тексты

Варіант 26

а) Нормализация и закалка чугуна способствует повышению его твердости (при этом возрастает износостойкость) и механических свойств. Отливки нагревают до температур выше критических и после выдержки охлаждают с большей или меньшей скоростью. При нормализации охлаждение проводят вне печи – на воздухе. При закалке отливки погружают в охлаждающую жидкость (воду, масло). При нормализации нагрев выдерживают в течение времени, обеспечивающего частичное растворение графита и насыщение аустенита углеродом. Более богатый углеродом аустенит при относительно быстром охлаждении и температурах эвтектоидного превращения распадается без выделения феррита. В этом случае получаются более дисперсные перлитообразные структуры, что вызывает повышение твердости и механических свойств.

При закалке быстрое охлаждение из области аустенитного состояния способствует получению неравновесных структур, свойственных железоуглеродистым сплавам.

б) Прокатные металлургические валки, как правило, изготовляют литыми. Разнообразные условия их службы (тип клети и стана, положение в стане, прокатываемый сплав, вид продукции) обуславливают как конструкцию валка, так и выбор литейного сплава, из которого его изготовляют. Однако все валки должны иметь износостойкий и термостойкий рабочий слой, вязкую прочную сердцевину и шейки.

Валки подразделяют по назначению (листопрокатные и сортопрокатные), по конструкции (гладкие и калиброваннные), по роду металла (чугуны, стали легированные и нелегированные), по макростроению (полутвердые, отбеленные, двуслойные). Литые стальные валки изготовляют из нелегированных и легированных сталей. В зависимости от концентрации углерода и легирующих элементов структура этих сталей изменяется от перлитно-ферритной до перлитной с включениями карбидной фазы. Наиболее распространены литые валки из чугунов. Вследствие высокой чувствительности чугунов к скорости охлаждения, их структура и механические свойства существенно изменяются от поверхности к середине.

150

Варіант 27

а) Основная масса материала валка должна обеспечивать общую высокую механическую прочность, что может быть достигнуто различными методами и технологическими приемами. Важное значение наряду со структурой металлической матрицы чугуна имеет количество и форма графита. Общая прочность валка будет определяться размерами отбеленного слоя и переходной зоны. При значительном отбеленном слое возрастает опасность поломки. Таким образом, для увеличения механической прочности желательно уменьшать слой отбела. Но для надлежащей износостойкости поверхность должна быть достаточно твердой. Основное влияние на износостойкость оказывают свойства чугуна

взоне чистого отбела.

Впереходной зоне металл будет более хрупким, чем в сердцевине, изза наличия цементита, а на износостойкость эта зона практически не влияет. Поэтому для обеспечения эксплуатационной прочности валков с отбеленной поверхностью целесообразно иметь переходную зону минимальных размеров.

б) В результате термической обработки чугуна видоизменяется только основная металлическая матрица. Форма графита остается неизменной, и может лишь несколько уменьшиться его количество. Поэтому наибольший эффект достигается при закалке чугуна с перлитной матрицей и мелкопластинчатым графитом.

Вследствие низкой пластичности чугуна при объемной закалке в отливках могут образовываться трещины. В связи с этим прибегают к поверхностной закалке чугунных деталей, работающих на износ, например, поверхностей трения станин металлорежущих станков. Нагрев газовыми горелками или токами высокой частоты с последующим водоструйным охлаждением способствует получению закаленного слоя.

Изотермическая закалка обеспечивает высокие механические свойства и износостойкость, причем вследствие сравнительно низкого уровня напряжений опасность образования трещин и короблений снижается.

151

Варіант 28

а) Ковкий чугун является конструкционным материалом, используемым для изготовления мелких тонкостенных отливок для сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов, деталей массового производства. Благодаря компактной форме графита чугун отличается высокими механическими свойствами и пластичностью, занимая в этом отношении промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочностью и средней пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью, которая значительно повышается при легировании.

Основной особенностью технологии является изготовление отливок из белого чугуна без включений пластинчатого графита, который ухудшает механические свойства. Увеличение толщины стенок и массы отливки значительно затрудняет получение чисто белого излома, поэтому область применения ковкого чугуна ограничивается тонкостенными отливками массой в несколько десятков килограммов.

б) Изготовлять стальные отливки более сложно и трудоемко, чем отливки из серого чугуна. Специфические условия сталелитейного производства обусловлены способами выплавки и литейными свойствами стали.

Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов. Пределы доступного регулирования жидкотекучести более узки, и проводить это регулирование сложно. Низкая жидкотекучесть стали объясняется относительно высокими вязкостью и поверхностным натяжением при температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом.

На жидкотекучесть отрицательно влияют тугоплавкие неметаллические включения, попавшие в сталь в период выплавки, а особенно раскисления.

Истинная жидкотекучесть понижается с увеличением содержания углерода, так как перегрев над температурой ликвидуса уменьшается и жидкотекучесть все больше определяется состоянием сплава в интервале кристаллизации.

152

Варіант 29

а) Конструкция литниковой системы определяется конфигурацией и массой отливки, рациональным местом подвода металла.

В зависимости от конфигурации отливки, ее назначения и ответственности металл подводится: В толстые стенки для создания направленного затвердевания, обеспечивающего получение плотной отливки; рассредоточено через большое число литников, чтобы добиться равномерного охлаждения частей отливки и, следовательно, меньших напряжений, что целесообразно при изготовлении тонкостенных протяженных отливок; к тонким частям, чтобы по возможности выравнять скорости охлаждения частей отливки, склонных к образованию трещин. Для питания массивных частей целесообразно использовать прибыли, работающие под избыточным давлением газа или воздуха.

Усадка стали в жидком состоянии и в период кристаллизации, если не принимать специальных мер, вызывает образование усадочных раковин и пористости. Получение плотных отливок обеспечивается установкой прибылей и созданием направленного, последовательного затвердевания.

б) Линейная усадка коррозионно-стойких жаростойких и жаропрочных сталей изменяется в широких пределах в зависимости от их структуры. Максимальную усадку имеют стали аустенитного класса, а минимальную – стали мартенситного класса. Низкая теплопроводность, крупнозернистая структура, недостаточная пластичность и прочность при высоких температурах вызывают повышенную склонность сталей, высоколегированных хромом и никелем, к образованию горячих трещин, поэтому литейная форма должна обладать максимально достижимой податливостью. Хромистые стали почти всех классов (по структуре) склонны к образованию холодных трещин. Причиной этого является повышенная хрупкость из-за наличия карбидов. Значительно меньше опасность образования холодных трещин в хромосодержащих сталях аустенитного класса из-за низкого предела упругости и сравнительно хорошей пластичности. Многие отливки подвергают различным видам термической обработки, режим которых определяется химическим составом стали и назначением отливки.

153

Варіант 30

а) Основными элементами, определяющими свойства низколегированных марганцовистых сталей, являются марганец и углерод. Образуя твердый раствор замещения, марганец упрочняет феррит, но основное влияние на повышение прочности оказывают более устойчивые, чем цементит, сложные карбиды.

Чем ниже требуемая прочность и выше пластичность, тем больше должно быть в стали марганца и меньше углерода. Из низколегированных марганцовистых сталей изготовляют отливки, испытывающие значительный износ, ударные и переменные нагрузки. Никель расширяет аустенитную область, образует с железом твердые растворы и не дает карбидов. Упрочняющее действие никеля в низколегированной стали заключается в повышении прочности феррита при одновременном сохранении пластичности. Никель понижает температуру мартенситного превращения и увеличивает прокаливаемость стали. Никелевая сталь обладает повышенной ударной вязкостью даже при низких температурах, равномерностью свойств по сечению отливки.

б) Плавка чугуна в тигельных индукционных печах промышленной частоты имеет ряд преимуществ: возможность получения точного химического состава, низкий угар элементов, высокий перегрев металла, возможность использования в шихте большого количества стальных отходов и стружки.

Тигельная индукционная печь состоит из металлического кожуха, в котором установлен тигель, закрывающийся крышкой. При плавке шихта загружается в тигель, который установлен в индукторе, связанном с магнитопроводами и системой водяного охлаждения. Протекающий в индукторе переменный ток возбуждает в садке вихревые токи, разогревающие и плавящие металл. Печь размещается на площадке и при сливе металла наклоняется с помощью механизма поворота. Печи большой емкости часто выпускают в комплексе с установкой для предварительного подогрева шихты в загрузочной бадье, что обеспечивает повышение производительности печи. Недостаток этих печей – малая скорость плавления твердой закалки.

154

1.6 Напрям підготовки: 0922 - Електромеханіка

Варіант 1

а) Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы технологической установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической энергии потребляется электрическими двигателями. Следовательно, эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники. Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники.

б) В последнее десятилетие уходящего века было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе, силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления… Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления.

Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя, но и обеспечение возможности прямого ввода в

микроконтроллер сигналов различных обратных связей с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера.

155

Варіант 2

а) Система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределе встроенная система управления проектируется как однокристальная и вместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем конструктивно интегрируется в одно целое - мехатронный модуль движения… Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующее: неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока. По прогнозам специалистов в начале следующего века доля приводов постоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов.

б) Преимущественное применение в настоящее время имеют привода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80%) нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается. Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е. электронно-коммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип привода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники, однако, является самым дорогостоящим. Некоторого снижения стоимости можно добиться при использовании синхронного реактивного двигателя в качестве исполнительного.

156

Варіант 3

а) Приводом следующего века по прогнозам большинства специалистов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитный ротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем, высокие потребительские свойства привода могут быть обеспечены только при применении мощной микропроцессорной системы управления в сочетании с современной силовой электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентрированы в этой области. Для типовых применений перспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а для тяговых приводов индукторные двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В последнем случае появляется возможность двухзонного регулирования скорости по аналогии с обычными приводами постоянного тока.

б) Для большинства массовых применений приводов (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и т.д.) требуется относительно небольшой диапазон регулирования скорости (до 1:10, 1:20) и относительно низкое быстродействие. При этом целесообразно использовать классические структуры скалярного управления. Переход к широкодиапазонным (до 1:10000), быстродействующим приводам станков, роботов и транспортных средств, требует применения более сложных структур векторного управления. В последнее время на базе систем векторного управления разработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом. Отличительной особенностью этих решений является предельно высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов, работающих на принципах нечеткой логики (фаззи-логики). Системы прямого цифрового управления моментом ориентированы в первую очередь на транспорт, на использование в кранах, лифтах, робототехнике.

157

Варіант 4

а) Усложнение структур управления приводами потребовало резкого увеличения производительности центрального процессора и перехода к специализированным процессорам с объектно-ориентированной системой команд, адаптированной к решению задач цифрового регулирования в реальном времени. Ряд фирм (Intel, Texas Instruments, Analog Devices и др.)

выпустили на рынок новые микроконтроллеры для управления двигателями (из серии Motor Control) на базе процессоров для обработки сигналов DSP-микроконтроллеры. Они не только обеспечивают требуемую производительность центрального процессора (более 20 млн.оп./сек.), но и содержат ряд встроенных периферийных устройств, предназначенных для оптимального сопряжения контроллера с инверторами и датчиками обратных связей. Среди встроенной периферии особое место занимают универсальные генераторы периодических сигналов, обеспечивающие самые современные алгоритмы управления инверторами, в частности, алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции.

б) Рост вычислительных возможностей встроенных систем управления приводами сопровождается расширением их функций. Кроме прямого цифрового управления, силовым преобразователем реализуются дополнительные функции поддержки интерфейса с пользователем (через пульт оперативного управления), а также управления технологическим процессом. В состав системы управления входят: универсальный регулятор технологической переменной, а также генератор управляющих воздействий на базе часов реального времени. Такое решение позволяет поддерживать давление в трубопроводе на заданном, в соответствии с суточной циклограммой, уровне исключительно средствами электропривода, без использования промконтролеров. Перспективные системы управления электроприводами разрабатываются с ориентацией на комплексную автоматизацию технологических процессов и согласованную работу нескольких приводов в составе промышленной сети.

158

Варіант 5

а) Стремление предельно удешевить привод, особенно для массовых применений в бытовой технике (пылесосы, стиральные машины, холодильники, кондиционеры и т.д.), привело к отказу от датчиков механических переменных и переходу к системам бездатчикового управления, где для оценки механических координат привода (положения, скорости, ускорения) используются специальные цифровые наблюдатели. Это возможно только при высокой производительности центрального процессора, когда система дифференциальных уравнений, описывающих поведение привода, может быть решена в реальном времени. Возросшие возможности микропроцессорной техники привели к тому, что при массовом производстве изделий с объемом выпуска не менее 10000 штук в год, оказывается возможным и экономически целесообразным создание мощных, однокристальных систем управления приводами на базе DSPмикроконтроллеров. Их стоимость при ограниченных интерфейсных функциях не будет превышать 10-20$.

б) В структуре привода переменного тока с векторным управлением в качестве исполнительного двигателя может применяться либо синхронный двигатель с активным магнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивный двигатель. Возможно использование этой структуры и для управления трехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярным питанием, а также шаговыми двигателями в режиме

интеллектуальных силовых модулях. Драйверы ключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной ШИМ-модуляции), что обеспечивает максимально высокую степень использования напряжения

159