CC BY
8
II ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
УДК 621.785:681.5
Канд. техн. наук В. В. Кравчина1, Ю. Н. Шувалов2 1 Запорiзька державна ¡нженерна академiя, 2ТОВ «Селт»; м. Запорiжжя
КОНСТРУЮВАННЯ, КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТР1В ТА АВТОМАТИЗАЦ1Я ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В ПРИ ФОРМУВАНН1 ПРУЖНО1 СТР1ЧКИ
У роботi проведено розрахунок параметрiв проце^в вiдпалу при формування пружног стргчки. Потужнiсть високотемпературного вiдпалу до (Т = 900 °С) становить 655 Вт, напруга та струм, як прикладаеться до локальног дшянки полоси вiдпалу, становлять величини вiдповiдно и= 5,35 В та I = 113 А, а коефiцiент корисног дИ ККД П = 0,94. Потужнiсть, яка витрачаеться на низькотемпературний вiдпал (Т = 280 °С) при вiдпусканнi, становить 147Вт. У роботi також наведетрозроблена конструкщя, електричнi принциповi схеми локального вiдпалу рухомог полоси та контролера автоматичного пiдтримування температури вiдпалу при вiдпусканнi полоси.
Ключовi слова: вiдпал, електрична схема, контроль параметрiв, пружна смуга, температура.
Вступ
Процеси вщпалу в технологи терм1чно! обробки, мають добре вщпрацьоваш режими для формування пружних матерiалiв великих об'eмiв. Застосовування такого обладнання для формування малогабаритно! пружно! стрчки малих об'eмiв призводить до значних втрат енергл i отже стае екожмчно не випдним. Мож-ливосп прямого перетворення електрично! енергп в теплову енергiю е ключем вирiшення задачi екожмч-ного формування складових матерiалiв, необхвдних для створення нового обладнання, яке привертае увагу ба-гатьох установ. Формування пружно! стрiчки для с^чкових нож1в необхiдне для створення продуктив-них установок ефективного розрiзання рiзно! продукцл, наприклад, продукци тваринництва. Виготовлення пружно! стачки для стрiчкових пил дозволяе проводити про-цеси формування заготовок в установках автоматизо-ваного розпилювання брусiв деревини та металу, що важливо в цшому для промисловостi кра!ни. £ й iншi галузi, як1 мають потребу у використанш пружно! сму-ги.
При створеннi конструкцi! установки одночасного вщпалу, гартування та вiдпускання важливим етапом е розрахунок та контроль параметрiв процесу вiдпалу при термiчнiй обробцi смуги.
Постановка задачi
Малi габаритнi розмiри, висока економiчнiсть, надшнють процесiв та легкость керування е визначаль-
ними вимогами, якими координувалися при констру-юваннi установки з безпосередшм локальним ввдпалом електричним струмом.
Печi для вщпалу при 900 °С, як правило мають по-тужнiсть до 10 кВт та бшьше. Тому важливою е розроб-ка економiчно! установки, де досягаеться зменшення затрат при вщпаш, пiдвищення економiчностi та про-дуктивностi при формуваннi пружно! смуги в цшому. Вшповшно метою роботи е створення конструкцп та технологи, яка дозволяе досягти зменшення затрат при вiдпалi стрiчки матерiалу, тдвищення економiчностi та продуктивностi при формуванш пружно! смуги. Задачею роботи е розрахунок параметрiв процесу вщпалу, розробка конструкцi! та електрично! принципово! схеми установки, проведения розрахуншв для визначення параметрiв режиму екожтчного технологiчного про-цесу.
Огляд лiтератури
Для виготовлення пружно! стачки застосовують пружинну сталь. У роботi застосовувалася сталь 65Г. Твердеть пружин знаходиться в межах Я = 40.. .50. При прийманш пружини перевiряють на твердеть i на пружиiсть. Метод перевiрки повинен, по можливостi, наближатися до фактичних умов роботи пружин (роз-тягування, стискування або вигину). Пружини, виго-товленi з термiчно оброблено! стрiчки класiв Н, П i В, проходять додатковий вiдпуск при температурi 250.350 °С для зняття виутрiшиьо! напруги, що виникла
© В. В. Кравчина, Ю. Н. Шувалов, 2017
42
при 1х гартуванн1, i для пвдвищення пружних властивос-тей пружин (розтягування, стискування або вигину) зi сталi 65Г та iнших пружино-ресорних сталей [1, 3-5].
Конструкцiя таблеткових силових натвпровщнико-вих прилад1в передбачае застосування пружних стрiчок у виглящ к1лець, як1 притискають та утримують iзоляц-iйну плiвку по периметру боково! поверхнi металоке-рамiчного корпусу. Ц стрiчки при аварiйнiй ситуацп забезпечують направлене поверхневе каналювання струмiв електричного замикання i перешкоджають ви-никненню об'емних каналiв струму, яш можуть при-зводити до об'емного проплавлення нашвпровщнико-вого елемента та катастрофiчного замкнення електрич-но! апаратури в цiлому.
Матерiали та методи. Розрахунок параметр1в процесiв вщпалу
Формування пружно! полоси проводиться iз листа сталi 65Г товщиною 0,5 мм. Лист розрiзаеться на стр1чки необхщно! ширини. При фiзичному виконант форму-валися стр1чки шириною 5 мм. Для надання стрiчц1 стал 65Г пружних властивостей необхщно проводити про-цеси вiдпалу, гартування та вщпускання.
При проведеннi розрахунк1в визначався струм локального шару вщпалу стачки, опiр цiе1 дiлянки, кшьшсть джоулево! теплоти, теплоти, яка втрачаеться в навколишньому просторi при проведент процесу, ко-ефiцiент корисно! до (ККД) установки.
Кiлькiсть теплоти Qк (кал/с), яка витрачаеться в статичному режимi при кондукцп, визначаеться (законом Фур'е) за виразом:
£
Qт =агуАТ
(1)
де ат - коефiцiент теплопровщносп, кал/(с см'Н°С); £ - площа, через яку передаеться тепловий потж, см2; I - довжина шляху передання теплоти, см; Д Т - рiзниця температур мiж охолоджуваним елементом та навко-лишнiм середовищем, °С. Але для рухомо! стрiчки в мгсщ введения полоси теплопередача кондуктивним способом вщсутня, а з протилежно! сторони вщбуваеть-ся корисна змша енерги, яка витрачаеться на пропкан-ня процесу гартування. Тому кондуктивний вид тепло-вих втрат при розрахунку ККД не враховувався.
ПоIужнiсть теплового потоку теплопередачi випро-мiнюванням визначаеться законом Стефана-Больцмана i, в загальному виглящ, виражаеться спiввiдиошенням:
Рт = а в • (Тг - Т1) • ^,
(2)
де ав - коефiцiент теплообмiну випромiнювaнням,
Вт/(м2К), ^ - площа випромiнювaльноl поверхт, Т, Т1 -температура випромшювальних поверхонь. Коефiцiент теплопередaчi випромiнювaнням у простому випадку визначаеться за допомогою виразу:
а В = 5,6710-8 8фг
(т + 273)4 - т + 273)4
Т ■ - Т
' 1
(3)
де Со = 5,673 •Ю"8 (Вт/м2-К4) - коефiцiент випромшю-вання абсолютно чорного тiлa, 8 - наведена стутнь чорноти випромiнювaльно! поверхнi, фу - коефщент, який показуе, яка частина енерги тша i потрапляее на тшо1.
Теплопередача конвекщею мае мiсце в середовищi газу або рщини, дотично! з нaгрiтими або охолоджени-ми поверхнями твердого тiлa, i визначаеться законом Ньютона^мана. Кiлькiсть теплоти, яка вилучаеться з поверхнi природною конвекщею в середовищi повiтря, визначаеться законом Ньютона ^мана:
QК = 4,187 -10
-4
ЪС¥ДТ ,
(4)
де к - коефiцiент конвективно! теплопередaчi конвек-
и 0 52^Г 55ДТ" цiею, визначуваний з виразу кс = 0,52С I —-—
, де
С - постiйнa, яка залежить вiд орiентaцi1 поверхнi (для вертикально! поверхт С = 0,56; для верхньо! горизонтально! поверхт С = 0,52; для нижньо! горизонтально! поверхт С = 0,26); I - довжина шляху теплового потоку для горизонтально! поверхт визначаеться вщношенням подвоеного добутку довжини на ширину до суми дов-жини та ширини.
