Повышение срока службы элементной базы объектов транспортной инфраструктуры за счет индукционной закалки поверхности металлических конструкций

С переходом на отечественную комплектующую элементную базу для создания конкурентоспособных и рентабельных ОТИ повысилась актуальность вопросов о разработке путей увеличения сроков службы, снижения затрат на обслуживание объектов транспортной инфраструктуры (ОТИ) и обеспечение безопасности эксплуатации создаваемой продукции.

Различные негативные воздействия (коррозионные, электрохимические, деформационные, температурные и т.д.) уменьшают срок службы, ухудшают внешний вид, снижают вероятность безаварийной эксплуатации, увеличивают материальные затраты. Создание комплексных защитных покрытий позволит защитить от большинства негативных эффектов со стороны внешних и внутренних факторов.

Применение переменных электромагнитных полей и ультразвукового воздействия позволит получать энергоэффективные технологии обработки поверхности с формированием на них защитного слоя, который увеличит срок службы металлоизделий ОТИ с различными габаритными размерами.

При монтаже металлоконструкций на ОТИ используются разъемные (болтовые, винтовые, шпильки) соединения и неразъёмные (сварные швы).

Процесс исследование качества изделий целесообразно осуществлять на элементной базе более всего подверженной деформационным нагрузкам в ходе эксплуатации, например, болтов, винтов и шпилек. Эти металлоизделия проходили операцию контролируемой закалки, которая проводилась индуцированных токов. Формирование защитных слоев можно производить на широком спектре деталей различных габаритов [1].

Для эффективного индукционного нагрева требуется достижение определенного набора условий: – заготовки должны обладать высокой проводимостью; – переменный ток в катушке должен иметь частоту, коррелирующую с проводимостью и магнитными свойствами заготовок. Правильный выбор материала и рабочей частоты позволяет реализовать нагрев ферромагнитного образца от комнатной температуры до 700°C в течении несколько секунд. Это объясняется тем, что высокая магнитная проницаемость железосодержащего материала приводит к возбуждению сильных вихревых токов и ярко-выраженному проявлению скин-эффекта, за счёт которого ток вытесняется и течёт по поверхности заготовки. Индукционный нагрев ферромагнитного металла дополнительно усиливается за счёт циклического намагничивания областей материала переменным током. Быстроизменяю-щееся переменное магнитное поле вызывает потери на гистерезис, которые приводят к генерации большего количества тепла.

При использовании цифрового двойника для системы индукционной закалки возможно проводить оптимизацию процесса обработки поверхности мелких деталей и крупногабаритных металлокон- струкций, используемых на ОТИ [2] Это позволяет создавать высококачественное защитные слои на поверхности элементов ОТИ, а также ведет к улучшению эргономических и прочностных свойств изделий.

В ходе математического моделирования имитировалась закалка вала механизма передачи, закрепляющей шпильки или любого другого подобного механического элемента, который подвергается сильным механическим напряжениям. Моделирование проводилось при помощи системы MATLAB, позволяющая решать задачи в различных предметных областях [3-5].

Математическая модель базируется на сопряжении уравнений Максвелла и теплопроводности [6, 7]. Численные эксперименты проводились для частоты 1000 Гц и 25000 Гц. Результаты экспериментов с частотой 1000 Гц представлены на рис. 1-4. А на рис. 5-8. представлены результаты экспериментов с частотой 25000 Гц. На рис. 1-4 представлены состояния заготовки в различное время – 0, 20, 40 и 60 с. На рис. 5-8 представлены состояния заготовки в – 0, 6, 12 и 18 с.

Схематически показано направление магнитного потока в виде красных стрелочек. Температуру участков поверхности заготовки можно оценить по цветовой шкале, расположенной справа. Кроме того, начиная с рис. 2 (рис. 6) можно видеть положение заготовки.

Рис. 1. Состояние заготовки в момент t = 0 c.

Рис. 2. Состояние заготовки в момент t = 20 c.

Рис. 3. Состояние заготовки в момент t = 40 c.

Time = 60.0 s Магнитный поток ([Вб], плоскость) и температура ([°C], поверхность)

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

О

-400 '

-300""

Л

Рис. 4. Состояние заготовки в момент t = 60 c.

Рис. 5. Состояние заготовки в момент t = 0 c.

Рис. 6. Состояние заготовки в момент t = 6 c.

Рис. 7. Состояние заготовки в момент t = 12 c.

Рис. 8. Состояние заготовки в момент t = 18 c.

Выводы.

Закалка заготовок в рамках индуцированного током нагрева является полезным эффектом, однако возможны и негативные последствия. Тепло, которое приводит к упрочнению, может сделать образец более подверженным трещинам. Для достижения разумного баланса между закалкой и пла- стичностью в каждой части заготовки можно подстроить ключевые управляющие параметры индукционного нагрева. Этими параметрами служат: частота тока, амплитуда тока в катушке и скорость перемещения заготовки через катушку.

Варьирование эти тремя параметрами индукционной системы позволяет добиваться высокой эффективности при соблюдении технологических достоинств метода и делает этот метод конкурентоспособны на мировом уровне.

Кроме того, как следует из полученных результатов, изменение рабочей частоты не только изменяет пиковую температуру, но и приводит к её перераспределению по глубине заготовки. Полученная информация может быть использована в рамках других исследований. Например, эту информацию можно использовать в исследованиях фазовых превращений.