Крапошин, Я.Л. Линецкий. – М.: результаМеталлургия, 1980. – 320 с.
41. Литвинов, А.П. Разработка технологии сварки узлов женийэнергетических поверхнсть установок / А.П. Литвинов // XII Бенардосовские чтения: обгрев материалы
нето
Международной научно-технической источнкконференции / ИГЭУ. – дукционымИваново, 2005.
– С. 13-15.
42. Лозинский, elcutМ.Г. Поверхностная дующимзакалка стали такжепри нагреве варинтотоками изделй
высокой частоты / М.Г. Лозинский. – Л.-М.: значГосударственное научно- слояхтехническое скорть издательство литературы нежлатьых по черной и цветной науч металлургии, 1940. –
120 с.
43. Люшинский, А.В. Диффузионная сварка разнородных харктеис материалов: темпрауучеб. пособие для строиельвастуд. высш. учеб. заведений / А.В. преващтЛюшинский. – М.: энергтичскх
Академия, 2006. – 208 с.
44. Манин, муницпальыхА.В. Электротехнологические процессы нагретыйи установки: стваучеб.
пособие / А.В. Манин. – Рыбинск: стаик РГАТА имени изменя П. А. Соловьева, 2010. таблиц – Ч.
1. – 188 с.
45. Материаловедение и технология материалов: учеб. Для применюбакалавров / Г.П. Фетисов [и компьютернаядр.]; под поставленя ред. Г.П. Фетисова. – 7-е нуждаетсяизд., перераб. и доп.
– М.: Юрайт, 2014. – 767 с.
46. Мацкевич, обжимныеВ.Д. Сборка удельнои сварка корпусов внутреийсудов / В.Д. Мацкевич. отнсиельая–
Л.: етсяСудостроение, 1968. – 402 с.
47. Медникова, установк В.А. Оптимальное учетом проектирование индукционного
скортнг
нагревателя различных минимальной длины / В.А. Медникова // Вестник размоки Самарского
государственного аэрокосмического грунта университета. – 2013. – № 2 (40). – С.
процесв
103-112.
93
48. Медникова, В.А. Численная двумерная ANSYS модель мике непрерывного чине процесса индукционного конечй нагрева / В.А. Медникова // конре Актуальные
сматривея
проблемы гуманитарных вследтии естественных наук. – 2013. – № 3. – котраяС. 64-68.
49. Методы этом расчета электрических андрушкевич и магнитных полей: явлютс учебный комплект / В.Э. Фризен [и видедр.]. – Екатиринбург: УрФУ, 2014. – 176 с.
50. Немков, требований В.С. Теория тной и расчет устройств индукционного нагрева /
В.С. Немков, В.Б. Демидович. – Л.: Энергоатомиздат., 1988. – 280 с.
51. Николаев, Е.Н. Термическая обработка металлов токами высокой
частоты / Е.Н. Николаев, И.М. Коротин. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1977. – 215 с.
52. Оборудование и основы технологии сварки металлов плавлением и
давлением: учеб. пособие / Г.Г. Чернышов [и др.]; под ред. Г.Г. Чернышова и
Д.М. Шашина. – СПб.: Лань, 2013. – 464 с.
53. Основы теории цепей: учеб. для вузов / Г.В. Зевеке [и др.]. – 5еизд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.
54. Demidovich, V. Advanced Electrothermal 3D-Model of the Continuous
Induction Heaters/ V. B. Demidovich, V. V. Andrushkevich, A. I. Mikhlyuk,
I.I.Rastvorova/ Труды 11-го Международного форума по стратегическим технологиям IFOST2016, Новосибирск 1-3 июня 2016
55. Demidovich, V. Simulation of the Induction Heating of Plane Products
[Текст] /V. Demidovich, F. Tchmilenko, V. Andrushkevich, I. Rastvorova. // 2nd
International Scientific Symposium. SPITSE, St.Petersburg, 2015, pp. 131-132
56. Demidovich, Victor. 3D - Simulation of electromagnetic and temperature Fields in the continuous Induction Heaters (Трехмерное моделирование
электромагнитных и температурных полей в индукционных нагревателях непрерывного действия) [Текст] / Victor В. Demidovich, Feodor V. Tchmilenko,
57.Vladislav V. Andrushkevich and Irina I. Rastvorova. // VI International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, COUPLED PROBLEMS 2015, pp. 976- 984.
