ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ ЗУБЧАТО-КОЛЕСНЫХ ДЕТАЛЕЙ, СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО КОНТРОЛЯ НАГРЕВА ЗУБЧАТО-КОЛЕСНОЙ ДЕТАЛИ, ИНДУКЦИОННАЯ ЗАКАЛОЧНАЯ УСТАНОВКА, СПОСОБ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ПИТАНИЯ И ИНДУКЦИОННО-ЗАКАЛОЧНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК H05B6/06 H05B6/14 C21D9/32 

Изобретение относится в широком аспекте к технологии индукционного нагрева, а более конкретно, к использованию индукционных нагревательных устройств для поверхностного упрочнения деталей машин типа шестерен и зубчатых колес.

Детали машин, такие как шестерни, шлице-зубчатые и цепные колеса, при работе подвергаются во многих случаях действию интенсивных крутящих нагрузок, фрикционному износу и ударному нагружению. Колеса шестерни такого типа обычно применяются в силовых трансмиссионных передачах.

Известны установка и способ для индукционной закалки таких деталей машин [1].

В состав известной установки для закалки зубьев шестерен колес входит бичастотное оборудование, используемое для индукционного нагрева. При работе такого оборудования используется сначала низкочастотный электрический ток для предварительного нагрева зубьев обрабатываемых деталей машин, а затем высокочастотный (радиочастотный) ток для окончательного нагрева перед проведением закалки в закалочной ванне. Принципы бичастотной индукционной закалки рассмотрены в статье "Индукционная закалка зубчатых колес бичастотным методом" [2].

Как сказано в этой статье, для осуществления бичастотного нагрева используется высокочастотный и низкочастотный источники тепла. При обработке зубчатая деталь подвергается сначала индукционному нагреву от относительно низкочастотного источника (3-10 кГц), который выделяет энергию, необходимую для предварительного нагрева массы зубьев. После этой операции проводится сразу же индукционый нагрев от высокочастотного источника тепла, который обычно функционирует в частотном диапазоне 100-300 кГц с тем или иным выбором рабочей частоты в зависимости от размера обрабатываемых зубчатых колес и диаметрального модуля их зубьев. Высокочастотный источник производит достаточно быстрый окончательный нагрев всей образующей поверхности зубьев до температуры, необходимой для поверхностного закалочного упрочнения. Далее зубчатые колеса закаливаются до необходимой твердости и подвергаются отпуску.

Индукционный нагрев - самый быстрый из известных способов нагрева зубчатых колес из сталей. В некоторых случаях после предварительного низкочастотного нагрева проводится заключительный высокочастотный нагрев. Длительность операции нагрева высокочастотным током составляет обычно от 0,1 до 2,0 с. При осуществлении индукционного нагрева обрабатываемая зубчатая деталь (колесо или шестерня) удерживается на шпинделе и проворачивается вокруг оси, находясь внутри индукционно-нагревательной катушки. Через эту катушку пропускается достаточно мощный и кратковременный импульсный ток питания, который осуществляет оптимальный окончательный нагрев зубьев обрабатываемого колеса. После этого обрабатываемое изделие вручную или автоматизированно переносится в водоосновную закалочную ванну. Вследствие того что при индукционной закалке в изделие по определенной его части передается строго дозированное, потребное количество тепловой энергии, требования по глубине поверхностной обработки и по ее допускам выполняются с высокой точностью.

При осуществлении процесса индукционного нагрева, будь это двух- или одночастотный процесс, независимо от типа обрабатываемых деталей и их материала, их характеристики предопределяют как оптимальную конструкцию индукционной нагревательной катушки (или катушек), так и большинство регулировочных параметров применяемого оборудования. В этом смысле одним из наиболее критичных параметров является время подачи на индукционную нагревательную катушку (обмотку, спираль) высокочастотного сигнала питания, под действием которого осуществляется окончательный нагрев. Выделение строго потребного количества тепла, необходимого для закалки зубчато-колесной детали, напрямую связано с точным регулированием, выдерживанием времени подачи сигнала питания на индукционную нагревательную катушку.

