CC BY
32
9 — коэффициент, характеризующий способность конкретной марки сельскохозяйственной машины к теплоотдаче, который определяется по
формуле ф = .
У('
Формула (12) показывает, как изменится температура поверхности машины, находящейся под тепловым экраном, по сравнению с температурой воздуха под действием внешних климатических факторов через время / от момента, когда разница температуры машины и воздуха была равна А Т0.
Ослабление теплового потока тепловым экраном должно быть таким, чтобы в процессе его охлаждения на внутренних стенках экрана не образовался конденсат влаги.
Применение более эффективных тепловых экранов позволит исключить воздействие на сельскохозяйственную машину во время хранения солнечной радиации и атмосферных осадков, ограничить конвективный теплообмен и существенно увеличить время нагрева и остывания сельскохозяйственной машины, что уменьшит вероятность конденсации влаги на ее поверхностях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кох, П.И. Климат и надежность машин 2. Нащокин, В.В. Техническая термодинами-
|Текст| / П.И. Кох. — М.: Машиностроение, 1981. ка и теплопередача [Текст] / В.В. Нащокин. — АЗ-
Ьоок, 2009.
УДК621.7:658.1 2
А.Н. Волков, Ю.В. Гичев, В.А. Дьяченко, А.П. Пешкова
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ НАМОТКИ АМОРФНОЙ ЛЕНТЫ
Ресурс силовых трансформаторов с сердечниками из традиционных электротехнических материалов составляет 30—40 лет. Применение аморфной ленты для их изготовления увеличивает срокдо 80—85 лет и обеспечивает существенную экономию электроэнергии. Так, потери в сердечнике из аморфной стали трансформатора мощностью 100 кВА в 4—5 раз меньше по сравнению с сердечником из электротехнической стали. Например, компания Hitachi — Metglas [1], один из лидеров по производству аморфной ленты, выпускает такой продукции до 52 000 тонн в год, а в Российской Федерации годовой объем производства этого стратегического материала составляет всего 600 тонн. Поэтому развитие такого производства — весьма актуальная задача. Представленные ниже результаты исследований получены в процессе выполнения поисковой на-
учно-исследовательской работы, осуществляемой в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Выпускаемые ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова [2] комплексы и их зарубежные аналоги позволяют производить ленту из аморфных материалов толщиной 18—32 мкм и шириной до 150 мм с технологической производительностью до 40 м/с. Отсутствие в них модулей для улавливания и намотки ленты ведет к большим потерям из-за брака и трудозатратам, что существенно ограничивает рост объемов производства.
В большинстве современных машин аморфная лента изготавливается методом спиннинго-вания расплава на полированную поверхность охлаждаемого водой валка (диска-холодильник),
движущегося с линейной скоростью 30—40 м/с (рис. 1) [2, 3]. Скорость охлаждения расплава на поверхности валка составляет примерно 106 °С в секунду.
Технологический процесс получения аморфной ленты осуществляется в два этапа. На первом этапе в вакуумных индукционных печах выплавляется заготовка — исходный аморфизи-рующийся сплав необходимого состава, а на втором — производится плавление порции заготовки и получение аморфной ленты на машинах разливки. Исходный сплав массой 50—200 кг из тигля через калиброванную щель разливочного сопла, изготавливаемого из аморфного кремнезема, подается на водоохлаждаемый барабан. Длина щели разливочного сопла определяется шириной ленты, которую надо получить. Ширина щели составляет 0,45—0,65 мм и является одним из важнейших регулируемых параметров разливки, который связан со многими другими — линейной скоростью движения поверхности разливочного валка, зазором между соплом и поверхностью валка, составом сплава, температурой расплава, давлением газа и другими. Зазор между соплом и поверхностью валка изменяется в пределах 0,15—0,30 мм с шагом 0,05 мм в зависимости от других параметров разливки.
Попадая на поверхность валка, расплав движется вместе с ней, формируя на ней аморфную ленту. От поверхности валка лента отделяется потоком воздуха, подаваемого на съемник ленты. Съемник устанавливается с зазором 100— 300 мкм от поверхности валка.