94
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Анализ адекватности разработанной тепловой модели путем сравнения
результатов расчета с ее помощью и по программе Comsol Multiphysics
Для проверки предлагаемой теории расчета динамики температурных
процессов была разработана модель индукционного нагрева в программе
Comsol Multiphysics, основанная на совместном параллельном расчете электромагнитных и тепловых полей в соответствующих модулях. Геометрия модели (рис. П.1.1) включает в себя индуктор – 1, выполненный в виде плоской
шины, нагреваемое изделие – 2 и расчетную область – 3, ограниченную со
всех сторон линией окружности – 4. При этом на поверхности изделия, подвергаемой электромагнитному воздействию со стороны индуктора, выделены
три слоя, рассчитываемые значения токов в которых используются в качестве
входных величин в предлагаемой декомпозиционной модели.
Рисунок П.1.1- Геометрия модели
Исходными данными модели являются физические свойства используемых материалов (медный индуктор и стальное нагреваемое изделие), а
также окружающего воздуха. При этом в соответствии с принятыми допущениями их величины (таблица П.1.1) равны средним значениям в интервале
95
применяемых температур и остаются постоянными в процессе нагрева. В качестве граничных условий в электромагнитном модуле принимается равенство нулю векторного магнитного потенциала, а в тепловом – температура
окружающего воздуха, равная 20 °C.
Таблица П.1.1. Физические свойства используемых материалов
В качестве входной величины используется стабилизированное значение напряжения в индукторе, что при условии неизменного удельного электрического сопротивления индуктора и изделия соответствует также случаям
постоянства в процессе нагрева токов в индукторе и слоях изделия. Картина
распределения температуры в расчетной области представлена на рис. П.1.2.
Численные значения рассчитанных параметров, необходимых для подстановки в декомпозиционную модель, а также для сравнения результатов,
представлены в таблице П.1.2.
Таблица П.1.2- Результаты расчета при приложенном к индуктору
напряжении U=90 В
Полученные результаты сравнивались с разработанной на основе декомпозиции моделью температурных процессов, разделенной на сто слоев, с
96
допущением, что токи, являющиеся причиной нагрева, наводятся лишь в трех
поверхностных слоях, что, как было показано, не вносит существенной погрешности в расчет. При этом активное сопротивление слоя и другие параметры, характеризующие физические свойства нагреваемого изделия были
взяты из программы Comsol.
Рисунок П.1.2- Картина распределения температуры в расчетной области
Результаты исследования динамики нагрева поверхностных слоев изделия, полученные с помощью двух моделей, были представлены ранее на
рис. 2.17. Их анализ говорит об аналогичном характере нагрева, рассчитанном обоими методами. При этом расхождение наблюдается в основном на
финальной стадии нагрева. Так относительная разность для наиболее важного для сварки поверхностного слоя в конце нагрева находится ниже 8 %. В
глубинном, третьем от поверхности слое, она несколько превышает 10 %.
Все это указывает на адекватность разработанной на основе декомпозиции
модели тепловых процессов и возможности ее использования для их анализа
и разработки систем управления.
97
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Таблица П.2.1-Технические характеристики индукционных нагревателей СЧ-40АВ и ВЧ-40АВ
98
ОТЧЕТ О ПРОВЕРКЕ В СИСТЕМЕ «АНТИПЛАГИАТ.ВУЗ»
Проверяющий: Коренков Дмитрий Андреевич ([email protected] / ID: 68)
Организация: Орловский ГУ
Отчет предоставлен сервисом «Антиплагиат»- http://univorel.antiplagiat.ru
ИНФОРМАЦИЯ О ДОКУМЕНТЕ
№ документа: 92
Начало загрузки: 13.02.2018 13:55:14
Длительность загрузки: 00:00:10
Имя исходного файла: Шалимов М.А. Выпускная квалификационная работа магистра
Размер текста: 2687 кБ
Тип документа: Магистерская диссертация
Cимволов в тексте: 161204
Слов в тексте: 18343
Число предложений: 1264
ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОТЧЕТЕ
Последний готовый отчет (ред.)
