УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ
CONTINUOUS ACTION PLANT FOR SYMMETRICAL INDUCTION HEATING OF BALL-SHAPED ITEMS

Изобретение относится к оборудованию для термической обработки изделий шарообразной формы, в частности в массовых производствах мелющих тел, шариков подшипников качения и клапанов в гидравлических системах, в том числе высокоизносостойких шариков в запорных клапанах глубинных насосов для нефтедобычи и др.
Известна установка непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева изделий шарообразной формы, содержащая, последовательно, расходный бункер, снабженный механизмом перемещения его в горизонтальной и вертикальной плоскостях, подбункерный питатель, задающий желоб от питателя к индуктору, снабженный шарнирными и телескопическим сочленениями, индуктирующий провод, навитый вокруг направляющего профиля в виде желоба корытообразного U-сечения, изогнутого в цилиндрическую винтовую спираль с вертикальной осью симметрии (патент №2316603, БИ №4, 2008 г.), или в фасонную спираль с переменной кривизной витков, вписанную в поверхность однополостного гиперболоида, либо в другую поверхность второго порядка (патент №2370550, БИ №29, 2009 г.).
Авторы обоих упомянутых изобретений-аналогов решают техническую задачу достижения искомой симметричности нагрева, основываясь на идее непрерывного изменения направления осей собственного вращения шаров при движении в спиральных индукторах с перемещением положения «околополюсных» и «экваториальных» относительно встречного магнитного потока, поверхностей на 90° (т.е. меняя их местами).
Общим недостатком указанных двух изобретений (патенты №2316603 и №2370550) является конструкция направляющего профиля для скатывания внутри индукторов нагреваемых изделий в виде желобов корытообразного -сечения, исключающая возможность свободного качения шаров без проскальзывания и верчения.
Неизбежность проскальзывания с верчением предопределена одновременным и непрерывным динамическим взаимодействием скатывающихся шаров с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями корыта - беговой дорожки и наружной его стенки. При этом побуждающие к повороту суммированного направления оси собственного вращения шара моменты сил трения качения по указанным поверхностям разнонаправлены (90°).
Комплексный и изменчивый характер сил трения, суммировано действующих на пути движения шара по всей криволинейной длине направляющего желоба с -образной конфигурацией сечения (трения качения по беговой дорожке и обкатывания вертикальной стенки, трения скольжения и верчения по тем же поверхностям), настолько осложняет проведение необходимых предпроектных расчетно-теоретических обоснований геометрических параметров такого термического оборудования, обеспечивающих симметричный индукционный нагрев изделий шарообразной формы, что возможность практического использования этих механико-математических исследований для проектирования представляется весьма неопределенной.
Технической задачей изобретения является исключение проскальзывания и верчения нагреваемых изделий при их движении по направляющему профилю.
Для достижения этого технического результата в установке непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева изделий шарообразной формы, содержащей расходный бункер, снабженный механизмом перемещения его в горизонтальной и вертикальной плоскостях, подбункерный питатель дискретного действия, задающий желоб от питателя к индуктору, снабженный шарнирными и телескопическим сочленениями, индуктирующий провод, навитый вокруг направляющего профиля, изогнутого в пространственную спираль с вертикальной осью симметрии, индуктирующий провод навит вокруг направляющего профиля кольцевого или полукольцевого сечения, изогнутого в фасонную спираль с переменной кривизной витков, вписанную в поверхность однополостного гиперболоида или другую поверхность второго порядка.
Предлагаемое техническое решение в предпочтительном варианте спирали, вписанной в поверхность однополостного гиперболоида (двойной поворот направления оси вращения: горизонт-90°-горизонт), иллюстрируется фиг.1 - главный вид; фиг.2 - вид А на фиг.1 на n-й (эн-ный) виток направляющего профиля выше фокальной плоскости в частично раскрытом виде; фиг.3 - сечения А-А на фиг.1 по прямым участкам индуктора на входе и выходе шаров; фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2 (промежуточное положение); фиг.5 - сечение В-В на фиг.2.
Спецификация к фиг.1, 2, 3, 4, 5:
1 - расходный бункер;
2 - механизм перемещения расходного бункера в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
3 - подбункерный питатель дискретного действия;
4 - подающий желоб;
4-1, 4-2 - шарнирные сочленения;
4-3 - телескопическое сочленение;
5 - индуктирующий провод;
6 - прямой участок направляющего профиля на входе шаров в индуктор;
7 - направляющий профиль кольцевого или полукольцевого сечения, изогнутый в фасонную спираль, вписанную в поверхность однополостного гиперболоида (или сходную с ней);
8 - прямой участок направляющего профиля на выходе шаров из индуктора;
9 - условная пространственная траектория выкатывания шаров на другую спиральную орбиту под воздействием возросшей центробежной силы;
F - фокусы образующих гиперболоидной поверхности.
Из фиг.3, 4, 5 видно, что на внутренней торообразной поверхности трубы можно сколько угодно выделить желобчатых сегментов криволинейной протяженности, пригодных для самоустанавливающегося местоположения шаров, при условии приемлемого соотношения размеров шара d и внутреннего диаметра D кольцевого сечения направляющего профиля (примерно ). Такими функциональными сегментами в предлагаемом направляющем профиле являются:
на фиг.3 - в нижней части по оси Y (беговая дорожка по малой спиральной орбите);
на фиг.5 - сегмент по оси X, дальний от оси симметрии спирали направляющего профиля (поверхность обкатывания под воздействием центробежной силы по увеличенной орбите).
На фиг.2 показана на некоем n-ном витке условная пространственная траектория 9 от п.«а» до п.«б» выкатывания шара в желобчатый сегмент по оси Х (фиг.4 и 5). Это траектория свободного гипоциклоидного качения шара по внутренней поверхности изогнутой в спираль направляющей трубы в нижней четверти ее сечения м/о Х и Y под комплексным воздействием взаимно перпендикулярных сил тяжести и центробежной с непрерывным стереометрическим (трехмерным) суммированием изменения направления оси собственного вращения шара, завершающегося искомым ее поворотом на 90° от исходного горизонтального направления без проскальзывания, ибо предложенным техническим решением исключаются причины возникновения такого явления. На фиг.3 и 5 иллюстрируется разделение местоположения шаров в поле таких сечений на угол 90° относительно центра окружности сечения от горизонтального направления оси собственного вращения шара до повернутого на 90°. Ниже фокальной плоскости на i-м витке с ослаблением центробежной силы (уменьшение кривизны спирали) произойдет скатывание шара по возвратной траектории в желобчатый сегмент по оси Y малой орбиты с восстановлением горизонтального направления оси вращения.
Условные обозначения для выведения условия симметричного индукционного нагрева шаров в предлагаемой установке:
гП
t - суммарное время движения шара с горизонтальным направлением оси вращения по прямым участкам индуктора (поз.5 и 7 на фиг.1);
гС1
t - время движения шара с горизонтальным направлением оси вращения в начале спиральной части индуктора (выше фокальной плоскости);
гС2
t - то же, ниже фокальной плоскости;
в
t - время движения шара с направлением оси вращения, повернутым на 90° (фиг.5, средняя часть гиперболоидной поверхности, опоясывающая фокальное сечение).
Условие симметричности
в
гП
гС1
гС2
t=t+t+t
На переходных по направлению осей вращения участках движения шаров по траектории «а» - «б» (фиг.2) и аналогичном на i-м витке ниже фокальной плоскости по возвратной траектории происходят прогревы, нивелирующие стыки между парными, взаимно перпендикулярными серповидными прогревами во время движения с горизонтальным направлением оси вращения и повернутым на 90° (показано на фиг.6).
На фиг.7 показано полукольцевое сечение направляющего профиля более рациональное относительно магнитоэлектрического КПД без устройства сложных (фасонных) магнитопроводов, но менее технологичное в части практического изготовления.
Выбор варианта - в зависимости от размеров шаров и электрических режимов нагрева.
Установка работает следующим образом.
1. Исходное статическое состояние (см. фиг.1):
расходный бункер 1 опорожнен, подбункерный питатель 3 выключен, индуктирующий провод 5 обесточен.
2. Последовательность запуска установки в работу:
включением механизма 2 порожний бункер устанавливается в положение, обеспечивающее необходимые угол α наклона и длину подающего желоба 4 для придания нужной начальной скорости движения шаров на входе в прямолинейный участок 6 направляющего профиля индуктора;
загрузка расходного бункера 1 шарами;
нажатием кнопки «пуск» включается индуктирующий провод 5, следом срабатывает подбункерный питатель дискретного действия 3, после чего шары по задающему желобу 4 скатываются с интервалами между ними в направляющий профиль 6, 7 индуктора;
далее симметрично нагретые ТВЧ в спиральной части индуктора шары до заданной температуры и глубины прогрева сбрасываются из прямого участка 8 направляющего профиля в закалочное устройство с охлаждающей средой.
Техническим результатом заявляемой совокупности существенных признаков является исключение проскальзывания и верчения шаров при скатывании по спиральному направляющему профилю индуктора, что предопределяет повышение точности расчетно-теоретических обоснований геометрических и магнитоэлектрических параметров спирального индуктора, благодаря чему сократятся издержки на опытно-конструкторские, экспериментальные и пусконаладочные работы при осуществлении изобретения.