CC BY
21
УДК 621.757
С В. РОМАНОВ
Украшська шженерно-педагопчна академiя, м.Харюв
ВИКОРИСТАННЯ ШДУКЩЙНОГО НАГР1ВУ ДЛЯ РОЗКЛАДАННЯ З'СДНАНЬ
З АДГЕЗ1ЙНИМ ЗВ'ЯЗКОМ
У po6omi розглядаеться задача проектування iндукцiйно-нагрiвальноi установки спецiального призначення для розформування тепловим способом з'еднання - гальмiвних колодок метрополтену для подальшого iхнього вiдновного ремонту. Компонентами даного з'еднання е феромагнiтний корпус колодки -черевик складно'1' форми й антифрикцшна маса, що мае з корпусом колодки адгезтний зв'язок.
Осо6ливiсть даноi роботи полягае в тт, що розглянуте з'еднання складне по конструкци й мае неправильну геометричну форму.
Розглянутi тепловi процеси при тдукцтному нагрiвi, запропонована математична модель нагрiву, розроблено автоматизований розрахунковий комплекс для розрахунку електричних i геометричних параметрiв iндукцiйного нагрiвача.
Згiдно з теоретичними до^дженнями було спроектовано тдукцшний нагрiвач для вiдшарування антифрикцiйноi маси гальмових колодок метрополiтену.
Ключовi слова: iндукцiйно-нагрiвальне обладнання, розбирання з'еднань з адгезшним зв'язком, термовплив, математична модель, автоматизоване проектування.
С.В. РОМАНОВ
Украинская инженерно-педагогическая академия, г.Харьков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДЛЯ РАЗБОРКИ СОЕДИНЕНИЙ С
АДГЕЗИОННОЙ СВЯЗЬЮ
В работе рассматривается задача проектирования индукционно-нагревательной установки специального назначения для расформирования тепловым способом соединения - тормозных колодок метрополитена для дальнейшего их восстановительного ремонта. Компонентами данного соединения является ферромагнитный корпус колодки - башмак сложной формы и антифрикционная масса, имеющая с корпусом колодки адгезионную связь.
Особенность данной работы заключается в том, что рассматриваемое соединение сложное по конструкции и имеет неправильную геометрическую форму.
Рассмотрены тепловые процессы при индукционном нагреве, предложена математическая модель нагрева, разработан автоматизированный расчетный комплекс для расчета электрических и геометрических параметров индукционного нагревателя.
По результатам теоретических исследований разработан индукционный нагреватель для отслоения антифрикционной массы тормозных колодок метрополитена.
Ключевые слова: индукционно-нагревательное оборудование, разборка соединений с адгезионной связью, термовоздействие, математическая модель, автоматизированное проектирование.
S.V. ROMANOV
Ukrainian Engineering and Pedagogical Academy, Kharkiv
USING INDUCTION HEATING FOR DISMANTLING COMPOUNDS WITH THE ADHESIVE
BOND
This study examined the task of designing an induction heater for special purposes, which is intended to dismantle the compound - brake pad subway car during repairs. The components of a compound is a ferromagnetic body pads and sliding layer.
The peculiarity of the study is that the present compound is complicated in construction and has an irregular geometric shape.
In a study examined the thermal processes during induction heating, the mathematical model of heating, developed an algorithm for calculating the electrical and geometrical parameters of the induction heater.
According to the results of theoretical research was designed induction heater to separate the anti-friction layer of the brake pads subway cars.
Keywords: induction-heater equipment, sorting out of connections with adhesive bond, thermoinfluence, mathematical model, automated planning.
Постановка проблеми
У ремонтному виробнищга для розбирання з'еднань iз натягом рiзних вузлiв поширено застосування шдукцшно-на^вального встаткування. Для iндукцiйно-теплового розбирання й складання таких з'еднань застосовуються, у бшьшосп випадшв, унiверсальнi iндукцiйно-нагрiвальнi установки (1НУ), при розробцi яких використовували вже ввдпрацьоваш ранiше типовi елементи конструкцп. 1нший напрямок - роздшення тепловим способом компонентiв з'еднань iз адгезiйним зв'язком. У цьому випадку встаткування, як правило, спещальне.
