Конструкторские разработки
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

image001_10_8eafa98d160f33820dd35dd66a2716ca Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

где image002_9_0b7f856fa3736fe34fd241cf6ff78d46 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты=0,75 – к. п.д. трансформирующей части индуктора;

image003_10_63d8175ca86951518d373f102a9b44ec Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты – к. п.д. закалочного трансформатора;

image004_10_7c46415819ae796bf2f50e893878e6b2 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты – к. п.д. конденсаторной батареи, фидера и др.

Тогда ориентировочная мощность для закалки одной шейки:

image005_10_b6ce0940d40fb13f2c0b292c830d29d7 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты кВт

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

image006_10_9422eb5d2c3b779dc8122c927b2039d3 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты 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 image007_10_0ee3c374dd0773c26f0b820f297551be Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты и одновитковом индукторе ток должен быть:

image008_10_3d2af4fe898482072ee4d5bfd44684c1 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

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 image009_10_4e6110ed961460c1036255aa3e27374f Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты8В. 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 image010_10_6c4abbbc2770a011424d8a59b03bb604 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты) и полное напряжение, подводимое от вторичного витка трансформирующей части равное image011_10_e162db302ee91c9b4916ea066545aa1d Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты 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 Uнimage009_10_4e6110ed961460c1036255aa3e27374f Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты60В. 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 [ ]:

image012_10_6343fcace9a8fdcb84fea5cd72e6c739 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты 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:

image013_10_b865bce2bb285bb9efcb94f6ee1fb2b4 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты 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:

image014_10_4cbd85b3b469242fbc1fd3158bdef562 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частотыоб./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.

image015_10_2d1fef098e9e82a0432621f5bb9750ee Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

image016_10_7f579de05b32052a1aa00e4421d3c71f Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

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:

image017_9_165b5e873ced1658028b85874390ccd6 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты;

image018_8_6803582145e6f0c4bc652f88ac3333f2 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

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:

image019_8_5ea2e53f1a2e84e7f721bce7339306a9 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Момент от трения в опорах приводного вала и монетной оси:

image020_8_e33a918f9a8cbb27b5d265cf34e2fa2f Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты нмм;

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

image021_8_26ed379838237aee3d2649b529e44e07 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты =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.

image022_8_d881fe960c474f6255e166319d94a4c3 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты Нмм

где n = 4 – количество одновременно закаливаемых шеек;

R = 85 мм – радиус кривошипа коленчатого вала.

Сила трения в направляющей:

image023_8_20cb5cd88d091ba056eed9143482661a Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частотын

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 image024_8_5e55dcc4be332abcc60c336d2f2d993b Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты~ q = 5,0 Н/см2 [ ].

Тогда индукционная сила торможения:

image025_8_428f2f3e2f9b5219734ad09285b25f9c Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частотын;

где Dкш=77мм – диаметр коренной шейки;

=40 мм – длина коренной шейки;

К0=0,85 – коэффициент охвата детали индуктором;

Сила прижатия:

image026_8_c7da86725e1ecd32675dc657c0231dce Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты н

Момент сопротивления от действия индукционной силы торможения

image027_8_79a2a8a8c09f488ba7430bc8f6e8dd2a Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты Нмм

Общий момент сопротивления:

image028_7_7945cb1837bd52c8db78ab8e9cb0756b Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты Нмм

Необходимая мощность для вращения коленчатого вала в процессе закалки

image029_7_030bfc016ca4213d9f524a746e5be8d9 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

image030_7_5630a8db2760fee8de7361ee597dce14 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты 1/сек.

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

Расчетная мощность электродвигателя для привода:

image031_7_c86876ff00742d5b47ec93185f7a9c4a Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

image032_7_11fcc5cd90ba5d7da3bdb9c28dee1d3e Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

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.

image033_7_06467570a8db03d0d2375505d2ea014e Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

Найдем величину расчетного зазора.

image034_6_b99bb96e267bec2cb4958f0034c84fc8 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

Выбираем стандартную посадку, удовлетворяющую условию image035_6_a7ae2c4430413dfe20945c5a9f3b1f42 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

Такому условию соответствует предпочтительная посадка в системе отверстия.

Ø 57 image036_6_a62c81e87c42b518799a9b4ba9e6d4d3 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты,

image037_6_1aedcfc95119db581f11070647d2cad6 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

у которой image038_6_4624f2b288871e045e9fcf639c3b46c7 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

Определим наименьшую толщину масляного слоя при наибольшем зазоре стандартной посадки.

image039_5_84b61bdb060d7fe277bd194fa12e1a11 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

Проведем проверку на достаточность толщины масляного слоя.

image040_5_cfb9a5836786b7c5e6001eabd2c62e24 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Условие image041_5_d2cb619e9ccce4ca86fab6b3fc7fc04a Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты 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:

image042_5_c91ee9653a0be214df222c83a98bf49c Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Окружное усилие в цепной передаче:

image043_5_f759c42846e86e38aabae30f2a644e27 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

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:

image044_5_a2302671fc0fe30f74187afc7466eb0e Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Эквивалентное напряжение определяется по формуле:

image045_5_f8e4f3dcbd1bd5d6432f4260ad3541ba Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Напряжения изгиба в сечении вала I-I:

image046_5_dcb3b16d87c1e68bcd1ec5bdab037da9 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Изгибающий момент в сечении I-I:

image047_5_7f1147b782b5ba1cd9471a3121b26079 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Касательное напряжение в сечение вала I-I:

image048_5_1c6289564b1f8bb1096e25b9d02d5a51 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

Тогда эквивалентное напряжение:

image049_4_a2ad4a7778163fd19b325c440b3a6317 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

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

image050_3_3e7318f0dbd584afef82595df3e9ec72 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

image051_3_0e250b3f2e71cec0af0be53289cb4053 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты

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

image052_3_5b7785e173803c8a43761ca29cfd7d33 Установка для закалки шеек коленчатых валов токами высокой частоты.

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