22 | 03 | 2017
Учебные материалы
Для преподавателей
Работы студентов
Справочная и техническая литература
Статьи по темам

Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 2.50 (2 Голосов)

Конструкторская разработка - Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

Термическая обработка –закалка шеек коленчатых валов тракторных ДВС является важной операцией в ремонтном процессе, так как обеспечивает износостойкость этой детали и соответственно определяет послеремонтный ресурс двигателя и его эксплуатационную надежность. Осуществление этой технологической операции наиболее рационально проводить с использованием такого физического явления, как разогрев металлической поверхности под действием электромагнитной индукции переменных токов высокой частоты (ТВЧ). Эта технология термообработки в настоящее время относится к прогрессивным и используется во многих современных машиностроительных и ремонтных производствах.

На этом основывается решение использовать технологию закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты в ремонтном производстве цеха восстановления коленчатых валов.

3.1 Устройство и работа установки

Установка для закалки шеек коленчатых валов тракторных ДВС является стационарной. Устанавливается на обычном фундаменте, но с диэлектрическим покрытием.

Каркас установки выполняется сварным из стального проката стандартного профиля.

В левой части каркаса размещен механизм вращения закаливаемого коленчатого вала. В средней части каркаса размещена рабочая камера. В правой части каркаса размещена гидравлическая станция и шкаф электроуправляющего оборудования с пультом управления.

Механизм вращения предназначен для поворачивания (вращения) коленчатого вала в процессе термообработки его шеек. Источником вращения в механизме является электрический двигатель асинхронный АО2-22-6 с характеристиками: мощность N = 1,1 кВт, частота вращения n = 1000 об/мин.

Передача вращения к конечному валу осуществляется через редуктор с изменяемым передаточным числом и цепную передачу. Кинематический расчет привода выполнен в следующем разделе. Рабочий вал механизма вращения для обеспечения минимального радиального смещения, что требует технология закалки, установлен в подшипнике скольжения на отдельной опоре (левая). Конец вала с план-шайбой на торце входит в камеру обработки. Планшайба служит для прикрепления конца закаливаемого вала и передачи ему вращательного движения. Вторым концом коленчатый вал через имеющееся в нем конусное гнездо опирается на подвижную ось с коническим коцевиком правой опоры. Правая опора люнетного типа обеспечивает точное центрирование и свободное вращение коленчатого вала в процессе термообработки. Таким образом, технологическое положение коленчатого вала – горизонтальное и размещается он в камере обработки.

Пространство камеры обработки ограждено защитными стенками из прозрачного пластика. В передней части камеры имеется поднимающаяся крышка. Через нее в камеру помещается и извлекается после обработки коленчатый вал, осуществляется контрольно-наладочные операции. Днище камеры представляет собой воронку с отводной трубой. В воронку собирается охлаждающая жидкость, стекающая с вала после закалки. По трубе она самотеком возвращается в бак гидростанции. Емкость бака 200 л. Гидростанция включает также центробежный насос ПА - 120/3, создающий давление в подающей ветви охлаждающей гидросистемы 0,2…0,5 МПа. Насос приводится в движение асинхронным трехфазным электродвигателем АО2-11-6,

N=0,4 кВт, n=1000об./мин.

Гидростанция снабжена гидрораспределителем с электромагнитным управлением. Управление осуществляется автоматическим устройством на базе реле времени РВ-V-0,5-10.

Данное автоуправляющее устройство обеспечивает поочередную подачу воды с заданной выдержкой вначале для охлаждения нагревающего индуктора затем для закалочного охлаждения шеек коленчатого вала.

Для индукционного разогрева термообрабатываемых шеек в установке используются катушки-индукторы. В разработанной установке их 4, что позволяет одновременно закаливать четыре шейки. Конструкция индуктора показана на листе 5 графической части. Он состоит из двух сегментов представляющий две независимые катушки, охватывающих шейку. Между собой сегменты в одном месте соединены шарнирно. Это позволяет их разводить для помещения на шейку, сводить для образования замкнутой индукционной системы и для регулировки зазора между индуктором и поверхностью шейки. Для этого используется затяжной винт. Каждый индуктор-сегмент выполнен из медной трубки, к которой подсоединен токоподводящий провод, а внутрь индуктора, через гибкую трубу, от гидростанции подается охлаждающая жидкость – вода. Ее температура должна быть 14…20°С.

Для реализации метода последовательно-непрерывной закалки применяемого в данной технологии, когда нагрев и закалка производится отдельными участками, процесс термообработки необходимо вести при движущемся (вращающемся) вале [ ]. Для осуществления этого условия в установке разработана конструкция шарнирного узла крепления индукторов, позволяющая одновременно термообрабатывать четыре шейки.

Устройство этого узла показано на листе 5. Узел крепления каждого индуктора размещен на общей цилиндрической штанге. Корпус узла (ползун) посажен на штангу по подвижной посадке и свободно может перемещаться относительно нее. В ползуне имеется прямоугольное отверстие, в которое по посадке с зазором помещен стержень прямоугольного сечения, на конце которого закреплен индуктор.

При вращении вала индукторы за счет стержней удерживаются на шейках. Стержни в свою очередь вторым концом удерживаются на штанге ползунами, которые позволяют стержням совершить маятниковые движения.

Работу установки обеспечивает высокочастотная электросистема, которая состоит из следующих элементов: машинный генератор ВМГ-8-07; электродвигатель приводной; трансформатор ТЗЗ-200; конденсаторная батарея; индуктор; реле времени; контактор; электроуправляемый пневмогидравлический клапан.

Трансформатор понижает напряжение до 60В и увеличивает силу тока до 5000-8000А.

Работает установка следующим образом. Вал, шейки которого предстоит подвергнуть закалке, помещается в камеру обработки и закрепляется одним концом на план-шайбе, вторым – на поджимной центрирующей опоре.

На закаливаемые шейки устанавливаются индукторы. Затем закрывается крышка камеры. После этого запускается механизм вращения коленчатого вала, с включенной передачей КПП, в зависимости от вида закаливаемой шейки. Запускается гидростанций и подается охлаждающая вода в индуктор, которая проходит через него в течение всего времени термообработки.

Нажатием кнопки на пульте управления подается высокочастотный ток в индукторы. Причем могут быть включены один, два, три или четыре индуктора одновременно. При прохождении переменного тока через индуктор вокруг его провода возникает магнитное поле, напряженность которого периодически изменяется во времени по величине и направлению. Напряженность магнитного поля будет наибольшей внутри витка индуктора вблизи провода.

Помещенная внутрь индуктора металлическая цилиндрическая шейка пронизывается магнитным потоком, вызывая в ней индуктированный ток. Индуктированный ток следствие эффекта близости будет сконцентрирован под проводом индуктора. Так, индуктированный в поверхностном слое шейки вызывает быстрый его разогрев. Ширина полосы нагрева, ее форма и равномерность нагрева поверхности зависят от формы индуктора. Таким образом, с помощью индуктора электромагнитная энергия, и соответственно выделение теплоты концентрируется в заданной области металлической поверхности.

Для осуществления закалки поверхности шейки разогретый участок быстро охлаждается водой, которая подается из отверстия подающего спрейера – трубка с запаянным одним концом. Расположена рядом с индуктором.

В настоящей установке используется непрерывно-последовательный принцип закалки, когда нагреву подвергается небольшой участок шейки, причем шейка в индукторе вращается с определенной скоростью (расчет скорости приводится). В этом случае происходит последовательный нагрев и последующая закалка одного участка шейки за другим. Закалка всей поверхности шейки происходит за один ее полный оборот (360°) в индукторе, что соответствует полному обороту коленчатого вала.

Данный принцип закалки ТВЦ цилиндрических деталей и в частности шеек коленчатых валов наименее энергоемкий и технологически эффективный.

Расчеты подтверждающие работоспособность установки

Расчет электрических параметров установки

Исходным параметром для расчета режимов закалки является необходимая глубина закаленного слоя детали.

Согласно ГОСТ 8007-87, глубина закаленного слоя рабочих поверхностей шеек вала должна быть в пределах 3…5 мм.

По рекомендации [ ] для нагрева наиболее рационально использовать машинные генераторы с частотой 8 кГц. Продолжительность нагревательных импульсов определяю по номограмме в зависимости от требуемой глубины закалки [ рис. 29]. По этой же номограмме определяю мощность отдаваемую в деталь при нагреве ~18 кВт. Коэффициент полезного действия индуктора при этом

где =0,75 – к. п.д. трансформирующей части индуктора;

– к. п.д. закалочного трансформатора;

– к. п.д. конденсаторной батареи, фидера и др.

Тогда ориентировочная мощность для закалки одной шейки:

кВт

Т. к. закалке подвергаются одновременно четыре шейки, то мощность генератора должна быть:

кВт

Следовательно для работы установки достаточно имеет два генератора мощностью 80 кВт каждый.

Для определения тока и напряжения в индукторе использую графические зависимости [ рис. 20]. Для индуктирующего провода шириной 20 мм и частоте 8кГц, при глубине закаленного слоя и одновитковом индукторе ток должен быть:

По графическим зависимостям [ ] для цилиндрической детали 88 мм (диаметр коренной шейки коленчатого вала), закаливаемой на глубину 3…5 мм, при частоте 8 кГц и зазоре между поверхностью шейки и индуктором, определяют напряжение на 1 виток 8В. эта величина равна также падению напряжения в двух полувитках проводов объемной части индуктора. К ней нужно добавить падение напряжения на соединительных шинах, сопротивление которых определяет как для уединенного проводника (по расчетам оно равно ) и полное напряжение, подводимое от вторичного витка трансформирующей части равное от передаваемого. В результате получили 10,5В.

Так как коэффициент трансформации трансформирующей части равен 1:2, то в цепи последовательно включенных четырех индуктирующих полувитковых проводов неподвижной части индуктора будет действовать противоэлектродвижущая сила, т. е. 10,5X2 = 21 В.

Падение напряжения на каждом из четырех полувитков индуктирующих проводов неподвижной части принимаем таким же, что и для верхних полувитков, т. е. по 8 В.

Суммируя (для простоты алгебраически) эти падения напряжения с противоэлектродвижущей силой, получим напряжение на индукторе без учета падения на шинах: (21) + (4х8) = 53В. Принимая относительное падение на токоподводящих шинах равным 10% от подводимого, получим напряжение на зажимах индуктора Uн60В. Ток индуктора для закалки двух кулачков благодаря последовательному включению полуиндукторов неподвижной части (как для двухвиткового) будет равен половине найденной, т. е. 2 кА.

Таким образом, полная (кажущаяся) мощность систем индуктор-трансформатор для закалки двух кулачков равна 10 кВт-А, а для четырех кулачков, нагреваемых двумя рассмотренными индукторами, подключенных к трансформатору в параллель, будет равной 240 кВт-А.

С учетом увеличения реактивной мощности за счет рассеяния закалочного трансформатора (~10%)и для компенсации индук­тивного сопротивления фидера и обмоток генератора (100% от мощности, отдаваемой генератором) можно оценить необходимую мощность конденсаторной батареи равной

240 + 24 + 170 = 434 кВ-А.

Для непрерывно-последовательного закалочного нагрева необходимо скорость движения поверхности детали относительно индуктора определим как [ ]:

м/с

ви=20 мм – ширина индуктора;

h=3мм – зазор между индуктором и деталью;

=4 сек. – время нагрева элемента поверхности.

Полученную рассчитанную скорость движения поверхности шейки относительно индуктора использую для кинематического расчета привода установки.

Расчет кинематики и мощности привода

Необходимая частота вращения коленчатого вала для выполнения закалки шатунных шеек:

об./мин.

где Rk=90мм – радиус кривошипа коленчатого вала дизеля СМД 60;

=77мм – диаметр шатунной шейки.

Частота вращения коленчатого вала для выполнения закалки коренных шеек:

об./мин.

где Dk=88 мм – диаметр коренной шейки коленчатого вала дизеля СМД 60.

Общее передаточное число привода при принятом числе оборотов приводного двигателя nдв.=1000 об. мин.

Т. о. для обеспечения технологического скоростного режима привод должен иметь изменяющееся передаточное число. Достичь этого можно, применив в приводе двухскоростной редуктор (коробку перемены передач).

Установив для цепной передачи передаточное число iy=3,1, значение передаточных чисел для редуктора должно быть:

;

.

Проведенный кинематический расчет передачи указывает на необходимую конструкцию редуктора в виде двухпозиционной коробки перемены передач.

Однако для придания установке универсальности, т. е. возможности термообрабатывать коленчатые валы различных типо-размеров, что вполне позволяет устройство камеры обработки, привод вращения вала долен иметь свойство более плавно изменять частоту вращения. Этого можно достичь, например, применив гидравлическое оборудование.

