ИНДУКТОР ДЛЯ МЕТОДИЧЕСКОГО НАГРЕВА ЗАГОТОВОК В ФОРМЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/40 C21D9/32 

Изобретение относится к устройствам для индукционного нагрева и может быть использовано в промышленности при термической обработке деталей в форме тел вращения, в том числе и переменной толщины, и испытаниях на прочность и долговечность.

Известен индуктор [1] для равномерного нагрева дисков, содержащий соединенный с токопроводами индуктирующий провод постоянной ширины, выполненный из одного или нескольких соединенных последовательно криволинейных участков, каждый участок выполнен по форме дуги эвольвенты окружности, в совокупности указанные участки расположены в одной зоне нагреваемой детали.

Указанная конструкция индуктора обладает следующими недостатками. Индуктор не обеспечивает заданного неравномерного нагрева, так как он предназначен для нагрева одной стороны боковой поверхности диска. Кроме того, индуктор сложен в изготовлении, так как имеет несколько криволинейных участков. В связи с этим понижается точность расположения индуктора над нагреваемой деталью. Наличие криволинейных участков приводит также к увеличению мест перегиба в водоохлаждаемом индуктирующем проводе, что понижает надежность индуктора в работе.

Наиболее близким из известных является индуктор [2] содержащий две плоские кольцевые катушки, установленные в горизонтальных плоскостях соосно и подвижно вдоль общей оси и снабженные выводами для встречного подключения к источнику питания, витки каждой из катушек образованы проводниками переменной ширины, образуя по меньшей мере две зоны катушки с витками равной ширины, концы витков в которых снабжены дополнительными выводами для подключения к тому же источнику питания. Индуктор [2] имеет следующие недостатки. Индуктор обеспечивает ускоренный равномерный нагрев вращающегося диска, если его диаметр меньше радиусов витков катушек индуктирующего провода. Однако, если радиус диска соизмерим с радиусами витков индуктирующего провода, указанный индуктор не может обеспечить заданный равномерный или неравномерный нагрев диска (тела вращения переменной толщины), так как над каждой его кольцевой зоной имеются участки индуктирующего провода с разной напряженностью магнитного поля. Кроме того, многовитковый индуктор [2] потребляет больше электроэнергии, чем одновитковые индукторы, более сложен и трудоемок в изготовлении. Более того, при нагреве детали появляются местные градиенты температур в радиальном направлении.

Изобретение решает задачу индукционного нагрева тел вращения переменной толщины с заданным неравномерным распределением температур в радиальном направлении.

Кроме того, достигается технический результат, заключающийся в обеспечении заданного неравномерного распределения температуры вращающегося тела вращения переменной толщины с учетом его дополнительного нагрева при трении его поверхности об окружающую среду.

Задача решается тем, что в индукторе, содержащем индуктирующий провод переменной ширины с водоохлаждаемым трубчатым токопроводом и выводами для подключения к источнику питания, согласно изобретению индуктирующий провод выполнен в виде охватывающего с постоянным зазором часть нагреваемого тела листа в форме сектора, а водоохлаждаемый токопровод присоединен к индуктирующему проводу по оси симметрии, лежащей в плоскости меридиального сечения.

Указанный технический результат достигается также и тем, что ширину индуктирующего провода Bi выбирают в пределах
(0,7-1,0)•L > B_i > В_тв (1),
где
i номер участка индуктирующего провода в зоне нагрева;
B_i ширина индуктирующего провода в i-м участке зоны нагрева;
В_тв ширина водоохлаждаемого токопровода;
L длина проекции индуктирующего провода на плоскость, перпендикулярную оси вращения.

На фиг. 1 показано заданное неравномерное температурное поле тела вращения (диска) переменной толщины; на фиг. 2 и 3 конструкция индуктора для обеспечения неравномерного нагрева тела вращения переменной толщины, вид сверху и разрез по меридиальному сечению, а также схема подключения испытательного оборудования.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
T_min, T_max минимальная и максимальная температуры тела;
R_min, R_max минимальный и максимальный радиус тела.

Индуктор для нагрева тел вращения переменной толщины 1 содержит индуктирующий провод в виде листа 2 переменной ширины B_i, длина проекции которого на плоскость, перпендикулярную оси вращения, равна L охватывающий тело вращения 1 по его меридиальному сечению водоохлаждаемый токопровод 3 шириной В_тв, электрические выводы 5, 6. При этом водоохлаждаемый токопровод 3 крепится к индуктирующему проводу по линии симметрии 4 индуктирующего провода, лежащей в плоскости меридиального сечения нагреваемой детали.

Испытательное оборудование (фиг. 3) содержит трансформатор 7, генератор повышенной частоты 8, электропривод 9, испытательную камеру 10, вакуумные насосы 11.

Индуктирующий провод подключен через электрические выводы 5, 6 и трансформатор 7 к генератору повышенной частоты 8. Тело вращения переменной толщины 1 присоединено к электроприводу 9 и установлено в испытательной камере 10. К испытательной камере 10 подключены вакуумные насосы 11.

Индуктирующий провод (фиг. 2, 3) изготавливается из листовой меди в виде сектора с переменной монотонно изменяющейся шириной по всей рабочей длине индуктора, при этом его размеры определяются из соотношения (1) с учетом специфики индукционного нагрева вращающихся тел вращения переменной толщины и дополнительного нагрева в результате трения их поверхности об окружающую среду.

Индуктор работает следующим образом.

Исследуемое тело вращения 1 переменной толщины устанавливается в испытательной камере 10 и присоединяется к электроприводу 9. Индуктор устанавливают относительно указанного тела с постоянным зазором. Электрические выводы индуктора 5,6 подсоединяют к трансформатору 7 генератора повышенной частоты 8 и подают воду для его охлаждения. С помощью вакуумных насосов 11 устанавливается необходимое давление воздуха в испытательной камере, тело 1 приводится во вращение, включают генератор повышенной частоты 9 и электрический ток, протекая по индуктирующему проводу, наводит индуктируемый ток в материале вращающегося тела, вызывая его разогрев. В соответствии с предлагаемой формой индуктирующего провода напряженность магнитного поля и, соответственно, плотность электрического тока будут монотонно возрастать от центра нагреваемого тела к его периферии. Одновременно поверхность вращающегося тела получает дополнительный нагрев при трении о воздух. В результате тело вращения переменной толщины нагревается до заданного неравномерного распределения температур.

Эксперименты подтвердили работоспособность предлагаемого индуктора и были получены данные для определения соотношения размеров индуктирующего провода. В частности, была получена формула для определения ширины индуктирующего провода в зависимости от температуры, удельной мощности индукционного нагрева, удельной мощности трения поверхности тела об окружающую среду и других параметров. В процессе указанного выше нагрева достигается заданное равномерное распределение температур тел вращения переменной толщины. При этом повышается точность моделирования термических нагрузок, устраняются местные градиенты температур в исследуемых деталях и уменьшается потребление электрической энергии по сравнению с прототипом.

Индуктор может применяться на предприятиях машиностроительной промышленности при прочностных испытаниях и термической обработке тел вращения постоянной и переменной толщины, вращающихся деталей, дисков турбин и их моделей.

Использование: изобретение относится к устройствам для индукционного нагрева и может быть использовано в промышленности при термической обработке деталей дискообразной формы при испытании их на прочность и долговечность. Сущность изобретения: в индукторе, содержащем индуктирующий провод переменной ширины с водоохлаждаемым трубчатым токопроводом и выводами для подключения к источнику питания, согласно изобретению индуктирующий провод выполнен в форме листа, охватывающего с постоянным зазором часть нагреваемого тела в виде сектора, а водоохлаждаемый токопровод присоединен к индуктирующему проводу по оси симметрии, лежащей в плоскости меридиального сечения. Это позволяет обеспечить нагрев с неравномерным распределением температуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индуктор для методического нагрева заготовок в форме тела вращения, содержащий индуктирующий провод переменной ширины с водоохлаждаемым трубчатым токопроводом и выводами для подключения к источнику питания, отличающийся тем, что индуктирующий провод выполнен в виде охватывающего с постоянным зазором часть нагреваемого тела листа в форме сектора, а водоохлаждаемый токопровод присоединен к индуктирующему проводу по оси симметрии, лежащей а плоскости меридиального сечения. 2. Индуктор по п. 1, отличающийся тем, что ширину индуктирующего провода B_i выбирают в пределах
(0,7 1,0)• L > B_i > B_тв,
где i номер участка индуктирующего провода в зоне нагрева;
B_i ширина индуктирующего провода в i-м участке зоны нагрева;
B_тв ширина водоохлаждаемого токопровода;
L длина проекции индуктирующего провода на плоскость, перпендикулярную оси вращения.