Вариационные методы для закалки

May 8, 2015 by admin Комментировать »

Электромагнитная волна, создаваемая высокочастотным генератором, циркулирует в воздушном зазоре между индуктором и нагреваемым стальным изделием. Изделие и индуктор образуют собой волновод, который направляет магнитные и электрические силы в волне. Линии сил деформируются, изгибаются, следуя формам металла.

В металле возникает движение электронов — электронные вихри. Эти вихревые токи и нагревают металл. Вихрь всегда замкнут. У него нет ни начала, ни конца. Но в одном месте вихрь может растечься шире. Плотность электронных токов здесь мала. Греют они слабо. В другом месте токи вихря сжимаются, концентрируются. Плотность их велика. Нагрев здесь интенсивен.

Концентрация токов в том или ином месте вихря не определяется одной только близостью данного участка стали к проводнику индуктора.

Вот аналогия из смежной области: вогнутое зеркало или выпуклое стекло — это также направители электромагнитных волн — правда, волн, в миллиарды раз более коротких, нежели волны, применяемые для нагрева под закалку. Стекло и зеркало создают наибольшую концентрацию волн на определенном расстоянии от поверхности.

Так и вихревые токи в определенных условиях фокусируются, сгущаются не на участках, близких к индуктору, а подальше, во впадинах изделия. Здесь во впадинах получается максимальная плотность вихревого тока, наибольшее выделение тепла.

Электронные вихри внутри металла можно мысленно разбить на отдельные тонкие нити. Каждая подобна резиновой. А весь электронный поток целиком имеет нечто общее с резиновой мембраной или мыльной пленкой, хотя магнитные силы и действуют несколько иначе, нежели силы внутреннего натяжения в пленках и мембранах.

Электронный вихревой поток стремится расшириться, отдельные нити тока взаимно расталкиваются, вихревой

Фиг. 7-34. Различные типы индукторов для местного (зонального) нагрева стальных изделий при поверлностной закалке.

ток вытесняется на поверхность стали, магнитные силы подтягивают его к индуктору.

Рассуждения о совсем различных вещах, казалось бы: ледяных горах, мыльных пузырях, о хитроумной Дидоне, обманувшей царя Иорбаса, привели нас к законам, управляющим распределением вихревых токов.

Если впадина в стальном изделии идет поперек реки вихревого тока, то магнитные силы прижимают ток ко дну впадины, и здесь нагрев сильнее всего. А в выступ, перпендикулярный течению вихревых токов, эти токи мало распространятся. Нагрев выступа незначителен.

Если же впадины и выступы в изделии находятся вдоль течения вихревых токов, то магнитные силы вынесут электронную вихревую реку на вершины выступов. Выступы будут интенсивно нагреваться, а впадины получат нагрев только за счет теплопередачи.

Вот разгадка распределения тепла. Вихревые токи располагаются так, чтобы создать самый удобный, с наименьшим сопротивлением путь для электромагнитной волны в зазоре между индуктором и сталью.

В велосипедной звездочке, когда она помещена в индуктор, который имеет форму круглого витка, вихревые токи идут поперек выступов. Самый сильный нагрев при этом — во впадинах. В червячном же винте, когда он находится в том же самом индукторе, вихревой ток идет вдоль выступов и они нагреваются сильнее всего.

Гонец с корабля и луч света движутся по самому короткому пути. Так и для задач поверхностной закалки принцип наименьшего действия — руководящая нить для отыскания распределения электромагнитных волн и вызванных ими вихревых токов.

Электронные вихри в нагреваемом изделии циркулируют, строго следуя законам вариационного исчисления.

Многие задачи индукционного нагрева трудно решать аналитическим путем. Зная законы, которым подчиняется циркуляция вихревых токов, можно подобрать физические явления, которые также подчиняются этим законам. Так моделируют электронные вихри.

Если на резиновую мембрану положить тяжелую шестерню, то крутизна изгиба резины будет соответствовать приближенно плотности тока в стали.

Можно делать проволочные каркасы, подобные очертанию поверхностей закаливаемых изделий, натягивать на них мыльные пленки. По углам между пленками можно судить о плотности вихревого тока.

Мембраны и пленки моделируют распределение вихревых токов. Но иногда даже нет надобности производить опыт по моделированию. Можно представить его мысленно.

Практика и теория

Первые индукторы для нагрева под закалку я выгибал и паял сам. Потом лаборатория расширилась и к нам на работу поступил слесарь Труфанов (погиб в Ленинграде в 1942 г.). До этого Труфанов с высокочастотными установками никогда не сталкивался, и первый день он с изумлением смотрел, как внутри холодного индуктора вдруг вспыхивала оранжевым накалом стальная деталь.

Труфанову было поручено изготовление индукторов. Ему приходилось на разные лады выгибать медные витки и следить за тем, как с изменением их формы меняется нагрев.

Ни о каких минимальных поверхностях, вариационных принципах или экстремумах мы с ним разговоров не вели. Надо было срочно подобрать технологические режимы для ряда сложных деталей. Мы готовили индукторы, включали их в генератор. Переделывали индукторы наново, опять включали; и так изо дня в день.

Прошло всего несколько недель работы, и у Труфанова развилось то, что можно назвать чутьем законов нагрева. Скажешь, бывало: — Приспособь-ка, Труфаныч, индукторок к тому вон кулачку так, чтобы каленый слой вот до сих пор по головке лег.

И Труфанов без дальнейших пояснений выгибал индуктор, и нагрев получался какой нужно.

В 1939 г. на заводе «Светлана» организовали специальные курсы по высокочастотному нагреву. Со всего Союза к нам съезжались инженеры для переподготовки.

