Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Бузуев Алексей Николаевич. Разработка и исследование системы индукционного нагрева для пайки многослойных изделий : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.10.- Самара, 2006.- 136 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/254

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

1. Проблема индукционного нагрева многослойного тела

конической формы под пайку 15

  1. Сопловые блоки ракетных двигателей 15

  2. Особенности процесса пайки 16

  3. Анализ методов моделирования 19

2. Разработка математических моделей процесса нагрева

при пайке 25

  1. Обзор методов математического моделирования 25

  2. Конечно-элементная модель электромагнитного поля 27

  3. Тепловая задача 41

  1. Задача нестационарной теплопроводности 47

  2. Задача лучистого теплообмена между внутренней поверхностью кожуха и внешней поверхностью изделия 49

  3. Задача упругой деформации твердого тела 55

3 Поиск оптимальной системы нагрева для пайки

многослойных тел 62

3 Л Оптимальное проектирование конструкции индуктора 62

  1. Обзор методов оптимизации конструкции индуктора 63

  2. Поиск формы индуктора и формы кожуха 65

  3. Разработка оптимальной конструкции системы нагрева

изделия 70

4 Разработка системы управления нагревом 85

4.] Обзор методов синтеза оптимального управления системой

индукционного нагрева 85

  1. Разработка алгоритма программного управления процессом индукционной пайки 88

  2. Исследование влияния окалины на поверхности кожуха

на качество функционирования программного управления 109

5. Практическая реализация системы нагрева 115

  1. Работа установки по индукционному нагреву под пайку 115

  2. Устройство установки индукционного нагрева для пайки многослойных тел конической формы 117

  3. Экранирование системы индукционного нагрева под пайку 120

Заключение 122

Библиографический список 123

Приложение 135

Введение к работе:

Диссертация посвящена разработке, исследованию и решению проблемы индукционного нагрева многослойного тела конической формы, обеспечивающего качественный процесс индукционной пайки составных элементов сопла ракетного двигателя.

Актуальность работы. Проблема рационального использования ресурсов занимает первое место в современной организации производственного процесса, поскольку стратегия фокусирования на издержках, как одна из составных частей экономической стратегии фирмы, позволяет сократить себестоимость продукции и тем самым увеличить конкурентные преимущества, что является неотъемлемой чертой рыночного существования любого предприятия [121].

Общеизвестно, что процесс внедрения новых технологий в производственную систему является «болезненным» явлением [22], поскольку не всегда экономический эффект отражает прогнозные ожидания, зачастую большая часть затрат приходится на энергетическую составляющую. В значительной степени именно это условие является сдерживающим фактором., не позволяющим устранить существующие недостатки и усовершенствовать производственный процесс. Поэтому наряду с требованиями надежности технологической линии по пайке металлов стоит вопрос создания установок с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.

Для нагрева деталей под пайку используются практически все известные в промышленности способы нагрева металлов:

-печной (в электрических и газовых печах), электроконтактный, нагретым

твердым телом (паяльником),

-пламенем газовой горелки, электронным лучом, электрической дугой,

погружением в расплавленные соли или расплавленный припой.

-индукционный нагрев.

5 Особенности электротехнологических индукционных установок, как объекта управления, определяются протекающими при этом взаимосвязанными электро- и теплофизическими процессами, сложным характером распределения виутренних источников тепла, зависимостью характера распределения мощности от температуры обрабатываемых изделий. Известные методы не всегда можно распространить на рассматриваемые объекты без детального изучения процессов, протекающих в них. Проблемы разработки комплексов математических моделей для процессов индукционного нагрева в установках различного технологического назначения, эффективности методов их расчета и оптимизации конструктивных и режимных параметров являются актуальными как с точки зрения проектирования, эксплуатации и автоматизации, так и с точки зрения математического моделирования и управления. Особенно актуальна проблема повышения эффективности оборудования специфического, функционального назначения в специализированных комплексах производственных технологий. Эффективное использование индукционных нагревательных установок в различных технологических процессах возможно лишь при комплексном решении задач математического моделирования оптимального проектирования и конструирования.

