Электротехника \ Электротехника и промышленная электроника

Расчет установки для индукционной поверхностной закалки: Методические указания к курсовому проектированию

Страницы работы

16 страниц (Word-файл)

Скачать файл

Фрагмент текста работы

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “ Электроэнергетика”

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания

к курсовому проектированию.

Пример расчета индуктора и выбора источника питания для

закалочной установки.

ЧАСТЬ 3

Нижний Новгород 1999

Составители: , , .

УДК 621,311

Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "Электротехника и промышленная электроника" для специальности 1208000 дневной формы обучения/ НГТУ; сост.: , , .

Рассматриваются вопросы проектирования источников питания для технологических процессов тепловой обработки материалов на основе ТВЧ и выбора электрооборудования.

Работа предназначена для студентов неэлектротехнических специальностей.

Научный редактор

Подп. к печ. __. __ . 99. Формат 60´84/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л. ___ Уч.- изд.л. ___. Тираж 60 экз. Заказ __.

_____________________________________________

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

Приложение 4

Расчет установки для индукционной поверхностной закалки.

Основные этапы расчета: 1. Определить мощность и время, необходимые для нагрева детали на заданную глубину при заданной температуре поверхности. 2. Определить электрические параметры индуктора, по которым нужно выбрать тип понижающего закалочного трансформатора, конденсаторную батарею и генератор. Вначале выполняется тепловой расчет, в результате которого нужно получить удельную мощность p_пов, полную мощность P₂, и время нагрева t_к. Затем рассчитать геометрические размеры индуктора (длину h₁, толщину внутренней стенки b₁, внутренний диаметр d₁), его активное r₁, реактивное x₁, и полное z₁ сопротивления, активное r_ш и реактивное x_шсопротивления шин, ток в индукторе I₁ и напряжение на нем U₁. По полученным результатам выбрать закалочный трансформатор, конденсаторную батарею и генератор.

Тепловой и электрический расчет можно провести приближенно, используя графики и номограммы в [3]. Уточненный метод расчета изложен в [1]. Ниже приводится методика этого расчета.

1. Тепловой расчет.

Для теплового расчета задается :

1) глубина закалки b_к ;

2) температура поверхности t_пов и температура t_к на глубине b_к, которая в среднем принимается равной 750^о С.

В результате расчета получаем значения: удельной мощности p_пов, полной мощности P₂, и времени нагрева t_к, которые полностью характеризуют режим нагрева.

Время нагрева определяется из следующих формул [1]:

Пластина, нагреваемая с одной стороны:

t = p_повd₂[F₀+ S(a,b,F₀ )]/l, (4.1)

где a = x/d₂ - относительная глубина активного слоя; b = x/d₂ - относительная координата; F₀ = ·t/d₂² - число Фурье.

Цилиндр:

t = p_повd₂[F_o+ S(a,b,F₀ )]/l, (4.2)

где a = 1 - 2x/d₂ ; b = 1 - 2x/d₂; F₀ = 4·t/d₂² .

Во всех формулах t - температура в точке x сечения ^оС; d₂ - толщина пластины или диаметр цилиндра, м; x - расстояние от поверхности, м; x - глубина активного слоя, м.

Глубина активного слоя определяется из формулы

x = MD_к, (4.3)

где M = f(b_к/D_к, m_r ); D_к= 0,5/Öf - глубина проникновения тока в сталь, нагретую выше t = 750° C; m_r - относительная магнитная проницаемость на глубине x > b_к . Ниже приведена зависимость значения M от b_к/D_к при m_r = 16, которое вполне достаточно для проведения расчетов в курсовой работе.

Рис 4.1. Зависимость M от b_к/D_к

При b_к/D_к > 1 принимают M » 1 и x » D_к . Не рекомендуется принимать x < 0,3b_к , т.к. этот режим соответствует чисто поверхностному типу нагрева.

Функции распределения S(a,b,F₀) приведены в табл. 6-20 и 6-21. Если F_o>0,3 - для пластины и F₀>0,2 - для цилиндра, то соответствующие функции S(a,b,F_o) » S(a,b) и перестают зависеть от числа Фурье.

