Optimal control of induction heating in the surfacing processes of thin shaped disks

Abstract

Індукційний нагрів широко застосовується в процесах наплавлення, які використовуються для відновлення спрацьованих або для зміцнення робочої поверхні при виготовленні нових деталей, які в основному застосовуються в сільськогосподарському машинобудуванні. Перевагами індукційного нагрівання є висока концентрація енергії в зоні нагріву, що дозволяє підвищити продуктивність процесу за рахунок скорочення часу. Однак індукційний нагрів має ряд недоліків, а саме: електромагнітне випромінювання та надмірні витрати електроенергії, які впливають на здоров’я оточуючих і на оплату послуг за використану енергію. З метою заощадження електроенергії, авторами розроблений більш точний оптимальний закон зміни в часі потужності теплових джерел. Числові розрахунки виконувалися для процесу індукційного наплавлення високочастотним генератором, тонких фасонних дисків шихтою – порошкоподібним твердим сплавом із застосуванням двовиткового кільцевого індуктора. Дані для яких виконувалися розрахунки: геометричні розміри – радіус диска 105 mm, радіус поверхні диска без шихти 92 mm, ширина шару шихти 13 mm, товщина3 mm, матеріал диска – сталь Ст3сп із заданими теплофізичними характеристиками, температура нагрівання – 1220°С, час нагрівання – 32 с. Проведені числові обчислення дозволяють вивести оптимальний закон зміни потужності джерел. При виконанні точніших розрахунків із врахуванням всіх необхідних коефіцієнтів приводить до економії електроенергії на 36,8% порівняно з нагрівом при постійній потужності в часі і на 15,8% – з нагрівом за оптимальним законом, але без точного урахування теплофізичних коефіцієнтів. Приведені графічні залежності дозволяють ознайомитися із розподілом та зміною оптимальної потужності джерел для різних моментів часу, а також показують зміну температурного поля в залежності від часу та радіусу наплавлюваного фасонного диска.

Induction heating is used by technological processes of surfacing. The advantages of induction heating are high concentration of energy at the heating area that allows to increase the productivity of process, because time of surfacing decreases. The disadvantages of induction heating are electromagnetic radiation and excessive loss of electrical energy. The authors deal with development of the optimal law for source capacity change by using methods of calculation. It allows to reduce electrical energy consumption by 36,8% and 15,8% compared with traditional laws of capacity distribution.