ЭТУ_Куликова_2014

образными с развернутой длиной от 320 до 1400 мм.

Нагревательные провода и кабели имеют токопроводящие жилы из материала повышенного или высокого сопротивления и теплостойкую изоляцию. Нередко используется голая стальная оцинкованная проволока. Эти провода применяют в низкотемпературных процессах сельского хозяйства, где необходимо поддерживать температуру не выше 30 - 40° С и где применение других нагревательных устройств затруднено по техническим и экономическим причинам или условиям электробезопасности. Выпускаемые промышленностью нагревательные провода типа ПОСХВ и ПОСХП (провод обогревательный сельскохозяйственный с винилитовой или полиэтиленовой изоляцией) имеют жилу из стальной оцинкованной проволоки диаметром 0,85 - 1,2 мм и пластмассовую изоляцию. Основные технические данные этих проводов приведены в таблице 1.

Широкая номенклатура нагревательных проводов и кабелей способна обеспечить нужды многих отраслей промышленности. Провода применяются для обогрева газопроводов, нефтепроводов, дренажных систем, различных противообледенительных систем и т.п. Особого внимания заслуживают провода с изоляцией и оболочкой из монолитного фторопласта и коррозионно-стойкой медно-никелевой жилой, длительно работающие в диапазоне температур от минус 60 до плюс 200 °С и стойкие к воздействию масел, кислот, воды, большинства агрессивных сред. Также имеются в ассортименте провода с секционированным спиральным нагревательным элементом из сплавов высокого сопротивления, обеспечивающим постоянство погонной мощности тепловыделения. Отдельный класс – изделия для кабельных обогревательных систем, предназначенных для создания комфортного теплового режима в жилых помещениях и офисах.

Нагревательные кабели в отличие от проводов могут иметь до трех прямых токопроводящих жил из нихрома или константана. Жилы изолированы асбестом, силиконом, окисью магния, периклазом и другими теплостойкими материалами. Снаружи кабель покрыт металлической оболочкой из свинца, меди, алюминия или мягкой нержавеющей стали, предохраняющей от воздействия агрессивных сред и механических повреждений. Нагревательные провода таких защит не имеют, что необходимо учитывать при их монтаже и использовании.

По сравнению с нагревательными проводами кабели выдерживают большие токовые нагрузки и рабочие температуры. Кабели с магнезитовой изоляцией и наружной оболочкой из хромоникелевых сталей допускают температуры до 300 - 400° С и в некоторых случаях заменяют ТЭНы. В отличие от последних кабели в процессе монтажа и эксплуатации можно без нарушения их качества изгибать, придавая им необходимую форму.

131

Минимальный радиус изгиба равен двум диаметрам кабеля, который находится в пределах 7 - 10 мм.

Основные области применения нагревательных проводов и кабелей в сельскохозяйственном производстве:

-обогрев почвы и воздуха в парниках и теплицах; -электрический обогрев пола в станках для свиноматок и поросят, в

цыплятниках, коровниках, в траншеях, на доильных площадках и т.п.; -обогрев трубопроводов, например водопроводных вводов в

животноводческие помещения; - обогрев насестов для птицы.

Конструктивно нагревательные устройства из проводов выполняют различно в зависимости от условий нагрева: укладывают непосредственно в нагреваемые среды (почву, пол и др.) в виде зигзагов, параллельных нитей и т. п., подвешивают на изоляторах (для обогрева помещений), прокладывают в трубах (обогрев насестов для птицы, обогрев почвы), укладывают под деревянные решетки на дно поилок (электроподогрев питьевой воды для животных) и т. д.

Таблица 6.1.Основные технические данные проводов

6.2. Основные электротехнические характеристики электроконтактных устройств

Электроконтактный нагрев. Основные области применения электроконтактного нагрева следующие:

132

1)прямой нагрев металлических деталей (заготовок) несложной формы (валов, осей, труб, лент) при их термической и механической обработке;

2)контактная сварка;

3)наплавка при восстановлении изношенных металлических

деталей;

4)прогрев трубопроводов с целью размораживания, предотвращения замерзания, подогрева циркулирующей жидкости.

Рисунок 6.6 - Принципиальная схема электроконтактного нагрева: 1 – заготовка;2 – нагревательный трансформатор; 3 – подводящие шины;

4 – контактные зажимы.

Основные преимущества электроконтактного нагрева:

1)этот способ более универсален, чем индукционный, где при нагреве разных деталей каждый раз приходится менять индуктор;

2)большая скорость нагрева (10 – 40°С/с), что позволяет получать более качественную по сравнению с нагревом в печах структуру металла;

3)значительно меньшее (в 9 – 10 раз) окисление и угар металла по сравнению с печами сопротивления;

4)высокая технологическая культура и санитарные условия работы. К недостаткам электроконтактного нагрева относятся:

1)возможность нагрева только деталей простой формы;

2)необходимость в специальных нагревательных трансформаторах

на большие вторичные токи; 3) необходимость каждый раз зажимать детали, поэтому контактный

нагрев более целесообразен для мелкосерийного производства[3].

133

В зависимости от требуемой скорости нагрева и производительности используют однопозиционные или многопозиционные установки (рисунок

6.7).

Токовую нагрузку в местах соприкосновения контактов и детали снижают, усиливая контакт между ними, охлаждая зоны соприкосновения или применяя зажимы с торцевыми и радиальными контактами.

Рисунок 6.7 – Схемы однопозиционной (а) и многопозиционной установок с параллельным (б) и последовательный (в) включением деталей:

1 – токоподводящий контакт, 2 – деталь, 3 – провод На ремонтных предприятиях АПК могут использовать однофазные и

трехфазные злектроконтактные устройства. В последнем случае обеспечивается более равномерная нагрузка фаз питающей сети и снижается токовая нагрузка каждой фазы.

Исходными данными для проектирования любой электроконтактной установки является: марка материала, масса нагреваемой детали, её геометрические размеры, напряжение питающей сети, время и температура нагрева.

Полная мощность силового трансформатора для однопозиционного устройства:

где k3 1,1...1,3 – коэффициент запаса;

Ф – полезный тепловой поток; определяется по формуле (5.18) (см.

гл.5);

Т , Э , ТР – термический КПД, электрический КПД, КПД силового трансформатора соответственно.

Сила тока во вторичной цепи при нагреве заготовок до температуры, не превышающей точку магнитных превращений (для стали 1020 К и 1070

К),

нагрева заготовки, К;

134

Рисунок 6.9 – Зависимость общего КПД однопозиционной электроконтактной установки от отношения l2 / S2

Повторно-кратковременный режим работы силовых трансформаторов

6.3. Оборудование для электроконтактной сварки, напекания, наплавки и электромеханической обработки

В процессах электроконтактной сварки металлические детали приводятся в соприкосновение и сжимаются под давлением 5...20 МПа. Через детали пропускают электрический ток. Переходное сопротивление в месте соприкосновения деталей значительно превышает сопротивление самих деталей, в силу чего нагрев деталей непосредственно от тока незначителен, тогда как в стыках выделяется большое количество энергии.

Количество теплоты, выделяемое в местах стыка, пропорционально квадрату тока и сопротивлении контакта стыка. Переходное сопротивление контакта:

где k1 – коэффициент зависящий от материала свариваемых деталей (табл.

6.1);

F – усилие сжатия, Н;

m – показатель степени, зависящий от формы поверхностей контактирующих деталей (табл. 6.1);

kT – коэффициент, учитывающий температуру контакта :

136

где T – температурный коэффициент сопротивления контактов, К; Т – температура контакта, К.

После достижения в зоне стыка необходимой для сваривания температуры под влиянием сжимающего усилия осуществляется пластическая сварка контактирующих деталей. Плотность тока при электроконтактной сварке достигает (1...1,5)108 А/м2 .Сварка принципиально может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе. Но на практике применяют только переменный ток, так как сила тока при сварке достигает десятков тысяч ампер при напряжении всего несколько вольт, и источники постоянного тока для этих целей были бы слишком дорогими и сложными. Различают стыковую, роликовую и точечную электроконтактную сварку (рисунок. 6.10).

Основные технические данные некоторых установок для электроконтактной сварки приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Значения коэффициента и показателя степени

Сущность электроконтактного напекания порошков заключается в том, что в месте контакта двух токопроводящих поверхностей металлический порошок спекается за счет теплоты, выделившейся при протекании электрического тока. Плотность тока – (2...4)105 А/м2, переменное напряжение – (2...4) В, давление между напекаемой деталью и вспомогательным медным роликом – (12...18)106 Па. Способ применим для восстановления деталей диаметром более 10 мм.

137

2

I2

F

а)

F

Рисунок 6.10 – Разновидности контактной сварки: а – стыковая; б – точечная; в – роликовая; 1 – деталь; 2 – зажимной подводящий контакт

Таблица 6.3 - Основные технические данные некоторых установок для электроконтактной сварки

Электроконтактная наплавка отличается от напекания тем, что в зону контакта вместо порошка подают присадочную проволоку. Прочность наплавляемого слоя обеспечивается за счет частичного плавления тонких слоев металла в месте контакта и за счет диффузии. Толщина наплавляемого слоя – (0,2...1,5) мм, сила тока (4...12) кА, потребляемая мощность – (5...40) кВА. Для восстановления деталей использует установки типа УКН-8.

Схема установки для электрошлаковой наплавки показана на рисунке 6.11.Электрический ток проходит от электрода к детали через шлак,

который разогревается выше температуры плавления электрода. Электрод расплавляется. Расплавленный металл оседает вниз, где приобретает

138

форму, задаваемую охлаждаемым водой кристаллизатором. Напряжение 34 В, сила тока 800...900 А. Для осуществления этого способа разработана установка ОКС-7755, наиболее рациональней областью применения которой является восстановление деталей ходовой части гусеничных тракторов.

-34В

6

5

Вода

3 2

1

Рисунок 6.11 – Схема электрошлаковой наплавки: 1–охлаждаемый кристаллизатор;2– наплавленные слои; 3 – габаритные диски; 4– восстанавливаемая деталь;5 – шлак; 6 – стальной электрод

В основе электромеханической обработки лежит совместное действие термического и силового воздействия на поверхность восстанавливаемой поверхности (рисунке 6.12). Ток, проходя через контакт детали с инструментом сила тока 300...1300 А, напряжение 1...6 В), очень быстро нагревает металл в месте контакта до 1100...1200 К. Нагретый металл выдавливается, образуя выступы, аналогичные резьбе. Далее выраженную поверхность доводят до требуемого диаметра. Этим способом восстанавливают поверхности валов неподвижных соединений (посадочные места под подшипники, шкивы, шестерни и пр.) [1].

TV

3 2

1

F

Рисунок 6.12 – Схема электромеханической обработки: 1 – высаживающий инструмент; 2 – деталь; 3 – патрон станка, TV – понижающий трансформатор

139

ГЛАВА 7

УСТАНОВКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА

7.1.Основы теории диэлектрического нагрева

Диэлектриками называют тела, в которых электроны и ионы связаны между собой и не могут свободно перемещаться под действием электрического поля, а лишь смещаются одни относительно других или поворачиваются в пространстве. Электрическое поле не создает в диэлектрике электрического тока как это имеет место в проводниках. Явления, возникающие в диэлектриках под действием электрического поля, называют поляризацией.

Поляризация – это процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.

Существуют различные видя поляризации. Рассмотрим лишь три наиболее типичных: электронную, ионную и дипольную (рисунок 7.1).

Е

Е

Рисунок 7.1 – Некоторые виды поляризации: а – электронная; б – ионная; в – дипольная

Электронная поляризация (рисунок 7.1, а) – это смещение под действием внешнего электрического поля орбит, по которым движутся отрицательно заряженные электроны вокруг положительно заряженного атомного ядра. Этот вид поляризации наблюдается во всех ионах или атомах диэлектрика и осуществляется за очень короткое время 10-14 с.

Ионная поляризация (рисунок 7.1, б) – смещение относительно друг друга ионов, составляющих молекулу. Время τ установления 10-14 с.

Процессы электронной и ионной поляризации можно рассматривать как разновидности упругой (деформационной или безинерционной) поляризации, которую обуславливает энергия электрического поля, но не связаны с выделением тепла.

Сущность дипольной (ориентационной или инерционной) поляризации сводится (по Дебаю) к повороту (ориентации) диполей в направлении

электрического поля (рисунок 7.1, в).

140