Время нагрева находится по заданным соотношениям:

для пластины, нагреваемой с одной и с двух сторон,

, (4.4)

для цилиндра,

, (4.5)

где b_к - значение b на глубине x = b_к, t_пов и t_к температура поверхности и на глубине b_к соответственно. Температура на глубине b_к обычно принимается в среднем равной 750° С.

Таблица 4-1

Значения вспомогательной функции S(a,b,F₀) для

тела ограниченной толщины с плоской поверхностью

							Р
Ро		0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	0,0	0,3333	0,2383	0,1533	0,0783	0,0133	—0,0417	—0,0867	—0,1217	—0,1467	—0,1617	—0,1667
	0,1	0,2850	0,2500	0,1550	0,0800	0,0150	—0,0400	—0,0850	—0,1200	—0,1450	—0,1600	—0,1650
	0,2	0,2400	0,2200	0,1600	0,0850	0,0200	—0,0350	—0,0800	—0,1150	—0,1400	—0,1550	—0,1600
0,30	0,3	0,1983	0,1866	0,1516	0,0933	0,0283	—0,0267	--0,0717	—0,1067	—0,1317	—0,1467	—0,1517
	0,4	0,1600	0,1525	0,1300	0,0925	0,0400	—0,0150	—0,0600	—0,0950	—0,1200	—0,1350	—0,1400
	0,5	0,1250	0,1200	0,1050	0,0800	0,0450	0,0000	—0,0450	—0,0800	—0,1050	—0,1200	—0,1250
	0,6	0,0933	0,0900	0,0800	0,0633	0,0400	+0,0100	—0,0267	—0,0617	—0,0867	—0,1017	—0,1067
	0,0	0,3031	0,2095	0,1288	0,0605	0,0040	—0,0417	—0,0774	—0,1039	—0,1222	—0,1329	-0,1364
	0,1	0,2553	0,2217	0,1309	0,0625	0,0058	—0,0400	—0,0758	—0,1025	—0,1209	—0,1317	—0,1353
	0,2	0,2117	0,1931	0,1371	0,0684	0,0113	—0,0350	—0,0713	—0,0984	—0,1171	—0,1281	—0,1317
0,20	0,3	0,1724	0,1620	0,1306	0,0781	0,0203	—0,0267	—0,0637	—0,0915	—0,1107	—0,1221	—0,1258
	0,4	0,1371	0,1308	0,1115	0,0791	0,0329	—0,0150	—0,0529	—0,0816	—0,1015	—0,1133	—0,1171
	0,5	0,1058	0,1017	0,0894	0,0687	0,0391	0,0000	—0,0391	—0,0687	—0,0894	—0,1017	—0,1058
	0,6	0,0781	0,0755	0,0677	0,0537	0,0553	+0,0100	—0,0220	—0,0527	—0,0742	—0,0872	—0,0915
	0,0	0,2871	0,1943	0,1158	0,0511	—0,0010	—0,0416	—0,0724	—0,0945	—0,1092	—0,1177	—0,1205