Аналiз останнiх дослiджень i публiкацiй
У машинобудуванш для нагрiву деталей для складання (розбирання) широко застосовуються iндукцiйнi нагрiвачi з живленням обмотки струмами промислово! частоти (50 Гц). Дощльшсть застосування iндукцiйних нагрiвачiв для збирання i розбирання з'еднань з натягом доведена багаторiчною практикою [1]. Використання iнших способiв розбирання пов'язано з необхвдшстю мати дороге обладнання (преси велико! потужностi), або наявнiсть джерел щдвищено! небезпеки (вiдкритий вогонь). Крiм того, iндукцiйний нагрiв, при якому тепло генеруеться безпосередньо в детал^ е бiльш прогресивним i ефективним. Найб№ш ефективними iндукцiйними нагрiвачами, застосовуваними для розбирання з'еднань з натягом, е на^вач^ що працюють на токах промислово! частоти. Вони не вимагають дорогих перетворювачiв частоти, прост за конструкцiею i дозволяють досягти бiльшо!' рiвномiрностi нагрiву [1, 2].
Найбшьш висока швидк1сть нагрiву, електричш i тепловi характеристики досягаються за допомогою солено!дного iндуктора охоплюючого типу. 1стотний недолiк таких нагрiвачiв це !х низька унiверсальнiсть -на^вати 2-3 типи деталей. Це обумовлено тим, що зб№шення промiжку мiж внутрiшньою поверхнею iндуктора i деталлю рiзко погiршуе умови нагрiву iз-за послаблення магнiтного поля, що впливае на деталь.
Формулювання мети дослщження
Метою роботи е зниження трудомюткосп й пiдвищення якостi проектних робгг при розробцi iндукцiйно-нагрiвального устаткування, призначеного для нагрiву токами промислово! частоти гальмiвних колодок вагонiв метрополiтену, попередньо охолоджених у редкому азотi, з метою вщшарування антифрикцiйно!' маси ввд металу черевика за рахунок застосування САПР i створення спецiального розрахункового модуля, що дозволяе в автоматизованому режимi моделювати тепловi процеси й визначати електричш параметри 1НУ.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Необхвдним етапом проектування iндукцiйних нагрiвачiв е попередне визначення розрахунковим шляхом електричних i геометричних характеристик iндукцiйних котушок, з урахуванням конструктивних i технологiчних деталей, що шдлягають iндукцiйному нагрiву. На^вач повинен задовольняти наступним вимогам:
1) забезпечувати нагрiв деталi до задано! температури з необхвдною швидк1стю;
2) не змiнювати фiзико-хiмiчнi властивостi матерiалу деталi;
3) бути безпечним, надшним i економiчним в експлуатацi!, зручним при обслуговуванш i ремонтi.
Складшсть виготовлення iндукцiйних нагрiвачiв полягае у високих трудовитратах, як1 при цьому визначають перспективнiсть конструювання iндукторiв.
Суттево зменшити трудовi витрати при проектуванш 1НУ дозволяе використання параметричного проектування за допомогою сучасних САПР.
Традицшне електромагштне проектування 1НУ спираеться на методики, що враховують електромагштш процеси в масивi деталi, що на^ваеться, i допустимi за тепловими обмеженнями електромагнiтнi навантаження в обмотцi i магнiтопроводi нагрiвача.
Рiзноманiтнiсть геометричних форм i розмiрiв деталей, що на^ваються, вiдмiннiсть умов нагрiву при складанш i розбираннi визначають велике число вживаних конструктивних рiшень. Вибiр ршень, що задовольняють технiчним вимогам складально-розбiрних робiт при мiнiмiзацi! масагабаритних характеристик i витрат при експлуатацi! складають мету параметричного проектування нагрiвача.
Розглянемо тепловi процеси при iндукцiйному нагрiвi гальмiвно! колодки 3 (рис. 1). Антифрикцшна маса 2, мае з черевиком 1 безпосереднш адгезiйний зв'язок. Щоб роз'еднати компоненти виробу, необхщш як термiчний, так i мехашчний впливи. Термiчний вплив - на^в феромагнiтного елемента (черевика) використовуеться як тдготовча операцiя перед основною операщею роз'еднання елементiв виробу, що виконуеться за допомогою механiчного впливу.
Рис. 1. Контакт черевика й антифрикцшно! маси: 1 - черевикк; 2 - антифрикщйна маса; 3 - колодка
Теплова енерпя, яка передана черевику, безупинно губиться в навколишшм середовищi за рахунок конвекцп й випромшювання вiд поверхнi й передаеться антифрикцiйнiй масi за рахунок теплопередача Для здiйснення процесу роз'еднання елементiв виробу рiвень i розподш енергп в них повинен забезпечити мiж ними технологiчний зазор. У загальному випадку баланс теплово! енергп для роз'еднання компонентiв можна представити рiвнянням:
де Е - теплова енерпя, що витрачаеться на роз'еднання елеменпв виробу; Е} - теплова енерпя, що йде на на^в башмака до температури 400оС; Е2 - енергiя, передана теплопередачею вщ черевика до антифрикцшно! маси; Е3 - енергiя, що йде на компенсацш втрат тепла башмаком у навколишне середовище; Е4 - енергiя, що йде на компенсацш втрат тепла антифрикцшно! маси в навколишне середовище.