Регулируя расход расплава через щель сопла путем изменения температуры расплава, ширины щели сопла и величины давления, а также скорость вращения валка, можно управлять процессами формирования ленты. Толщина получаемой ленты зависит от совокупности технологических факторов — температуры расплава, ширины щели сопла, скорости вращения валка, давления газа, физико-химических свойств расплава (вязкость, поверхностное натяжение), материала диска, а также величины зазора между соплом и поверхностью валка, которая составляет 25+5 мкм.
Однако значительному увеличению объемов производства аморфной ленты и удовлетворению ежегодно растущего на нее спроса препятствует ряд проблем технологического характера. Так, например, высокие скорости литья, малая пло-
Рис. 1. Схема получения аморфной ленты
щадь поперечного сечения ленты, явное отсутствие зон разливки и съема ленты с диска-холодильника, большая (как правило, более 5000 м) длина ленты затрудняют смотку ленты во время процесса литья на намоточное устройство. В связи с тем, что при отсутствии моталки смотка ленты в рулон после литья осуществляется вручную, значительно возрастают трудоемкость процесса и себестоимость продукции, часто происходит разрыв ленты.
В настоящее время проблема улавливания аморфной ленты на больших и сверхбольших скоростях и формирования из них катушек в РФ до сих пор не решена. Результаты исследований зарубежных ученых и сведения о принципах работы и устройстве захвата и намотки таких лент представляют собой коммерческую и промышленную тайну.
По косвенным показателям (годовой объем производства и стоимость аморфной ленты) можно предположить, что такая задача удовлетворительно решена только в США.
В Японии смотка производится не сразу после схода аморфной ленты с литейной машины. Захват ленты осуществляется со специально подготовленного пола. Большие размеры отполированного пола, позволяют накопить необходимый
Барабан (диск)
Устройство для шл ифования барабана
Система охлаждения барабана и индукционной печи
,, Регулятор давления
ИСТОЧНИК I
инертного газ
Измеритель давления
Индукционная печь
Термопара
Источник питания
Механизм настройки -положения сопла
Сопло и шиберный затвор
Привод
Датчик скорости вращения барабана
Насос
роликов, причем ось поворота совпадает с осью самого переднего прижимного ролика или расположена вблизи нее. Данный намоточный модуль обеспечивает возможность легкой и надежной намотки тонких лент, в том числе при высокой скорости.
Основное достоинство данной схемы — возможность смотки в плотные рулоны без дополнительной перемотки (за счет пары натяжных роликов перед намоточным барабаном и установочных элементов). Намоточные устройства такого типа используются на листовых станах холодной прокатки.
Главные недостатки устройства — громоздкость и сложность конструкции, а также большая инерционность системы валков при низкой относительной прочности ленты в зоне ее формирования, что исключает возможность создания автоматической заправки ленты на скоростях до 40 м/с.
Намоточное устройство, реализованное в патенте РФ № 2256519 [5], представлено на рис. 2, б. В этом устройстве реализован способ намотки тонкой ленты 7 посредством намоточного барабана 3 и системы проводок 4, включающий подачу переднего конца ленты в намоточный барабан и захват его на стенке намоточного барабана с помощью захватывающего средства. Ленту посредством системы проводок перед входом в намоточный барабан поворачивают примерно на 90° вокруг ее продольной оси, затем передний конец ленты разворачивают и выпускают внутри намоточного барабана в его центральной части таким образом, чтобы кромки ленты были параллельны дну намоточного барабана, а плоскость ленты примерно параллельна его стенке. Передний конец ленты захватывают на внутренней поверхности стенки намоточного барабана посредством захватывающего устройства и продолжают намотку ленты в рулон в направлении от стенки намоточного барабана к его центру до получения рулона требуемого размера.
Данное устройство позволяет поддерживать скорость вращения намоточного барабана в пределах ±5 % от заданной скорости и, таким образом, обеспечивает получение рулона тонкой ленты при сохранении технологических свойств аморфной структуры ее материала.
Основные недостатки данной схемы — ограниченность ширины ленты (при изменении ширины необходимо менять проводки) и необходи-
мость дальнейшей перемотки в плотный рулон. Кроме того, предложенное решение не обеспечивает надежного улавливания и захвата начала ленты. При этом следует обратить внимание на особенности прохождения начала ленты толщиной 20—30 мкм со скоростью 30—40 м/с по винтовой проводке при наличии сил трения.
В патенте РФ № 2021075 [6] предложена конструкция намоточного устройства, представленная на рис. 2, в. Устройство содержит намоточный барабан 3 с захлестывателем 4, подающую проводку 7 и криволинейную проводку 2. Последняя установлена с возможностью поворота вокруг центра ее кривизны. Передняя кромка криволинейной проводки 2, прилегающая в начальный момент к подающей проводке 7, выполнена заостренной.
В исходном положении криволинейная проводка 2 находится в крайнем верхнем положении, примыкая к подающей проводке 7. Намоточный барабан 3 с захлестывателем 4 разгоняется до скорости на 0,2—0,8 м/с меньше скорости подачи отливаемой ленты и находится в состоянии готовности к намотке. Передний дефектный конец подаваемой с разливки ленты движется по криволинейной проводке 2 в короб (не показан). После стабилизации процесса разливки и установившегося движения ленты подается команда на смещение криволинейной проводки. В процессе опускания криволинейной проводки между ее верхней кромкой и подающей проводкой 7 образуется зазор, в который направляется вдвое сложенная подаваемая лента к намоточному барабану 3 с захлестывателем 4. При захлестывании ленты ее нижний конец, движущийся по криволинейной проводке 2в короб (не показан), резко меняет направление движения на противоположное, в результате чего лента натягивается, прижимаясь кострой кромке 5криволинейной проводки 2, и происходит ее обрыв. На этом процесс захлестывания ленты завершается.
Способ реализован на экспериментальной установке для скоростной намотки тонких лент на скорости до 25 м/с при толщине наматываемых лент 0,02—0,025 мм.
К недостаткам способа относятся сложность синхронизации вращения барабанов и наличие петли при смотке. Кроме того, в этой конструкции, аналогично рассмотренной выше, имеют место проблемы с непредсказуемостью поведения ленты на участке передачи и захвата ленты.
в)
Рис. 2. Схемные решения намоточных устройств
В патенте РФ № 2116159 [7] описано устройство для смотки полосы, изображенное на рис. 2, г. Общий вид описанного устройства для смотки полосы представлен на рис. 3. Устройство включает: корпус 7, в котором размещены наматывающий барабан 2 с магнитным основанием, бесконечная лента 3 на роликах 4, выходной ролик 5 с магнитной поверхностью, стойка 6, в пазу которой расположена пружина 7, поджимающая опору 8 оси наматывающего барабана 2, рабочий валок 9. На рисунке также показаны: печь 10, расплавленный металл 77, полоса 12.
Наличие магнитного захватного основания на барабане бесконечной ленты, контактирующей с натягом по дугам рабочего валка и наматывающего барабана, натяжного ролика с магнитной поверхностью, позволяет синхронизировать скорости поверхностей рабочего валка и наматывающего барабана и произвести надежный магнитный захват переднего конца тонкой аморфной полосы, обладающей ферромагнитными свойствами.
В принципе данная конструкция работоспособна. Однако поведение начала ленты при движении по участку, расположенному на дуге траектории по поверхности барабана 5 и в зоне ее
захвата барабаном 2непредсказуемо. Дело в том, что на этом участке траектория ленты имеет перегибы, и на нее действуют два магнитных поля, значительные ускорения и аэродинамическое трение воздуха. Таким образом, предложенная концепция перед реализацией требует всестороннего исследования с применением современных методов моделирования и макетирования.