Объектом исследований является сопло ракетного двигателя, конструктивные элементы которого спаиваются индукционным способом. Основное назначение сопла ракетного двигателя заключается в отводе продуктов сгорания топлива. Внутренняя часть ракетного сопла, представленная в виде гофры (рис. 2), предназначена для охлаждения конструкции во избежание возникновения термоиапряжений на её поверхности. Одновременно под воздействием высокой температуры сгорания топливо подогревается и нагнетается в двигатели ракеты.

Учитывая специфику процесса, обусловленную свойствами технологии пайки, к параметрам режима нагрева предъявляются жесткие требования по уровню температур в изделии [54]. Собранное сопло подвергается многократному контролю ультразвуком и рентгеноконтролю для определения

сплошности материала и целостности конструкции сопла. Точное соблюдение технологических требований и режимов на всех стадиях изготовления сопел является необходимым условием обеспечения высокого качества и надежности.

Спаиваются три металлические конструкции конической формы: стальная внешняя оболочка, медная гофра, и стальная внутренняя оболочка, припоем служит серебро (рис.2), свободное пространство, во время пайки, занимает аргон.

На режим пайки сопла ракетного двигателя накладывается ряд требований:

спаиваемые металлические оболочки и гофра хорошо подогнаны друг к

другу;

продолжительность нагрева элементов участвующих в пайке отражается на её качестве. Малое время нагрева, меньше 5—10 с [23], может быть недостаточным для завершения процесса очистки флюсом паяемых поверхностей и достижения всеми элементами, участвующими в пайке, одинаковой температуры. При очень продолжительном нагреве произойдет излишнее окисление припоя и паяемого металла при значительном непроизводительном расширении зоны прогрева. В обоих случаях неправильный режим нагрева приводит к ухудшению качества пайки;

Скорость нагрева не должна оказывать негативное влияние на качество пайки. При высоких скоростях нагрева изделия неизбежен значительный градиент температуры от поверхности к сердцевине, что при учете различных физических свойств материалов участвующих в пайке (медь, сталь) может привести к короблениям различного вида. Это в свою очередь затруднит плотное прилегание паяемых поверхностей друг к другу и окажет негативное влияние на качество пайки;

1 Электродинамические усилия, возникающие в изделии, не должны препятствовать плотному прилеганию спаиваемых элементов. Поскольку эти усилия, при нагреве конструкции под пайку, могут1 привести к явлению взаимного отталкивания друг от друга элементов, участвующих

7 в процессе пайки, что в результате затруднит образование качественного спая;

В настоящее время, создание изделий на предприятии происходит с большой долей брака, что открывает обширное поле для решения задач по усовершенствованию технологического процесса.

Таким образом, важность поставленной задачи по обеспечению качественного процесса пайки возрастает из-за наличия жёстких требований по качеству производимой продукции и рационального использования материальных ресурсов.

Цель работы. Основной целью работы является разработка системы индукционной пайки составных элементов многослойного тела конической формы с минимально-возможным процентом брака.

Достижение поставленной цели представляется в виде решения четырех взаимосвязанных задач:

  1. Разработка проблемно-ориентированной математической модели индукционного нагрева изделий с разнородными физическими свойствами.

  2. Исследование электромагнитных, тепловых и тепломеханических процессов.

3. Оптимальное проектирование конструкции индуктора.
Разработка системы управления установкой индукционной пайки.

Внешний вид изделия представлен на рисунках 1,2.

Нагреваемое изделие

Футеровка

Рис. 1. Внешний вид изделия

Рис 2. Поперечное сечение сопла

9 Методы исследования. Разработка проблемно-ориентированных моделей, исследование электромагнитных и тепловых процессов, синтез системы управления проводились методами математической физики, вычислительной математики, теории индукционного нагрева, теории автоматического управления. Для моделирования задач использовались приложения программы ANSYS.

Научная новизна.

