 |
Особенности расчета и проектирования
|
|
|
|
Следует иметь в виду, что, говоря о приведенных ниже специфических особенностях, с которыми приходится сталкиваться при расчете и проектировании электроконтактных установок, нельзя их все рассмотреть в данной книге из-за многообразия технологических разновидностей и конструктивных типов нагревательных устройств. Поэтому целесообразно остановиться только на основных и наиболее важных общих особенностях, справедливых для всех установок независимо от их технологического назначения и конструкции.
При проектировании и расчете электроконтактных установок необходимо учитывать следующее:
1. Зависимость технологических и электротехнических характеристик режима нагрева от температуры нагреваемой детали или заготовки, т. е. непостоянство характеристик во времени (в процессе нагрева).
2. Неравномерное распределение температуры по длине и при больших диаметрах (более 50 мм) по сечению нагреваемой заготовки и во времени.
3. Зависимость тепловых явлений, происходящих под кон тактами, от контактного давления и состояния поверхности нагреваемой детали, а в связи с этим использование тока и мощности нагревательной установки большой величины.
Учесть эту технологическую особенность можно только на основе опытных данных эксплуатации электроконтактных установок.
4. Расчетные электротехнические данные в большинстве случаев являются "сугубо приближенными, поэтому требуют после дующего уточнения.
5. Принимать во внимание, что нагрев деталей и целых узлов происходит за счет энергии излучения с нагреваемых заготовок
и вихревых токов Фуко, возбуждаемых в металлических деталях магнитными потоками рассеяния.
|
|
|
Это обстоятельство, как и предыдущее, не поддается теоретическому расчету и может быть учтено при разработке конструкции нагревательной установки. При этом следует помнить, что металлические массы, особенно стальные, необходимо располагать как можно дальше от токоподводящих элементов и от нагреваемой детали.
6. Максимально возможную универсальность нагревательной установки, так как важна не только техническая эффективность применения данного типа нагревательной установки, но и возможность использования ее для разнообразных типоразмеров заготовок. При этом во много раз возрастает техническое совершенство, технико-экономическая эффективность, рентабельность, а следовательно, и народнохозяйственная значимость нагревательной установки.
Исходные данные для расчета и проектирования
Расчет и проектирование электроконтактной установки производится на основании определенного технологического задания, в котором должны содержаться перечисленные ниже исходные технологические, технические и эксплуатационные данные.
1. Марка материала и типоразмеры заготовок.
2. Темп выдачи нагретых заготовок или производительность нагревательной установки с учетом времени, потребного на загрузочно-разгрузочные, транспортные и другие операции.
3. Технологическая разновидность электроконтактного нагрева и назначение электроконтактной установки.
4. Температура нагрева, точность регулирования и допустимые пределы неравномерности распределения ее по длине и сечению нагреваемой заготовки.
5. Напряжение для питания установки, т. е. напряжение сети, к которой она подсоединяется.
6. Технические данные о заводской пневмосистеме и водопроводе, если в электроконтактной установке предусмотрен пневматический привод зажимных головок и водоохлаждение элементовсиловой цепи проточной водой.
7. Специальные требования, касающиеся механизации и авто матизации загрузки и выгрузки заготовок, или условия встройки установки в автоматические линии или привязки ее к другому оборудованию.
|
|
|
Особое внимание следует обратить на технологический принцип электроконтактного нагрева. Он должен быть подробно указан в задании, в противном случае при проектировании прежде всего должен быть решен вопрос о технологически-конструктивном типе нагревательной установки, дающем наилучшие технико-экономические показатели.
Иногда вместо производительности или скорости нагрева в задании указывается мощность установки и по ней требуется определить время нагрева деталей заданного типоразмера. В этом случае необходимо исследовать вопрос, подойдет ли вычисленное по заданной мощности время нагрева (по условиям равномерности распределения температуры по длине и сечению детали, а также по токовой нагрузке на контакты). Если этому или одному из этих условий время нагрева не удовлетворяет, то заданная мощность должна быть уменьшена.