Закони остигання тш, вщповвдно до яких, чим вище тривалiсть процесу нагрiву й б№ше нагрiте тiло, тим бiльше вщдача тепла, указують напрямок зменшення витрати теплово! енергi! по складовим Е3 i Е4: короткочасшсть теплового iмпульсу, що дiе на черевик при мшмально можливiй температурi на поверхнях, що вщдають тепло в навколишне середовище, контактуемi елементи транспортних i пристосувань, що базують.
Реал1зувати цю вимогу, використовуючи тепловi потоки спрямованi на зовшшню поверхню неможливо. У найкращому разi, можливо мати температуру близьку до рiвномiрного по всiй товщиш стiнки башмака. Але це досягаеться за рахунок тривалосп нагрiву що, як вщомо, спричиняе втрати теплоти в навколишне середовище й подовжуе цикл розбирання. Iндукцiйний спосiб дозволяе створити керований тепловий iмпульс досить легко, при цьому видiлення теплово! енерги в1дбуваеться вiдповiдно до закону Джоуля-Ленца в самому феромагнитному матерiалi черевика.
Для визначення оптимального розпод^ джерел теплово! енергi! в деталях складно! конф^ураци, а також для розрахунку параметрiв процесiв складання й розбирання багатоелементних з'еднань (розбирання й складання з'еднань iз натягом, вщшарування антифрикцiйно! маси в1д черевика) пропонуеться використовувати метод еквiвалентних теплових схем. Даний метод реалiзуеться на ПК за допомогою матричних функцiй, що гарантуе збiжнiсть обчислювальних процесiв при штервалах, що задаються дов1льно, штегрування.
Рис. 2. Тривим1рн1 модел1 достаджуваних деталей: а) черевик гальмiвноl колодки; б) цилшдр екв1валентно1 площi поверхт
Гальмiвна колодка е складним тривимiрним об'ектом. Для моделювання процесу нестацюнарного технологiчного нагрiву доцiльно представити його у виглядi двовимiрного, що в значнш мiрi спростить
Е=Е! +Е 2 +Е 3+Е 4;
(1)
завдання. Пропонуемо представити гальмiвну колодку у виглядi порожнього цилiндра, товщина стiнки якого дорiвнюе середнiй товщиш листово! сталi з яко! виготовлений черевик колодки, довжина дорiвнюе довжиш колодки по хордi, а площа активно! поверхнi, тобто сумарна площа зовнiшньо! й внутрiшньо! поверхнi цилiндра, дорiвнюе сумарнiй площi всiх поверхонь черевика колодки.
Розмiр черевика по хордi 250 мм, середня товщина стшки деталей башмака 8мм (рисунок 2а). Шсля проведения обчислень, отримали наступнi значення розмiрiв цилiндру: .0=128 мм, Ж=112 мм, А=250мм (рис. 2б).
Подальше моделювання теплових процесiв i розрахунки електричних параметрiв iндукцiйного на^вача проводилося iз цилiндром, еск1з якого представлений на рис. 2б.
Розглянемо багатокомпонентну модель нестацiонарного технологiчного на^ву цилiндра. Оск1льки цилiндр осесиметричний, теплова задача двовимiрна. Як в осьовому, так i в радiальному напрямку об'ект, що нагрiваеться дiлиться на двi кусочно-постiйнi дiлянки (рис. 3а): 11- нижня зовнiшия частина цилiндра; 12 - нижня внутрiшня частина цилiндра; 21- верхня зовнiшня частина цилiндра; 22 - верхня внутршня частина цилiндра. Його еквiвалентна теплова ланцюгова схема представлена на рисунок 3б. Ддлянки 12 i 22 вщповвдають антифрикцiйному матерiалу гальмово! колодки, i генерування тепла в них не ввдбуваеться, тобто Р12 i Р 22 рiвнi 0.
Рис. 3. Модель цилшдра, що нагр1васться: а) схема подiлу цилшдра на делянки; б) екв1валентна ланцюгова схема
Рiвняння теплового стану для кожно! дiлянки мае вигляд:
дт
С11~(1Г +^П2(Т11 -Т12) + ^(11)2 (т11 -т21) + ^11В (т11 -тВ ) = Р11;
С
12
дт12 Ж
+ ^121 (т12 - т11) + ^(12)2 (т12 - т22) + ^12В (т12 - тВ ) = 0;
дт
^ ** 21
С+ ^212 (т21 - т22) + ^(21)1 (т21 - т11) + ¿21В (т21 — тВ ) = Р21; (2)
С
дт
22 ■
22
Ж
+ ^221(т22 — т21) + ^(22)1(т22 -т12) + ^22В (т22 — тВ ) = °
Пiсля групування доданк1в система (2) в матричнш формi записуеться:
*
С т + Л(т) = р,
(3)
де С - матриця теплоемностей об'екта; т - вектор температур компонент об'екта; Л - матриця теплових провщностей; Р - вектор пiдведено!' потужностi.