Передать им в короткий срок опыт, накопленный в нашей лаборатории за несколько лет, можно было только связав все эксперименты и выводы какими-то обобщающими теориями. Усвоить не связанные друг с другом многочисленные рекомендации и наставления так же трудно, как заучить набор случайных слов. Теория связывает отдельные факты, как ритм мысль стиха. Разрозненные рецепты превращаются в поэму.

С каждым днем количество индукторов в нашей лаборатории возрастало. «Индукторный парк» исчислялся уже многими десятками. А все время поступали новые детали, для которых ни один из уже имевшихся индукторов не годился, и приходилось изготавливать новые.

Я вернулся тогда к основам теории циркуляции вихревых токов в металлических массивах при высоких частотах. И обрабатываемое изделие, и индуктор—это только «направители» магнитного потока. При высокой частоте магнитный поток не проникает вглубь металла. Магнитные линии отклоняются поверхностью металла, как струи воды.

Так возникла мысль производить нагрев различных изделий в одной и той же просторной катушке. Чтобы при этом получить сосредоточение вихревых токов на требуемых участках изделия, я решил помещать в зазоре между катушкой и нагреваемым изделием медные разрезные кольца и шайбы. Они направляли магнитный поток. Эта конструкция получила название концентратор вихревых токов.

Концентраторы — это не универсальное средство. Но во многих случаях применение их удобно и экономично. Они были впервые описаны в журнале «Электричество» в 1939 г. и в последующие годы вошли в промышленную практику. Впоследствии их заимствовали и американцы.

Теория—это не только «облегчение памяти», «внесение порядка» в наблюдения, согласование их с некоторой искусственной системой. Теория ведет на поиски нового, облегчает путь в будущее.

Трудно пробираться во тьме по незнакомой местности. При слабом светильнике еще неясно различимы окружающие предметы. Но если человек не спотыкается на каждом шагу, то значит кое-что он уже видит правильно.

Заключение

Можно производить все более тонкие и сложные вычисления для определения наивыгоднейших размеров и пропорций инженерных сооружений. Но в конце концов и сами методы расчета надо выбирать, руководствуясь законами оптимальных исследований.

Формула длиннее 10 см не пригодна для повседневной инженерной практики. Это блюдо для лакомок. Ценность уточнений, получаемых слишком сложным расчетом, не оправдывает времени и усилий. Чрезмерно тонкие расчеты — это не экономия, а, яаооброт, расхищение средств. Производство не может ждать слишком долго результатов теоретических изысканий.

Инженер не должен недооценивать математики, но и не должен слишком верить в могущество ее методов. Последняя крайность наиболее опасна именно для электриков. Врачи и химики обходятся без, скажем, гипергеометрических рядов. Но их деятельность не менее научна, чем работа электрика, вычисляющего при помощи сложных функций излучение антенн.

Инженер в прямом значении этого слова должен прежде всего хорошо знать свои строительные материалы, технологию своего производства. Математический расчет — лишь вспомогательное орудие.

Нельзя слишком долго прицеливаться. Надо быстрее открывать стрельбу и корректировать наводку орудия наблюдением за попаданиями. Вместо расчетов на максимум и минимум часто выгоднее заказать в экспериментальной мастерской несколько опытных экземпляров конструкции и исследовать их в работе.

Но в конце концов нельзя преподать единый рецепт на все случаи инженерной деятельности. Каждый должен сам найти свой оптимум.1 и 2 — фарфоровые изоляторы, являющиеся внешним кожухом гасительной камеры. От земли гасительная камера изолируется подобным же полым фарфоровым изолятором 3; 4 — изолирующие бакелитовые цилиндры; 5 и б— стальные фланцы, закрывающие сверху и снизу гасительную камеру.

Чтобы произвести отключение, по трубе 11 подается сжатый воздух, который поступает внутрь бакелитовых цилиндров 4. Через отвер стия 7f и 5′ сжагый воздух поступает внутрь контактных цилиндров 7 и 8, давит на поршни 26, 27. Поршни увлекают подвижные контакты 22 и 23. Возникают два разрыва тока: между контактами 20 — 22 и 21 — 23. Сжатый воздух врывается во внутренние полости трубок 22—23 и через выхлопные отверстия 9 и 10 выходит наружу. Под действием потока воздуха дуга растягивается и разрывается, как это показано стрелками на правом рисунке. Через 0,02 сек. дуга -1               гаснет.

После прекращения подачи сжатого воздуха в цилиндр 4 контакты выключателя вноеь сходятся под действием пружин 28 и 29. Но к зтому времени уже оказывается разомкнутым разъединитель, включенный последовательно с главными контактами.

У высокочастотного трасформатора, показанного на фиг. 7-14, коэффициент связи равен 0,6—0,8, но часто применяются и иные высокочастотные трансформаторы, у которых коэффициент связи лишь несколько сотых. Примером подобной конструкции является высокочастотный транспорт: между участком бесконтактной сети и приемным контуром на экипаже коэффициент связи бывает меньше 0,1.

И в пределах вое той же «высокой частоты» применяются разные решения. При частотах до 50 кгц потери в катушках зависят, главным образом, от сечения меди в ее проводниках. Увеличивая вес меди, можно снижать потери. При более высоких частотах потери в значительной мере определяются изоляцией между витками- Увеличение расхода меди на трансформатор не повышает его к. п. д.

В каждой области частот свои допущения, свои упрощения. Низкочастотники считают, что сопротивление проводника определяется его сечением, они имеют дело с конструкциями, в которых ток равномерно распределен по всему сечению проводника.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты