Исследование влияния зазора при индукционном нагреве тел вращения сложной формы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАЗОРА ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Н.Н. Клочкова

А.В. ОбуховаКлочкова Наталья Николаевна - к. т. н., доцент.

Обухова Алла Васильевна - к. т. н., доцент.

Многообразие применяемых в настоящее время конструктивных решений индукторов для нагрева осесимметричных изделий обусловлено широким спектром технологических процессов, включающим индукционный нагрев, высокими требованиями к качеству процесса нагрева и отсутствием универсального способа достижения требуемых результатов.

Одним из распространенных вариантов конструкции индуктора для нагрева цилиндрических изделий является однослойный индуктор с равномерным шагом намотки. Основной недостаток подобного типа индукторов заключается в сложности достижения требуемой равномерности нагрева при переменном сечении изделия, что не всегда является важным критерием.

Основным способом определения эффективности той или иной конструкции индуктора и выбора его параметров является математическое моделирование с последующей экспериментальной проверкой натурального образца. Это трудоемкий и дорогостоящий способ, однако в ряде технологических ситуаций он является необходимым, например, при нагреве изделий небольших размеров сложной формы (рис. 1) с высокими требованиями к безопасности и экологии.

Рис. 1. Нагреваемое изделие

Оптимальное проектирование, под которым понимается процесс принятия наилучших проектных решений, является одним из главных путей повышения качества и эффективности проектно-конструкторских работ в различных отраслях промышленности. Уровень развития современной вычислительной техники значительно расширил круг прикладных задач, доступных для оптимизации, позволил практически реализовать разнообразные методы оптимального проектирования и на их основе приступить к разработке САПР технологических процессов и объектов.

Рис. 2. Алгоритм оптимального проектирования

Рис. 3. Взаимное расположение индуктора и заготовки в зависимости от длины L и заглубления z индуктора Рис. 4. Зависимость энергозатрат W от конструктивных параметров индуктора (длины L и частоты F): 1 - 500 Гц, 2 - 1000 Гц, 3 - 2400 Гц

Рис. 5. Зависимость энергозатрат W от конструктивных параметров индуктора (длины L и заглубления z) для различной частоты:

Направление в теории ОП, связанное со структурной и параметрической оптимизацией технических объектов, нашло самое широкое применение в САПР, поскольку, во-первых, оно позволяет рассматривать задачи оптимизации как многокритериальные. Во-вторых, разрешается ординарный подход к проектированию сложных технических систем, когда процесс решения задачи оптимизации сопровождается изменением ее изначальной постановки в зависимости от информации, полученной на ранних этапах проектирования. В-третьих, оно позволяет через диалог с ЭВМ организовать непосредственное участие человека в процессе поиска оптимального решения. Задача оптимизации конструкции ИНУ тел вращения сложной формы (например уничтожение взрывателей) и алгоритм решения, представленный на рис. 2, базируются на данном направлении в теории ОП.

В алгоритме решения задачи оптимизации конструкции ИНУ использовались следующие обозначения: Ji - вектор показателей качества и вектор функциональных ограничений; Fi - для каждой пробной точки, номера соответствующих пробных точек, N - количество пробных точек, равномерно расположенных в областях конструктивных параметров Dk и параметров частоты питающего тока Dz, корреляционная матрица , м, н - номера критериев корреляционной матрицы,

, , 14.

Выбор конструкции индукционной системы рассматривается как первый этап в решении общей задачи проектирования установок для нагрева тел вращения сложной формы (см. рис. 1). Намечаются возможные варианты исполнения индукторов (цилиндрический однослойный, индуктор, состоящий из цилиндрической и конусной части, двухслойный цилиндрический индуктор с несколькими витками во втором слое) и анализируется критерий оптимальности с учетом функциональных ограничений.

В критерий оптимальности входят: Ji,1=tв - время воздействия управляющего импульса; Ji,2=W - энергия, потребляемая установкой; Ji,3=эл - электрический КПД индуктора; Ji,4=cos - коэффициент мощности.

Функциональные ограничения fi,1=PиPип, f i,2=UиUmax отражают предельные возможности выбранного источника питания (Ри, Рип - активная мощность соответственно индуктора и источника питания; Uи, Umax - напряжение соответственно индуктора и источника питания); условие f i,3=TiTi зад отражает получение заданных распределений температур по объему нагреваемой детали (Ti, Tiзад. - температуры в указанных точках соответственно в конечный момент времени нагрева и заданная техническим заданием). индуктор намотка нагрев вращение

Минимальный критерий оптимальности наблюдается при цилиндрическом однослойном индукторе.

Таким образом, область изменения конструктивных параметров Dk нагревателя ограничивается выбором длины и заглубления индуктора и параметров Dz - частоты питающего тока (рис. 3). Результаты зондирования пространства пробными точками представлены на рис. 4, 5.

На основании минимизации критерия оптимальности была принята система индукционного нагрева с цилиндрическим однослойным индуктором длиной 90 мм, изготовленным из медной трубки с профилем 1010 мм. Внутренний диаметр индуктора 80 мм, внешний 100 мм, величина z расположения индуктора 17,5 мм. Индуктор питается от источника повышенной частоты 1кГц.

Аннотация

В работе рассматривается одно из направлений в теории оптимального проектирования, связанное со структурной и параметрической оптимизацией технических объектов (индукторов для нагрева осесимметричных изделий).

Ключевые слова: индуктор, оптимальное проектирование, конструктивные параметры, алгоритм.

Размещено на Allbest.ru