Начало проверки: 13.02.2018 13:55:26
Длительность проверки: 00:00:15
Комментарии: не указано
Модули поиска: Модуль поиска ЭБС "БиблиоРоссика", Модуль поиска ЭБС "BOOK.ru",
Коллекция РГБ, Цитирование, Модуль поиска ЭБС "Университетская библиотека онлайн", Коллекция
eLIBRARY.RU, Модуль поиска ЭБС "Айбукс", Модуль поиска Интернет, Модуль поиска ЭБС "Лань",
Модуль поиска "ФГБОУ ВО ОГУ им. И.С. Тургенева", Кольцо вузов
Доля
в отчете
Доля
в тексте
[01]
0%
13,86% 01.06.2016 г.
[02]
5,69%
6,26%
http://ispu.ru/files/Dissertaciya_Dolgi
h_I.Yu_._0.pdf (2/6)
http://ispu.ru
[03]
4,48%
4,75%
http://ispu.ru/files/Dissertaciya_Dolgi
h_I.Yu_._0.pdf (1/6)
http://ispu.ru
[04]
2,03%
2,38%
http://ispu.ru/files/Dissertaciya_Dolgi
h_I.Yu_._0.pdf (6/6)
http://ispu.ru
№
[05]
2,27%
2,27%
[06]
1,39%
1,51%
Источник
Ссылка
http://ispu.ru
Актуален Модуль
на
поиска
Модуль
06
Дек
поиска
2016
Интернет
Модуль
03
Окт
поиска
2016
Интернет
Модуль
03
Окт
поиска
2016
Интернет
Модуль
раньше
поиска
2011
Интернет
Сборник трудов конференции
Модуль
"ЭНЕРГОИ http://orelunive 13
Авг
поиска
2017
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - XXI r.ru
Интернет
ВЕК" 2015
Модуль
http://ispu.ru/files/Dissertaciya_Dolgi
раньше
http://ispu.ru
поиска
h_I.Yu_._0.pdf (5/6)
2011
Интернет
№
Доля
в отчете
Доля
в тексте
Источник
Ссылка
Актуален Модуль
на
поиска
Андрушкевич,
Владислав
Витальевич
Энергоэффективные
технологии
с
применением
http://dlib.rsl.r 14 Июл Коллекция
индукционного нагрева в трубной
u
2017
РГБ
промышленности : автореферат
дис. ... кандидата технических наук
: 05.09.10 Санкт-Петербург 2016
Модуль
11
Ноя
pdf
http://eltech.ru
поиска
2017
Интернет
[07]
0%
0,72%
[08]
0,72%
0,72%
[09]
0%
0,72%
Федеральное
государственное
не указано
автономное образовател.txt
12
Сен Кольцо
2016
вузов
[10]
0%
0,71%
Федеральное
государственное
не указано
автономное образовател.txt
29
Авг Кольцо
2016
вузов
[11]
0,63%
0,69%
http://ispu.ru/files/Dissertaciya_Dolgi
h_I.Yu_._0.pdf (4/6)
[12]
0,43%
0,43%
Индукционная
(высокочастотная)
[13]
0,2%
0,2%
Ковень
не указано
01 Июн Кольцо
2016
вузов
[14]
0,07%
0,15%
ВКР Таранова-И.В._ З-12 ЭкБ ЭПО
не указано
(ОГИМ).docx
13 Июн Кольцо
2017
вузов
17 Июн Кольцо
вузов
2017
Модуль
03
Окт
поиска
2016
Интернет
Модуль
сварка http://poznayk 05 Июл
поиска
a.org
2017
Интернет
http://ispu.ru
[15]
0%
0,15%
Управление
рисками
в
логистической системе реализации
не указано
продукции и услуг (на примере
ООО «Арсенал М»)
[16]
0,15%
0,15%
Отопительный котёл
http://ru.wikip раньше
edia.org
2011
[17]
0,13%
0,13%
[18]
0,12%
0,12%
[19]
0%
0,12%
ВКР_АльшаевЕВ_З12ЭТМК(б)СТ
ТМн(у)_010617.pdf
не указано
[20]
0%
0,1%
[21]
0,03%
0,1%
Модуль
поиска
Интернет
Модуль
22
Ноя
Конспект лекций
http://novsu.ru
поиска
2016
Интернет
Модуль
Индукционно-прессовая сварка — http://allrefs.ne 29
Фев
поиска
allRefs.net
t
2016
Интернет
19 Июн Кольцо
2017
вузов
Качанов, Александр Николаевич
диссертация
...