Расчет мощности электродвигателя привода. Данный расчет необходим для выбора электродвигателя к конструкции установки. Предварительно необходимо рассчитать величину вращающего момента от сил сопротивления. Общий момент вращающей момент сопротивления определяется как сумма следующих составляющих:

Момент от трения в опорах приводного вала и монетной оси:

нмм;

где f=0,15 – коэффициент трения в подшипнике скольжения;

=1,7 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения давления в опорах;

D = 57мм – номинальный диаметр подшипника скольжения;

Q = 42 кг – сила веса коленчатого вала двигателя СМД-62.

Момент от сил трения стрежня несущих индуктор в направляющих ползуна определяется в соответствии с расчетной схемой.

Нмм

где n = 4 – количество одновременно закаливаемых шеек;

R = 85 мм – радиус кривошипа коленчатого вала.

Сила трения в направляющей:

н

Сила прижатия стержня к стенкам направляющей определяется в основном величиной электромагнитного взаимодействия индуктора и металлической поверхности шейки. Сила торможения на единицу поверхности при силе тока ампер ~ q = 5,0 Н/см2 [ ].

Тогда индукционная сила торможения:

н;

где Dкш=77мм – диаметр коренной шейки;

=40 мм – длина коренной шейки;

К0=0,85 – коэффициент охвата детали индуктором;

Сила прижатия:

н

Момент сопротивления от действия индукционной силы торможения

Нмм

Общий момент сопротивления:

Нмм

Необходимая мощность для вращения коленчатого вала в процессе закалки

1/сек.

где nk=325 об./мин. – частота вращения коленчатого вала при закалке коренных шеек.

Расчетная мощность электродвигателя для привода:

Ориентируясь на расчетное значение, выбираю асинхронный трехфазный электродвигатель АО2-22-6

N=5кВт; n=1000об./мин.

Расчет и выбор посадки для опор приводного вала

В описание конструкции указывалось, что приводной вал установки размещен в опоре на подшипнике скольжения. Правильность назначения посадки для данного сопряжения во многом определяет качество закалки и надежность работы установки.

Исходные данные к расчету:

номинальный диаметр сопряжения 57 мм

давление q=2,14 мПа.

угловая скорость ω=34с-1.

динамическая вязкость смазки η=0,002 Па с.

шероховатость поверхностей:

отверстия RID=1,6 мкм.

вала RId=1,6 мкм.

Определим оптимальный зазор в подшипнике, при котором обеспечивается наилучший тепловой режим работы.

.

Найдем величину расчетного зазора.

.

Выбираем стандартную посадку, удовлетворяющую условию .

Такому условию соответствует предпочтительная посадка в системе отверстия.

Ø 57 ,

.

у которой .

Определим наименьшую толщину масляного слоя при наибольшем зазоре стандартной посадки.

.

Проведем проверку на достаточность толщины масляного слоя.

Условие выполняется.

Расчет прочности приводного вала

– нагрузка на вал от цепной передачи; – вес коленчатого вала; Мс – момент сопротивления вращения вала.

Нагрузку на вал от цепной передачи определяю по формуле:

Окружное усилие в цепной передаче:

где dд=320 мм – делительный диаметр ведомой звездочки цепной передачи.

Из схемы нагружения вала видно, что он находится в сложнонапряженном состоянии от одновременно действующих изгибающего момента, создаваемого силами и и от вращающего моменте от Мс.

В этом случае расчет выполняется по эквивалентному напряжению. Расчет выполняем для сечения I-I, оно более опасно, т. к. здесь вал имеется меньший диаметр d=42, чем на остальных своих участках. Условие прочности при расчете:

Эквивалентное напряжение определяется по формуле:

Напряжения изгиба в сечении вала I-I:

Изгибающий момент в сечении I-I:

Касательное напряжение в сечение вала I-I:

Тогда эквивалентное напряжение:

Допускаемое напряжение изгиба для проверяемого вала, который изготовлен из стали 45, у которой предел выносливости:

При сравнении действительных и допускаемых напряжений видно, что условие прочности выполняется, т. е.

.

Т. е. спроектированный узел работоспособен и надежен в эксплуатации.

Выводы. Проведенные электрические, кинематические, прочностные расчеты подтверждают работоспособность установки.


Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты - 2.5 out of 5 based on 2 votes

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить