Способ и устройство воздушного канального охлаждения индукторных систем для магнитно-импульсной обработки материалов Российский патент 2024 года по МПК B21D26/14 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для серийного и массового изготовления деталей или сборки элементов в различных отраслях машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности.

Индуктор является основным инструментом магнитно-импульсной обработки металлов (МИОМ).

В научно-технической литературе различают три основных типа индукторов для магнитно-импульсной обработки (штамповки, сварки или сборки): индукторы на обжим, на раздачу и для плоской штамповки, - основным элементом которых является токопроводящая спираль (токопровод), выполняемая из материала с высокой электропроводностью путем ее точения или навивки (И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко «Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов», Харьков, издательство при Харьковском государственном университете издательского объединения «Вища школа», 1977 г., стр. 140-144, рис. 75-79; В.А. Глущенков, «Индукторы для магнитно-импульсной обработки материалов» учеб. пособие / - Самара: Учеб. лит., 2013. - 146 с.).

Главный недостаток данных индукторов в том, что, преимущественно, они находят применение в мелкосерийном производстве поскольку даже при небольших энергиях однократного разряда магнитно-импульсной установки (МИУ), скин-слой материала токопровода индуктора может нагреваться до высоких температур. Это приводит к последующему значительному нагреву всего объема материала токопровода индуктора и его изоляции. При эксплуатации индукторов в условиях серийного производства изделий, нагрев материала токопровода, его межвитковой изоляции, а также корпусных элементов индуктора существенно влияет на допустимую частоту следования импульсов разряда и на ресурс работы индукторных систем. В условиях интенсивной эксплуатации многовитковых индукторов происходит их быстрый выход из строя из-за электрического пробоя межвитковой изоляции. Поэтому создание способов и устройств для охлаждения индукторов для МИОМ, с возможностью их эксплуатации в серийном производстве, является актуальной задачей. Для серийного производства главным фактором оценки работоспособности индуктора при МИОМ является скорость охлаждения витков индуктора.

Известны конструкторские решения воздушного охлаждения индукторов и способы их работы: одновитковый индуктор с отводом тепла с боковой, нерабочей поверхности токопровода; плоский индуктор с отводом тепла его обдувом воздухом с нерабочей стороны индуктора (В.А. Глущенков, И.В. Зверев, В.И. Песоцкий, «Основные направления совершенствования индукторов для магнитно-импульсной обработки. Повышение их прочности и ресурса» // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2021. - Т. 23. - №6. - С. 67-71).

Недостатком является то, что токопровод индуктора для магнитно-импульсной обработки материалов необходимо монтировать в специальном корпусе, который, кроме высоких электрических показателей, должен иметь достаточную толщину - для механической прочности. Это затрудняет охлаждение токопровода индуктора за счет теплопередачи от токопровода на корпус и его последующего конвективного или принудительного внешнего охлаждения обдувом воздухом.

Известен охлаждаемый индуктор с полым токопроводом, по которому прокачивается охлаждающая жидкость и его способ работы (патент SU 314386 A1, B21D 26/14, опубл 20.02.2008).

Недостатком этого устройства является требование высокой степени герметичности всей системы охлаждения индуктора, работающего в условиях больших динамических нагрузок. Нарушение герметичности соединений или спирали токопровода индуктора в процессе разряда приведет к остановке технологического процесса (прекращение охлаждения индуктора), а также к возможным серьезным последствиям вследствие попадания жидкости на электрические элементы МИУ или иного используемого в серийном производстве вспомогательного оборудования.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является охлаждаемый индуктор и способ его работы (патент SU 633197, опубл 20.02.2008), который содержит корпус с токоведущей спиралью и прилегающую к ней охлаждающую полость, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсификации охлаждения, он снабжен установленной на торце корпуса вихревой трубой, соединенной с одного конца с источником создания сжатого воздуха, а с другого - с охлаждаемой полостью индуктора.

Недостатком этого устройства является сложность обеспечения интенсивного протекания, охлажденного в вихревой трубе воздуха по длинным и узким охлаждающим каналам, поскольку давление охлажденного воздуха на выходе из вихревой трубы к давлению на входе, на эффективных режимах работы, менее 1/8 (А.П. Меркулов, «Вихревой эффект и его применение в технике». - Москва: Машиностроение, 1969 г., стр 17), т.е. не более 0,1 МПа, при давлении на входе 0,6…0,8 МПа в обычных заводских сетях сжатого воздуха. Это не позволяет обеспечить интенсивное охлаждение токопровода индуктора в условиях серийного производства.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка индуктора с повышенным ресурсом и способа его работы при обеспечении требуемого рабочего температурного режима в условиях серийного производства.

Техническим результатом является повышение ресурса работы индуктора в условиях интенсивной эксплуатации, за счет увеличения эффективности внутри канального воздушного охлаждения токопровода (спирали) индуктора.

Технический результат достигается за счет того, что в способе воздушного канального охлаждения индукторных систем для магнитно-импульсной обработки материалов, заключающемся в использовании вихревой трубы для охлаждения, саму вихревую трубу оснащают эжектором и устанавливают внутри корпуса индуктора, причем сжатый воздух подают на вход вихревой трубы, из которой часть воздуха поступает в канал охлаждения токопровода через выходной штуцер вихревой трубы, а другая часть воздуха в вихревой трубе, нагретая от корпуса индуктора, поступает на высоконапорный вход эжектора, при этом эжектор также имеет входной низконапорный штуцер из канала охлаждения токопровода, причем низконапорный штуцер и высоконапорный вход эжектора связаны общей полостью, за счет возникающего в эжекторе разряжения осуществляют откачку из канала токопровода через входной низконапорный штуцер.

Технический результат достигается и за счет того, что в устройстве воздушного канального охлаждения индукторных систем для магнитно-импульсной обработки материалов, содержащем корпус с полой токоведущей спиралью и вихревую трубу, вход которой соединен с источником сжатого воздуха, а выход охлажденного воздуха соединен с входом в полость спирали, к вихревой трубе прикреплен эжектор, высоконапорный вход которого соединен с выходом нагретого воздуха из вихревой трубы, а низконапорный вход эжектора соединен с выходом из полости спирали токопровода.

В этом случае, за счет использования энергии нагретого потока на выходе вихревой трубы, возникает частичное вакуумирование на выходе, т.е. увеличивается перепад давления на входе и выходе из охлаждающей полость. При прочих равных условиях (давлении на входе, геометрических параметрах вихревой трубы и т.п.) увеличивается скорость и массовый расход охлажденного воздуха, протекающий по каналу охлаждения токопровода индуктора.

Схемы устройства охлаждения индукторов для магнитно-импульсной обработи материалов представлены на чертежах:

фиг. 1 - индуктор на обжим;

фиг. 2 - индуктор на раздачу;

фиг. 3 - плоский индуктор;

фиг. 4 - схема вихревой трубы совмещенной с эжектором, устанавливаемой внутри корпуса индуктора или вне его.

Устройство (фиг. 1-3) содержит токопровод (спираль) 1 с внутренним каналом, токоподводы 2 к МИУ, корпус (бандаж) 3 индуктора, вихревую трубу 4, эжектор 5.

Используемая в устройстве вихревая труба (4), совмещенная с эжектором (5) содержит: 6 - камера расширения вихревой трубы, 7 - закручивающее устройство, 8 - входной штуцер вихревой трубы, 9 - выходной штуцер охлажденного воздуха, 10 - входной (низконапорный) штуцер эжектора, 11 - корпус эжектора, 12 - высоконапорный вход эжектора (сопло эжектора на которое подается нагретый воздух из вихревой трубы).

Все элементы вихревой трубы (4) и эжектора (5) могут быть выполнены из неэлектропроводных материалов. Диаметр камеры расширения (6) вихревой трубы (4) может быть менее 10 мм. В вихревой трубе (4) и в эжекторе (5) нет подвижных элементов, и они не требуют обслуживания. Поэтому, при достаточных размерах корпуса (3) индуктора, они могут быть смонтированы внутри корпуса вблизи токопровода (1) и токоподводов (2) (фиг. 1-3), но при малых размерах корпуса индуктора - могут размещаться рядом.

Способ осуществляется за счет использования устройства, которое работает следующим образом.

Накопитель энергии МИУ заряжается до заданного уровня, а затем по команде оператора (или в автоматической режиме) через токоподводы (2) разряжается на индуктор. По токопроводу (1) индуктора протекает импульсный ток высокой плотности. Это приводит к выделению большого количества тепла от омического нагрева. При серийном производстве (при отсутствии охлаждения), с каждым импульсом вследствие повышения температуры возрастает удельное электрическое сопротивление материала токопровода (1, 2). Это приводит к дополнительному повышению температуры токопровода (1, 2) и изоляции. Поэтому для стабилизации температуры нагрева на допустимом (заданном) уровне, с момента начала работы МИУ подается сжатый воздух на вход (8) вихревой трубы (4). Охлажденный воздух из вихревой трубы (4) по каналам (или трубкам) внутри корпуса (3) поступает на выходной штуцер (9) в канал охлаждения токопровода (1, 2). Одновременно нагретый поток воздуха с противоположного конца вихревой трубы (4) подается на высоконапорный вход (12) эжектора (5). За счет возникающего в эжекторе (5) разряжения происходит откачка воздуха из канала токопровода. Вследствие этого интенсифицируется протекание охлаждающего воздуха по каналу токопровода (1, 2). Это позволяет при большой длине и малом проходном сечении канала (лимитируемого механической прочностью токопровода) обеспечить достаточно высокую скорость движения воздуха и, соответственно, достаточно большой его секундный массовый расход. Это обеспечивает более высокий (чем у вихревой трубы без эжектора) теплоотвод от токопровода и меньшее время, определяющее длительность цикла разрядов МИУ при выполнении большого числа однотипных технологических операций магнитно-импульсной обработки материалов.

Массовым расходом воздуха через вихревую трубу и, соответственно, длительностью цикла разрядов МИУ можно варьировать изменением давления на входе.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для серийного и массового изготовления деталей или сборки элементов в различных отраслях промышленности. Для охлаждения индуктора для магнитно-импульсной обработки используют установленную внутри корпуса (3) индуктора вихревую трубу (4) с прикрепленным к ней эжектором (5). Эжектор (5) имеет связанные общей полостью высоконапорный вход и входной низконапорный штуцер, который соединяют с выходом канала для охлаждения спирали (1) индуктора. На вход вихревой трубы (4) от соединенного с ним источника подают сжатый воздух. Обеспечивают поступление охлажденного воздуха из вихревой трубы (4) на вход канала для охлаждения спирали (1) через выходной штуцер вихревой трубы, а воздуха, нагретого в вихревой трубе, - на высоконапорный вход эжектора (5) с получением в эжекторе разрежения. В результате обеспечивается повышение ресурса работы индуктора. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ воздушного охлаждения индуктора для магнитно-импульсной обработки, выполненного с корпусом и токопроводом в виде спирали, имеющей канал для охлаждения, отличающийся тем, что используют установленную внутри корпуса индуктора вихревую трубу с прикрепленным к ней эжектором, имеющим связанные общей полостью высоконапорный вход и входной низконапорный штуцер, который соединяют с выходом канала для охлаждения спирали, при этом на вход вихревой трубы от соединенного с ним источника подают сжатый воздух, обеспечивают поступление охлажденного воздуха из вихревой трубы на вход канала для охлаждения спирали через выходной штуцер вихревой трубы, а воздуха, нагретого в вихревой трубе, - на высоконапорный вход эжектора с получением в эжекторе разрежения, за счет которого осуществляют откачку воздуха из канала для охлаждения спирали через входной низконапорный штуцер.

2. Устройство для воздушного охлаждения индуктора для магнитно-импульсной обработки, выполненного с корпусом и токопроводом в виде спирали, имеющей канал для охлаждения, отличающееся тем, что оно содержит выполненную с возможностью установки внутри корпуса индуктора вихревую трубу с прикрепленным к ней эжектором, имеющим связанные общей полостью высоконапорный вход и входной низконапорный штуцер, при этом вихревая труба выполнена с входом, соединенным с источником сжатого воздуха, с выходным штуцером, имеющим возможность соединения с входом в канал для охлаждения спирали для поступления в него из вихревой трубы охлажденного воздуха, и с выходом нагретого в вихревой трубе воздуха, соединенным с высоконапорным входом эжектора, входной низконапорный штуцер которого выполнен с возможностью соединения с выходом из канала для охлаждения спирали.