Математичне моделювання процесу нагрiваиия цилiндра проводилося з дискретшстю 12о протягом 300 с. Швидшсть нагрiвания до температури 400оС при цьому становить 1,34оС/сек.
Розрахунок електричних характеристик iндуктора проводився методом еквiвалентних електричних
схем.
Надалi експериментальш дослвдження пвдтвердили адекватнiсть запропоновано! математично! моделi та методики розрахунку електричних характеристик шдукцшного нагрiвача.
Грунтуючись на результатах дослщжень, була спроектована за допомогою параметричного моделювання в САПР SolidWorks й виготовлена дослвдно-промислова установка для ввдшарування антифрикцiйно!' маси гальмiвних колодок метрополiтену.
Загальний вид 1НУ показаний на рис. 4. 1ндукцшний пристрiй для нагрiву колодки 1 складаеться з магнiтопровiдно! системи й шдукцшно! котушки 2. Магнiтопровiдна система включае г-образний
б
а
нерухливий 3 i рухливий 4 магштопроводи. Магнiтопровiд 3 закрiплений на верхнш плитi 5, рухливий 4 розташований на вiзку 6. 1ндукцшна котушка 2 закрiплена хомутами 7 на текстолггових пiдставках 8. Котушка намотана iзольованою мiдною трубкою й при робот iндукцiйного пристрою повинна охолоджуватися проточною водою з водопнно! мереж1. У системi охолодження котушки встановлено реле протоку рiдини, що при зниженш тиску води ввдключае iндукцiйний пристрiй. Верхня плита 5 складаеться з трьох частин: крайш текстолiтовi, а середня склотекстолiтова. Плита закршлена болтами до верхнього пояса рами 9 зварено! конструкци. Вiзок 6 перемiщаеться в поздовжньому напрямку по напрямiй 10, розташованим на плип 5. Вiзок перемiщаеться пневмоцилшдром 11, установленим на опорi 12. На вiзку розташований також кронштейн 13 з оправленням 14.
Керування на^вачем здiйснюеться електро- i пневмоапаратурою, яка розташована на панелi 15 пульта й усередиш рами 9.
На панелi пульта знаходяться: сигнальна лампа "Сиъ" 16, тумблер 17, що включае ланцюг керування, кнопки "Магштопроввд" 18, "Нагрiв" 19, "Стоп" 20. Кнопкою 18 здшснюеться перемiщення вiзка 6 з рухливим магнiтопроводом 4, кнопкою 19 включаеться iндуктор, а кнопка 20 вщключае ланцюг керування.
Висновки
1. Грунтуючись на результатах дослщжень, розроблено математичну модель нестацюнарного нагрiву
гальмiвноl колодки метрополiтену, попередньо охолоджено! у рiдкому азотi, з метою ввдшарування
антифрикцшно! маси ввд металу черевика.
2. За результатами дослщження була спроектована й виготовлена дослщно-промислова установка для
ввдшарування антифрикцшно! маси гальмiвних колодок метрополiтену.
Список використано'! лiтератури
1. Андреев Г.Я. Тепловая разборка соединений с натягом / Г.Я. Андреев, Б.М Арпентьев, Б.Г. Кокшенев // Технология и организация производства. - 1972. - № 1. - С. 96 -99.
2. Андреев Г.Я. Индукционно-тепловая разборка соединений с большими натягами при ремонте кузнечно-прессового оборудования / Г.Я. Андреев, А.Н. Морозов, Н.М. Лактионов // Кузнечно - штамповочное производство. - 1978. - № 2. - С. 29 - 32.
3. Прерис А.М. Компьютерная графика / А.М. Прерис. - Харьков: Штрих, 2003. - 256 с.
4. Куцын А.Н. Системы автоматизации проектирования и подготовки производства и конкурентоспособность машиностроительной продукции / А.Н. Куцын, В.М. Чернышев, В.С. Сергиенко, Н.Г. Мельник // Сборник научных трудов ХИСП. Выпуск 3. - Харьков. - 1998.
5. Слухоцкий А. Е. Индукторы для индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий. - Л.: Машиностроение, 1989. С. 69.
