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CN111424158B - 一种耐候钢齿轮加热的控制方法 - Google Patents

一种耐候钢齿轮加热的控制方法 Download PDF

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CN111424158B CN202010224112.0A CN202010224112A CN111424158B CN 111424158 B CN111424158 B CN 111424158B CN 202010224112 A CN202010224112 A CN 202010224112A CN 111424158 B CN111424158 B CN 111424158B
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Abstract

本发明涉及一种耐候钢齿轮加热的控制方法，属于齿轮生产技术领域。此工艺方法利用不同频率电流具有不同透入深度的将待加热齿轮轮齿分为三个不同的加热区域，使用三台单频电源同时向圆形线圈通入高频、中频、中频三种不同频率电流，对待加热齿轮工作部位—齿顶、齿侧、齿根进行加热。与此同时，实时对齿顶、齿侧、齿根进行温度监测，并计算各部位的温差，通过各部位温差反馈，进行各部位对应下的电源加热功率调节，以实现对待加热齿轮高精度的梯度式加热控制，将温差控制在温度精度以内，在满足生产质量要求的条件下降低生产成本，为企业取得最佳的经济效益。

Description

一种耐候钢齿轮加热的控制方法
技术领域
本发明涉及齿轮生产技术领域，具体而言，尤其涉及一种耐候钢齿轮加热的控制方法。
背景技术
耐候钢齿轮是由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成的合金钢制成的齿轮，既具有优质钢齿轮的强韧、塑延、高温、磨蚀、疲劳等特性，又具有耐大气腐蚀优点，被广泛的应用于精度要求高、气候环境恶劣的机械中。虽然耐候钢材料极大的提高了齿轮的物理、化学性能，但是为了进一步提高其齿面强度、耐磨性和减少应力集中等，改善耐候钢齿轮的淬火工艺十分重要。在淬火工艺的众多流程中，齿轮加热的好坏将严重影响淬火的质量。
目前，为了获得更好的齿轮加热质量，人们提出了更环保节能、效率更高、加热更快、畸变更小的双频感应加热技术，即利用双频电源向感应线圈中通入同步或异步中、高频电流加热待加热齿轮。虽然已有少数企业利用此技术在齿轮加热中取得了较为好的效果，但是仍具有以下不足：现有的双频电源存在不易频繁启动、输出频率信号准确性差、两种频率电流的幅值和频率难以单独调节等缺点；与单频加热技术相比，虽然双频加热缩小齿顶、齿根在加热过程中的温度差，但是现有的双频加热技术属于粗犷式加热阶段，在加热过程中如何更加精确控制和取得更小的温差尚未解决；双频加热技术由于电源价格昂贵、对加热工艺要求严格等而未能在企业中得到较为广泛得应用。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种耐候钢齿轮加热的控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用不同频率电流具有不同透入深度，对齿顶、齿侧和齿根三个区域进行同时加热及温度调节控制，将齿顶、齿侧和齿根三个区域温差控制在温度精度以内。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种耐候钢齿轮加热的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：收集待加热齿轮参数：齿数z、齿轮模数m、压力角α、齿宽B、齿顶圆直径da、齿根圆直径df、分度圆直径d；
步骤b：收集加热工艺参数：加热温度T、温度精度Tj及齿轮需要加热区域高度h；
步骤c：划分加热区域：齿顶区域，高度为h1，齿侧区域，高度为h2，齿根区域，高度为h3，其中h＝h1+h2+h3；
步骤d：选择加热频率：工作频率为f1的电流选为高频，工作频率为f2的电流选为中频，工作频率为f3的电流选为中频，且f1＞f2＞f3；
步骤e：选择加热电源并收集参数：根据工作电流频率及加热工艺参数选择合适的三台单频电源，并收集额定功率Pe1、Pe2、Pe3参数；
