Технология электроконтактного нагрева заготовок

Особенность механизма теплообмена вследствие теплопроводности заключается в том, что тепловая энергия отводится от зоны детали, находящейся между зажимными контактами, в массу контактов и в ненагреваемые концы детали.

На рисунке 4.1 приведены простейшие схемы расположения зажимных контактов относительно заготовок и указаны направления отвода тепловой энергии от нагреваемой части заготовки.

Наибольшее количество тепла отводится через зажимные токоподводящие контакты, изготовляемые обычно из меди и охлаждаемые водой, наименьшее количество -- в нагреваемые (холодные) концы детали при радиальных контактах; при использовании торцовых зажимных контактов отвод тепла происходит только через контакты.

Интенсивность отвода тепла зависит от разности температур между двумя соприкасающимися телами или зонами одной детали. В данном случае такими телами являются контакты и участки нагреваемой детали, соприкасающиеся между собой, а при наличии холодных концов -- нагретые участки заготовки между контактами, контакты и зона холодного конца у контакта.

Поэтому в зависимости от температуры контакта, находящегося в непосредственной близости от заготовки, отвод тепла контактом от заготовки будет меньшим или большим.

Для уменьшения этого вида потери энергии было бы целесообразно поддерживать на контактах как можно более высокую температуру; однако это нельзя осуществить по следующим соображениям:

а)из-за возможности местных перегревов в точках контактирования вследствие выделения тепла в контактном сопротивлении;

б)из-за окисления поверхности контакта и образования не проводящей пленки на нем.

Образование пленки окисления приводит к увеличению переходного контактного сопротивления, а следовательно, к росту потерь энергии в нем; к местному перегреву, к росту температурного перепада между заготовкой и контактом, т. е. приводит к результатам, противоположным тем, которые достигаются при холодном контакте.

Учитывая это обстоятельство, в электроконтактных установках предусматривают режимы работы с холодными контактами, изготовляемыми из меди и охлаждаемыми водой.

Неохлаждаемые контакты, как правило, быстро выходят из строя, способствуют местному перегреву деталей у контактов, выплеску металла, а в конечном счете -- некачественному нагреву.

При электроконтактном нагреве отвод тепла контактами от заготовки нежелателен с экономической точки зрения, так как это приводит к снижению к. п. д., недогреву конца детали под контактами или вблизи последних; в то же время он способствует выравниванию температуры по длине (на участке вблизи контакта), повышению срока службы контактов, улучшению условий эксплуатации.

К сожалению, все эти вопросы еще недостаточно исследованы, а потому о них можно говорить только в самой общей форме.

Электрические потери. Другой составной частью потерь энергии при электроконтактном нагреве являются электрические потери.

В зависимости от типа электронагревательной установки, конструкции контактов, типоразмера нагреваемой детали и режима нагрева электрические потери либо примерно равны, либо больше или меньше тепловых потерь.

Электрические потери наблюдаются в следующих элементах электроконтактной установки:

1. В медных элементах вторичной цепи -- в токоподводящих шинах, контактных колодках, зажимных контактах, переходных контактных сопротивлениях этих элементов.

В обмотках силового трансформатора.

В трансформаторном железе.

В металлических деталях конструкции установки. Характерной для электрических потерь является зависимость

этих потерь от квадрата силы тока, электрических и магнитных

свойств материала.

Рассмотрим хотя бы приближенно вопрос о каждом из перечисленных видов потерь.

Потери в медных элементах вторичной цепи. Вторичная электрическая цепь электроконтактной установки состоит из вторичной обмотки силового трансформатора, токоподводящих шин, подконтактных колодок и токоподводящих зажимных контактов.

Мощность потерь в медных элементах можно выразить формулой:

(13)

где /₂ -- сила тока во вторичной цепи в а;

Уr_i--сумма сопротивлений шин, подконтактных колодок, переходных контактов и т. д.

Вычисление этих сопротивлений обычно производится по известным формулам и не представляет особого труда, если не считать контактных сопротивлений болтовых соединений и сопротивлений других элементов цепи переменному току с учетом явления скинн-эффекта.

Для уменьшения электрических потерь, как видно из формулы (13), нужно прежде всего стремиться к уменьшению тока, а при постоянном значении последнего -- к уменьшению электрического сопротивления токоподводящих элементов, вторичной цепи установки, т. е. к увеличению, в разумных пределах, поперечного сечения и к уменьшению длины их в направлении тока.

Так как на практике могут встретиться самые разнообразные случаи, когда по конструктивным соображениям нельзя уменьшить до определенных пределов длину шин и других элементов и увеличить их сечение, то при этом следует руководствоваться следующим общим правилом: сечение, длина шин и других элементов должны быть такими, чтобы общая величина сопротивления их составляла не более 4--5% от величины сопротивления нагреваемой детали при температуре последней более 800--900° С.

Сопротивление меди в подконтактных колодках и контактах в худшем случае близко к сопротивлению шин, а в лучшем случае значительно меньше его, а потому им обычно пренебрегают.

Контактное сопротивление болтовых соединений имеет особое значение при электроконтактном нагреве, потому что оно не только соизмеримо с общим сопротивлением остальных элементов вторичной цепи, но часто значительно его превышает. Если в электроконтактной установке, только что вступившей в эксплуатацию, контактное сопротивление проводников, стягиваемых болтами, мало, то после некоторого периода эксплуатации оно становится во много раз больше первоначального и больше сопротивления всех элементов вторичной цепи.

Контактное сопротивление контактов более чем в 2 раза превышает сопротивление меди.

Это позволяет сделать важный для практики вывод: экономическую эффективность электроконтактной установки нельзя повысить за счет увеличения сечения меди свыше определенного предела или несущественного сокращения длины элементов цепи.

Целесообразнее в этом случае идти по линии уменьшения тока и контактного сопротивления. Последнее подтверждается тем, что электрические потери пропорциональны квадрату силы тока и сопротивлению, а контактное сопротивление является основным фактором.

Потери в активных материалах трансформаторов. Активными элементами силового трансформатора считаются обмотки и трансформаторное железо.

Потери в обмотках зависят от сопротивления последних и тока и носят название электрических потерь.

Кроме этих потерь, в трансформаторе имеются еще и электромагнитные потери в трансформаторном железе, зависящие от марки и веса железа.

В том случае, когда трансформатор используется при постоянной настройке на заданную нагрузку без перенастройки на различное число витков первичной обмотки, т. е. когда индукция в железе остается постоянной, то потери в трансформаторном железе также будут постоянными. Так как в производственной практике, как правило, сталкиваются с такими случаями, то можно считать потери в железе постоянными, не зависящими от типа нагреваемых заготовок и режимов нагрева.

Конструкция обмоток, сечение провода и марка железа выбираются обычно исходя из того, чтобы потери энергии в них не превышали 5--6% от общей мощности трансформатора.

Потери в металлических деталях каркаса. Электрические потери в металлических деталях конструкции нагревательной установки возникают вследствие наличия магнитного потока рассеяния элементов, обтекаемых электрическим током.

Потери такого рода очень трудно поддаются учету. В лучшем случае их можно учесть теоретически весьма приближенно, так как такие расчеты сопряжены с большими трудностями из-за неопределенности магнитных характеристик (магнитной проницаемости) материала. В практике электроконтактного нагрева эти потери не принимают во внимание (не рассчитывают) и относят их к тепловым.

Но, как показали эксперименты и опыт эксплуатации электроконтактных установок, потери в стальных деталях конструкции часто составляют основную часть не только электрических, но и тепловых потерь.

Чем отличаются тепловые потери от электрических и расчетные данные от экспериментальных, видно из табл. 4.1, в ней приведены данные для однопозиционной электроконтактной установки мощностью- 150 ква, при нагреве заготовок диаметром 45 мм.

Данные, приведенные табл. 6, позволяют сделать следующие выводы:

Таблица 4.1 - Значения потерь различного вида в электроконтактной установке в квт

Потери	ЭЭлектрическиееререрчрские	Тепловые
		Изучением	Теплопроводностью и конвекцией	Общие
Расчетные ...... Экспериментальные…	1,4 2,6	0,8 -	1,3 -	2,1 3,6

1. Электрические потери, полученные расчетным путем по сопротивлению элементов вторичной цепи и путем замеров, тока и сопротивления примерно в 2 раза меньше действительных, полученных по показаниям прибора (ваттметра). Несоответствие этих данных вызывается токами Фуко и явлением скинн-эффекта в толстых шинах, подконтактных колодках и других медных элементах цепи.

2.Действительные тепловые потери примерно в 1,5 раза больше расчетных, что указывает на наличие неучтенных потерь за счет вихревых токов, индуктированных в металлических деталях, вследствие магнитных потоков рассеяния в них.

3.Потери вследствие теплопроводности и конвекции несколько больше потерь излучения. Основную часть составляют потери вследствие теплопроводности зажимных токоподводящих контактов

Они приблизительно в 3--5 раз больше потерь конвекции.

Это говорит о том, насколько важен правильный выбор размеров контактов, их конструкции и системы охлаждения.

4.Наличие относительно больших потерь в металлических деталях нагревательной установки указывает на необходимость избегать размещения стальных и вообще каких-либо металлических деталей вблизи токоведущих элементов силовой цепи.

Тепловую энергию вихревых токов, возбуждаемых в металлических деталях, находящихся в магнитных полях рассеяния цилиндрических проводников стоком, приближенно можно записать в следующем виде:

(14)

Где /₂ - ток в проводе в а;

d_n диаметр провода в см;

l_пр длина детали в см;

h - расстояние металлической детали от оси провода в см;

т - удельное электрическое сопротивление детали в ом-см;

м-- магнитная проницаемость материала детали.

Формула (14) справедлива для цилиндрического проводника, поперечные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до металлической детали.

Так как шины в электроконтактных установках в большинстве случаев прямоугольного сечения с конечными размерами, соизмеримыми с расстоянием до металлических деталей, то для этого случая можно рекомендовать несколько другую формулу:

(15)

Из формул (14) и (15) видно, что потери энергии в стальных деталях, находящихся в магнитном поле рассеяния токов, прямо пропорциональны квадрату тока, ширине детали и обратно пропорциональны квадрату расстояния от проводника до детали.

В формулы не входят толщина детали, так как предполагается, что она значительно больше глубины проникновения тока в сталь.

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия любой электроконтактной нагревательной установки является основным техническим показателем, характеризующим эффективность и целесообразность ее применения.

К. п. д. всякого нагревательного устройства зависит от конструкции последнего, от способа нагрева и от геометрических размеров нагреваемых деталей.

Чтобы вывести формулу для определения общего к. п. д. любого нагревательного устройства, необходимо записать выражение баланса энергии, справедливое для любого момента нагрева той или иной детали (речь идет об общей мощности, потребляемой электронагревательной установкой из сети):

(16)

где Р_п -- полезная мощность, затрачиваемая на нагрев детали

до заданной температуры;

Р₁ -- мощность, теряемая в силовом трансформаторе;

Р_ц -- мощность, теряемая в элементах вторичной электрической цепи;

Р₃ -- мощность тепловых потерь вследствие излучения, конвекции и теплопроводности;

Р₄ -- мощность потерь в металлических деталях вследствие наличия магнитных потоков рассеяния проводников с током.

Тогда общий к. п. д. нагревательного устройства может быть найден из формулы:

(17)

Если в эту формулу подставить значение отдельных видов потерь, то получим зависимость к. п. д. от конкретных параметров детали и нагревательной установки (геометрических размеров детали и шин и их свойства).

Для практического использования формулы ее целесообразно представить в виде

Ю _о = Ю_тр Ю_э Ю _t (18)

где Ю_тр -- коэффициент полезного действия трансформатора;

Ю_э -- коэффициент, учитывающий электрические потери в

элементах вторичной цепи;

Ю _t -- коэффициент, учитывающий тепловые потери, в том числе и потери в металлических массах, и носящий название теплового к. п. д.

Обычно в литературе по электронагреву к. п. д. трансформатора и вторичных элементов цепи Ю_э объединяются одним коэффициентом, называемым электрическим к. п. д. установки. Но в данном случае будет удобнее пользоваться двумя коэффициентами -- для учета потерь в трансформаторе и в элементах вторичной цепи.

К. п. д. силового трансформатора электроконтактных установок учитывает потери энергии в обмотках и в трансформаторном железе, а также в металлических крепежных деталях.

Поскольку токи и электрическое сопротивление в обмотках, а также индукция в трансформаторном железе и вес его известны, то определение потерь в них не представляет особых затруднений.

Общее выражение для к. п. д. трансформатора будет иметь следующий вид:

(19)

где I₁ -- ток в первичной обмотке трансформатора;

r_т -- активное сопротивление обмоток, проведенное к "первичной обмотке;

?р -- потери в трансформаторном железе магнитопровода;

Р_н -- номинальная мощность трансформатора в кет.

Из формулы видно, что для уменьшения потерь в трансформаторе необходимо стремиться к уменьшению сопротивления в обмотках и к уменьшению тока (если это возможно по условиям сохранения требуемой производительности).

Электрический к. п. д. Ю_э вторичной цепи учитывает потери энергии в токоподводящих шинах, контактных колодках, контактах и других элементах вторичной цепи нагревательной установки.

Выражение для электрического к. п. д. в самой общей форме имеет следующий вид:

(20)

где r_М.д -- электрическое сопротивление меди элементов вторичной силовой цепи;

r₂ -- омическое сопротивление нагреваемой детали.

Так как сопротивление детали зависит от температуры, то и электрический к. п. д. зависит также от последней. Ввиду того, что на одной и той же электроконтактной установке нагревается обычно несколько различных типоразмеров заготовок, сопротивление которых зависит от геометрических параметров нагреваемых зон заготовок, то целесообразно выразить сопротивление r₂ через геометрические параметры и удельные сопротивления материала этих зон, тогда формула для электрического к. п. д. будет

(21)

где s₂ -- поперечное сечение нагреваемой детали;

т₂ -- удельное электрическое сопротивление материала детали;

l₂ -- длина нагреваемой зоны.

Из формул (20) и (21) следует, что для получения наибольшего к. п. д. необходимо: а) уменьшить в разумных пределах сопротивление элементов вторичной цепи; б) максимально увеличить отношение длины нагреваемой зоны к сечению.

При учете явления скинн-эффекта толщина шин, подконтактных колодок и других элементов должна быть не более 30-- 35 мм, а ширина их по конструктивным соображениям не более150 мм.

Если минимальная длина шины будет не менее 500 мм, то оптимальное сопротивление токоподводящих шин должно быть равным около (0,5-0,6) * 10^{- 5} ом. При учете контактных сопротивлений контактов, сопротивления колодок и других элементов вторичной цепи фактическое сопротивление ее, как показывают эксперименты, равно (0,15 - 0,20) * 10^-4 ом.

На рисунке 4.2 кривая 3 представляет собой зависимость Ю_э от отношения l₂/s₂ при среднем значении удельного сопротивления большинства стальных деталей т₂ = 0,6-10^{- 6} ом-м, при температуре 20--1100 ° С и указанных выше значениях сопротивления вторичной цепи. Из рассмотрения кривой следует, что электрический к. п. д. начинает быстро падать при l₂/s₂ менее 1,0--1,5. При больших значениях l₂/s₂ к. п. д. достигает максимальной величины и затем изменяется очень мало. Это обстоятельство, характеризующее установки электроконтактного нагрева, необходимо иметь в виду при их проектировании и эксплуатации, особенно в тех случаях, когда l₂/s₂ < 1, например в электровысадочных установках.

Тепловой к. п. д. учитывает тепловые потери вследствие тепловых процессов теплообмена, потерь на токи Фуко и гистерезис в стальных деталях каркаса и зажимных головках нагревательной установки, находящихся в магнитных полях проводников с током.

Тепловой к. п. д. в общем виде может быть найден из формул, определяющих перечисленные три вида тепловых потерь, и исходя из значения теоретического минимума энергии, потребной для нагрева данной детали до соответствующей температуры.

Рисунок 4.2 - Зависимость к. п. д. электроконтактной установки т₂ от отношения длины к сечению нагреваемой детали

1- Ю _t для l₂ = 1000 мм; 2- Ю _t для l₂ = 100 мм; 3 -- Ю _э для т₂=0,6; 4- Ю _t = 0,94Ю _t Ю _э для l₂ = 100 мм; 5- Ю _t эксплуатационный коэффициент

Если предположить, что в нагреваемую деталь передаются теоретически потребное количество энергии и тепловые потери, то для теплового к. п. д. цилиндрической детали можно написать следующую приближенную формулу:

(22)

где ф -- время нагрева в сек;

d₂ и l₂--диаметр и длина нагреваемой зоны детали в см. Эта формула соответствует следующим условиям:

1. Удельная интенсивность излучения с нагретой детали равна 12 вт/см² в продолжение всего периода нагрева, т. е. потери этого вида взяты с явным превышением с тем, чтобы ими восполнить потери, не поддающиеся непосредственному учету.

2. Осевая длина зажимного токоподводящего контакта равна диаметру нагреваемой детали, а ширина площадки контактирования l _К -- 0,5 см по всей длине контакта.

Для подвода тока, а следовательно, и для отвода тепла используется четыре контакта.

Потери конвекции определяются по формуле (12).

Рисунок 4.3 - График

Если скорость нагрева определяется из формулы (5), то тепловой к. п. д. можно выразить либо через параметры детали, либо через длину детали и время нагрева:

(23)

На рисунке 4.2 и 4.3 приведены кривые зависимости теплового к. п. д.

Ю _t от отношения /₂/s₂, диаметра d₂ и времени нагрева ф для двух значений длин нагреваемых зон детали (/₂ =100 и 1000 мм).

Большее значение теплового к. п. д. для заготовок большой длины объясняется относительно меньшими потерями теплопроводности через токоподводящие контакты, приходящимися на единицу длины детали; при этом энергия, вводимая в деталь, пропорциональна ее длине. Поэтому хотя потери конвекции и излучения и пропорциональны длине детали, они в данном случае не сказываются на величине к. п. д.

Общий к. п. д. В связи с тем, что все три коэффициента формулы (21) определены, общий к. п. д. электроконтактного устройства может быть выражен кривой 4 (на рисунке 4.2) в зависимости от отношения длины заготовки к сечению при среднем значении к. п. д. силового трансформатора Ю_тр = 0,94.

Для сопоставления расчетно-теоретической кривой общего к. п. д. с экспериментальной на той же фигуре приведена кривая 5, выражающая значения общего к. п. д. одной из однопозиционных электроконтактных установок.

Из рассмотрения кривых видно, что действительный к. п. д. нагревательной установки в функции отношения l ₂/s₂ в основном соответствует расчетно-теоретическому, отличаясь от него только при малых значениях l ₂/s₂ (от 2,2 до 1,2).

При теоретических расчетах электротехнических характеристик нагревательных установок целесообразнее пользоваться расчетно-теоретической кривой 4 общего к. п. д., а не экспериментальной 5, справедливой для определенной конкретной установки. Экспериментальные данные можно было бы обобщить для любого случая электроконтактного нагрева, если бы они отвечали условию изменения напряжения на заготовке в соответствии с потребной мощностью, вычисляемой по теоретической формуле.

Но так как в действительности такое изменение напряжения осуществить очень трудно, то и получить обобщенную зависимость общего к. п. д. от отношения l₂/s₂ почти невозможно, поэтому наиболее приемлемой является расчетно-теоретическая зависимость.

Коэффициент мощности

Для всякой электронагревательной установки коэффициент мощности, (после коэффициента полезного действия) является наиболее важным технико-экономическим показателем.

В связи с тем, что электроконтактные установки в большинстве своем имеют большую мощность и преимущественно активную нагрузку при сравнительно высоком коэффициенте мощности, применение компенсирующих конденсаторов для увеличения коэффициента мощности, как правило, нерационально. Тем не менее повышение его весьма желательно, поэтому при разработке электроконтактных установок необходимо использовать все имеющиеся в распоряжении проектанта и конструктора средства, чтобы получить оптимальный для данных конкретных условий коэффициент мощности.

Коэффициент мощности электроконтактных установок зависит от типа и конструкции обмоток трансформатора, их взаимного размещения, от конструкции магнитопровода, а также от индуктивного и активного сопротивления вторичной цепи установки и геометрических параметров нагреваемой детали.

Теоретически учесть перечисленные факторы чрезвычайно сложно и можно только очень приближенно. Поэтому целесообразнее коэффициент мощности выразить с помощью экспериментальных и эксплуатационных данных. Изменение коэффициента мощности в процессе Рисунок 4.4 - График нагрева аналогично изменению сопротивления детали, напряжения на ней и т. Д.



На рисунке 4.4 приведены кривые изменения коэффициента мощности первичной цепи однопозиционной нагревательной установки в процессе нагрева деталей различных типоразмеров.

Из рассмотрения кривых на рисунке 4.4 можно сделать следующие выводы:

Коэффициент мощности медленно возрастает с повышением температуры нагрева детали.

Коэффициент мощности изменяется тем быстрее, чем меньше диаметр нагреваемой детали. Это объясняется тем, что у заготовок малого диаметра относительное влияние активного сопротивления значительно больше, чем у заготовок большего диаметра.

Рисунок 4.5 - График

На рисунке 4.5 приведена зависимость коэффициента мощности от отношения длины к площади сечения детали; коэффициент мощности тем больше, чем больше указанное отношение.

В данном случае речь идет о коэффициенте мощности всей установки, включая и силовой трансформатор, определяемом по формуле:

. (24)

где r_т -- активное сопротивление силовой цепи установки, приведенное к сопротивлению первичной обмотки силового трансформатора, включая нагрузку;

r_m -- приведенный импеданс указанной цепи.

Поскольку электрическая цепь установки состоит из трех составных частей: силового трансформатора, вторичной цепи и нагреваемой детали (нагрузки), то и косинусы соответственно этому будут определены по формуле (24) для каждой составной части. В формулу должны быть подставлены значения сопротивлений соответствующей цепи или элемента.

Если электрические сопротивления, входящие в формулу для определения коэффициента мощности, выразить через параметры, определяющие указанные сопротивления, то можно убедиться, что последний находится в наибольшей зависимости от геометри-ческих размеров нагреваемой зоны детали, от числа витков первичной обмотки и индукции в сердечнике магнитопровода трансформатора.



Рисунок 4.6 - График

На рисунке 4.6 дана зависимость коэффициента мощности и характеристик холостого хода трансформатора (250 ква) от числа витков первичной обмотки при нагреве заготовок одинакового типоразмера.

Эксперименты производились при 36, 33, 30, 27 и 24 витках в первичной обмотке и при напряжении на ней, равном 185--210 в.

Изменение коэффициента мощности обусловливалось использованием различного числа витков, а значит, и различной индукцией в железе трансформатора; изменение последней примерно на 40% вызывает уменьшение коэффициента мощности на 5--7%. Такое снижение коэффициента мощности следует признать значительным и избегать его; правда на практике это не всегда удается, но об этом надо помнить, особенно при использовании мощных трансформаторов.

4. 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:

Зависимость технологических и электротехнических характеристик режима нагрева от температуры нагреваемой детали или заготовки, т. е. непостоянство характеристик во времени (в процессе нагрева).

Неравномерное распределение температуры по длине и при больших диаметрах (более 50 мм) по сечению нагреваемой заготовки и во времени.

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.

Расчетные электротехнические данные в большинстве случаев являются "сугубо приближенными, поэтому требуют после дующего уточнения.

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.

Марка материала и типоразмеры заготовок.

Темп выдачи нагретых заготовок или производительность нагревательной установки с учетом времени, потребного на загрузочно-разгрузочные, транспортные и другие операции.

Технологическая разновидность электроконтактного нагрева и назначение электроконтактной установки.

Температура нагрева, точность регулирования и допустимые пределы неравномерности распределения ее по длине и сечению нагреваемой заготовки.

Напряжение для питания установки, т. е. напряжение сети, к которой она подсоединяется.

Технические данные о заводской пневмосистеме и водопроводе, если в электроконтактной установке предусмотрен пневматический привод зажимных головок и водоохлаждение элементовсиловой цепи проточной водой.

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 )/ф т/ч, (25)

где G₂ -- масса нагреваемой части заготовки в кг;

К.' -- коэффициент, учитывающий дополнительное время, за трачиваемое на другие операции, связанные с нагревом;

ф -- 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 Ю = 0,67 и cos f₁ = 0,65, а для второй Ю= 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:

W_с1=1,5 W₂ /(Ю₁cos 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:

Определить отношение длины к площади поперечного сечения нагреваемой детали.

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).

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 f₁ электроконтактных установок обособленного нагрева от отношения /₂/s₂.

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 l₂ = 850 мм; 5 -- то же при одновременном нагреве заготовок длиной l₂ = 850 мм', 6 -- для однопозиционной двухзональной установки ЭУ-150 при нагреве заготовки с общей длиной нагреваемых зон l₂ = 550-=-750 мм.

Для других типов установок коэффициент мощности следует брать по данным, соответствующим конкретной технологически- конструктивной группе.

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:

P_a=( CG₂ (t₂-t₁))/Ю₀ф квт (32)

где Ю₀ -- 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 =0.5е₀ (j₀ (е₀)/j₁(е)) (34)

где r₂ -- активное сопротивление детали переменному току;

r ₀ -- то же постоянному току;

Здесь м -- магнитная проницаемость материала; м₀ = 4р-10^-9 гн/см;

R₂ -- радиус цилиндрической заготовки в см;

т₂ -- 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/д₂ приведена на рисунке 5.6 (кривая 1)

Из рисунка 5.6 видно, что для R₂/д₂ от 0 до 1 активное сопротивление детали переменному току не отличается от сопротивления постоянному току, а для R₂/д₂ >1 оно отличается от последнего тем больше, чем больше значение R₂/д₂.

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:

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.

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/д₂ большое), возрастает всего в 2 раза, у заготовки диаметром 12 мм (R₂/д₂ 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 (м = 200 при t = 200-760° С и м = 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/д₂, 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;

м -- магнитная проницаемость материала;

т₂ --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 ф.

После определения теплового к. п. д. Ю_t 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:

Длина шины выбирается (насколько это возможно по конструктивным соображениям) минимальной.