Как отмечалось выше, в настоящее время на практике применяются две типовые системы питания индукционной нагревательной катушки. В первой системе используется генераторное оборудование с так называемым "твердым состоянием" (твердотельные устройства), в состав которого входит высокочастотный (радиочастотный) генератор с силовыми усилительными элементами типа транзисторов (двухполюсных транзисторов, кристаллических диодов или КМОП-структур), подающими высокочастотный переменно-токовый сигнал на индукционную нагревательную катушку. В альтернативном варианте используется ламповый генератор высокой частоты с элементами тиристорного типа, обеспечивающими подключение или отключение высокочастотной ламповой генераторной схемы большой мощности, запитывающей индукционный нагреватель. Выход генераторной схемы (каскада) связан с индукционно-нагревательной катушкой через трансформатор. Некоторые специалисты в области индукционно-нагревательного оборудования, применяемого для поверхностной закалки металлических изделий, отдают предпочтение твердотельным высокочастотным генераторам ввиду возможного при их использовании высокочастотного контроля времени подачи питания на индукционную нагревательную катушку. Режим запитывания электронно-лампового генератора высокой частоты определяется временными параметрами включения/выключения применяемых тиристорных устройств, таких как кремниевые управляемые выпрямители (SCR), которые по JEDEC - классификации известны также как оприодные тиристоры с обратной блокировкой. Для функционирования таких устройств характерно изменение времени подачи питания, порождаемое кремниевым выпрямителем. Если говорить конкретно, то дело в том, что после "включения" такого SCR-выпрямителя на соответствующем цикле работы даже после прекращения поступления сигнала "включение/выключение" на вентиль или при отключении последнего выпрямитель будет продолжать проводить электрический ток все время, пока анодно-катодные клеммы имеют положительное напряжение смещения. В наихудшем случае пропускания SCR-выпрямителем 60-циклового сигнала питания дополнительное время прохождения последнего будет составлять свыше 8 мс, поскольку полупериод 60-Гц волны составляет по длительности 8,33 мс.

Практика показала, что в некоторых случаях при реализации индукционного нагрева предпочтительным оказывается электроламповый генератор высокой частоты, что предопределяется его характеристической кривой по подаче питания на индуктор-нагреватель. Дополнительно следует указать, что, поскольку кремниевые управляемые выпрямители являются неотъемлемой частью переключательных силовых схем многократно повторяемого питания, при применении высокомощного электролампового генератора высокой частоты для передачи на него строго определенного количества энергии питания необходимо использование техники высокоточного управления работой таких выпрямителей.

Таким образом, на данном этапе развития техники в области индукционной закалки актуальной задачей является разработка способа и устройства, способных обеспечить более точный, чем в ныне применяемых системах, контроль времени подачи питания на выходе источника с кремниевым управляемым выпрямителем, что необходимо для высокоточного контроля сигнала питания, поступающего на индукционные нагревательные катушки.

В рамках изобретения предложена установка для индукционной закалки деталей машин при высокоточном регулировании выходной мощности питания. Такая установка включает источник переменного тока, генерирующий соответствующий сигнал питания; нуль-пересчетное детекторное средство, подключенное к упомянутому источнику питания и предназначенное для регистрации нулевых узловых точек пересечения в переменно-токовом сигнале питания с формированием соответствующего нуль-регистрационного сигнала; высокочастотный генератор, имеющий вход питания и силовой выход и генерирующий высокочастотный сигнал питания большой мощности в ответ на сигнал, поступающий на его вход; высокочастотную индукционно-нагревательную катушку, по размеру соответствующую обрабатываемому типоизделию (зубчатому колесу), связанному с выходом упомянутого генератора и генерирующую высокочастотный электрический сигнал, проходящий через нагреваемое изделие; тиристорное средство включения/выключения питания, имеющее активационный управляющий вход, вход питания, подключенный к источнику переменного тока, и силовой выход, при этом данное средство формирует переменно-токовый сигнал питания на силовом выходе в ответ на сигнал, поступающий на активационный вход; и процессорное средство, связанное с нуль-детектором и управляющим входом тиристорного силового выключателя и предназначенное для вычисления временных периодов активации, задействования указанного выключателя с подачей соответствующего управляюще-отпирающего, активационного сигнала на активационный вход, при этом указанный процессор содержит средство для ввода данных по потребному времени активации тиристоров; средство для численного определения времени задержки, так чтобы сумма времени активации и времени задержки соответствовала минимальному целому числу, умноженному на период переменно-токового сигнала питания; входное средство для приема от пользователя набираемого вручную входного сигнала по циклу старта, на который процессор реагирует, детектируя сигнал нулевого пересечения и давая временную задержку с периодом, равным тому времени задержки, которое использовалось до поступления активационного сигнала на управляющий вход, так что этот сигнал подается практически одновременно с последующим нулевым узлом упомянутого переменно-токового сигнала питания.

В другом варианте исполнения предлагаемой индукционно-закалочной установки в ее состав входят источник питания переменным током, дающий соответствующий силовой сигнал питания; фазодетекторное средство, предназначенное для регистрации определенного фазового угла переменно-токового сигнала питания и формирующее соответствующий контрольный сигнал при регистрации упомянутого определенного фазового угла; высокочастотное генераторное средство, имеющее вход питания и силовой выход и формирующее на последнем высокочастотный сигнал питания большой мощности в ответ на сигнал питания, поступающий на вход питания этого средства; высокочастотная индукционная нагревательная катушка, подсоединенная к силовому выходу питания генераторного средства и излучающая высокочастотный электромагнитный сигнал с приходом высокочастотного силового сигнала питания большой мощности; силовое средство включения/выключения питания, подключенное к шине переменно-токового сигнала питания, имеющее активационный управляющий вход и подающее переменно-токовый сигнал питания на питающий вход в ответ на прием сигнала на активационном входе; и таймерную схему, регулирующую контрольный сигнал детектора с подачей активационного, включающего сигнала заданной длительности на упомянутый активационно-управляющий вход.

Другим предметом притязаний изобретения является способ высокоточного контроля подачи энергии питания в индукционно-закалочную установку, имеющую источник питания переменным током, высокочастотный генератор с входом питания и высокочастотную индукционно-нагревательную катушку (обмотку), при этом упомянутый способ включает в себя операции регистрации определенного, заданного фазового угла переменного тока питания и подключения источника питания переменным током к питающему входу высокочастотного генератора в течение заданного периода времени в ответ на регистрацию определенного фазового угла.

В следующем варианте исполнения индукционно-закалочной установки, представляющей существо притязаний изобретения и рассчитанной на высокоточный контроль подачи питания на высокочастотную индукционную нагревательную катушку, указанная установка содержит источник питания переменным током, формирующий переменно-токовый сигнал питания; первую схему, формирующую первый рабочий сигнал в ответ на регистрацию определенного фазового угла переменно-токового сигнала питания; переключательное средство для формирования стартового сигнала (сигнала пуска) при срабатывании этого средства; вторую схему, реагирующую на одновременное наличие первого сигнала и стартового сигнала с формированием в ответ на это активационного (пускового) сигнала определенной длительности; высокочастотное генераторное средство, имеющее вход питания и используемое для формирования высокочастотного сигнала питания большой мощности в ответ на сигнал, поступающий на вход питания; и средство включения/выключения питания, подсоединенное к шине переменно-токового сигнала питания и передающее этот сигнал на высокочастотный генератор в ответ на поступление активационного сигнала заданной длительности.

Одной из целей изобретения является разработка усовершенствованной индукционной закалочной установки.

Другой целевой задачей изобретения является разработка способа более точного контроля сигнала питания, подаваемого на индукционно-нагревательные катушки индукционно-закалочной машины, для осуществления высокоточного регулирования энергопитания и соответственно нагрева зубчато-колесных деталей или изделий в процессе их поверхностного закалочного упрочнения.

Еще одной целью изобретения является разработка более точнодействующей схемы включения/выключения питания большой мощности с обеспечением в конечном итоге более точного регулирования суммарного выходного сигнала энергопитания.

Эти и другие цели изобретения поясняются более полно и наглядно по технической реализации в нижеприводимом описании предпочтительного варианта исполнения заявленной установки и способа.

На фиг. 1 представлена блок-схема базового (типового) варианта индукционно-закалочной установки, представляющей данное изобретение, где 18 - источник высокого напряжения, 16 - нуль - детектор, 12 - системный процессор, 14 - силовые переключающие схемы на базе кремниевых управляемых выпрямителей, SCR, 22 - повышающий трансформатор, 24 - фильтр-выпрямитель, 26 - осциллятор высокой энергии, 20 - высокочастотный генератор, 28 - индукционная нагревательная катушка или обмотка, VDC-вольт постоянного напряжения).

На фиг. 2 представлена временная эпюра, иллюстрирующая изменения режима кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) в активном или рабочем состоянии при различных входных условиях на вентиле этого выпрямителя.

На фиг.3 приведен сравнительный график изменения во времени силовых выходных сигналов, формируемых схемами SCR-переключения рассматриваемой установки и известных устройств-аналогов (по оси-ординат - "мощность, питание", по оси абсцисс - "время").

На фиг. 4 приведена блок-схема другого варианта индукционно-нагревательной установки изобретения, где 134 - сигнал контроля фазового угла, 118 - источник переменного тока, 112 - детектор фазового угла, 116 - одноимпульсная таймерная схема, 114 - переключательные устройства, 120 - высокочастотный генератор, 128 - индукционная нагревательная катушка, 132 - сигнал контроля длительности, 110- переустановка на нуль/пуск, SW2 - реле).

В целях более полного раскрытия изобретения ниже приводится подробное описание частных наилучших вариантов исполнения предложенных установки и способа при использовании конкретизированной к данному случаю терминологии. Данное описание не носит какого-либо ограничительного, обязательного характера, предусматривая многовариантность предлагаемого технического решения с учетом конкретных условий его реализации на практике, что достаточно понятно специалистам в рассматриваемой области техники.

На фиг. 1 представлена заявленная индукционная закалочная установка в системе исполнительных блоков, обозначенной позицией 10. Выключатель (реле) SW1 передает активационный сигнал запуска на системный процессор 12, инициализируя или запуская процесс поверхностной закалки детали, под которой в данном случае подразумевается зубчатое колесо или шестерня. Обслуживающий процессор 12 данной технической системы программируется пользователем (оператором) с определенными временными параметрами, используемыми для контролирования сигнала питания, подаваемого на индукционную нагревательную катушку или обмотку. Процессор 12 подает сигнал включения/выключения питания на переключательную схему 14 на базе кремниевого тиристорного управляемого выпрямителя (SCR). В свою очередь процессор 12 воспринимает на вход индикационный сигнал нулевого узлового пересечения амплитудой тока питания от нуль-детектора 16. Одна фаза b₁ от трехфазного (3b) источника 18 высокого напряжения подается на вход нуль-детектора 16. Высоковольтный источник питания 18 подает три фазы высокого напряжения на силовые переключательные SCR-схемы или каскады 14. Эти схемы-выключатели при срабатывании подают полуволновые или полноволновые переменно-токовые сигналы на первичные обмотки повышающего трансформатора 22. Этот трансформатор усиливает сигналы питания по переменному току b₁, b₂ и b₃ (обычно это 480-вольтовые трехфазные сигналы) до уровня по напряжению, достаточного для того, чтобы выпрямитель-фильтр 24 формировал сигнал постоянного напряжения 24000 В на его выходе.

24000-вольтовый постоянный сигнал на выходе выпрямительного фильтра 24 является источником питания электронно-лампового высокоэнергетического генератора (осциллятора) 26 высокой частоты. Выход этого генератора сопряжен по переменному напряжению (току) с индукционно-нагревательной катушкой 28 через обмотки 29. Эта катушка при возбуждении наводит в зубьях колеса 30 индукционное поле, вызывающее разогревную поверхностную закалку; все это происходит при подаче на вход катушки высокочастотного сигнала питания.

Компоненты 22, 24 и 26 системы 10 являются частью высокочастотного генератора 20, который является питающим генератором радиочастоты, обладающим большой мощностью. Высокочастотный генератор 20 - это саморегулирующая система питания стандартного образца, выпускаемая фирмой "Пилла Индастриз Инк". Генератор 20 относится к так называемому генераторному устройству высокой частоты "450/500 кВт".

Конкретная геометрия и физико-механические свойства обрабатываемой зубчатой детали 30 предопределяют в строгом смысле время включения схемы-коммутатора питания 14 системным процессором 12 для реализации потребного закалочного эффекта. В некоторых случаях время, отводимое на задействование SCR-схемы 14, относительно мало, составляя 0,10 с, что необходимо для потребного закалочного нагрева зубчатого колеса 30. С учетом этого обстоятельства вполне понятно, почему ныне применяемые индукционные установки рассматриваемого назначения, не имеющие детектора 16 нулевой точки переменно-токового сигнала питания, не способны достаточно точно задавать количество выделяемой энергии питания или общее энергопотребление индукционного нагревателя 28.

Системный процессор 12 для рассматриваемой индукционной установки в типовом случае включает ЭВМ, имеющую память соответствующего объема и необходимые вычислительные возможности, и программируемое устройство ввода типа электронно-лучевого/клавишно-панельного устройства. Дополнительно процессор 12 имеет долговременные запоминающие устройства типа гибких или жестких дисков, обращение к которым производится по соответствующим управляющим программным алгоритмам записи и вызова данных. При работе данной установки оператор программирует системный процессор 12 с помощью клавишной панели, задавая определенное время включения или время нагрева, которое необходимо точно предопределяет время, в течение которого должны находиться во включенном состоянии выключатели питания 14, пропуская фиксированное количество энергии высокочастотного сигнала питания на индукционную нагревательную катушку 28. В соответствии с программно вводимой информацией по времени включения индуктора процессор 12 будет определять дополнительное численное значение для соответствующего времени включения, которое равно разности между истинным значением времени включения и частным от деления этого значения на 8,33 мс (т.е. период 60-Гц волны). Остаток такого вычисления вычитается из 8,33 мс, образуя значение времени задержки процессором 12 после регистрации нулевого узла в 60-Гц сигнале, присутствующем на входе детектора 16 до включения (отпирания) тиристорных каскадов 14 и соответственно подачи питания на генератор высокой частоты. Время задержки определяется таким образом, чтобы конец периода включения или проводимости тиристорных (кремниевых) SCR-устройств соответствовал точно или чуть опережал нулевое пересечение в изменении амплитуды сигнала питания b₁, поступающего на вход нуль-детектора 16. Таким образом, кремниевые тиристорные выпрямительно-вентильные SCR-устройства, которые остаются в проводящем состоянии все время, пока анодно-катодные клеммы имеют положительное смещение, не будут сохранять это состояние сколь-нибудь долго после того, как на вход указанных устройств поступят от процессора 12 отключающие сигналы, блокирующие этот вход.

Из практики известно, что тиристорные выпрямительно-вентильные схемы 14 при присущих им принципах действия могут достаточно эффективно подавать полуволновый или полноволновый 3b - выходной сигнал на трансформатор 22. Если сигнал имеет полуволновый характер, поделенный параметр, о котором говорилось выше (8,33 мс), становится равным 16,67 мс, и соответственно остаток вычитается уже из этих 16,67 мс. Дополнительно следует указать, что для определения соответствующих опорных временных точек задействования полуволновой выходной SCR-схемы необходимо регистрировать нулевые узлы (точки пересечения) переменно-токового сигнала с отрицательной крутизной или наклоном. Таким образом, потребное время включения делится на 16,67, и любой остаток от этого вычитается из 16,67. Результат операции вычитания определяет период задержки, необходимой после прохождения амплитудой сигнала питания нулевого узла при отрицательной крутизне и до активации SCR-схем 14 и пропускания полуволнового сигнала на их выходы. Несмотря на то, что другие фазы (b₂ и b₃) схем 14 могут оставаться в рабочем пропускающем состоянии после отключения входа этих схем, вышеуказанный принцип действия обеспечивает точный и воспроизводимый в многократном повторении вывод питания в исполнительную часть данной установки со схем 14.

На фиг. 2 эпюрно показаны изменения в активационном или включенном состоянии кремниевого управляемого фильтр-выпрямителя SCR в зависимости от определенных условий и параметров строб-сигнала. Кривая 40 - это стандартный синусоидальный силовой сигнал питания, представляющий b₁ - фазу на входе детектора 16. Кривая 40 представляет амплитудное изменение по напряжению 60-Гц сигнала в зависимости от времени. Кривые 42 и 46 представляют сигнал, формируемый системным процессором 12 и подаваемый на отпирающий (управляющий) вход кремниево-тиристорных вентильных схем 14. Эти кривые характеризуют время отпирания (пропускания), необходимое для проведения определенного количества тепловой энергии к обрабатываемому зубчато-колесному изделию 30, подвергаемому индукционной закалке.

Схемы 14 активируются или, если быть более точным, пропускают сигнал питания на генератор 20 в точке (на временной оси абсцисс) перехода графика 42 с режима отключения во включенное состояние. В конце "времени включения" на кривой 42 (момент времени ТД) сигнал переходит из состояния "включение, пропускание" ("b-n") в состояние "отключение, запирание" ("off"). Вблизи точки пересечения графиком 40 нуля точное хронирование перехода "включено-выключено" не реализуется. Поскольку активационный сигнал, представляемый эпюрой 42, не возвращается своевременно в состояние "выключено", после пересечения нулевой отметки (оси абсцисс) в момент времени T_С сигнал питания, подаваемый на генератор высокой частоты 20 и представляемый кривой 44, остается действующим до времени T_E, которое может составлять в максимуме 8,33 мс после перехода "включено-выключено" кривой 42. Таким образом, если сигнал "включено", формируемый системным процессором 12, начинается в момент времени T_B и продолжается до момента времени T_D, общий сигнал питания, поступающий на высокочастотный генератор, будет действовать от времени T_B до времени T_E на графике с суммарным временным периодом T₂.

Для того чтобы точно контролировать подачу питания на индукционную нагревательную катушку и таким образом реализовать более точное управление процессором индукционной закалки, рассматриваемая система вычисляет временную задержку за нулевой точкой пересечения (в данном случае это момент времени T₀) для включения SCR - схем 14, так чтобы SCR - активационный сигнал, представляемый эпюрой 46, изменился с переходом из состояния "включено" в состояние "отключено" в узле нулевого пересечения графика 40 или непосредственно перед этим узлом. В частности, для исключения дополнительного временного периода "включения, пропускания" сигнал питания 44 в соотнесении со стробирующим входным сигналом по времени включения, отображенным эпюрой 42 и включающим тиристорные выпрямительные схемы SCR, системный процессор будет производить вычисление времени T₃, которое соответствует потребному времени "включения" T₁, поделенному на 8,33 мс, вычитая остаток из 8,33 мс и определяя таким образом время T₃. После этого системный процессор задерживает активацию схем 14 на период времени T₃ после нулевого пересечения, так что активационная кривая 46 задействования питания, которая в точности совпадает по длительности времени включения с кривой 42, изменяет состояние "включено" на "выключено" в момент времени T_C, который соответствует нулевому узловому пересечению кривой 40 сигнала питания.

Ввиду того что график 46 достаточно жестко взаимоувязан в момент времени T_C с нулевым пересечением, время включения и пропускания полезного сигнала схемами 14 выдерживается с высокой точностью, что соответственно предопределяет высокоточный контроль длительности подачи питания и задействования генератора высокой частоты 20 с допусками, не реализуемыми при одном лишь использовании SCR-схем по традиционному принципу их применимости. Это в конечном итоге обеспечивает приемлемо точное регулирование количества энергии, подводимой к индукционной нагревательной катушке 28. Таким образом, представляется возможность высокоэффективно использовать электронно-ламповый генератор высокой частоты, который более предпочтителен с практической точки зрения по сравнению с генераторами твердотельного, полупроводникового типа, обеспечивая высокоточное "дозирование" в подаче сигнала питания и соответственно потребное по уровню контролируемости подведение энергии питания к индукционному нагревателю 28.

Следует отметить, что хотя на фиг. 2 представлена только одна фаза (b₁) источника питания 18, в данной системе, как очевидно для специалистов, используются три фазы (3b), смещенные на 120^o. Таким образом, после времени T_C при действии активационного строб-сигнала, представленного эпюрой 46, две другие фазы (b₂ и b₃) источника питания 18 будут давать дополнительное фиксированное "количество" сигнала питания. Но при всех условиях дополнительное питание, даваемое другими двумя фазами, будет строго постоянным по величине, поскольку дезактивационный (блокирующе-отключающий) сигнал действует в строго определенное время в жесткой синхронизации между фазами питания. Это предпосылочное обстоятельство предопределяет воспроизводимость повторимость циклов подачи энергии к закаливаемому изделию 30 системой 10, что обуславливается в первую очередь строго фиксированным временным распределением (по отношению к одной фазе) моментов включения и отключения трехфазного источника питания.

На фиг. 3 представлен график распределения выходной мощности генератора 20 высокой частоты. Максимальная выходная мощность генератора 20, отображенная кривой 50, может регулироваться по амплитуде (по ординате), принимая более высокие или низкие мгновенные значения. Вариация времени "включения", отраженная на графике моментами T₁ и T₂ по оси абсцисс, является результатом функционирования кремниевых управляемых выпрямительно-вентильных схем SCR. Если эти схемы остаются во включенно-пропускающем состоянии в течение отрезка времени T₂-T₁, который представляет собой потребное время включения питания, к нагревательной катушке 28 в дополнение к фактически потребной энергии питания, которая интегрально определяется незаштрихованной частью под кривой 50, доходя до конца временного интервала T₁, подводится энергия, отображенная заштрихованной частью 52. Эта дополнительная энергия питания индуктора 28 вызывает перегрев обрабатываемой детали 30.

Следует отметить, что временные приращения на фиг. 3 показаны для максимального случая, в частности, когда время "включения" T₁ при осуществлении процесса закалки составляет порядка 0,10 с. Максимальная разность между временными приращениями периода T₂ и T₁ может составлять 8,33 мс и таким образом энергия дополнительного питания, представленная площадью 52, может составлять максимум 8-10% от той потребно-суммарной энергии, которой запитывается индукционная нагревательная катушка 28 при условии, что для этого используется 0,10-секундный сигнал питания. Другим примечательным фактом является то, что после расчетного нагрева зубчато-колесной детали 30 появление дополнительного времени нагрева, отображенного заштрихованной зоной 52, может существенным образом увеличить тепловыделение в обрабатываемой детали, поскольку теплопроводящие свойства ее материала имеют нелинейный характер, что в конечном итоге будет приводить в передаче тепла на большую, чем это необходимо, глубину после номинального нагрева по поверхности детали. Таким образом, регулирование подачи питания на индукционную нагревательную катушку 28 с помощью рассмотренной техники является крайне желательной, а по существу - необходимой мерой.

На фиг.4 структурно представлен другой вариант исполнения индукционно-нагревательной системы (позиция 110) изобретения. Выключатель SW2 при срабатывании формирует сигнал переустановки на нуль/пуска. Этот сигнал поступает на одноимпульсную таймерную схему 116. Источник питания 118 подает переменно-токовый сигнал на детектор 112 фазового угла и устройства 114 включения/выключения питания. Детектор 112 формирует последовательность импульсов, поступающих на вход одноимпульсной таймерной схемы 116. Каждый импульс от детектора 112 соответствует регистрации определенного (заданного) фазового цикла переменно-токового сигнала питания, поступающего от источника питания 118. После приема переустановочно-пускового сигнала от реле SW2 таймерное устройство 116 запускается триггерно следующим импульсом от детектора 112, формируя импульс или сигнал, имеющий заданную длительность. Импульс заданной длительности задействует переключающие устройства 114. Таким образом, начало нагревательного цикла при замыкании реле SW2 задерживается до тех пор, пока детектор 112 не зарегистрирует определенный фазовый угол. По своему функциональному назначению детектор 112 является по существу пороговым регистратором заранее предопределенного силового сигнала, идущего от источника питания 118.

Как и в предыдущем варианте установки, высокочастотный генератор 120 воспринимает сигнал питания от переключательных устройств 114, генерируя в ответ на это высокочастотный сигнал большой мощности, подаваемый на индукционную нагревательную катушку 128 через обмотки 129. Обмотки 129 обеспечивают импедансное сопряжение между выходом генератора высокой частоты 120 и индуктором-нагревателем 128. Установка способна работать от однофазного или многофазного источника питания.

Фазоугловой детектор 112 выполняется на основе трехфазноуглового контроллера модели NTDA 1185A, выпускаемого фирмой "Моторола Инкорпорейтид ов Фоеникс", США. Этот контроллер является программируемым и при работе формирует выходной сигнал, соответствующий детектированию заданного фазового угла переменно-токового сигнала. Этот заданный фазовый угол изменяется контроллером TDA 1185A в соответствии с задаваемым извне напряжением, представляющим желаемый угол проводимости (см. литературу, касающуюся управляющих сигналов). Ввиду того что устройство TDA 1185A осуществляет детектирование углов только на положительном полупериоде синусоидального сигнала, при необходимости регистрации углом на отрицательном полупериоде может быть использован инвертирующий операционный усилитель, располагаемый функционально между источником переменного тока и детектором 112 фазового угла и осуществляющий инвертирование действующего переменного сигнала с формированием входного сигнала на фазоугловом детекторе 112 так, чтобы можно было осуществлять активацию (перевод в пропускающее состояние) тиристорных вентилей на отрицательном полупериоде синусоидального сигнала.

Сигнало-импульсная таймерная схема 116 выполняется на основе серийной мультивибраторной триггерной моностабильной интегральной схемы типа 72 LS 123, производимой фирмой "Тексас Инструментс". Эта интегральная схема представляет собой пороговое триггерное устройство, что позволяет использовать импульсы, формируемые фазоугловым детектором 112, для инициализации формирования выходного импульса на таймерной схеме 116. Сигнал, создаваемый выключателем SW2, используется как ретриггерный, запускающий и воспроизводящий строб-сигнал для таймерной схемы 116. Поскольку интегральная схема 74 LS 123 способна (при соответствующей структурной конфигурации) генерировать выходной импульс с длительностью от менее чем 1 мс и до очень больших значений, таких как часы, комбинации фазоуглового детектора 112 и таймерной схемы 116 обеспечивают неограниченный по диапазону контроль временных функций, необходимых для задействования силовых переключателей 114 в соответствии с ранее рассмотренными условиями для подачи сигнала питания определенной длительности на высокочастотный генератор 120.

Побочные сигналы контроля, показанные пунктирными линиями 132 и 134, реализуют селекцию фазового угла и задают ширину импульсов, поступая на детектор и схему 116 соответственно. В частности, сигнал контроля фазового угла, передаваемый по цепи 134 и поступающий на вход детектора 112, несет информацию по селекции указанного угла на детекторе 112. В ответ на сигнал, поступающий по цепи 134, детектор 112 формирует выходной импульс, соответствующий по времени появлению потребного фазового угла. В свою очередь контрольный сигнал по длительности, поступающий по цепи 132, задает временную длительность (ширину) импульса, генерируемого схемой 116. Этот сигнал обычно передается через потенциометрическое/емкостное звено, входящее в состав линии 132 и дающее затухающий сигнал, характерный для таких цепей.

Устройство 110, представленное на фиг. 4, включает несколько функциональных блоков и элементов, которые идентичны блокам и элементам устройства 10, показанного на фиг. 1. В частности, источник переменно-токового питания 118 соответствует трехфазному источнику 18 высокого напряжения; силовые переключательные устройства 114 соответствуют по функциональному назначению выпрямительно-вентильным переключающим схемам 14 (SCR-схемы); генератор высокой частоты 120 аналогичен генератору 20; индукционная нагревательная катушка 128 - это то же, что и катушка 28; и, естественно, зубчатое колесо 130 идентично колесно-зубчатому изделию 30. В качестве силовых переключателей в блоке 114 используются кремниевые управляемые выпрямители (SCR).

В смысле функционирования данной системы регулирования (т.е. системы, представленной инвариантно на фиг. 1 и 4) следует указать следующее. Импульсы, формируемые на выходе фазоуглового детектора 112, согласованы по времени с заданным фазовым углом переменно-токового сигнала, что соответствует на схеме фиг. 2 моменту времени T_B. В свою очередь выходной импульс, генерируемый таймерной схемой 116, соответствует времени T₂. В целом предложенная система устраняет трудности, связанные с обеспечением достаточно точного по времени подключения к индуктору источника переменного тока и высокоточного контроля выходного питания, что в варианте системы, представленном на фиг. 1, реализуется за счет использования временной задержки после нуль-пересечения и напряжении тока питания для определения времени включения силового сигнала, а в варианте фиг. 4 - за счет регистрации определенного фазового угла для определения временной точки, когда необходим запускающий сигнал для активации переключателей выходного питания индуктора. В обоих вариантах данной системы регулирования перед активацией указанных переключателей производится локализация или детектирование определенной временной опорной точки в переменно-токовом сигнале питания, что используется для формирования активационного строб-сигнала, который будет затухать до или одновременно с последующим нулевым пересечением силового сигнала так, что силовые переключательные устройства будут отключаться в точно заданное время, обычно в нуль-узле, что характерно для большинства тиристоров.

В альтернативном варианте предусматривается возможность использования фазоуглового детектора 112 и таймерной схемы 116 в составе микропроцессора на основе контроллера (не показано), в котором применяется преобразователь переменного тока в постоянный (не показан) для регистрации амплитуды (которая соответствует фазовому углу) сигнала от источника 118. Далее предусматривается использование средств для задания потребного значения регистрируемого фазового угла и контроля ширины импульса управления, подаваемого на устройства 114 включения/выключения питания.

В заключении следует отметить, что рассмотренные частные варианты изобретения являются сугубо иллюстрационными, не ограничивая области изобретательских притязаний заявляемого технического решения, полный объем существенных признаков отражен в формуле изобретения.

Индукционно-закалочная установка для поверхностного упрочнения деталей машин типа зубчатых колес, включающая в себя схему регистрации фазового угла, которая формирует импульс при каждой регистрации определенного фазового угла переменно-токового сигнала. Импульс, формируемый фазовым детектором, подается на вход схемы, с которым связано пусковое реле, для срабатывания этой схемы требуется, чтобы на нее поступил упомянутый импульс и одновременно сработало пусковое реле, в результате чего формируется выходной импульс-сигнал определенной ширины. От этого импульс-сигнала задействуются соответствующие устройства, включающие-выключающие силовое питание и подающие соответствующий рабочий сигнал на генератор высокой частоты, питающий индукционную нагревательную катушку. За счет высокоточного регулирования входного сигнала высокочастотного генератора реализуется полностью контролируемый индукционный нагрев. 5 с. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Индукционная установка для поверхностной закалки зубчато-колесных деталей, содержащая источник питания переменного тока, высокочастотный генератор, к выходу которого подключена высокочастотная индукционно-нагревательная катушка, отличающаяся тем, что установка снабжена подключенным к источнику питания переменного тока детекторным средством нуль-пересечения, тиристорным силовым переключающим средством, вход питания которого подсоединен к источнику питания переменного тока, выключателем и процессорным средством, содержащим средство, определяющее точное время включения тиристорного силового переключающего средства, средство для вычисления времени задержки и входное средство для приема сигнала запуска от выключателя, при этом процессорное средство функционально связано с детекторным средством нуль-пересечения и входом включения тиристорного силового переключающего средства, подающего сигнал от источника питания переменного тока на питающий вход высокочастотного генератора. 2. Способ высокоточного контроля закалки зубчато-колесной детали с помощью индукционно-нагревательной установки, содержащей источник питания переменного тока, высокочастотный генератор, к выходу которого подключена высокочастотная индукционно-нагревательная катушка, детекторное средство нуль-пересечения, подключенное к источнику питания переменного тока, тиристорное переключающее средство подачи питания, переключатель и процессорное средство, содержащее средство, определяющее точное время включения тиристорного силового переключающего средства, при котором формируют пусковой сигнал при включении переключателя, отличающийся тем, что вычисляют время задержки как функцию пускового сигнала, определяют нуль-пересечение источника питания переменного тока и подают пусковой сигнал на вход включения тиристорного силового переключающего средства, подающего сигнал от источника питания переменного тока на питающий вход высокочастотного генератора. 3. Индукционная закалочная установка, содержащая высокочастотное генераторное средство, источник питания переменного тока, высокочастотную индукционно-нагревательную катушку, подсоединенную к выходу высокочастотного генераторного средства, отличающаяся тем, что установка снабжена фазодетекторным средством, предназначенным для регистрации определенного фазового угла сигнала от источника питания переменного тока, силовым переключающим средством, подсоединенным к источнику питания переменного тока, и таймерной схемой синхронизации, реагирующей на выходной сигнал фазодетекторного средства и подающей сигнал включения на вход силового переключающего средства. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что силовое переключающее средство является тиристорным выключателем питания. 5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что содержит переключающее средство, формирующее пусковой сигнал на вход таймерной схемы синхронизации. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что таймерная схема синхронизации выполнена в виде триггерно-запускаемого моностабильного мультивибраторного устройства. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что высокочастотная индукционно-нагревательная катушка имеет размеры, соответствующие размерам металлической детали, подвергаемой поверхностной закалке. 8. Способ высокочастотного регулирования подачи силового питания на индукционно-закалочную установку, содержащую источник питания переменного тока, генератор высокой частоты, переключающее средство и высокочастотную индукционно-нагревательную катушку, отличающийся тем, что осуществляют следующие шаги: формируют первый сигнал в ответ на регистрацию заданного фазового угла сигнала от источника питания переменного тока, формируют определенную длительность сигнала включения в ответ на одновременное наличие первого сигнала и пускового сигнала переключающего средства и пропускают сигнал от источника питания переменного тока к выходу высокочастотного генератора в ответ на моноимпульсный сигнал включения определенной длительности. 9. Индукционно-закалочная установка с высокочастотным регулированием подачи питания на высокочастотную индукционно-нагревательную катушку, содержащая источник питания переменного тока, высокочастотное генераторное средство, отличающаяся тем, что установка содержит первую электрическую схему, формирующую первый сигнал в ответ на регистрацию заданного фазового угла источника питания переменного тока, переключающее средство, формирующее пусковой сигнал, вторую электрическую схему, реагирующую на одновременное наличие первого и пускового сигнала и формирующую моноимпульсный сигнал включения определенной длительности, силовое переключающее средство, подключенное к источнику питания переменного тока и пропускающее сигнал питания по переменному току к высокочастотному генераторному средству в ответ на упомянутый сигнал, сформированный второй электрической схемой. 10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что вторая электрическая схема снабжена входом повременной длительности, при этом моноимпульсный сигнал включения определенной длительности варьируется по длительности в соответствии с сигналом, поступающим на вход переменной длительности. 11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что первая электрическая схема снабжена входом фазоугловой селекции и формирует первый сигнал в соответствии со значением фазового угла, определенным по сигналу, появляющемуся на входе фазово-угловой селекции. 12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что содержит средство для подачи контрольного задающего сигнала по фазовому углу на вход фазоугловой селекции. 13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что содержит средство для подачи контрольного сигнала по длительности на вход временной длительности. 14. Установка по п.13, отличающаяся тем, что высокочастотное генераторное средство формирует выходной сигнал в радиочастотном диапазоне.