	0,1	0,2396	0,2068	0,1182	0,0 0,0533	+0,010	—0,0399	—0,0710	—0,0933	—0,1082	—0,1168	—0,1196
	0,2	0,1986	0,1789	0,1251	0,0596	+0,0067	—0,0349	—0,0667	—0,0896	—0,1051	—0,1139	—0,1168
0,15	0,3	0,1586	0,1489	0,1195	0,0700	+0,0160	—0,0267	—0,0594	—0,0834	—0,0906	—0,1090	—0,1220
	0,4	0,1250	0,1192	0,1017	0,0719	+0,0292	—0,0150	—0,0492	—0,0744	—0,0917	—0,1017	—0,1050
	0,5	0,0956	0,0920	0,0812	0,0627	+0,0359	0,0000	—0,0359	—0,0627	—0,0812	—0,0920	—0,0956
	0,6	0,0700	0,0678	0,0601	0,0496	+0,0328	+0,0100	—0,0195	—0,0480	—0,0668	—0,0795	—0,0834
	0,0	0,2577	0,1664	0,0921	0,0339	—0,0101	—0,0407	—0,0633	—0,0773	—0,0855	—0,0898	—0,0911
	0,1	0,2107	0,1793	0,0949	0,0363	—0,0080	—0,0391	—0,0620	—0,0763	—0,0849	—0,0893	—0,0907
	0,2	0,1693	0,1538	0,1028	0,0434	—0,0019	—0,0343	—0,0581	—0,0734	—0,0828	—0,0878	—0,0893
0,10	0,3	0,1334	0,1249	0,0991	0,0551	+0,0082	—0,0262	—0,0516	—0,0685	—0,0792	—0,0850	—0,0868
	0,4	0,1028	0,0981	0,0838	0,0589	+0,0223	—0,0148	—0,0423	—0,0614	—0,0738	—0,0806	—0,0868
	0,5	0,0768	0,0743	0,0661	0,0517	+0,0301	0,0000	—0,0301	—0,0517	—0,0661	—0,0743	—0,0768
	0,6	0,0551	0,0537	0,0491	0,0409	+0,0285	+0,0098	—0,0152	—0,0393	—0,0558	—0,0654	—0,0685
	0,0	0,2020	0,1146	0,0509	0,0079	—0,0188	—0,0341	—0,0424	—0,0467	—0,0489	—0,0500	—0,0500
	0,1	0,1564	0,1285	0,0544	0,0105	—0,0170	—0,0329	—0,0416	—0,0461	—0,0488	—0,0499	—0,0500
	0,2	0,1187	0,1045	0,0646	0,0188	—0,0111	—0,0293	—0,0397	—0,0452	--0,0482	—0,0497	—0,0500
0,05	0,3	0,0885	0,0827	0,0647	0,0323	—0,0013	—0,0229	—0,0359	—0,0433	—0,0472	—0,0490	—0,0495
	0,4	0,0645	0,0620	0,0537	0,0379	+0,0125	—0,0132	—0,0297	—0,0394	—0,0447	—0,0473	—0,0481
	0,5	0,0463	0,0452	0,0413	0,0338	+0,0207	0,0000	—0,0207	—0,0338	—0,0413	—0,0452	—0,0463
	0,6	0,0321	0,0317	0,0299	0,0266	+0,0197	+0,0088	—0.0084	—0,0258	-0,0358	—0,0414	—0,0431

