Индуктор для нагрева вращающихся деталей

 

Изобретение относится к устройствам для индукционного нагрева и может быть использовано в промышленности при термической обработке вращающихся деталей, в том числе и переменной толщины, и при испытаниях на прочность и долговечность. Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в нагреве вращающихся деталей в форме диска переменной толщины с заданным неравномерным распределением температур в радиальном направлении. Для этого в индукторе, содержащем индуктирующий провод в виде удлиненной петли, стороны которой изогнуты по дуге окружности, а концевой участок отогнут, согласно изобретению основная часть петли изогнута по дуге окружности, радиус которой равен радиусу нагреваемой детали, концевой участок отогнут в радиальном направлении во внутрь кольцевой зоны нагрева и сопряжен с основной петлей по дугам окружности радиуса r и имеет прямой участок длиной d, сопрягаемый с предыдущим также по дуге окружности с радиусом r, при этом и выбирают из определенных соотношений, указанных в виде математической зависимости. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для индукционного нагрева и может быть использовано в промышленности при термической обработке вращающихся деталей, в том числе и переменной толщины, и при 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, т.к. он предназначен для нагрева одной стороны боковой поверхности диска. Он сложен в изготовлении, т.к. форма индуктирующего провода описывается сложными зависимостями. Кроме того, наличие участков острого перегиба в водоохлаждаемом индуктирующем проводе приводит к понижению надежности индуктора в работе.

Известен индуктор [2] для равномерного нагрева плоских изделий, изготовленный в виде одновитковой спирали, выполненной из четырех участков, первый из которых прямолинейный, внешний его контур совпадает с направлением касательной к внутренней границе заданной кольцевой зоны изделия, а длина равна длине хорды, параллельной этой касательной и вписанной во внутренний круг кольцевой зоны, второй и третий участки выполнены с переменным радиусом кривизны относительно центра симметрии кольцевой зоны, четвертый участок выполнен в виде части кольца, радиус внешнего контура которого равен расстоянию от центра кольцевой зоны до точки пересечения внешнего контура второго и третьего участков с наружной окружностью кольцевой зоны.

Недостатком индуктора [2] является то, что он не сможет обеспечить заданное неравномерное распределение температур вращающейся детали, т.к. он предназначен для равномерного нагрева одной боковой стороны плоской детали.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является индуктор [3] выполненный в виде удлиненной петли, стороны которой изогнуты по дуге окружности, а концевой участок выполнен отогнутым в плоскости, перпендикулярной плоскости петли, при этом высота сегмента, образованного сторонами петли, равна высоте концевого участка.

Достоинством указанного индуктора по сравнению с индукторами [1, 2] является то, что он осуществляет нагрев с двух боковых сторон детали.

Индуктор [3] обладает следующими недостатками. Использование его для обеспечения заданного неравномерного распределения температур по радиусу вращающейся детали снижает температуру в большей ее части, кроме краевой области, нагреваемой только за счет теплопроводности. Кроме того, он охватывает периметр краевой области детали до 0,5 длины окружности, что дополнительно снижает эффективность нагрева детали.

Изобретение решает задачу индукционного нагрева вращающихся деталей в форме диска переменной толщины с заданным неравномерным распределением температур в радиальном направлении.

Указанная техническая задача решается тем, что в индукторе, содержащем индуктирующий провод в виде удлиненной петли, стороны которой изогнуты по дуге окружности, а концевой участок отогнут, согласно изобретению основная часть петли изогнута по дуге окружности, радиус которой равен радиусу нагреваемой детали, концевой участок отогнут в радиальном направлении во внутрь кольцевой зоны нагрева и сопряжен с основной петлей по дугам окружности радиуса r и имеет прямой участок длиной d, сопрягаемый с предыдущим также по дуге окружности с радиусом r, при этом r и d выбирают из соотношений r R/(2,7 3,3); d (1,7 2,2)·h где R радиус внутренней окружности кольцевой зоны нагрева; h ширина проекции индуктирующего провода на плоскость, перпендикулярную оси вращения.

Указанный технический результат достигается также и за счет того, что индуктор имеет две петли, которые охватывают нагреваемую деталь с двух сторон, расположены эквидистантно ей, а их проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения совпадают.

На фиг. 1 показано заданное неравномерное температурное поле диска переменной толщины, представленное в следующих координатах: по оси ординат - температура, по оси абсцисс ширина кольцевой зоны нагрева в радиальном направлении. На фиг. 2 и 3 изображена конструкция индуктора для обеспечения неравномерного нагрева диска переменной толщины (вид сверху и разрез по меридиальному сечению), а также схема подключения испытательного оборудования.

Индуктор 1 для нагрева вращающихся деталей 2 в форме диска переменной толщины содержит удлиненную петлю индуктирующего провода, которая имеет отогнутый концевой участок, состоящий из: прямолинейного участка 3, участков 4, 5, 6, 7 (участки сопряжены с участком 3, с основной петлей и между собой по дугам окружности радиуса r); электрические выводы 8, 9. Кроме того, имеются вторая петля 10 индуктирующего провода и электрические выводы 11, 12 (фиг. 2). Испытательное оборудование (фиг. 3) содержит испытательную камеру 13, источник питания 14, электропривод 15.

Петля 1 и петля 10 индуктирующего провода подключены через электрические выводы 8, 9 и 11, 12 к источнику питания 14. Диск переменной толщины 2 присоединен к электроприводу 15 и установлен в испытательной камере 13.

Устройство (индуктор) работает следующим образом. Исследуемый диск 2 переменной толщины устанавливается в испытательной камере 13 и присоединяется к электроприводу 15. Две петли 1, 10 устанавливают относительно поверхности указанного диска эквидистантно. Электрические выводы 8, 9 и 11, 12 подсоединяют к источнику питания 14. Диск приводится во вращение, включают источник питания и электрический ток, протекая по петлям индуктирующего провода, наводит индуктируемый ток в материале вращающегося диска, вызывая его разогрев.

В результате в соответствии с предлагаемой формой индуктирующего провода диск переменной толщины нагревается до заданного неравномерного распределения температур.

Эксперименты подтвердили работоспособность предлагаемого индуктора при термоциклических испытаниях и были получены данные для определения соотношения размеров индуктирующего провода.

Были проведены также эксперименты по достижению заданного распределения температур по радиусу диска с использованием предлагаемого индуктора и кольцевого индуктора (аналог прототипа), изогнутого по всей длине окружности краевой области диска. При этом индукционный нагрев осуществлялся с двух сторон диска при одинаковой подведенной мощности от источника питания.

Результаты экспериментов представлены в табл. 1 и 2.

В табл. 1 приведены некоторые размеры предлагаемого индуктора, используемого в эксперименте. В табл. 2 показано сравнение полученных данных по экспериментальным распределениям температур диска при нагреве от указанных выше индукторов с заданным распределением температур.

Из анализа экспериментальных результатов табл. 2 следует, что заданное неравномерное распределение температур по радиусу диска переменной толщины достигается с точностью 3% с применением предлагаемого индуктора. Кроме того, повышаются скорости нагрева средней и центральной части диска по сравнению с аналогом прототипа.

Индуктор может применяться на предприятиях машиностроительной промышленности при прочностных испытаниях и термической обработке вращающихся деталей, дисков переменной и постоянной толщины, дисков турбомашин.

Источники информации 1. Авторское свидетельство SU N 1359915 A1, H 05 B 6/36.

2. Авторское свидетельство SU N 1399896 A1, H 05 B 6/40.

3. Авторское свидетельство SU N 1115247 A, H 05 B 6/36 (прототип).

Формула изобретения

1. Индуктор для нагрева вращающихся деталей, выполненный в виде удлиненной петли, стороны которой изогнуты по дуге окружности, а концевой участок отогнут, отличающийся тем, что основная часть петли изогнута по дуге окружности, радиус которой равен радиусу нагреваемои детали, концевой участок отогнут в радиальном направлении во внутрь кольцевой зоны нагрева и состоит из прямолинейного участка d и участков, сопряженных с ним и с основной частью петли по дугам окружности с радиусом r, при этом r и d выбирают из соотношения r R/(2,7 3,3); d (1,7 2,2) · h, где R радиус внутренней окружности кольцевой зоны нагрева;
h ширина проекции индуктирующего провода на плоскость, перпендикулярную оси вращения.

2. Индуктор по п.1, отличающийся тем, что количество петель равно двум, они охватывают нагреваемую деталь с двух сторон, расположены эквидинстантно ей, а их проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения, совпадают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4