Induktionskrympkoppling
Induktionskrympkoppling hänvisar till användningen av induktionsvärmarteknik för att förvärma metallkomponenter mellan 150 °C (302 °F) och 300 °C (572 °F) och därmed få dem att expandera och möjliggöra insättning eller borttagning av en annan komponent . Vanligtvis används det lägre temperaturintervallet på metaller som aluminium och högre temperaturer används på metaller som låg-/ mediumkolstål . Processen undviker förändringar av mekaniska egenskaper samtidigt som komponenterna kan bearbetas. Metaller expanderar vanligtvis som svar på uppvärmning och drar ihop sig vid kylning; detta dimensionella svar på temperaturförändringar uttrycks som en termisk expansionskoefficient .
Bearbeta
Induktionsuppvärmning är en beröringsfri uppvärmningsprocess som använder principen om elektromagnetisk induktion för att producera värme i ett arbetsstycke. I detta fall används termisk expansion i en mekanisk applikation för att passa delar över varandra, t.ex. kan en bussning monteras över en axel genom att göra dess innerdiameter något mindre än axelns diameter, sedan värma den tills den passar över axeln , och låt den svalna efter att den har skjutits över axeln, vilket uppnår en "krymppassning". Genom att placera ett ledande material i ett starkt växelmagnetfält kan elektrisk ström fås att flyta i metallen och därigenom skapa värme på grund av I 2 R-förlusterna i materialet. Den alstrade strömmen flyter övervägande i ytskiktet. Djupet av detta lager dikteras av frekvensen av växelfältet och materialets permeabilitet . Induktionsvärmare för krympkoppling delas in i två breda kategorier:
- Nätfrekvensenheter (MF) som använder magnetiska kärnor (järn)
- Solid state MF och radiofrekvens (RF) värmare
Nätfrekvensenheter som använder järnkärnor
Ofta hänvisad till som en lagervärmare, använder nätfrekvensenheten standard transformatorprinciper för sin drift. En inre lindning lindas runt en laminerad kärna som liknar en vanlig nättransformator. Kärnan passerar sedan genom arbetsstycket och när primärspolen aktiveras skapas ett magnetiskt flöde runt kärnan. Arbetsstycket fungerar som en kortslutning sekundär till den skapade transformatorn, och på grund av induktionslagarna flyter en ström i arbetsstycket och värme genereras. Kärnan är normalt gångjärnsförsedd eller klämd på något sätt för att tillåta lastning eller lossning, vilket vanligtvis är en manuell operation. För att täcka variationer i deldiameter kommer majoriteten av enheterna att ha reservkärnor tillgängliga som hjälper till att optimera prestandan. När delen är uppvärmd till rätt temperatur kan monteringen ske antingen för hand eller i aktuell jigg eller maskinpress .
Energiförbrukning
Lagervärmare sträcker sig vanligtvis från 1 kVA till 25 kVA och används för att värma delar från 1 till 650 kg (2,2 till 1 433,0 lb), beroende på applikationen. Effekten som krävs är en funktion av vikten, måltemperaturen och cykeltiden för att underlätta valet av många tillverkare som publicerar grafer och diagram.
Branscher och applikationer
- Järnväg - växellådor, hjul, transmissioner
- Verktygsmaskiner - svarvväxellådor, kvarnar
- Stålverk - rullager, rullhalsringar
- Kraftproduktion - olika generatorkomponenter
På grund av behovet av att införa en kärna och även för att vara effektiv måste kärnan vara relativt nära hålet i den del som ska värmas, det finns många applikationer där ovanstående tillvägagångssätt av lageruppvärmningstyp inte är genomförbart.
Solid state MF och RF värmare
I de fall där driftskomplexiteten utesluter användningen av en kärnnätsfrekvensansats, kan standardinduktionsvärmaren RF eller MF användas. Denna typ av enhet använder varv av kopparrör lindade till en elektromagnetisk spole . Det krävs inga kärnor, spolen behöver helt enkelt omsluta eller sättas in i delen som ska värmas upp, detta gör att automatisera processen enkelt. En ytterligare fördel är möjligheten att inte bara krympa passande delar utan även ta bort dem.
RF- och MF-värmarna som används för induktionskrymppassning varierar i effekt från några kilowatt till många megawatt och beroende på komponentens geometri/diameter/tvärsnitt kan de variera i frekvens från 1 kHz till 200 kHz, även om de flesta applikationer använder området mellan 1 kHz och 100 kHz.
Generellt sett är det bäst att använda den lägsta praktiska frekvensen och en låg effekttäthet vid krymppassning eftersom detta i allmänhet ger mer jämnt fördelad värme. Undantaget från denna regel är när man använder värme för att ta bort delar från axlar. I dessa fall är det ofta bäst att chocka komponenten med en snabb upphettning, detta har också fördelen av att förkorta tidscykeln och förhindra värmeuppbyggnad i axeln vilket kan leda till problem med att båda delarna expanderar.
För att välja rätt effekt är det nödvändigt att först beräkna den termiska energi som krävs för att höja materialet till den erforderliga temperaturen inom den tilldelade tiden. Detta kan göras med hjälp av värmeinnehållet i materialet som är normalt uttryckt i kW timmar per ton, vikten av metall som ska bearbetas och tidscykeln. När detta väl har fastställts måste andra faktorer såsom utstrålade förluster från komponenten, spolförluster och andra systemförluster beaktas. Traditionellt har denna process inneburit långa och komplexa beräkningar i kombination med en blandning av praktisk erfarenhet och empirisk formel. Moderna tekniker använder finita elementanalys och andra datorstödda tillverkningstekniker , men som med alla sådana metoder krävs fortfarande en grundlig kunskap om induktionsuppvärmningsprocessen. När man bestämmer sig för rätt tillvägagångssätt är det ofta nödvändigt att ta hänsyn till arbetsstyckets totala storlek och värmeledningsförmåga och dess expansionsegenskaper för att säkerställa att tillräckligt med blötläggningstid tillåts för att skapa en jämn värme genom hela komponenten.
Utgångsfrekvens
Eftersom krympkoppling kräver en jämn uppvärmning av komponenten som ska expanderas är det bäst att försöka använda lägsta praktiska frekvens när man närmar sig uppvärmning för krymppassning. Återigen kan undantaget från denna regel vara när man tar bort delar från axlar.
Branscher och applikationer
Det finns ett stort antal industrier och applikationer som drar nytta av induktionskrympmontering eller borttagning med hjälp av solid state RF- och MF-värmare. I praktiken kan den använda metoden variera från ett enkelt manuellt tillvägagångssätt där en operatör monterar eller demonterar delarna till helautomatiska pneumatiska och hydrauliska pressarrangemang .
- Startringar för bilar på svänghjul
- Kugghjul till vevaxlar
- Motorstatorer in i motorkroppar
- Motoraxlar till statorer
- Demontering och återmontering av ett gasturbinhjul
- Demontering och återmontering av ihåliga bultar i elektriska generatorer
- Montering av högprecisionsrullager
- Krympbeslag av 2-takts vevaxlar för fartygsmotorer
Fördelar & nackdelar
Fördelar:
- Processkontrollerbarhet - Till skillnad från en traditionell el- eller gasugn kräver induktionssystemet ingen förvärmningscykel eller kontrollerad avstängning. Värmen är tillgänglig på begäran. Förutom fördelarna med snabb tillgänglighet vid ett nedströms produktionsavbrott, kan strömmen stängas av och därmed spara energi.
- Energieffektivitet - På grund av värmen som genereras i komponenten är energiöverföringen extremt effektiv. Induktionsvärmaren värmer bara delen inte atmosfären runt den.
- Processkonsistens - Induktionsuppvärmningsprocessen producerar extremt jämn konsekvent värme, vilket ofta tillåter mindre värme att användas för en given process.
- Ingen öppen låga - Detta gör att induktionsvärme kan användas i en mängd olika applikationer i flyktiga miljöer, särskilt i petrokemiska applikationer.
Den största nackdelen med denna process är att den i allmänhet är begränsad till komponenter som har en cylindrisk form.
Se även
Anteckningar
Bibliografi
- Davies, John; Simpson, Peter (1979), Induction Heating Handbook , McGraw-Hill, ISBN 0-07-084515-8 .
- Rapoport, Edgar; Pleshivtseva, Yulia (2006), Optimal Control of Induction Heating Processes , CRC Press, ISBN 0-8493-3754-2 .
- Rudnev, Valery; Kärlekslös, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Handbook of Induction Heating , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2 .