УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию и предназначена для индукционного нагрева стальных деталей и изделий, имеющих цилиндрическую форму.
В существующей практике для нагрева таких деталей используются индукционные нагреватели, содержащие подключаемый к источнику переменного тока индуктор, состоящий из многовитковой обмотки и каркаса, на который эта обмотка намотана. В большинстве случаев каркас обмотки служит для придания обмотке определенной пространственной формы и ее последующего сохранения в процессе эксплуатации. Для защиты обмотки от тепловых и механических нагрузок, которое могут привести к разрушению межвитковой и межслойной электрической изоляции с последующим электрическим пробоем и выходом из строя всего устройства, обмотку защищают экранами. Обычно в устройстве имеется два экрана: один - теплоизоляционный из материала с низкой теплопроводностью, другой - защитный экран от механических воздействий.
Исходя из условий эксплуатации нагревателя, защитный экран должен удовлетворять определенным требованиям. Он должен быть термостойким, стойким к ударным, вибрационным и истирающим нагрузкам. Этим условиям удовлетворяют металлические экраны и не удовлетворяют экраны из диэлектрических материалов. Во всяком случае, нам не известны достаточно распространенные и сравнительно недорогие диэлектрические материалы, которые бы удовлетворяли всем перечисленным выше требованиям.
Наиболее проста конструкция индуктора с защитным металлическим экраном в виде цилиндрической трубы, на наружной поверхности которой находится электроизолированная индуктирующая обмотка, а нагреваемая деталь (цилиндр или кольцо) находится внутри этой трубы (Простяков А.А., Индукционные нагревательные установки. М., «Энергия», 1970, стр.40-41). Однако при протекании тока по обмотке индуктора в металлической трубе экрана будут наводиться круговые индукционные токи, которые нагреют экран до высокой температуры, что может вызвать нарушение электрической изоляции обмотки и выходу нагревателя из строя. В то же время, индукционные токи в нагреваемой детали будут меньше по величине, т.е. уменьшится к.п.д. нагревателя.
В качестве прототипа выбран индуктор для нагрева металлических деталей (АС №712976, публ. 1980 г., Бюлл. №4), содержащий подключаемую к источнику переменного тока электроизолированную обмотку, внутри которой концентрично установлены теплоизоляционный и металлический экраны, выполненные в виде цилиндров. При этом металлический цилиндр имеет торцевые фланцы и сквозной разрез по образующей, выполнен из немагнитной стали и установлен между теплоизоляционным цилиндром и обмоткой. Нагреваемая деталь в этом индукторе помещается внутри теплоизоляционного цилиндра.
Конструктивные особенности этого устройства имеют следующий недостаток:
Материал теплоизоляционного экрана должен обладать низкой теплопроводностью и достаточно высокой термостойкостью. В то же время он должен быть достаточно механически прочным, чтобы противостоять ударным и истирающим нагрузкам, возникающим при загрузке и выгрузке нагреваемой детали. Материалы, одновременно удовлетворяющие этим требованиям, либо очень дороги и не технологичны (как, например, пористая керамика), либо экологически небезопасны (например, асбоцемент). Другие доступные теплоизолирующие материалы не обладают стойкостью к механическим нагрузкам, поэтому теплоизоляционный экран из таких материалов имеет малый срок службы.
Для увеличения срока службы индуктора логично теплоизолирующий слой помещать между обмоткой и металлическим экраном, который будет воспринимать все механические нагрузки. Однако, металлический экран, выполненный в виде цилиндра с одним разрезом по образующей, тоже имеет недостаток. Нагреваемая металлическая деталь может перемкнуть зазор, образуемый разрезом по образующей, что приведет при протекании индуктирующего тока по обмотке к возникновению в металлическом цилиндрическом экране круговых индукционных токов и его нагреву и, следовательно, к снижению срока службы устройства. Установка внутри цилиндрического экрана трех направляющих позволяет устранить перемыкание зазора непосредственно нагреваемой деталью и обеспечить равновеликий зазор между цилиндром и нагреваемой деталью. Однако применение направляющих из диэлектрического материала нежелательно по тем же причинам, что и для теплоизоляционного экрана - малый срок службы. А металлические направляющие устранят протекание индукционных токов только в части цилиндрического экрана, ограниченной областью «направляющая-разрез по образующей-направляющая». Оставшаяся часть цилиндрического экрана будет нагреваться индукционными токами, замыкающимися по пути «направляющая-нагреваемая металлическая деталь-другая направляющая-металлический
цилиндрический экран». Следствием этого будет неравномерный в азимутальном направлении нагрев цилиндрического экрана, его деформация и, в конечном счете, сокращение срока службы устройства.
Задачей полезной модели является увеличении срока службы устройства для индукционного нагрева металлических деталей цилиндрической формы за счет защиты обмотки индуктора и теплоизолирующего слоя металлическим экраном, в котором не течет круговой индукционный ток при прохождении тока по обмотке индуктора.