  1. Создана методика оптимального проектирования индукционной установки для пайки многослойного тела конической формы, основанная на последовательном решении электромагнитной, комбинированной тепловой и связанной задачи термоупругости;

  1. Решена комбинированная тепловая задача излучения и нестационарной теплопроводности;

  2. Предложена система программного управления, учитывающая основные возмущающие воздействия, возникающие в процессе индукционной пайки многослойного тела конической формы;

Практическая полезность работы. В результате проведенных исследований получены следующие выводы, определяющие практическую полезность работы:

  1. Разработано алгоритмическое обеспечение и вычислительная технология реализации метода расчета электромагнитных и тепловых полей в многослойной структуре изделий сложной геометрической формы.

  2. Разработана методика расчета конструкции индукционного нагревателя, обеспечивающая максимальную точность нагрева в заданных частях исследуемой конструкции;

  3. Разработана методика расчета комбинированной тепловой задачи, включающей в себя задачи излучения и нестационарной теплопроводности;

10 4. Разработана система автоматического управления процессом индукционного нагрева для индукционной пайки многослойного тела конической формы

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской (с международным участием) молодёжной научной конференции (11-х Туполевских чтениях) (г. Казань 2003); Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Ттехнологии. Инновации" (г. Новосибирск 2003); 9-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва 2003); 10-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва 2004); Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" ( г. Самара 2004); 59-й Научной конференции студентов, 4-й научной конференции магистрантов ( г. Самара 2004 ); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" (г. Тольятти 2004); Международной научно-технической конференции, "Состояние и перспективы развития электротехнологии"(12-е Бенардосовские чтения) (г. Иваново 2005);

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста; содержит 78 рисунков и 2 таблицы, список использованных источников, включающий 121 наименований и 2 приложения, подтверждающих эффективность внедрения, новизну и актуальность работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1 .Математические модели, описывающие процесс индукционного нагрева многослойных тел конической формы, использующиеся для проектирования

оптимальной индукционной нагревательной установки и системы управления нагревом иод пайку;

  1. Методика расчета электромагнитных полей в многослойной конструкции сложной формы состоящей из элементов с различными физическими свойствами;

  2. Методика решения комбинированной тепловой задачи, состоящей из задач нестационарного теплопроводности и излучения;

4. Алгоритм поиска оптимальной конструкции нагревательного элемента
основанный на последовательной постановке и последующем решении
электромагнитной задачи, задачи лучистого теплообмена и нестационарной
теплопроводности;

5. Система программного управления процессом индукционного нагрева под
пайку.

Краткое содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель задачи и основные направления исследований.

В первой главе рассматриваются особенности сборки сопловых блоков, предложен обзор различным способам нагрева изделий под пайку, описывается процесс индукционной пайки, различные технологии пайки, применяемые в современной промышленности. Рассматриваются требования, применяемые к процессу пайки, а так же различные физико-химические процессы, возникающие при пайке.

Анализ технологии индукционной пайки показал, что существует обширное поле для исследований направленных на увеличение эффективности процесса нагрева многослойного тела конической формы под пайку.

Проведен обзор работ, посвященных вопросам расчета, проектирования и практического применения индукционных установок в различных технологических процессах. Рассмотрены конструктивные характеристики сопла ракетного двигателя, описаны составные элементы и устройство сопла, особенности процесса индукционного нагрева под пайку, явления,

12 протекающие при пайке. Проведен анализ существующих практических и теоретических методов исследования процесса индукционного нагрева Обоснован выбор метода конечных элементов для решения электромагнитной и тепловой задач.

Во второй главе проведен анализ методов математического моделирования электромагнитных, тепловых полей, а также процессов упругости твердого тела при проектировании установок для пайки, проведен расчет электромагнитного и температурного полей при пайке многослойного тела конической формы.

Применение численных методов обусловлено сложностью конфигурации изделия, а так же жесткими требованиями к технологическому процессу. Для решения поставленных задач использовался пакет ANSYS, в котором применен метод Ныотона-Рафсона.

В диссертации разработана численная модель тепловых расчетов. Решена комбинированная тепловая задача, состоящая из задач лучистого теплообмена и нестационарной теплопроводности.

Разработана, конечно-элементная методика электромагнитного расчета, реализованная программно, с ее помощью проведены расчеты индукционного нагревателя для установки по пайке. Получены диаграммы распределения мощности внутренних источников тепла по длине нагреваемого изделия.

Исследована проблема возникновения электродинамических усилий, а также термонапряжений в результате нагрева элементов конструкции с различными физическими свойствами. Произведена оценка степени влияния деформаций, возникающих вследствие нагрева сопла на качество пайки.

В третьей главе проводится анализ методов оптимизации конструкции индуктора. Решаются задачи оптимизации системы нагрева. Рассматривается и обосновывается решение о введении стального кожуха между индуктором и изделием и как следствие нагрев сопла излучением. Проводится поиск параметров оптимальной системы нагрева для пайки многослойных тел. Задача оптимизации системы нагрева характеризуется минимизацией функционала, содержащий критерий-время воздействия управляющего импульса (время

13 нагрева); при ограничении по точности нагрева. Поиск произведен в соответствии с предложенным алгоритмом, основанным на обработке различных вариантов, представляющих собой комбинации параметров системы. В качестве варьируемых параметров являются расстояние между индуктором и кожухом, кожухом и изделием, толщина кожуха, частота источника питания. Исполнение алгоритма осуществляется с различным шагом значения того или иного параметра системы нагрева под пайку. Полученная в результате поиска система нагрева позволяет обеспечить распределение температуры в зонах изделия с заданной точностью.

Произведен анализ кривых распределения плотности мощности на поверхности кожуха.

Четвертая глава посвящена вопросам синтеза системы управления нагревом под пайку.

Реализация оптимальной системы управления процессом индукционного нагрева изделий под пайку может быть обеспечена системой программного управления, отрабатывающей заранее рассчитанную программу изменения управляющего воздействия во времени.

Решается задача поиска интервалов управления для пайки многослойных изделий. Приведены варианты программ управления для различных режимов нагрева.

Проведена проверка выбранной системы нагрева на качество функционирования при различной температуре загрузки и температуре кожуха. Так же исследовано влияние появления окалины различных размеров на внутренней поверхности кожуха на процесс нагрева изделия.

В пятой главе рассматриваются вопросы практической реализации системы индукционного нагрева под пайку. Предложен основной алгоритм процесса нагрева состоящий из 7 этапов.

В работе так же приводится реализация системы управления с использованием рабочей станции, подключенной к шкафу управления и датчикам температуры через соответствующие устройства сопряжения.

Предложена схема питания системы индукционного нагрева для пайки многослойного тела конической формы.

В заключении проводится расчет и выбор экрана для снижения электромагнитного излучения в рабочей зоне.

Подобные работы
Шумаков Михаил Александрович
Разработка и исследование системы индукционного нагрева вязких жидкостей при производстве строительных мастик
Крылов Алексей Николаевич
Исследование и разработка системы косвенного индукционного нагрева при производстве пенополистирольных плит
Шатов Виталий Александрович
Разработка методики расчета и исследование коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева промышленной и повышенной частоты
Обухова Алла Васильевна
Исследование и разработка индукционной системы выплавки тротила для конверсионных технологий
Пронин Александр Михайлович
Исследование и разработка методов расчета индукционных систем с магнитопроводами
Батищев Арсений Михайлович
Исследование и повышение эффективности системы косвенного индукционного нагрева жидкости
Купцов Павел Владимирович
Разработка индукционной системы для разборки составных изделий
Лепешкин Александр Роальдович
Разработка эффективных режимов скоростного индукционного нагрева изделий с учетом термических напряжений
Кокорин Алексей Владимирович
Разработка технологических процессов и электрооборудования для химико-термической обработки изделий в импульсном дуговом разряде
Демидович Виктор Болеславович
Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net