Таблица 4-2

Значения вспомогательной функции S(a,b,F₀) для цилиндра

		b
F₀	a	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,0
0,20	1,0 0,9 0,8 0,7 0,6	0,1250 0,1013 0,0800 0,0613 0,0450	0,0775 0,0788 0,0708 0,0563 0,0421	0,0350 0,0363 0,0417 0,0404 0,0329	—0,0025 —0,0012 +0,042 +0,0125 +0,0164	—0,0350 —0,0337 —0,0283 —0,0200 —0,0087	—0,0625 —0,0612 —0,0558 —0,0475 —0,0362	—0,0850 —0,0837 —0,0783 —0,0700 —0,0587	--0,1025 —0,1012 --0,0958 —0,0875 —0,0762	—0,1150 —0,1137 —0,1083 —0,1000 —0,0887	—0,1225 —0,1212 —0,1158 —0,1075 —0,0962	—0,1250 ---0,1237 —0,1183 —0,1100 —0,0987
0,15	1,0 0,9 0,8 0,7 0,6	0,1175 0,0939 0,0732 0,0553 0,0400	0,0705 0,0720 0,0645 0,0508 0,0375	0,0297 0,0312 0,0369 0,0362 0,0294	—0,0050 —0,0037 +0,0019 +0,0105 +0,0147	—0,0339 —0,0336 —0,0273 —0,0192 --0,0080	—0,0574 —0,0562 —0,0512 —0,0434 —0,0329	—0,0758 —0,0747 —0,0699 —0,0626 --0,0526	—0,0895 —0,0885 —0,0840 —0,0771 —0,0677	—0,0990 —0,0980 —0,0937 —0,0872 —0,0782	—0,1045 —0,1036 —0,0995 —0,0932 —0,0845	---0,1063 —0,1054 —0,1013 —0,0951 —0,0864
0,10	1,0 0,9 0,8 0,7 0,6	0,1093 0,0860 0,0658 0,0488 0,0347	0,0630 0,0646 0,0576 0,0448 0,0329	0,0241 0,0310 0,0318 0,0314 0,0260	—0,0077 —0,0063 —0,0006 +0,0083 +0,0131	—0,0328 —0,0316 —0,0263 —0,0183 —0,0073	—0,0519 —0,0508 —0,0462 —0,0391 --0,0295	—0,0658 —0,0649 —0,0609 —0,0547 —0,0461	—0,0754 —0,0748 —0,0712 —0,0659 —0,0584	—0,0816 —0,0811 —0,0779 —0,0734 —0,0667	—0,0850 —0,0849 —0,0817 —0,0776 —0,0715	—0,0861 —0,0856 —0,0829 —0,0790 ---0,0731
0,05	1,0 0,9 0,8 0,7 0,6	0,0906 0,0677 0,0491 0,0345 0,0233	0,0458 0,0480 0,0426 0,0317 0,0220	0,0120 0,0137 0,0209 0,0221 0,0179	—0,0122 —0,0110 —0,0049 +0,0043 +0,0094	—0,0283 —0,0272 —0,0227 —0,0155 —0,0054	—0,0382 —0,0373 -- 0,0342 —0,0289 —0,0214	—0,0439 —0,0435 —0,0412 —0,0376 —0,0322	—0,0470 —0,0469 —0,0453 —0,0428 —0,0391	--0,0485 —0,0485 —0,0474 —0,0456 —0,0433	—0,0495 —0,0494 —0,0485 —0,0471 —0,0454	—0,0497 —0,0497 —0,0488 —0,0476 ---0,0460
0,025	1,0 0,9 0,8 0,7 0,6	0,0712 0,0490 0,0326 0,0211 0,0132	0,0289 0,0317 0,0278 0,0196 0,0129	0,0018 0,0037 0,0115 0,0138 0,0110	—0,0133 —0,0120 —0,0068 +0,0016 +0,0063	—0,0205 —0,0201 —0,0169 —0,0117 +0,0036	—0,0234 —0,0233 —0,0217 ---0,0191 —0,0141	—0,0247 —0,0247 ---0,0236 —0,0224 —0,0119	--0,0249 —0,0249 ---0,0244 —0,0238 —0,0227	—0,0250 —0,0250 —0,0246 —0,0244 —0,0240	—0,0250 —0,0250 —0,0247 —0,0246 —0,0245	—0,0250 —0,0250 —0,0248 —0,0247 —0,0247

Задаваясь значениями F₀ или t_к, следует построить графики или . В точке пересечения кривой находится требуемое время нагрева t_к или соответствующее ему значение F₀.

Если заранее предполагается, что F₀ > 0,3 для пластины или F₀ > 0,2 для цилиндра, то время нагрева t_к можно определить по формулам:

для пластины, нагреваемой с одной стороны,

; (4.6)

для цилиндра:

. (4.7)

По известным времени нагрева и заданной температуре поверхности на основании (4.1) - (4.2) найдем удельную мощность:

для пластины, нагреваемой с одной стороны,

; (4.8)

для цилиндра,

. (4.9)

Если нагревается часть поверхности, то значения удельной мощности умножаются на 1,2. Это необходимо сделать, чтобы учесть утечки тепла в осевом направлении.

Полная мощность, требуемая для нагрева всей детали, равна

P₂ = S₂ p_пов , (4.10) где S₂ - полная нагреваемая поверхность, м² .

В приближенных расчетах можно пользоваться усредненными тепловыми характеристиками стали, приняв = 6,25 × 10^-6 м²/с и l = 41,87 Вт/(м × °C).

Если деталь имеет большие габариты, то P₂может иметь очень большое значение. В этом случае деталь разбивают на равные участки и подсчитывают мощность, необходимую для закалки одного участка. P₂_у = P₂/n, где n - число участков детали. Затем сдвигают либо индуктор, либо деталь, последовательно закаливая всю поверхность ее.

Если деталь цилиндрическая, то мощность генератора необходимая для закаливаемого участка

P_г = P₂_у/ (h_иh_тр), (4.11)

где h_и»h_тр»0,8 КПД индуктора и высокочастотного трансформатора