Исследование характеристик индукционного нагрева подшипников электрических машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОДШИПНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Сологуб Николай Прохорович, кандидат наук, профессор, профессор

Морской Государственный Университет им. адм. Г.И. Невельского

В работе исследуются процессы индукционного нагрева при помощи "гибкого индуктора" подшипников электрических машин на примере подшипника №315.

При некоторых неисправностях электродвигателей необходим демонтаж таких узлов, как подшипники, втулки, муфты, шестерни и т.д. После ремонта или замены таких деталей для насаживания их на вал, т.е. перед монтажом, эти детали должны быть нагреты до температуры не менее 90 °С.

В настоящее время существует несколько способов нагрева деталей, таких, как нагрев в баке, наполненном трансформаторным маслом, ацетиленовой горелкой или электроподогревателем. Подшипники нагревают также с помощью специального трансформатора с разъемным магнитопроводом. В качестве вторичной обмотки трансформатора используют кольца подшипника, установленные на сердечник [1].

Наиболее прогрессивным следует считать метод индукционного нагрева с помощью гибкого индуктора [2, 3]. При помощи гибкого индуктора можно нагревать подшипники любых размеров, бандажные кольца, различные втулки, муфты, шестерни и т.п. Этот метод весьма прост в применении, не требует громоздкого, дорогого и специального оборудования и одновременно является безопасным для человека и судна в целом. Индукционный нагрев при помощи гибкого индуктора позволяет довольно быстро получить высокую температуру нагрева, более 100 °С. Это является необходимым условием технологически правильного монтажа детали на вал, при этом можно добиться равномерного нагрева всей детали путем равномерного расположения индуктора по всему периметру детали. При таком способе нагрева можно легко менять степень нагрева, его интенсивность путем изменения количества витков и их длины. Также одним из немаловажных факторов является тот, что после нагрева до требуемой температуры деталь остается сухой и чистой, что в свою очередь позволяет без особых усилий нанести смазку на разогретую деталь.

В настоящей работе проводится исследование индукционного нагрева с использованием гибкого индуктора подшипников электрических машин на примере подшипника № 315.

Постановка эксперимента

В качестве образца для нагрева индукционным методом с использованием гибкого индуктора был выбран подшипник № 315. Данная деталь, изображенная на рисунке 1, имеет следующие обозначения и размеры:

мм -- внешний диаметр подшипника,

мм -- внутренний диаметр подшипника,

мм -- толщина колец подшипника,

мм - высота подшипника.

Рисунок 1. Общий вид подшипника

Для нагрева подшипника был выбран кабель КНР 3ґ1,5 длиной 4,4 метра. Было намотано число витков w = 16 при длине одного витка l_в = 200 мм. Причем, при особой коммутации трех жил кабеля, показанной на рисунке 2, количество реальных витков увеличивается в три раза.

Рисунок 2. Способ коммутации жил кабеля

Для обеспечения успешного нагрева детали использован разделительный трансформатор с регулируемым напряжением на вторичной обмотке. Контроль температуры нагрева поверхности детали осуществлялся с помощью прибора КСМ2 -- 019. Схема включения измерительных приборов для контроля нагрева методом индукционного нагрева с помощью гибкого индуктора показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема включения приборов

Первоначальный нагрев производился на открытом воздухе при следующих измеряемых величинах: I -- ток в обмотке индуктора, U -- напряжение на обмотке, P -- мощность индуктора, E -- ЭДС в контрольных витках.

Число витков

,

где -- число жил в кабеле, -- число витков кабеля, витков.

Для экспериментального определения индукции в данном образце было сделано шесть контрольных витков для измерения ЭДС, наводимой магнитным потоком, который замыкается в стали подшипника.

Заметим, что обмотка индуктора накладывается равномерно по всему подшипнику для равномерного распределения магнитной индукции в образце, а, следовательно, для равномерного нагрева детали.

Способ наложения индуктора на деталь показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Способ наложения индуктора

Экспериментальные результаты

Во время нагрева подшипника были сняты промежуточные данные параметров нагрева, которые сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Экспериментальные данные нагрева подшипника

Заметим, что полную мощность выделения можно разделить на две составляющие: мощность, выделяемую в стали, и мощность, выделяемую в обмотке, т. е.

. (1)

Потери в обмотке можно определить следующим образом:

, (2)

где I -- ток в цепи, -- сопротивление кабеля.

, (3)

где -- удельное сопротивление медного провода, l -- длина обмотки, S -- сечение одной жилы кабеля, мм².

, (4)

где м -- длина кабеля, -- число жил в кабеле.

По формуле (3) определяем сопротивление кабеля

Ом.

Далее определяем потери в обмотке индуктора по формуле (2) для каждого значения тока из таблицы 1. Результаты сносим в таблицу 2.

Из формулы (1) определяем потери, выделяемые в стали:

. (5)

Результаты вычислений заносим в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты вычислений

По результатам, занесенным в таблицу 2, построим график распределения выделяемой мощности в зависимости от тока нагрузки (рисунок 5).

Рисунок 5. График распределения потерь

В связи с тем, что значения магнитной индукции в зависимости от напряженности поля для стали подшипника в справочной литературе не были найдены, то этот расчет необходимо сделать, используя полученные экспериментальные данные. Сразу сделаем допущение, что магнитный поток не замыкается через сепарацию подшипника, тогда площадь подшипника, через которую проходит магнитный поток, состоит из площадей двух колец подшипника, т. е.

;. (6)

В общем случае площадь сечения находится из формулы:

, (7)

где B' -- высота подшипника, h -- толщина кольца подшипника.

Отсюда находим:

м²,

тогда из формулы (6) находим

м².

Для определения индукции В в образце воспользуемся формулой

. (8)

, (9)

где Е -- ЭДС, наводимая магнитным потоком в контрольных витках, f -- частота сети, S -- площадь сечения колец подшипника, w_k -- число витков, наложенных для определения индукции.

Тл.

При нагреве подшипника № 315 в открытом пространстве температура нагрева устанавливается на уровне Т = 44 °С. Этой температуры явно недостаточно для монтажа на вал электродвигателя. Одним из вариантов более действенного нагрева может служить помещение данной детали в изолированное пространство для уменьшения потерь тепла при нагреве образца. Таким изолятором может являться обычная коробка из пенопласта. В такую коробку и был помещен подшипник для повторного разогрева. Размеры своеобразного теплого ящика следующие: высота -- 200 мм; ширина -- 300 мм; длина -- 330 мм; толщина стенок -- 20 мм.

Нагрев производился при следующих параметрах: I = 11,2 А; U = 5,0 В; Р = 40 Вт; общее число витков n = 48, то есть параметры такие же, как и при нагреве на открытом воздухе.

Результат второго нагрева показал хорошие результаты. До температуры Т = 100 °С подшипник нагрелся за 150 минут, и температура продолжала расти практически в линейной зависимости от времени. Заметим, что всего этого мы достигли при небольших затратах электроэнергии.

Результаты нагрева подшипника № 315 в открытом пространстве, в изолирующей пенопластовой коробке, а также прямая температуры окружающего воздуха наглядно изображены на рисунке 6.

Потери в стали состоят из потерь на гистерезис, определяемых по формуле:

, (10)

где и -- коэффициенты, зависящие от сорта материала, В_m -- амплитуда магнитной индукции, f -- частота сети, а также из потерь от вихревых токов, определяемых по формуле:

, (11)

где a -- толщина материала, -- плотность стали, -- удельное сопротивление стали.

Рисунок 6. Кривая нагрева подшипника в различных средах: 1 -- прямая температуры окружающей среды, 2 -- кривая нагрева в открытом пространстве, 3 -- кривая нагрева в теплом ящике

деталь трансформатор индуктор температура

Потери в стали на гистерезис пропорциональны квадрату магнитной индукции, а потери за счет вихревых токов пропорциональны квадрату частоты, магнитной индукции и толщины материала. С учетом того, что индукция в экспериментальном образце невелика, а толщина колец подшипника большая, можно сделать вывод, что основной нагрев детали происходит за счет вихревых токов, наводимых в стали магнитным потоком.

На основании проведенного исследования могут быть получены необходимые данные для нагрева подшипников № 315. Результаты исследований могут быть рекомендованы, в частности, судоремонтным предприятиям и организациям, занимающимся ремонтом судового оборудования.

Список литературы

1. Виноградов Н.В. Ремонт крупных электрических машин: Учеб. пособие для повышения квалификации рабочих на производстве. М.: Высшая школа, 1971. - 176 с.

2. Сологуб Н.П. «Гибкий индуктор». Свидетельство Роспатента полезную модель № 1591 от 16.01.96г.

3. Сологуб Н.П. Методика расчета "Гибкого индуктора": Учебное пособие. - Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2007. - 26с.: ил. - Рекомендовано ДВ РУМЦ

Размещено на Allbest.ru