步骤f：选择初始加热功率：将三台电源初始加热功率P1、P2、P3设定为70％min{Pe1、Pe2、Pe3}；
步骤g：使用三台单频电源同时向圆形线圈通入频率分别为f1、f2、f3的三种电流，开始加热待加热齿轮；
步骤h：监测齿顶部位a1、b1、c1三点温度，计算其平均值记为齿顶温度T1，监测齿侧部位a2、b2、c2三点温度，计算其平均值记为齿侧温度T2，监测齿根部位a3、b3、c3三点温度，计算其平均值记为齿根温度T3；
步骤i：计算Tmin＝min{T1、T2、T3}，Tmax＝max{T1、T2、T3}；
步骤j：判断T1≥Tmin+Tj，成立则转入步骤k，否则转入步骤l；
步骤k：降低加热功率P1，使得
Figure BDA0002427071690000031
后转入步骤n；
步骤l：判断T1≤Tmax-Tj，成立则转入步骤m，否则转入步骤n；
步骤m：升高加热功率P1，使得
Figure BDA0002427071690000032
后转入步骤n；
步骤n：判断T2≥Tmin+Tj，成立则转入步骤o，否则转入步骤p；
步骤o：降低加热功率P2，使得
Figure BDA0002427071690000033
后转入步骤r；
步骤p：判断T2≤Tmax-Tj，成立则转入步骤q，否则转入步骤r；
步骤q：升高加热功率P2，使得
Figure BDA0002427071690000034
后转入步骤r；
步骤r：判断T3≥Tmin+Tj，成立则转入步骤s，否则转入步骤t；
步骤s：降低加热功率P3，使得P3＝P3-ΔP后转入步骤v；
步骤t：判断T3≤Tmax-Tj，成立则转入步骤u，否则转入步骤v；
步骤u：升高加热功率P3，使得P3＝P3+ΔP后转入步骤v；
步骤v：判断各区域温度是否达到设定温度T，当各区域温度符合Tmin≥T时，转入步骤w，反之转入步骤h；
步骤w：加热结束。
本发明技术方案的进一步改进在于：对于齿顶区域的加热，通入的频率为f1的高频电流透入深度为h1，在集肤效应的作用下，高频电流所产生的感应电流主要集中在齿顶表面，对齿顶部位进行加热。
本发明技术方案的进一步改进在于：对于齿侧区域的加热，通入的频率为f2的中频电流透入深度为h1+h2，在集肤效应的作用下，中频电流所产生的感应电流主要集中在齿侧表面，对齿侧部位进行加热。
本发明技术方案的进一步改进在于：对于齿根区域的加热，通入的频率为f3的中频电流透入深度为h1+h2+h3，在集肤效应的作用下，中频电流所产生的感应电流主要集中在齿根表面，对齿根部位进行加热。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明中向圆形线圈同时通入的高频电流主要负责加热齿顶位置，较高频率的中频电流主要负责加热齿侧位置，较低频率的中频电流主要负责加热齿根位置，并在加热过程中通过对齿顶、齿侧、齿根的温度监测进行三台加热电源频率调节，实现了齿轮加热过程中分区控制的方法，以达到将齿顶、齿侧和齿根三个区域温差控制在温度精度Tj以内，为淬火提供更加均匀的温度的目的。
2、本发明中频率调节幅度ΔP是可以灵活选择的。生产企业可以根据具体生产质量要求，合理确定温度精度Tj，选择具有合适灵敏度的加热电源等相关硬件，在满足生产质量要求的条件下获得最佳的经济效益。
附图说明
图1是耐候钢齿轮加热的控制方法流程图；
图2是耐候钢齿轮加热正视示意图；
图3是耐候钢齿轮轮齿齿顶区域放大示意图；
图4是耐候钢齿轮轮齿齿侧区域放大示意图；
图5是耐候钢齿轮轮齿齿根区域放大示意图；
其中，1、圆形线圈，2、待加热齿轮，3、齿顶区域，4、齿侧区域，5、齿根区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种耐候钢齿轮加热的控制方法，将待加热齿轮轮齿分为三个不同的加热区域，使用三台单频电源同时向圆形线圈通入高频、中频、中频三种不同频率电流，对待加热齿轮工作部位—齿顶、齿侧、齿根进行加热。与此同时，对齿顶、齿侧、齿根进行温度监测，计算各部位的温差，通过各部位温差反馈，进行各部位对应下的电源加热功率调节，对待加热齿轮进行梯度式加热控制，将温差控制在温度精度以内。
本发明实施例中使用的耐候钢直齿轮参数为：齿数z＝11、齿轮模数m＝5、压力角α＝20°、齿宽B＝12mm、齿顶圆直径da＝65mm、齿根圆直径df＝42.5mm、分度圆直径d＝55mm；加热工艺参数为：加热温度820℃≤T≤900℃、温度精度Tj≤50℃，齿轮需要加热高度h＝15mm。
本发明提供了一种耐候钢齿轮加热的控制方法，如图2所示的耐候钢齿轮加热正视示意图，圆形线圈1和待加热齿轮2同心放置，待加热齿轮2加热部分被分为三个加热区域：齿顶区域、齿侧区域和齿根区域。在使用三台单频电源同时向圆形线圈1中通入频率为f1的高频电流、频率为f2的中频电流和频率为f3的中频电流时，由于不同频率的电流会有不同的透入深度，计算公式为：
Figure BDA0002427071690000051
其中：f—交变电流频率，单位为Hz
μ—磁导率，单位为H/m；
ρ—电阻率，单位为Ω/m；
由上式可知，具有透入深度h1的高频电流f1的高效加热区域为齿顶区域，具有透入深度h1+h2的中频电流f2高效加热区域为齿侧区域，具有透入深度h1+h2+h3的中频电流f3的高效加热区域为齿根区域。并且由集肤效应可知：当在导体中施加交变电流时，电流会主要集中在导体表面位置。则：通入的频率为f1的高频电流所产生的感应电流主要集中齿顶表面，对齿顶部位进行加热；通入的频率为f2的中频电流所产生的感应电流主要集中齿侧表面，对齿侧部位进行加热；通入的频率为f3的中频电流所产生的感应电流主要集中齿根表面，对齿根部位进行加热。
现有的双频感应加热技术虽然获得较单频加热更小的温差，但是该技术仍然属于粗犷的加热方式，使其加热效果与昂贵的生产成本不相匹配而未得到广泛的应用。而本发明则根据上述电流透入深度原理及集肤效应理论，提出一种如图1所示的一种耐候钢齿轮加热的控制方法，利用电流透入深度原理将齿轮划分为三个加热区域，利用集肤效应理论对每个加热区域中齿轮工作部位—齿顶、齿侧、齿根进行加热，并且利用如图3耐候钢齿轮轮齿局部放大示意图所示监测齿顶部位a1、b1、c1三个点温度、监测齿侧部位a2、b2、c2三个点温度和监测齿根部位a3、b3、c3三个点温度，以实现对待加热齿轮2高精度的梯度式加热控制，具体包括以下步骤：
步骤a：收集待加热齿轮参数：齿数z、齿轮模数m、压力角α、齿宽B、齿顶圆直径da、齿根圆直径df、分度圆直径d；
步骤b：收集加热工艺参数：加热温度T、温度精度Tj及齿轮需要加热区域高度h；
步骤c：划分加热区域：齿顶区域，高度为h1，齿侧区域，高度为h2，齿根区域，高度为h3，其中h＝h1+h2+h3；
步骤d：选择加热频率：工作频率为f1的电流选为高频，工作频率为f2的电流选为中频，工作频率为f3的电流选为中频，且f1＞f2＞f3；
步骤e：选择加热电源并收集参数：根据工作电流频率及加热工艺参数选择合适的三台单频电源，并收集额定功率Pe1、Pe2、Pe3参数；
步骤f：选择初始加热功率：将三台电源初始加热功率P1、P2、P3设定为70％min{Pe1、Pe2、Pe3}；
步骤g：使用三台单频电源同时向圆形线圈通入频率分别为f1、f2、f3的三种电流，开始加热待加热齿轮；
步骤h：监测齿顶部位a1、b1、c1三点温度，计算其平均值记为齿顶温度T1，监测齿侧部位a2、b2、c2三点温度，计算其平均值记为齿侧温度T2，监测齿根部位a3、b3、c3三点，计算其平均值记为齿根温度T3；
步骤i：计算Tmin＝min{T1、T2、T3}，温度Tmax＝max{T1、T2、T3}；
步骤j：判断T1≥Tmin+Tj，成立则转入步骤k，否则转入步骤l；
步骤k：降低加热功率P1，使得
Figure BDA0002427071690000071
后转入步骤n；
步骤l：判断T1≤Tmax-Tj，成立则转入步骤m，否则转入步骤n；
步骤m：升高加热功率P1，使得
Figure BDA0002427071690000072
后转入步骤n；
步骤n：判断T2≥Tmin+Tj，成立则转入步骤o，否则转入步骤p；
步骤o：降低加热功率P2，使得
Figure BDA0002427071690000073
后转入步骤r；
步骤p：判断T2≤Tmax-Tj，成立则转入步骤q，否则转入步骤r；
步骤q：升高加热功率P2，使得
Figure BDA0002427071690000074
后转入步骤r；
步骤r：判断T3≥Tmin+Tj，成立则转入步骤s，否则转入步骤t；
步骤s：降低加热功率P3，使得P3＝P3-ΔP后转入步骤v；
步骤t：判断T3≤Tmax-Tj，成立则转入步骤u，否则转入步骤v；
步骤u：升高加热功率P3，使得P3＝P3+ΔP后转入步骤v；
步骤v：判断各区域温度是否达到设定温度T，当各区域温度符合Tmin≥T时，转入步骤w，反之转入步骤h；
步骤w：加热结束。

Claims (4)

1.一种耐候钢齿轮加热的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：收集待加热齿轮参数：齿数z、齿轮模数m、压力角α、齿宽B、齿顶圆直径da、齿根圆直径df、分度圆直径d；
步骤b：收集加热工艺参数：加热温度T、温度精度Tj及齿轮需要加热区域高度h；
步骤c：划分加热区域：齿顶区域，高度为h1，齿侧区域，高度为h2，齿根区域，高度为h3，其中h＝h1+h2+h3；
步骤d：选择加热频率：工作频率为f1的电流选为高频，工作频率为f2的电流选为中频，工作频率为f3的电流选为中频，且f1＞f2＞f3；
步骤e：选择加热电源并收集参数：根据工作电流频率及加热工艺参数选择合适的三台单频电源，并收集额定功率Pe1、Pe2、Pe3参数；
步骤f：选择初始加热功率：将三台电源初始加热功率P1、P2、P3设定为70％min{Pe1、Pe2、Pe3}；
步骤g：使用三台单频电源同时向圆形线圈通入频率分别为f1、f2、f3的三种电流，对待加热齿轮工作部位——齿顶、齿侧、齿根进行加热；
步骤h：监测齿顶部位a1、b1、c1三点温度，计算其平均值记为齿顶温度T1，监测齿侧部位a2、b2、c2三点温度，计算其平均值记为齿侧温度T2，监测齿根部位a3、b3、c3三点温度，计算其平均值记为齿根温度T3；
步骤i：计算Tmin＝min{T1、T2、T3}，Tmax＝max{T1、T2、T3}；
步骤j：判断T1≥Tmin+Tj，成立则转入步骤k，否则转入步骤l；
步骤k：降低加热功率P1，使得
Figure FDA0002954832610000021
后转入步骤n；
步骤l：判断T1≤Tmax-Tj，成立则转入步骤m，否则转入步骤n；
步骤m：升高加热功率P1，使得
Figure FDA0002954832610000022
后转入步骤n；
步骤n：判断T2≥Tmin+Tj，成立则转入步骤o，否则转入步骤p；
步骤o：降低加热功率P2，使得
Figure FDA0002954832610000023
后转入步骤r；
步骤p：判断T2≤Tmax-Tj，成立则转入步骤q，否则转入步骤r；
步骤q：升高加热功率P2，使得
Figure FDA0002954832610000024
后转入步骤r；
步骤r：判断T3≥Tmin+Tj，成立则转入步骤s，否则转入步骤t；
步骤s：降低加热功率P3，使得P3＝P3-ΔP后转入步骤v；
步骤t：判断T3≤Tmax-Tj，成立则转入步骤u，否则转入步骤v；
步骤u：升高加热功率P3，使得P3＝P3+ΔP后转入步骤v；
步骤v：判断各区域温度是否达到设定温度T，当各区域温度符合Tmin≥T时，转入步骤w，反之转入步骤h；
步骤w：加热结束。
2.根据权利要求1所述一种耐候钢齿轮加热的控制方法，其特征在于：对于齿顶区域的加热，通入的频率为f1的高频电流透入深度为h1，在集肤效应的作用下，高频电流所产生的感应电流主要集中在齿顶表面，对齿顶部位进行加热。
3.根据权利要求1所述一种耐候钢齿轮加热的控制方法，其特征在于：对于齿侧区域的加热，通入的频率为f2的中频电流透入深度为h1+h2，在集肤效应的作用下，中频电流所产生的感应电流主要集中在齿侧表面，对齿侧部位进行加热。
4.根据权利要求1所述一种耐候钢齿轮加热的控制方法，其特征在于：对于齿根区域的加热，通入的频率为f3的中频电流透入深度为h1+h2+h3，在集肤效应的作用下，中频电流所产生的感应电流主要集中在齿根表面，对齿根部位进行加热。
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