Результаты сравнительного анализа рассмотренных конструкций намоточных устройств представлены в таблице. На основании анализа основных характеристик процесса намотки аморфной ленты в устройствах, приведенных в таблице , за прототип разрабатываемого устройства выбран намоточный модуль, описанный в пат. №2116159.
Таким образом, основными проблемами создания оборудования для высокоскоростного улавливания и намотки аморфных лент являются:
подача ленты с технологического барабана в зону намотки с высокой скоростью, непредсказуемая траектория движения ленты, большое аэродинамическое трение поверхности ленты о воздух, низкая жесткость ленты;
необходимость автоматического захвата (улавливания) ленты в зоне формирования пер-
Рис. 3. Схемы процесса намотки аморфной ленты Сравнение вариантов намоточных устройств
N9 п/п Критерий оценки
Компактность конструкции Простота синхронизации барабанов Простота конструкции Смотка без петли Плотность смотки Универсальность захвата Смотка ленты разных размеров
1 - - - - + + +
2 + + - + + - +
3 + — + — + + +
4 + - + + - + -
вого витка катушки на высокой скорости и при низкой жесткости ленты;
требуемая жесткая синхронизация скорости вращения технологического барабана и скорости намотки (большие инерционные массы и низкая прочность ленты в зоне формирования);
определение и обеспечение требуемого натяжения ленты и плотности намотки катушки (низкие прочность и жесткость ленты).
Экспериментальный модуль улавливания и намотки тонких лент из аморфных материалов
В основу модуля для улавливания и намотки ленты из аморфного материала на скоростях 30— 40 м/с положена следующая концепция.
Центральной проблемой при создании модуля является улавливание начала ленты и подача ее на намоточный барабан. После остывания на барабане лента удерживается на нем силами молекулярного притяжения, благодаря плотному прилеганию взаимодействующих поверхностей. С целью отделения ленты в машинах для ее производства применяют воздушную струю с плоским сечением, направленную по касательной к поверхности барабана навстречу движению ленты. Оптимальный вариант улавливания ленты — ее захват намоточным барабаном непосредственно с поверхности технологического барабана за зоной разливки на угловой дистанции 120— 150°. По мере намотки ленты на намоточный барабан увеличивается его диаметр, поэтому после захвата ленты он должен отводиться от технологического барабана на расстояние 70—100 мм или с небольшой скоростью (порядка 0,52—0,75 мм/с).
Вторая проблема разрабатываемой технологии, связанная с захватом ленты намоточным барабаном, решается двумя способами: путем использование магнитных сил (рис. 3, а) или вакуума (рис. 3, б).
Магнитная система захвата ленты, представленная на рис. 3, а, работает следующим образом. Технологический барабан 7 и лента 2 взаимодействуют благодаря высокой адгезии, которая превосходит центробежные силы. В намоточном барабане 3 установлен постоянный магнит 4, предназначенный для улавливания, отрыва и захвата начала ленты.
Вакуумная система, представленная на рис. 3, б, работает следующим образом. В намоточном барабане 3выполнены отверстия, а внутренняя полость соединена с источником разреже-
ния (р0 « 100 кПа). Улавливание, отрыв и захват начала ленты обеспечивается разрежением.
Применение описанных выше способов намотки предполагает наличие быстросъемного каркаса намоточного барабана, в противном случае возникнут значительные временные потери на смотку ленты на транспортные шпули.
Третья проблема заключается в обеспечении жесткой синхронизации вращения технологического и намоточного барабанов. Она решается путем применения современных сервоприводов для вращения барабанов в сочетании с организацией петли между ними посредством воздушного потока или магнитного поля.
Четвертая проблема, связанная с обеспечением заданного натяжения ленты, также решается путем применения воздушной струи (рис. 3, в) или фрикционного ролика (рис. 3, г). В соответствии с рис. 3, в лента с технологического барабана 7 перематывается на отведенный после захвата намоточный барабан 2, а натяжение обеспечивается воздушной струей, истекающей из сопла 3.
В соответствии с рис. 3, г лента с технологического барабана 7 перематывается на отведено)
Рис. 4. Стенды для исследования процессов намотки ленты
ный после захвата намоточный барабан 2, а натяжение обеспечивается фрикционным роликом J, который имеет регулируемое сопротивление вращению Мс.
Рис. 3, д и 3, е иллюстрируют взаимодействие ленты с магнитным барабаном в процессе их соприкосновения при различных соотношениях скоростей технологического и намоточного барабана.
На рис. 3, ж и 3, з показан процесс залома ленты при условии, когда окружная скорость технологического барабана больше окружной скорости намоточного барабана. На рис. 4, а представлена фотография начального периода этого процесса, смоделированного на специальном испытательном стенде.
На рис. 4,6— стенд для исследования процессов синхронизации скоростей технологического и намоточного барабанов. В результате экспериментов установлено, что современные приводы SEW EURODRIVE обеспечивают достаточную для предложенного процесса смотки степень синхронизации скоростей барабанов.
Анализ вариантов захвата ленты показал, что применение магнитного поля для улавливания
и захвата начала ленты предпочтителен с конструктивной точки зрения. При применении магнитного захвата в модуле улавливания и намотки аморфной ленты шириной 150 мм и толщиной 20—30 мкм на скоростях 30—40 м/с необходимо решить следующие задачи. Во-первых, намоточный барабан должен улавливать ленту непосредственно на поверхности технологического барабана посредством магнитного захвата. Во-вторых, с целью увеличения производительности намоточный барабан должен выполняться быстросъемным. В-третьих, момент появления начала ленты в зоне соприкосновения барабанов следует фиксировать, используя датчик, и по его сигналу с заданным регулируемым запаздыванием включать привод отведения намоточного барабана. Суммарное время запаздывания на включение привода отведения не должно превышать Ю-2 с. В-четвертых, в момент захвата ленты окружная скорость технологического барабана должна превосходить на 0,05—0,10 % окружную скорость намоточного барабана. Синхронизацию работы барабанов следует осуществлять с учетом величины петли ленты между барабанами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. [Электрон, ресурс| http://hitachi-metglas.com / Hitachi industrial Equipment Systems Co., Ltd./ Tokyo, Japan
2. Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения ВНИИМЕТМАШ им. акад. А.И. Целикова [Электрон, ресурс].— http://www.vniimetmash.ru/
3. Liquidmetal technologies [Электрон, ресурс].— http://www.liquidmetal.com/
4. Патент 2181312 РФ: МПК7 В21В1/22. Способ альтернативной работы моталок и устройство для намотки лент / Кнеппе Г., Браун М.; заявитель и патентообладатель — CMC ШЛЕМАНН ЗИ-МАГ АГ. - №97102192/02; заявл. 13.02.1997; опубл. 20.04.2002.
5. Патент 2256519 РФ: МПК7 В21В47/00. Способ намотки тонкой ленты в рулон и устройство
для его осуществления / Некипелов B.C.; заявитель и патентообладатель — Некипелов Владимир Станиславович. — №2004103270/02, заявл. 05.02.2004 ; опубл. 20.07.2005.
6. Патент 2021075 РФ: МПК5 B22D11/06. Способ подачи тонкой ленты к намоточному барабану и устройство для его осуществления В21С47/00 / Дунаевский В.И., Запара Б.М., Смычков A.C., Не-краш Э.Б., Гридневский В.И.; заявитель — Украинский науч.-исслед. Институт металлургического машиностроения — №4844223/02; патентообладатель -Филиал ВНИИМЕТМАШ им. А.И. Целикова; заявл. 29.06.1990; опубл. 15.10.1994.
7. Патент 2116159 РФ: МПК7 B22D11/06. Устройство для смотки полосы / Дикалов Б.А.; заявитель и патентообладатель — Новгородский государственный университет. — № 96100194/02; заявл. 04.01.1996 ; опубл. 27.07.1998.