Для решения поставленной задачи заявляемое устройство, как и прототип, содержит подключаемую к источнику переменного тока многовитковую индуктирующую обмотку, теплоизоляционный экран и металлический экран из немагнитного материала в виде цилиндрической трубы с торцевыми фланцами со сквозным разрезом по образующей. В отличие от прототипа, теплоизоляционный экран, расположен между обмоткой и металлическим экраном, в котором дополнительно выполнены два сквозных разреза по образующей, равноотстоящих друг от друга и от первого разреза, при этом сегменты металлического экрана соединены в единую конструкцию по фланцам торцевыми кольцами из диэлектрического материала таким образом, чтобы между соседними секторами металлического экрана образовался зазор. На внутренней, обращенной к оси, стороне каждого сегмента металлического экрана имеется продольный выступ, служащий направляющей для нагреваемой детали для обеспечения равновеликого воздушного зазора между индуктирующей обмоткой и нагреваемой деталью.
Для защиты индуктирующей обмотки и теплоизоляционного экрана от грязи, паров воды и масел зазоры между сегментами металлического экрана 3 заполнены диэлектрическим материалом
Количество продольных разрезов в металлическом экране, равное трем, выбрано из условия невозможности протекания индукционных токов в образовавшихся сегментах металлического экрана при протекании рабочего тока по обмотке индуктора. В случае одного или двух разрезов, как было сказано выше, появляется замкнутый контур для протекания тока через часть экрана, направляющие выступы и нагреваемую деталь.
В дальнейшем полезная модель поясняется чертежами.
Фиг.1 изображает устройство для индукционного нагрева металлических деталей цилиндрической формы.
Фиг.2 - то же в разрезе по А-А на фиг.1.
Устройство для индукционного нагрева металлических деталей цилиндрической формы содержит подключаемую к источнику переменного тока многовитковую
индуктирующую обмотку 1 из электроизолированного провода, теплоизоляционный экран 2 выполненный, например, из базальтового волокна и металлический экран 3, выполненный из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали. Металлический экран 3 представляет собой цилиндрическую трубу с торцевыми фланцами, имеющую три сквозных продольных разреза 4, расположенных под углом 120° друг относительно друга. Три сегмента металлического экрана 3, образовавшиеся в результате разрезов 4, объединены в аксиально-симметричную единую конструкцию двумя торцевыми кольцами 5, выполненными из диэлектрического материала, например, из стеклотекстолита, и соединенными с фланцами металлической трубы с помощью крепежных элементов 6, например, заклепок или болтов. Соединение выполнено так, чтобы между сегментами металлического экрана 3 оставался зазор в 1-2 мм.
Для защиты индуктирующей обмотки 1 и теплоизоляционного экрана 2 от грязи, паров воды и масел зазоры между сегментами экрана 3 заполнены диэлектрическим материалом, например термостойким компаундом (на рисунках не показан). На внутренней поверхности металлического экрана 3 имеются три продольных выступа 7, служащие направляющими для нагреваемой детали 8 и отстоящие от разрезов на угол 60° в азимутальном направлении. Направляющие обеспечивают равновеликий зазор между индуктирующей обмоткой и нагреваемой деталью 8, благодаря чему деталь нагревается равномерно в азимутальном направлении.
Устройство работает следующим образом. Нагреваемая деталь 8 помещается в индуктор по направляющим выступам 7 металлического экрана 3. При подаче напряжения на индуктирующую обмотку 1 по последней потечет ток, возбуждающий магнитный поток переменного направления, который индуктирует в детали 8 вихревые токи, разогревающие ее. При этом в металлическом экране 3 индуктора круговые индукционные токи не наводятся из-за наличия не проводящих зазоров между сегментами. При достижении требуемой температуры детали 8 напряжение с индуктирующей обмотки 1 снимается и нагретая деталь вынимается из индуктора.
В качестве примера реально работающего устройства с заявляемой конструкцией индуктора может служить изготавливаемый в ФГНУ «Научно-исследовательский институт ядерной физики» нагреватель индукционный ИН-3 для нагрева внутренних колец роликовых подшипников буксового узла колесных пар железнодорожных вагонов. Металлический экран индуктора этого нагревателя из титанового сплава ВТ-01 состоит из трех сегментов, разделенных между собой 3 мм зазорами и объединенных в единую цилиндрическую конструкцию торцевыми стеклотекстолитовыми кольцами. Анализ, проведенный в вагонных депо ОАО «Российские железные дороги» показал, что срок
службы этих нагревателей в среднем в 1,8 раз превышает аналогичный показатель для ранее использовавшихся в этих депо индукционных нагревателей
Такая конструкция индуктора обладает достаточной прочностью, препятствует возникновению круговых индукционных токов в экране индуктора, защищает индуктирующую обмотку от тепловых и механических повреждений. Таким образом, достигается поставленная задача полезной модели.