Механизация загрузки и выгрузки заготовок и автоматизация работы нагревательной установки являются очень важными вопросами не только с эксплуатационной точки зрения, но и с точки зрения конструкции установки, которая при этом усложняется. Поэтому, прежде чем приступить к разработке проекта, нужно обосновать необходимость и целесообразность механизации и автоматизации загрузки и выгрузки заготовок, учитывая все ее преимущества и отрицательные стороны.
Определениепроизводительности электроконтактной установки
Производительность электроконтактной установки задается или устанавливается исходя из местных специфических условий каждого отдельного предприятия.
Она указывается в соответствующем технологическом задании. При разработке проекта остается определить скорость нагрева с учетом времени, необходимого для разгрузочно-загрузочных, транспортных и других операций.
Если расчетное время не отличается от полученного графическим путем, то заданную производительность можно считать приемлемой, в противном случае необходимо выяснить обоснованность заданной производительности и принять меры к устранению осложнений, которые могут возникнуть при нагреве.
|
|
|
Но если время нагрева или производительность должны быть определены при проектировании, то первое находят по указанному графику с учетом типоразмера заготовки; затем, прибавив к этой величине дополнительное время, затрачиваемое на другие операции и равное 15—25% от, времени нагрева (зависит от величины последнего), по формуле (25) определяют производительность электроконтактной установки:
П = (3,6 К.' G2 )/τ т/ч, (25)
где G2 — масса нагреваемой части заготовки в кг;
К.' — коэффициент, учитывающий дополнительное время, за трачиваемое на другие операции, связанные с нагревом;
τ — время нагрева в сек.
Темп выдачи нагретых заготовок или время одного Цикла работы установки определяется по формуле:
(26)
Выбор технологического варианта и типа электроконтактной установки
Выбор технологического варианта электроконтактного нагрева и соответственно выбор конструктивного типа нагревательной установки является одним из основных вопросов, который должен быть решен, как правило, перед проектированием конкретной установки определенной технологически-конструктивной группы.
В большинстве случаев технологический принцип или вариант нагрева определяет тип нагревательной установки, конструкцию и предопределяет принадлежность ее к соответствующей технологически-конструктивной группе. Но разнообразие конструктивных типов электроконтактных
установок данной группы
Рисунок 5.1 - График
приводит к необходимости выбирать установки с оптимальными данными, обеспечивающими наилучшие технико-экономические показатели: к. п. д., коэффициент мощности, стоимость нагрева, производительность и др.
Бывает, что, несмотря на меньшую массу металла, подлежащего нагреву, двухзональная установка оказывается менее рентабельной и эффективной, чем однозональная, на которой будет нагреваться заготовка по всей длине, включая и участок между зонами.
Вопрос о выборе конструкций установки должен быть решен в каждом отдельном случае применительно к конкретным условиям.
|
|
|
Покажем это на конкретном примере. Предположим, что по технологическим соображениям требуется нагреть заготовку в двух местах для гибки (рисунок 5.1). Участок заготовки /2 = 200 мм между нагреваемыми зонами можно не нагревать, так как это не требуется по условиям гибки.
Если остановить выбор на однозональной установке, т. е. нагревать заготовку по всей длине, включая и участок между зонами, то отношение длины к площади сечения /2/s2 будет равно 2,4, а при двухзональном варианте установки — 1,6.
По графикам на рисунке 5.2 и 5.3 находим к. п. д. и коэффициент мощности для указанных значений /2/s2 применительно к однозональнои и двухзональной установкам. Для первой ή = 0,67 и cos f1 = 0,65, а для второй ή= 0,46 и cos f 2 = 0,64.
Если принять полезную энергию для нагрева двух зон заготовки на двухзональной установке W2, то расход энергии из сети будет:
(27)
Для однозональной установки потребный минимум энергии возрастет в 1,5 раза по сравнению с двухзональной установкой, поэтому энергия, потребляемая из сети однозональнои установкой, будет равна:
Wс1=1,5 W2 /(ή1cos f 2) (28)
Расход активной и реактивной энергии, потребляемой из сети этими установками, практически одинаковый, несмотря на то, что на однозональнои установке нагревается большая масса металла; поэтому, учитывая сложность конструкции двухзональной установки и неудобство ее эксплуатации, целесообразно в подобных случаях применять однозональную установку.
Подобные примеры еще чаще встречаются при проектировании установок других технологически-конструктивных групп многозонального нагрева.
При проектировании установок сталкиваются с двумя основными вопросами: выбором технологического варианта нагрева и выбором конструктивного типа нагревательной установки данной технологически-конструктивной группы.
Определение коэффициента полезного действия
Для определения к. п. д. наиболее целесообразно расчеты производить в следующей последовательности:
1. Определить отношение длины к площади поперечного сечения нагреваемой детали.
2. По кривой 4 на рисунке 4.2 в соответствии со значениями отношений /2/s2 определить предварительное оптимальное значение к. п. д., по которому найти другие характеристики или технические данные проектируемой установки с учетом того, что используемый в расчетах к. п. д. является оптимальным (если конкретный тип установки не выбран, а речь идет вообще о контактном нагреве).
3. Определить эксплуатационный к. п. д. в соответствии с расчетным отношением /2/s2 в случае, если выбран конкретный тип одно- или двухзональной установок, конструкция которых
|
|
|
аналогична разработанным в НЙИТракторосельхозмаше, и если геометрические размеры нагреваемых зон соответствуют размерам, приведенным на рисунке 5.2. Эти значения к. п. д. следует рассматривать как минимальные, так как они соответствуют эксплуатационным данным одно- и двухзональных нагревательных установок.
4. Для установок других типов расчет к. п. д. производится по данным, соответствующим конкретной технологически-конструктивной группе установок. При отсутствии последних можно воспользоваться кривыми на рисунках 4.2 или 5.2.
Если ни один из перечисленных вариантов определения к. п. д. не может быть использован и требуется произвести подробные расчеты к. п.д. цепи установки и тепловой к. п. д., то следует воспользоваться формулами и рекомендациями, изложенными применительно к данным конкретным условиям.
Рисунок 5.2 - График
Однако следует иметь в виду, что для таких расчетов необходимо иметь конструктивные размеры всех элементов силовой цепи установки, а следовательно, почти полностью спроектированную установку. Для ориентировочных расчетов или оценки тех или иных характеристик или показателей, необходимых при проектировании, следует воспользоваться предварительными расчетно-эмпирическими кривыми (рисунок 4.2) и экспериментальными кривыми для соответствующей группы установок.
Определение коэффициента мощности
Следующим после к. п. д. техническим показателем электроконтактной установки является коэффициент мощности, который определяется в такой последовательности:
1. Находят отношение длины к сечению заготовки или заготовок (если в техническом задании речь идет о нескольких типоразмерах, нагреваемых на данной установке).
В соответствии с этим отношением по кривой рисунка 4.5 определяют коэффициент мощности, который следует считать оптимальным независимо от типа электроконтактной установки.
В том случае, когда выбран тип одно- или двухзональной установок обособленного нагрева, значения коэффициента мощности следует определять по кривым на рисунке 5.3, показывающим зависимость коэффициента мощности указанных электроконтактных установок НИИ Тракторосельхозмаша от отношения /2/s2 для различных типоразмеров заготовок. При этом значения коэффициента являются минимальными и наиболее правильными.
Рисунок 5.3 - Зависимость коэффициента мощности cos f 1 электроконтактных установок обособленного нагрева от отношения /2/ s 2.
1 — для двухпозиционной установки при поочередном _нагреве заготовок d = 70 мм; 2 — то же при одновременном нагреве заготовок d = 60 мм 3 — для однозональной однопозиционной установки ЭУ-150, U = 180-360 мм; 4 — для двухпозиционной установки при поочередном нагреве заготовок длиной l 2 = 850 мм; 5 — то же при одновременном нагреве заготовок длиной l 2 = 850 мм', 6 — для однопозиционной двухзональной установки ЭУ-150 при нагреве заготовки с общей длиной нагреваемых зон l 2 = 550-=-750 мм.
4. Для других типов установок коэффициент мощности следует брать по данным, соответствующим конкретной технологически- конструктивной группе.
5. После определения действительных конструктивных размеров элементов силовой цепи и конструкции установки можно произвести теоретический расчет коэффициента мощности по формуле (24), подставив в нее соответствующие значения общих со противлений установки, приведенных к сопротивлению первичной обмотки силового трансформатора. К теоретическому расчету следует прибегать только в том случае, если нельзя воспользоваться экспериментальными или эксплуатационными данными, приведенными выше. Такой расчет будет сугубо ориентировочным из-за целого ряда допущений, к которым при этом приходиться прибегать.
Расчет мощности нагревательной установки
После определения к. п. д. и коэффициента мощности можно перейти к расчету мощности нагревательной установки. При этом различают:
а)активную и реактивную мощности, потребляемые из сети нагревательной установкой;
б)активную и реактивную мощности, подводимые к нагреваемой детали.
Активная мощность определяется по формуле: (29)
.
Полная мощность, подводимая к нагреваемой детали, определяется по формуле: (30)
Где cos f2 коэффициент мощности нажимных контактах нагреваемой детали,
Определяемый по формуле: (31)
где r2 — активное сопротивление заготовки переменному току; z2 — полное сопротивление заготовки.
Поскольку активное сопротивление заготовки зависит от температуры, то и мощность изменяется в процессе нагрева.
Если в формулы (29), (30) и (31) подставить средние значения всех факторов, изменяющихся в процессе нагрева от температуры, то значения мощностей также будут средними.
Активная мощность, потребляемая из сети нагревательной установкой, определяется по формуле:
Pa=(CG2 (t2-t1))/ή0τ квт (32)
где ή0 — общий к. п.д.
Полная мощность', потребляемая из сети, определяется по формуле:
(33)
Значения к. п. д. и коэффициента мощности определяются по указанной выше методике.
Из сопоставления формул (30)—(33) видно, что активная и реактивная полные мощности, подводимые к заготовке, могут отличаться от таких же мощностей, потребляемых из сети, в зависимости от значения- теплового и общего к. п. д. и значения коэффициентов мощности нагрузки и установки. Разница в потребляемой мощности видна из кривых на рисунках 5.4 и 5.5; из фигур также видна зависимость коэффициентов мощности нагрузки и установки от диаметра детали и отношения длины к диаметру.
Следует иметь в виду, что определяемые по указанным формулам мощности являются средними за период нагрева.
Рисунок 5.4 – График Рисунок 5.5 - График
Для каждого данного момента времени они будут различны и соответствовать значениям сопротивлений заготовок и токов в них при температуре, относящейся к этому моменту времени. При проектировании целесообразно производить расчет мощности для начала и конца нагрева с тем, чтобы оценить, насколько значительны колебания мощности в процессе нагрева, а для этого необходимо знать сопротивления заготовки и всей цепи, а также температуру детали для соответствующего момента времени.
Расчет сопротивления нагреваемой детали
Активное и реактивное сопротивления' детали являются одними из основных и определяющих электротехнических характеристик (тока, напряжения, мощности и др.) режима нагрева и технических показателей электроконтактной нагревательной установки.
Определение электрического сопротивления деталей при электроконтактном нагреве осложняется наличием скинн-эффекта и зависимостью удельного сопротивления и магнитной проницаемости материалов от температуры.
Сопротивление детали переменному току находится в более сложной зависимости от геометрических параметров детали и магнитных свойств. Это объясняется своеобразной зависимостью магнитной проницаемости от температуры.
Активное сопротивление цилиндрической заготовки переменному току можно определить по формуле:
r2/r0 =0.5ε0 (j0 (ε0)/j1(ε)) (34)
| где r2 — активное сопротивление детали переменному току; r 0 — то же постоянному току; |
Здесь μ — магнитная проницаемость материала; μ0 = 4π-10-9 гн/см;
R2 — радиус цилиндрической заготовки в см;
ς2 — удельное электрическое сопротивление в ом-см;
j0 — функция Бесселя первого рода нулевого' порядка;
j1 — функция Бесселя первого рода первого порядка.
Зависимость активного сопротивления от отношения радиуса детали к глубине проникновения R2/δ2 приведена на рисунке 5.6 (кривая 1)
Из рисунка 5.6 видно, что для R2/δ2 от 0 до 1 активное сопротивление детали переменному току не отличается от сопротивления постоянному току, а для R2/δ2 >1 оно отличается от последнего тем больше, чем больше значение R2/δ2.
На рисунке 5.6 приведены экспериментальные и расчетные кривые активных сопротивлений заготовок диаметром 12 и 35 мм в функции температуры по отношению к сопротивлению при 20° С.
Из рассмотрения кривых можно сделать следующие выводы:
1. С возрастанием температуры от 20 до 1000° С активное сопротивление заготовок диаметром 12 и 35 мм возрастает соответственно примерно в 2 и 4,5 раза, в то время как сопротивление их постоянному току в том же интервале температур возрастает в 9—10 раз. Это свидетельствует о существенном влиянии скинн-эффекта на сопротивление детали, находящейся при температуре ниже точки Кюри.
2. Степень возрастания сопротивления с температурой у заготовок диаметром 12 и 35 мм также подтверждает влияние скинн-эффекта.
В то время как сопротивление заготовки диаметром 35 мм, у которой скинн-эффект более резко выражен (отношение R2/δ2 большое), возрастает всего в 2 раза, у заготовки диаметром 12 мм (R2/δ2 меньше) оно возрастает уже в 4,5 раза.
Сопротивления указанных заготовок, вычисленные по формуле (34) с учетом изменения электрического сопротивления и магнитной проницаемости от температуры (μ = 200 при t = 200-760° С и μ = 1 при t = 760° С), несколько больше экспериментальных. Это, провидимому, объясняется тем, что абсолютное значение магнитной проницаемости и характер зависимости ее от температуры взяты отличными от расчетных.
Рисунок 5.6 – График Рисунок 5.7 - График
Следовательно, скинн-эффект при низких температурах существенно сказывается на активном сопротивлении.
Необходимо также считаться и с реактивным сопротивлением детали.
Реактивное сопротивление определяется по формуле, аналогичной формуле (34).
Если графически выразить зависимость реактивного сопротивления от отношения R2/δ2, то получится кривая 2, изображенная на рисунке 5.6.
Модуль общего сопротивления нагреваемой детали определяется по известной формуле: (35)
При равенстве активного и реактивного сопротивлений полное сопротивление детали равно:
r2 = 1,4r2 = 1,41Х2.
Приведенные выше формулы и графики справедливы для цилиндрических деталей. В общем случае для любого сечения, например для сечения прямоугольной формы, можно воспользоваться формулами, рекомендуемыми проф. Л. Р. Нейманом.
Активное сопротивление детали:
. (36)
Реактивное сопротивление:
. (37)
Полное сопротивление:
(38)
где l2 — длина нагреваемой детали в см;
и2 — периметр поперечного сечения детали в см;
μ — магнитная проницаемость материала;
ς2 —удельное электрическое сопротивление в.ом-см;
f — частота тока.
Из всех переменных, входящих в формулы (36)—(38), неизвестной является магнитная проницаемость. Так как она определяется неоднозначно в зависимости от напряжения магнитного поля (тока) и гистерезиса, а последние зависят еще и от температуры, то найти ее весьма затруднительно.
Поэтому для расчета сопротивления заготовок, находящихся в холодном состоянии, следует брать определенное значение магнитной проницаемости для данной стали и считать ее постоянной до температуры 750—780 °С, а свыше этой температуры — равной единице.
Определение напряжения на нагреваемой детали
Напряжение на нагреваемой детали необходимо знать для определения вторичного напряжения силового трансформатора, так как без этого нельзя рассчитать число витков обмоток последнего.
Напряжение, потребное на заготовке для нагрева ее до заданной температуры, определяется по формуле: (39)
где z2 — определяется по формуле (38);
P2— определяется по формуле (29);
r2 — определяется по формуле (36).
В случае, когда скинн-эффектом можно пренебречь (при температуре нагрева выше точки Кюри для заготовок диаметром до 70 мм), формулу (39) можно выразить через параметры детали и теплоемкость:
. (40)
В которой постоянный коэффициент зависит от удельного веса материала нагреваемой детали. Для стали его можно принять равным 6.
Следовательно, напряжение на детали, не зависит от ее поперечного сечения, а зависит только от ее длины (пропорционально длине).
Другим фактором, от которого зависит напряжение на детали, является время нагрева τ.
После определения теплового к. п. д. ήt для выбранного типа нагревательной установки по кривой 2 на рисунке 4.2 и зная среднюю теплоемкость, а также среднее удельное электрическое сопротивление, можно по формуле (40) найти напряжение, потребное для данной заготовки.
Рассчитанное по этим формулам напряжение будет достаточно точным и обеспечивающим требуемый режим электроконтактных установок обособленного нагрева. Для установок других технологически-конструктивных групп, таких как установки для набора металла или установки, в которых совмещается набор металла с высадкой, расчет напряжения на заготовке должен производиться с учетом особенностей нагрева на этих установках.
Расчет тока, потребного для нагрева детали
Для нагрева данной конкретной детали или заготовки с установленной скоростью необходимо пропустить через нее вполне определенный электрический ток.
Потребный ток определяется по формуле: (41)
Так как и2 и z2 известны из формул (40) и (41), то вычислить потребный ток нетрудно.
Для вычисления тока в начальный, конечный периоды нагрева или в любой другой момент времени в формулу (41) необходимо подставить соответствующее этому моменту значение полного сопротивления z2; если влиянием скинн-эффекта можно пренебречь, то активное сопротивление r2 можно вычислить по известной формуле с учетом возможного повышения температуры.
После определения конструктивных размеров элементов силовой цепи и всей.установки рассчитывают по ним более точно значения сопротивления r2 и z2, а по формуле (41) находят величину тока.
Расчет сечения токоподводящих шин
Площадь сечения шин вторичной силовой цепи электроконтактной установки определяется с учетом следующих условий:
1. Длина шины выбирается (насколько это возможно по конструктивным соображениям) минимальной.
2. Толщина шины не должна превышать 30—35 мм, так как увеличение толщины из-за наличия скинн-эффекта вызывает излишний расход материала.
Масса материала оказывает влияние на тепловые характеристики: чем она больше, тем больше требуется тепловой энергии для повышения ее температуры на 1° С. Поэтому при одних и тех же потерях в шинах повышение температуры тем меньше, чем больше масса шины. Но это продолжается только до установления стационарного состояния.
3. Одна из шин в большинстве случаев должна быть гибкой, если она крепится к подвижной зажимной головке. Поэтому такая шина должна набираться из медной полосовой фольги.
4. Так как электрические токи в шинах вторичной цепи нагревательных установок довольно велики, то при обычных допустимых плотностях тока сечения шин будут слишком большие. Поэтому все жесткие шины следует охлаждать водой и предусматривать плотности, которые в 2—2,5 раза больше плотностей, допускаемых для шин с естественным охлаждением воздухом.
5. Для гибких шин, не охлаждаемых водой, при расчете площади поперечного сечения рекомендуется принимать удельную плотность тока 3—2,5 а/мм2.
6. Расчетным током служит ток, определяемый по формуле:
I2P= I2 √kn.в,(42)
где I2 — ток, определяемый по формуле (41), при подстановке в нее средних значений напряжения на заготовке u2 и полного сопротивления последней z2;
kn.в — показатель повторно-кратковременного режима, определяемый как отношение времени нагрева к общему времени цикла работы установки с учетом времени, которое затрачивается на загрузочно-разгрузочные, транспортные, машинные и другие операции и паузы между ними.
Показатель kn.в выраженный в процентах, обычно называется коэффициентом повторного включения.
При проектировании установок большой мощности с малым вторичным напряжением ширина шин Может получиться настолько большой, что по конструктивным условиям гибкую шину вообще нельзя или очень трудно выполнить. В случае, если необходимо иметь гибкую шину, то придется идти на некоторое увеличение ее сечения или на применение воздушного искусственного охлаждения. Жесткие шины охлаждаются водой и используются при применении токов большой плотности.
Необходимо при этом иметь в виду, что увеличения плотности тока в 2—2,5 раза и больше в шинах не следует опасаться, так как потери и к. п. д. в электроконтактных установках определяются в основном сопротивлением переходных контактов и других элементов цепи.
|
|
|