доктора http://dlib.rsl.r раньше
2011
технических наук : 05.20.02 u
Павлодар 1999
Кузнецов, Евгений Валерьевич
диссертация
...
кандидата http://dlib.rsl.r раньше
2011
технических наук : 05.09.01 u
Красноярск 2007
2
Коллекция
РГБ
Коллекция
РГБ
№
Доля
в отчете
Доля
в тексте
[22]
0%
0,09%
Моделирование бизнес-процесса
обслуживания
клиентов
(на не указано
примере АО «Уфанет»)
24 Апр Кольцо
2017
вузов
[23]
0%
0,09%
Землянушина.docx
не указано
05 Июн Кольцо
2017
вузов
[24]
0%
0,09%
ВКР Дмитриева_ЗИ_З12ЭкбЭПО
не указано
(ОГИМ).docx
13 Июн Кольцо
вузов
2017
[25]
0%
0,09%
ВКР_ Камскова_ з-12Экб ЭПО
не указано
(ОГИМ).docx
13 Июн Кольцо
2017
вузов
[26]
0%
0,09%
ВКР_КовальСП_з12БСТ(б)ИДМБ_020617.docx
не указано
13 Июн Кольцо
2017
вузов
14 Июн Кольцо
2017
вузов
Источник
Ссылка
Актуален Модуль
на
поиска
[27]
0%
0,09%
ВКР З-12 РСО(б)РСОКС ОГИМ
Адигамова
А.
Н.Сорокин не указано
О.Н_2017.docx
[28]
0%
0,09%
ВКР_Расулов А._ З-12Эк(б) ЭПО
не указано
(ОГИМ).docx
15 Июн Кольцо
2017
вузов
[29]
0%
0,09%
ВКР З-12 РСО(б)РСОКС ОГИМ
Адигамова
А.
Н.Сорокин не указано
О.Н_2017.docx
15 Июн Кольцо
2017
вузов
[30]
0%
0,09%
ВКР_ВетроваВА_13УК(бп)ОП_200
не указано
62017
20 Июн Кольцо
2017
вузов
[31]
0%
0,09%
ВКР_ПетинаОВ_З14эк(ба)ЭПО(у)(фппдс).docx
не указано
20 Июн Кольцо
2017
вузов
[32]
0%
0,09%
Бычихин Сергей Андреевич
не указано
03 Июн Кольцо
2017
вузов
[33]
0%
0,09%
[34]
0%
0,09%
[35]
0%
0,08%
[36]
0,01%
[37]
0%
[38]
0%
2017_ИЭМ_СиУ_38.03.03_БР_
Шляхова_
Екатерина_ не указано
Алексеевна.docx
Исаева
Светлана
Алексеевна_Модернизация
уплотнения
горячего
конца не указано
вращающейся
печи
DxL=5x185_ВКР_бакалавр_2017
Выпускная
квалификационная
работа
менеджера: http://ibooks.ru
компетентностный подход
Модуль
09
Дек
поиска ЭБС
2016
"Айбукс"
0,08%
ВКР_ЧупинЕВ_з08ПГС1_140514.d
ocx
не указано
14 Мая Кольцо
2014
вузов
0,07%
Комплекс
материалов
http://nntu.ru
Модуль
15
Дек
поиска
2016
Интернет
0,06%
Растворова,
Ирина
Ивановна
Исследование
и
разработка http://dlib.rsl.r 12
Окт Коллекция
2017
РГБ
энергосберегающих
технологий u
индукционного нагрева легких
учебно-методических
3
14 Июн Кольцо
2017
вузов
06 Июн Кольцо
2017
вузов
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа