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 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.
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|