Для проведення розрахуншв сформулюемо почат-ковi умови: 5 = 20 см - довжина дмнки локального вщпалу; к = 0,05 см - товщина смуги; Ь = 0,5 см -ширина смуги; площа перетяну смуги £ = к-Ь = 0,025 см2; площа дшянки смуги локального вщпалу -^ = 2 5 (к + Ь) = 22 см2; значення температур в крайтх положеннях дшянки смуги локального вщпалу -= 20 °С, t2 = 900 °С, та середня температура -
Чс =
Ч + Ч
2
= 460 °С; С= 700 Дж/(кг К) - середня питома
теплоемнiсть; у = 7,731...7,671 г/см3 - питома щшьтсть смуги 65 Г.
Визначимо масу дiлянки смуги локального вщпалу т = у £ 5 /1000 =3,865-10-3 кг та розрахуемо його отр: Я = р 1/Б = 0,063 Ом, (5)
де р = 66-10-6 Ом-см визначаеться як нашвсума пито-мих опорiв участка полоси локального вщпалу, який змшюеться вщ 17,5-10-6 до 114-10-6.
Втрати теплоти з участка полоси локального вщпалу за рахунок випромiнювaння розрахуемо за формулами (2) та (3). Рахуючи, що приведена стутнь чорноти випромшюючо! поверхш 8 = 0,8 знайдемо РТ = 23,233 Вт.
Втрати кшькосп теплоти, яка вилучаеться з поверхт природною конвекщею визначимо за формулою (4).
0,25
188М 1607-6885 Новi маmерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2017
43
Вщговщно, QK = 12,223 Вт.
Швидюсть руху смуги становить V = 5,2 см/с, а три-валкть часу вщпалу складае т = l/V = 3,846 с. Корисна потужшсть, яка витрачаеться на нагр1вання д1лянки смуги локального вщпалу:
Р0 = mC(t2-t1)/ т. (6)
Вщповщно Р0 = 619,098 Вт. Коефщ1ент корисно! ди (ККД) визначаеться за формулою:
П = Ро/(Ро + Рт + QK) = 0,946.
(7)
Енерпя, яка видшяеться при протшант електрично-го струму i яка витрачаеться на вщпал у вигляд джоуле-во! теплоти, визначаеться за формулою:
Qk = i Rt,
(8)
де т е тривалють часу вщпалу. Порiвняння виразiв (6) та (8) дозволяе визначити величину струму I:
I = 0,032 • S у С
■h-h ртП
(9)
Величина струму I = 113 А.
Використовуючи вираз (9), визначимо величину па-дiння напруги на вщизку локального вщпалу смуги на-ступним чином:
U = 0,032 • l •у Cp(t2- tj)
V_
п
(10)
Вщповщно, U = 5,35 В.
Повна потужшсть, яка витрачаеться в процеа локального вщпалу дмнки смуги, iз врахуванням формул (6) та (7), визначаеться за виразом:
N = mc(t2-t1)/ т • П = 655 Вт. (11)
При визначенш параметрiв режиму вщпускання, за рахунок пропускания електричного струму, уточню-валися такi змiни до початкових умов: t = 20 °C;
t = 280 °C; у 2 = 7,81 г/см3 - питома щiльнiсть полоси 65Г. Потужшсть, яка витрачаеться на вщпал при вщпус-каннi, визначаеться за формулою:
Р02 = hb Y2 c(t22-t12)V = 140 Вт, (12)
яка забезпечуеться ефективною напругою 60 В та стру-мом в 2,5 А.
Для бшьш зручного моделювання процесу формування пружно! смуги використовувався опосередкова-ний вщпал вiдпускания. У цьому випадку повна по-тужиiсть процесу вщпускання при ККД п = 0,5 стано-вить 280 Вт, яка забезпечуеться ефективною напругою 70 В та струмом в 4 А.
Екожшчтстъ установки досягаеться шляхом локального тдведення електрично! енерги до д1лянки смуги, де вщбуваеться вiдиал шарiв матерiалу.
Результата експерименту
У роботi розроблено установку потужшстю 0,6-0,7 кВт, де до мшмуму зменшеннi втрати електрое-нергп та покращена економiчнiсть порiвияно з сершно використовуваними процесами. Крiм екожтчносп, розроблена установка вiдзначаеться високою продук-тивнiстю за рахунок об' еднання в однш установцi трьох складових процесiв: вiдпалу, гартування та вщпускан-ня. На рис. 1 наведено загальний вид та габаритш роз-мiри установки формування пружно! смуги. На рисунку видно структурш складовi та !х функцюнальне при-значення. Пружиi контакти 1 та 2 забезпечують омiчне тдведення електричного струму до участка локального вщпалу рухомо! смуги.
Для установки, показано! на рис. 1, для процесу вщпускання застосовано пiч у виглядi кварцово! труби iз зовнiшнiм резистивним елементом. Така конструк-цiя бiльш зручна для проведення дослiдницьких та на-лаштувальних робiт. Блоки живлення установки забезпечують створення, у разi печi вiдпускания, ефектив-но! напруги в 60.70 В та величини струму в 2,0.4,5 А, а в разi високотемпературного вщпалу 900 °С, напруги в 5.7 В та величини струму в 100.150 А.
Рис. 1. Загальний вигляд та габаритш розм1ри установки формування пружно! смуги, де 1 та 2 - тдпружинеш електричш контакти дшянки локального вщпалу рухомо! смуги, 3 - пружш контакти з1 вставками з наждака для зачищення смуги
У шнематичнш сxемi yстaнoвки викopистoвyeться електричний aсинxpoнний двoшвидкiсний двигун типу АИР71/2. Пoдiбнi двигуни шpизнaченi для юмплектаци електpoшpивoдiв piзниx меxaнiзмiв шoбyтoвoí' теxнiки (деpевooбpoбнi верстати, нaсoси, гомпрешри та iн.) i зaсoбiв мaлoï меxaнiзaцiï шoбyтoвoгo призначення. Живлення вщ меpежi змiннoгo струму нaшpyгoю 220 В. Eлектpoдвигyн зi сшецiaльними валами i фланцями, шpивoдить в дш зубчастий мoтop-pедyктop, з якoгo pyx передаеться на шpийoмнy касету пруж^' смуги, щo забезпечуе неoбxiднy швидшсть шеpемiщення смуги.
Koнстpyкцiя блoкy гартування yстaнoвки фopмyвaн-ня шpyжнoí' смуги як oxoлoджyвaльнoí' piдини передба-чае виюристовування шpoтoчнoí' вoди.
Електрична шpинцишoвa сxемa керування джерела-ми живлення кш вщпалу yстaнoвки шaтентиpyвaиия iro-казана на рис. 2. Фaзoве регулювання шoтyжиoстi ввдпа-лу в електричюму кoлi вiдшyскaння (R5, Т = 280 о С) здшснюеться електричним кoлoм мiкpoсxеми D1 за дo-шoмoгoю резистора R1 та симютора Т1, а в електричюму rerai висoтемшеpaтypнoгo вiдшaлy дшянки смуги, пю-знaченoгo R6, Тшах= 900 ос, шpoвoдиться за дoшoмoгoю резистора R2, мiкpoсxем D2 та D3 та симютора Т2. Час шлaвнoгo включення регулюеться змiнoю кoиденсaтopiв С1-С4 i стaиoвить вiд десягиx дoль секунди (для зaxистy вщ перевантаження) дo декiлькox секунд ^зуальне сприйнягтя шлaвнoстi).
Фoтoгpaфiя смуги в мoмеит ïï ввдпалу електричним стpyмoм на yстaнoвцi патентирування смуги б5Г тока-зана на рис. 3.
Важливим мoментoм теpмiчнoí' oбpoбки стр1чки е тoчнiсть кoнтpoлю шapaметpiв шpoцесy вiдшaлy, в тому числi i величини температури, як1 забезпечують вiдтвo-
pювaнiсть режиму та неoбxiднi влaстивoстi сфopмoвa-ниx шpyжниx шлiвoк. При кoнтpoлi iзoтеpмiчнoгo шpo-цесу вщпалу на oшеpaцiï вiдшyскaння (температура Т = 280 ос), кoнтpoль температури шpoцесy шpoвoдить-ся за дoшoмoгoю теpмoшapи (xpoмель-кoшель). На рис. 4 наведена принцитова електрична сxемa icompo-лера температури.
Рис. 2. Електрична принцитова сxемa блoкiв живлення yстaнoвки фopмyвaння шpyжнoï смуги
Рис. 3. Poзжapювaння pyxoмoï смуги в мoмент ïï вiдшaлy електричним сIpyмoм
Рис. 4. Електрична принцитова сxемa кoнтpoлеpa температури
ISSN 1607-6SS5 Hoei Mamepia^u i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2017
45
Сигнал термопари поступае на 1С ОРА277, яка мае високу чутливють по входу. Схема передбачае мож-лив^ь проведення !! юстирування за допомогою резистора Я11 для вщомих з високою точнiстю температур-них точок фазових переходiв: наприклад танення льоду, плавлення свинцю, припою конкретних марок та iн. Це дозволяе задавати температуру нагрiву з малою похиб-кою. При робот контролер (рис. 5) автоматично шдтри-муе температуру за допомогою ввiмкиения та вимк-нення оптосимистора ТО1, який вiдповiдно до стану термопари вмикае джерело енергл до резистивного еле-мента печi, Температура в 300 °С на зовнiшнiй поверхиi кварцово! труби печi вiдпускання (рис.1) задаеться резистором Я13. У кшщ труби температура рухомо! стр1чки становить близько 280 °С. Контролер, який спро-ектовано та зроблено разом з вдикатором температу-ри в 2005 рощ, вщзначаеться надiйнiстю конструкцп i широко використовуеться в рiзних технологiчних про-цесах вщпалу [2].
Для проведення налаштування та узгодження вико-ристовуваних датчиков температури з мжросхемами пiдсиления сигналу використовуеться регулювальний стенд, для чого розроблено вщповщн методики його застосування.
Керування процесом високотемпературного вщпа-лу проводиться коригуванням електричних параметрiв джерела живлення, як1 визначають величину напруги та струму розжарювання, а також електричними параметрами джерела живлення електродвигуна, як1 визначають швидюсть обертання вала i, вщповщно, швидюсть руху стр1чки. Критерiем оптимальностi процесу вщпалу е забезпечення виробленою стр1чкою необхiдних пружних властивостей.
Для автоматизованого контролю температурного режиму процесу вщпалу застосовуеться контроль локально! штенсивносп випромшювання, яка залежить вщ температури стр1чки. Для цього використовуеться датчики у вигляд фотоактивних пристро!в, наприклад фо-тодiода. Збiльшения локальносп контролю забезпе-чуеться за допомогою даафрагми та лiнзи з вузьким фокусом, як1 захищенi екраном. Фокальш дiлянки лiнзи узгодженi з робочими поверхнями розжарено! полоси та фотоприймача. Така конструкцiя дозволяе точно кон-тролювати локальнi змiни освггленосп рухомо! смуги, оптимiзувати зворотний зв'язок та проводити коригу-вання режиму вщпалу в автоматичному режима У цьо-му випадку використовуеться контролер температури, який розроблено на основi мiкрокоигролера «ATmega-48». Конструкцiя цього контролера розглядаеться у другой частит стат.
Обговорення
Наведенi конструкцi!, методики, параметри режиму вщпалу, так! як електрична напруга, струм, ККД, електричш схеми, дозволили реалiзувати технолопчний про-цес економiчного формування пружно! смуги.
Установка термiчно! обробки стр1чки використовуеться протягом бшьше двох рок1в. За час експлуа-тац1! п1дтверджена !! надiйнiсть, висока вщтворюватсть результатiв, що стало можливим завдяки впроваджен-ню нових техшчних рiшень та конструкцiйних вдоско-налень. Висока економiчнiсть та продуктивнiсть робить установку затребуваною на вичизняному ринку.
Висновки
У робоп проведено розрахунок параметрiв процесiв вiдпалу при формуваннi пружно! смуги. Потужшсть високотемпературного вщпалу до (Т = 900 Л%С) становить 655 Вт, напруга та струм, яю прикладаються до локально! дмнки смуги вщпалу становлять величини вщповщно и= 5,35 В та I = 113 А, а коефщент корисно! до ККД з = 0,94. Потужтсть, яка витрачаеться на низько-температурний вщпал (Т = 280 Л%С) при вщпусканш, становить 280 Вт. Загальна погужиiсть устаиовки, вра-ховуючи струм електродвигуна привода та насоса для подачi води, становить приблизно 1,5 кВт. У робоп та-кож наведенi розроблеш конструкцiя, електричнi прин-циповi схеми локального вщпалу рухомо! стр1чки та контролеру для автоматичного пщтримування температура вщпалу при вщпусканш стр1чки.
При необхщносп або защкавленосп пiдприемств, iмовiрних споживачiв, можливе опробування процесу формування необхiдно! пружно! стачки.
Список лiтератури
1. Дичковська О. В. Системи технологш промисловост : навч. посiбиик [для студ. вищих навч. заклад1в екон. спец.] / О. В. Дичковська ; вид. 3, доп. 1 перероб. - К. : Знання, 2007. - 271 с.
2. Особенности формирования быстровосстанавливающих-ся диодов / А. Н. Горбань, Д. М. Гомольский, В. В. Кравчина и др. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2008. - № 3(75). - С. 36-40.
3. Рубин Г. К. Электрические печи скоростного нагрева / Рубин Г. К. - М. : Энергия, 1969. - 128 с.
4. Казанцев Е. И. Промышленные печи / Казанцев Е. И. ; изд. 2, доп. и перераб. - М. : Металлургия, 1975. - 368 с.
5. Коврев Г. С. Электроконтактный нагрев при обработке цветных металлов / Коврев Г. С. - М. : Металлургия, 1975. - 3411 с.
Одержано 24.03.2017
Кравчина В.В., Шувалов Ю.Н. Конструирование, контроль параметров и автоматизация технологических процессов при формировании упругой ленты
В работе рассчитаны параметры процессов отжига при формировании упругой ленты. Мощность высокотемпературного отжига (Т = 900 С) составляет 655 Вт, напряжение и ток, которые прикладываются к локальному участку отжигаемой полосы, составляют величины соответственно и= 5,35 В и I = 113 А, а
коэффициент полезного действия КПД П = 0,94. Мощность, которая расходуется на низкотемпературный отжиг (Т = 280 С), составляет 147 Вт. В работе также приведены разработанная конструкция, электрические принципиальные схемы локального отжига подвижной полосы и контролера автоматического поддержания температуры отжига при отпускании полосы.
Ключевые слова: отжиг, электрическая схема, контроль параметров, упругая полоса, температура.
Kravchina V., Shuvalov Yu. Design, control of parameters and automation of technological processes during creation of the elastic stripe
The paper describes the parameters of the annealing process in the formation of a spring strip. Power high-temperature annealing (Т = 900 °С) is 655 watts, voltage and current which are applied to local portion annealing of the strip comprise the values U = 5,35 V and I = 113 A, and the coefficient of efficiency П = 0,94. The power which is consumed at the low-temperature annealing (T = 280 °С) is 147 watts. The paper also shows the developed design, electrical circuit diagrams of the local annealing of the moving strip and electrical schematic of automatic controller of maintaining the annealing temperature of the releasing strip.
Key words: annealing treatment, circuitry, control parameters, spring strip, temperature.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2017
47
