趙玉倩,王 珊,任善銀,史玉龍,韓 毅,*

(1.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004;2.燕山大學(xué) 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心,河北 秦皇島 066004)

0 引言

鏈傳動(dòng)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、傳動(dòng)力矩大、平均傳動(dòng)比穩(wěn)定等特性,已成為機(jī)械傳動(dòng)的重要形式之一。然而,鏈傳動(dòng)瞬時(shí)傳動(dòng)比的變化導(dǎo)致鏈條運(yùn)動(dòng)存在多邊形效應(yīng),致使鏈輪與鏈條嚙合時(shí),輪齒會(huì)遭受劇烈沖擊,加劇鏈輪各輪齒表面的疲勞磨損[1]。對于鏈輪而言,工作所產(chǎn)生的強(qiáng)扭矩和彎矩會(huì)進(jìn)一步加劇疲勞裂紋擴(kuò)展,致使鏈輪表面產(chǎn)生齒面點(diǎn)蝕、齒根斷裂等失效形式[2],而合理的熱處理制度是提高鏈輪質(zhì)量的關(guān)鍵。因此,隨著鏈輪向高強(qiáng)度、高韌性、耐疲勞、耐腐蝕的方向發(fā)展,人們對鏈輪的熱處理工藝提出了更高的要求。

隨著工業(yè)生產(chǎn)高速發(fā)展,傳統(tǒng)的熱處理方式已經(jīng)不再滿足現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)要求[3]。而感應(yīng)加熱依靠鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng),可以使金屬零部件表面在交變磁場中產(chǎn)生渦流,實(shí)現(xiàn)對金屬零件表面的高效熱處理,其符合環(huán)保、高效、節(jié)約的工業(yè)生產(chǎn)新要求[4]。鑒于此,感應(yīng)加熱技術(shù)受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注,例如:SKALOMENOS等[5]、FISK等[6]和BARGLIK等[7]研究了感應(yīng)加熱技術(shù)對鋼制零件力學(xué)性能的影響,SUN等[8]研究發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱技術(shù)可以改善冷噴涂IN718涂層的彎曲強(qiáng)度和塑性,TONG等[9]利用數(shù)值模擬研究了軸類零件感應(yīng)回火過程,并分析了相變和蠕變對回火應(yīng)力松弛的影響。為進(jìn)一步改善感應(yīng)加熱技術(shù)對金屬零件熱處理的作用效果,SHIH等[10]、FU等[11]和韓毅等[12]研究了線圈結(jié)構(gòu)對不同鋼制零件感應(yīng)加熱的影響,NIAN等[13]用鐵氧體材料分離并引導(dǎo)磁場分布,提高感應(yīng)加熱效率和溫度均勻性,KIEREPKA等[14]提出一種雙頻感應(yīng)加熱的逆變器,提高感應(yīng)電源裝換效率,進(jìn)而改善了金屬零件感應(yīng)加熱的質(zhì)量。隨著熱處理技術(shù)向綠色、高效方向發(fā)展,感應(yīng)加熱的精密控制是提高金屬零件熱處理質(zhì)量的有效途徑之一。

在鏈輪的感應(yīng)熱處理中,鏈輪在交變磁場中存在尖角效應(yīng),且線圈存在圓環(huán)效應(yīng)和鄰近效應(yīng),致使鏈輪齒廓表面的磁場分布不合理,溫度分布不均,嚴(yán)重影響鏈輪熱處理的質(zhì)量。如何有效控制鏈輪齒廓表面的磁場和溫度場的分布,是提高鏈輪熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)磁體有著極高的磁導(dǎo)率,可以引導(dǎo)磁力線,改變磁場的空間分布[15-16]。因而,在鏈輪感應(yīng)加熱過程中配加導(dǎo)磁體裝置,是提高鏈輪熱處理質(zhì)量的有效途徑之一。然而,現(xiàn)階段鏈輪感應(yīng)加熱過程中導(dǎo)磁體的作用規(guī)律尚不清晰,有必要進(jìn)行深入系統(tǒng)研究。

此外,根據(jù)前期的研究[12]可知,在對鏈輪進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí),相較于完全仿形線圈,采用V形線圈可顯著提高金屬零件的熱處理質(zhì)量。鑒于此,本文采用導(dǎo)磁體配合V形線圈對鏈輪進(jìn)行感應(yīng)加熱,并通過有限元軟件ANSYS對導(dǎo)磁體各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬研究,分析導(dǎo)磁體對鏈輪感應(yīng)加熱過程的影響規(guī)律,研究結(jié)果可為實(shí)際鏈輪熱處理制度提供參考。

1 感應(yīng)加熱模型

根據(jù)前期研究[12]可知,在對鏈輪進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí),相較于完全仿形線圈,采用V形線圈可顯著提高金屬零件的熱處理質(zhì)量。鑒于此,本文將以V形線圈為基礎(chǔ),研究導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)對鏈輪感應(yīng)加熱過程的影響。

1.1 材料參數(shù)

研究所用鏈輪材料為45號(hào)鋼,其導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、電阻率和相對磁導(dǎo)率等熱物性參數(shù)隨溫度呈非線性變化。這些參數(shù)與溫度之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 鏈輪材料物性參數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.1 Relation of sprocket material property parameters and temperature

1.2 有限元模型

V形線圈結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:線圈夾角γ1、線圈底部半徑r1、齒頂間距h及齒底間距a,其中線圈底部圓與線圈兩側(cè)相切。導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示,其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:導(dǎo)磁體厚度d1、側(cè)板圓半徑r2、側(cè)板夾角γ2和側(cè)板厚度d2,其中側(cè)板圓與線圈底部圓同心,并且與側(cè)板兩側(cè)(與線圈兩側(cè)平行)相切;鏈輪、V形線圈及導(dǎo)磁體的整體裝配示意圖如圖4所示。仿真及實(shí)驗(yàn)所用鏈輪、V形線圈、導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)及施加初始載荷條件基本參數(shù)如表1所示。

圖2 線圈結(jié)構(gòu)Fig.2 Coil structure

圖3 導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)Fig.3 Magnetizer structure

圖4 整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basicparameters

圖5為鏈輪、V形感應(yīng)線圈和導(dǎo)磁體的有限元模型網(wǎng)格劃分情況。進(jìn)行電磁分析時(shí),選用20節(jié)點(diǎn)單元的6面體實(shí)體單元SOLID117,并將鏈輪區(qū)域單元自由度設(shè)置為VOLT和AZ,導(dǎo)磁體、空氣、感應(yīng)線圈的自由度設(shè)置為AZ。進(jìn)行熱分析時(shí),鏈輪選用20節(jié)點(diǎn)單元的實(shí)體單元SOLID90。

圖5 模型網(wǎng)格處理Fig.5 Model grid processing

在網(wǎng)格劃分時(shí)分別對空氣、感應(yīng)線圈、導(dǎo)磁體和鏈輪采用不同大小的網(wǎng)格劃分;同時(shí)又為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,對鏈輪加熱層內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理,如圖5(a)所示。感應(yīng)線圈在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),被劃分成了40個(gè)局部區(qū)域,如圖5(b)所示;并在10個(gè)線圈底部圓區(qū)域的圓心位置各建立一個(gè)Z軸平行于鏈輪齒寬方向的局部柱坐標(biāo)系,在30個(gè)平直段區(qū)域分別各建立一個(gè)Y軸方向平行于平直段區(qū)域的笛卡爾坐標(biāo)系,以實(shí)現(xiàn)后期對電流載荷的精確加載。

1.3 分析路徑

鏈輪在運(yùn)行過程中由于輪齒各個(gè)部位工況的不同,出現(xiàn)的損壞情況也不相同,其中齒面磨損、輪齒折斷成為鏈輪的主要失效形式。并且根據(jù)對損壞鏈輪的研究發(fā)現(xiàn),較多鏈輪的損壞是由于鏈輪在表面熱處理加熱過程中加熱層的齒廓方向溫度不均勻造成的。所以在衡量鏈輪表面熱處理加熱質(zhì)量時(shí),按照如圖6所示齒廓路徑M1M2進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

圖6 數(shù)據(jù)讀取齒廓路徑Fig.6 Data reading gear tooth profile path

2 結(jié)果分析

2.1 電磁場分析

圖7為未使用導(dǎo)磁體和使用導(dǎo)磁體時(shí)鏈輪磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。由圖分析可得,未使用導(dǎo)磁體時(shí),由于受線圈結(jié)構(gòu)及圓環(huán)效應(yīng)的影響,鏈輪中磁感應(yīng)強(qiáng)度較大區(qū)域(紅色區(qū)域)較為分散,且齒根圓角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱;而使用導(dǎo)磁體時(shí),較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域主要集中在齒底和齒根圓角處。以上兩種情況下的齒廓路徑M1M2的磁感應(yīng)強(qiáng)度及差值曲線如圖8所示。由圖8(a)可知,未使用導(dǎo)磁體時(shí),在齒頂部位,由于鄰近效應(yīng),使得該處磁感應(yīng)強(qiáng)度高于其他部分,且在端部效應(yīng)的影響下,使得齒頂處的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨齒廓路徑M1M2上點(diǎn)的位置的移動(dòng)略有增加。在齒側(cè)部位,隨齒廓路徑M1M2上點(diǎn)的位置向齒根圓角的移動(dòng),雖然感應(yīng)線圈與輪齒的間距逐漸減小,但是由于鄰近效應(yīng)和端部效應(yīng)的消失,造成齒側(cè)部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度下降;在齒根圓角及齒底部位,感應(yīng)線圈與輪齒的間距隨齒廓路徑M1M2上點(diǎn)的位置的移動(dòng)進(jìn)一步減小,但是齒根圓角處受圓環(huán)效應(yīng)的影響,齒廓路徑M1M2上點(diǎn)的位置由齒根圓角向齒底中點(diǎn)M2的移動(dòng)過程中,造成齒根圓角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度先下降后上升。當(dāng)使用導(dǎo)磁體時(shí),導(dǎo)磁體對鏈輪磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)化作用增加了齒廓路徑M1M2上的磁感應(yīng)強(qiáng)度,并且抵消了圓環(huán)效應(yīng)的影響,使得磁感應(yīng)強(qiáng)度在路徑M1M2上略有下降后就不斷增大,在齒底中點(diǎn)M2處達(dá)到最大值。由圖8(b)可知,導(dǎo)磁體對鏈輪磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)化作用沿齒廓路徑M1M2逐漸增大,并且在齒根圓角處達(dá)到最大,齒根圓角處磁感應(yīng)強(qiáng)度增大約85%。

圖7 鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.7 Contour of magnetic induction intensity of sprocket

圖8 齒廓路徑M1M2磁感應(yīng)強(qiáng)度分析Fig.8 Analysis of magnetic induction intensity of gear tooth profile path M1M2

2.2 溫度場分析

圖9為未使用導(dǎo)磁體和使用導(dǎo)磁體時(shí)鏈輪的溫度分布。根據(jù)對鏈輪的性能要求,鏈輪輪齒的加熱溫度需要達(dá)到870℃。由圖分析可得,當(dāng)鏈輪的加熱層溫度達(dá)到最低溫度要求870℃時(shí),未使用導(dǎo)磁體的鏈輪輪齒已全部被加熱到了870℃以上;使用導(dǎo)磁體的鏈輪輪齒芯部溫度仍在870℃以下。以上兩種情況下的齒廓路徑M1M2的溫度及差值曲線如圖10所示。由圖10(a)分析可得,未使用導(dǎo)磁體和使用導(dǎo)磁體時(shí)齒廓路徑M1M2溫度分布變化規(guī)律基本相同,即在齒頂部位,各點(diǎn)溫度基本不變;在齒側(cè)部位,隨著齒廓路徑M1M2上點(diǎn)的位置向齒根圓角的移動(dòng),各點(diǎn)的溫度急劇下降;在齒底部位,各點(diǎn)溫度略有下降。雖然兩種情況下齒廓路徑M1M2溫度分布規(guī)律基本相同,但是未使用導(dǎo)磁體時(shí)齒廓路徑M1M2上的最大溫差為152℃,使用導(dǎo)磁體時(shí)齒廓路徑M1M2上的最大溫差為110℃,減小約27%。由圖10(b)分析可得,導(dǎo)磁體的聚磁作用對鏈輪齒頂溫度的影響相對較小,在齒側(cè)處逐漸增大,并在齒根圓角處達(dá)到最大值;之后隨著齒廓路徑M1M2上點(diǎn)的位置由齒根圓角向齒底中點(diǎn)M2的移動(dòng),導(dǎo)磁體對溫度的影響略有下降,并逐漸趨于恒定。這主要是由于導(dǎo)磁體增大了齒根圓角和齒底處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,尤其是齒根圓角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖9 兩種情況下鏈輪的溫度分布云圖Fig.9 Contour of temperature distribution of sprocket under two conditions

圖10 齒廓路徑M1M2溫度分析Fig.10 Temperature analysis of gear tooth profile pathM1M2

2.3 導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.3.1 導(dǎo)磁體厚度

不同導(dǎo)磁體厚度下的鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖11所示。由圖分析可得,隨著導(dǎo)磁體厚度的增加,鏈輪齒根處的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域增大,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)域逐漸延伸至齒側(cè)區(qū)域。不同導(dǎo)磁體厚度下的齒廓路徑M1M2的溫度及最大溫差曲線如圖12所示。由圖12(a)可知,導(dǎo)磁體厚度的增加提高了齒廓路徑M1M2上各點(diǎn)的溫度,并且溫度升高明顯的區(qū)域向齒頂部位移動(dòng)。由圖12(b)可知,導(dǎo)磁體厚度由3.5 mm增加到6.5mm時(shí),鏈輪齒廓表層溫度最大溫差逐漸減少,該厚度范圍內(nèi)最大溫差減小約8%;當(dāng)導(dǎo)磁體厚度大于6.5mm時(shí),最大溫差隨導(dǎo)磁體厚度的增加又逐漸增加;當(dāng)導(dǎo)磁體厚度大于9.5mm后,隨著導(dǎo)磁體厚度的增加,最大溫差的增速逐漸減小;當(dāng)導(dǎo)磁體厚度增加到12.5 mm時(shí),與導(dǎo)磁體厚度為6.5 mm相比,最大溫差上升約31%。這是由于線圈底部導(dǎo)磁體的聚磁作用,極大地增強(qiáng)了鏈輪齒底及齒根圓角處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,提高了鏈輪齒底及齒根圓角處的加熱效率;當(dāng)導(dǎo)磁體厚度小于6.5 mm時(shí),隨著導(dǎo)磁體厚度的增加,導(dǎo)磁體在齒底及齒根圓角處的聚磁作用進(jìn)一步增強(qiáng);當(dāng)導(dǎo)磁體厚度大于6.5 mm時(shí),隨著導(dǎo)磁體厚度的進(jìn)一步增加,導(dǎo)磁體的聚磁作用不再僅限于齒底及齒根圓角部位,逐漸擴(kuò)展至齒側(cè)、齒頂部位。因此,鏈輪齒廓表層溫度最大溫差隨著導(dǎo)磁體厚度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

圖11 不同導(dǎo)磁體厚度下鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.11 Contour of magnetic induction intensity of sprocket with different thickness of magnetizer

圖12 不同導(dǎo)磁體厚度下齒廓路徑M1M2溫度分析Fig.12 Temperature analysis of gear tooth profile path M1M2 under different thickness of magnetizer

2.3.2 導(dǎo)磁體側(cè)板厚度

不同導(dǎo)磁體側(cè)板厚度下鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖13所示。由圖分析可得,導(dǎo)磁體側(cè)板厚度由2 mm增加到6 mm,磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值增加約3.8%;并且隨著導(dǎo)磁體側(cè)板厚度增加,齒底部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大區(qū)域與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻性均得到了顯著的提高。不同導(dǎo)磁體側(cè)板厚度的齒廓路徑M1M2的溫度及最大溫差曲線如圖14所示。由圖14(a)可知,隨著導(dǎo)磁體側(cè)板厚度增加,齒廓路徑M1M2上各點(diǎn)的溫度均有所增加,并且齒根圓角和齒底部位上各點(diǎn)溫度提高幅度大于齒廓路徑M1M2上其他各點(diǎn)溫度。由圖14(b)可知,導(dǎo)磁體側(cè)板厚度由2 mm增加到8 mm時(shí),齒廓路徑M1M2最大溫差逐漸降低,降幅達(dá)9%。并且當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板厚度由2 mm增加到5 mm時(shí),齒廓路徑M1M2最大溫差下降速率逐漸增大;在導(dǎo)磁體側(cè)板厚度由5 mm增加到8 mm時(shí),齒廓路徑M1M2上最大溫差下降速率又逐漸減小,最大溫差下降速率在導(dǎo)磁體側(cè)板厚度為5 mm時(shí)最大。這主要是由于導(dǎo)磁體的聚磁作用隨著導(dǎo)磁體側(cè)板厚度的增加而增大,提高了鏈輪齒根圓角及齒底部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度,進(jìn)而彌補(bǔ)了圓環(huán)效應(yīng)等造成的齒根圓角和齒底部位溫度偏低的情況。但是,當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板厚度增加到一定值后,繼續(xù)增加導(dǎo)磁體側(cè)板厚度,新增導(dǎo)磁體側(cè)板部分對感應(yīng)加熱的聚磁作用隨著其與工件相對距離的增大而逐漸減弱,所以齒廓路徑M1M2最大溫差下降速率先增大后減小。

圖13 不同導(dǎo)磁體側(cè)板厚度下鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.13 Contour of magnetic induction intensity of sprocket with different thickness of magnetizer side plate

圖14 不同導(dǎo)磁體側(cè)板厚度下齒廓路徑M1M2溫度分析Fig.14 Temperature analysis of gear tooth profile path M1M2 under different thickness of magnetizer side plate

2.3.3 導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑

不同導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑下鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖15所示,由圖分析可得,導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑對鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值影響顯著。當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑由6 mm增加到10 mm時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度的均勻性在齒廓方向有顯著提高。不同導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑的齒廓路徑M1M2的溫度及最大溫差曲線如圖16所示。由圖16(a)分析可得,隨著導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑的增大,整條齒廓路徑M1M2上各點(diǎn)溫度均有所增加,尤其對齒根圓角與齒底部位加熱溫度的提高更為明顯。由圖16(b)分析可得,導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑的增加,可以有效地降低齒廓路徑M1M2上的最大溫差;當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑從5 mm增加到11 mm時(shí),最大溫差降低了約75%。這主要是因?yàn)閷?dǎo)磁體側(cè)板圓半徑的增加,不僅增大了導(dǎo)磁體側(cè)板的體積,而且使得導(dǎo)磁體側(cè)板結(jié)構(gòu)與鏈輪距離減小,所以導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑的增加提高了鏈輪齒根圓角與齒底處的磁感應(yīng)強(qiáng)度,但對鏈輪其他部位磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較小。

圖15 不同導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑下鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.15 Contour of magnetic induction intensity of sprocket with different radius of magnetizer side plate

圖16 不同導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑下齒廓路徑M1M2溫度分析Fig.16 Temperature analysis of gear tooth profile path M1M2 under different radius of magnetizer side plate

2.3.4 導(dǎo)磁體側(cè)板夾角

不同導(dǎo)磁體側(cè)板夾角下的鏈輪磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖17所示。由圖分析可得,導(dǎo)磁體側(cè)板夾角對鏈輪加熱過程中的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與分布均勻性影響不明顯,尤其是對齒根圓角和齒底部位。不同導(dǎo)磁體側(cè)板夾角時(shí)齒廓路徑M1M2的溫度及最大溫差曲線如圖18所示。由圖18(a)可知,隨著導(dǎo)磁體側(cè)板夾角的增加,齒廓路徑M1M2上各點(diǎn)的加熱溫度均有不同程度的升高;并且導(dǎo)磁體側(cè)板夾角越大,齒頂及齒頂附近的齒側(cè)部位溫度升高越明顯。由圖18(b)可知,隨著導(dǎo)磁體側(cè)板夾角的增加,齒廓路徑M1M2上的最大溫差先降低后升高。當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板夾角由75°增加到90°時(shí),最大溫差下降約1.5%;當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板夾角由90°增加到165°時(shí),最大溫差升高約23%。這主要是由于導(dǎo)磁體側(cè)板夾角可以改變導(dǎo)磁體的聚磁效果,當(dāng)導(dǎo)磁體側(cè)板夾角較小時(shí),導(dǎo)磁體側(cè)板夾角的增加不僅可以增大導(dǎo)磁體側(cè)板的體積,而且可以使磁力線聚集在齒底和齒根圓角處;但是隨著導(dǎo)磁體側(cè)板夾角的繼續(xù)增加,導(dǎo)磁體對磁力線的聚集范圍增大,使得磁力線偏向齒頂和齒頂附近齒側(cè)部位。

圖17 不同導(dǎo)磁體側(cè)板夾角下鏈輪中的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.17 Contour of magnetic induction intensity of sprocket with different angle of magnetizer side plate

圖18 不同導(dǎo)磁體側(cè)板夾角下齒廓路徑M1M2溫度分析Fig.18 Temperature analysis of gear tooth profile path M1M2 under different angle of magnetizer side plate

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

采用表1所示結(jié)構(gòu)參數(shù)的鏈輪、線圈和導(dǎo)磁體作為實(shí)驗(yàn)研究對象,使用型號(hào)為160 kW/2 500 Hz中頻感應(yīng)電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并搭建了如圖19所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)過程中,為了對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測,選取了如圖20所示的4個(gè)測溫點(diǎn),并使用熱電偶及動(dòng)態(tài)信號(hào)測試儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度測量。

圖19 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.19 Experimental platform

圖20 測溫點(diǎn)位置示意圖Fig.20 Location of temperature measuring points

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,如圖21所示。各測溫點(diǎn)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)基本吻合。在加熱20 s后,A點(diǎn)的模擬溫度比實(shí)驗(yàn)溫度高23.6℃,B點(diǎn)的模擬溫度比實(shí)驗(yàn)溫度高26.5℃,C點(diǎn)的模擬溫度比實(shí)驗(yàn)溫度高26.1℃,D點(diǎn)的模擬溫度比實(shí)驗(yàn)溫度高22.8℃。以上各點(diǎn)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)高于實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù),是因?yàn)樵谶M(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),對加熱模型進(jìn)行了一定的合理簡化,而忽略了一些現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中的某些因素。但是4個(gè)測溫點(diǎn)中的溫度最大誤差僅為2.7%,仍在可以接受的范圍內(nèi),從而驗(yàn)證了建立模型的準(zhǔn)確性。

圖21 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.21 Comparison of experimental data and numerical simulation data

3 結(jié)論

本文以V形線圈感應(yīng)加熱為基礎(chǔ),研究了導(dǎo)磁體對鏈輪感應(yīng)加熱過程中的影響規(guī)律,量化分析了感應(yīng)加熱時(shí)導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)(厚度、側(cè)板厚度、側(cè)板圓半徑和側(cè)板夾角)對鏈輪溫度分布的影響,得到以下重要結(jié)論:

1)在相同感應(yīng)加熱工藝條件下,導(dǎo)磁體能夠提高鏈輪感應(yīng)加熱的溫度均勻性,使最大溫差在齒廓路徑方向上減少約27%。

2)導(dǎo)磁體的聚磁作用在輪齒不同位置表現(xiàn)的作用效果不同,且差異性較大,其對齒根圓角處溫度的作用效果最為顯著。

3)導(dǎo)磁體不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對鏈輪感應(yīng)加熱溫度的均勻性影響較大,其中導(dǎo)磁體側(cè)板圓半徑的改變對鏈輪感應(yīng)加熱溫度均勻性的影響最顯著,導(dǎo)磁體側(cè)板夾角的改變對鏈輪感應(yīng)加熱溫度均勻性的作用效率最低。