Расчет сечений и нагрева вторичного контура машин контактной сварки

В принятой на практике методике расчета сечения вторичного контура определяются исходя из допустимой плотности тока при продолжительной работе (ПВ=100 %). Допустимые плотности тока выбираются исходя из условий охлаждения согласно табл. 1.

Зная сварочный ток  и ПВ машины, находят длительный ток . По длительному току и допустимой плотности тока , взятой из табл. 1, определяют сечение участка вторичного контура:

 

            (1)

 

где  — сечение участка контура, мм².

 

Таблица 1. Допустимые плотности тока различных частей вторичного контура контактной машины

 

Определенные по формуле (1) сечения вторичного контура необходимо проверить на нагрев. Проверка на нагрев производится по формулам или графикам, составленным на основании опытных данных.

Наибольшее распространение в таких расчетах для условий воздушного охлаждения получила формула Ньютона

 

             (2)

 

где  — допустимый ток, А;  — активное сопротивление проводника, Ом;  — коэффициент теплоотдачи, Вт/(см²×°С);  — температура проводника, °С;  — температура окружающего воздуха, °С;  — поверхность охлаждения, см².

Для круглых хоботов данная формула может быть преобразована в следующую зависимость допустимого тока от геометрических размеров проводника:

 

           (3)

 

где  — допустимый длительный ток, А;  — диаметр проводника, мм; ρ — удельное сопротивление материала проводника, Ом×м;  — температурный коэффициент сопротивления материала проводника;  — перегрев проводника относительно окружающей среды, °С;  — коэффициент поверхностного эффекта.

Для медных стержней с удельным сопротивлением  Ом×м при температуре перегрева  °С формула примет вид

 

.                (4)

 

Несмотря на простоту этих формул, пользование ими несколько затруднено и требует известного опыта, так как входящий в них коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов (состояние поверхности, температура нагрева, конфигурация тела и т. д.) и находится в пределах от 0,6×10^-3 до 2,9×10^-3 Вт/(см²×°С).

Необходимые для расчетов значения коэффициента теплоотдачи в ваттах на квадратный сантиметр-градус Цельсия приведены ниже:

 

 

Используя формулу Ньютона, можно вывести расчетную формулу нагрева и для плоских шин:

 

,               (5)

 

где  — допустимый длительный ток, А;  — ширина шины, см;  — толщина шины, см.

Для медных шин с удельным сопротивлением  Ом×м и температурой перегрева  °С формула примет вид

 

.                   (6)

 

Вводя в формулу более распространенный параметр - сечение шины, получим основную расчетную формулу

 

,              (7)

 

где  — площадь сечения шины, см²; .

Для медных шин и  °С формула принимает вид

 

,                (8)

 

где  – площадь сечения, см², или

 

,              (9)

 

где  — площадь сечения шины, мм².

Для других температур перегрева допустимая сила тока может быть найдена из зависимости

 

,              (10)

 

где  — допустимый ток при перегреве ;  - допустимый ток при перегреве  °С;  — температура перегрева прохода относительно окружающей среды, °С.

Необходимые значения допустимой нагрузки могут быть найдены по кривым рис. 1. В этом случае для определения перегрева необходимо найти удельные тепловые потери с поверхности шины и по ним по графику определить перегрев шины.

 

 

Рис. 1. Зависимость допустимых удельных потерь голых медных шин, охлаждаемых воздухом, от температуры перегрева. Переменный ток 50 Гц

1 — медная шина; расположенная широкой стороной горизонтально; 2 — то же, вертикально; 3 — гибкая шина, набранная из фольги, расположенная широкой стороной горизонтально

 

Для определения нагрева шин, набранных из фольги, яри воздушном охлаждении можно пользоваться вышеприведенными формулами и графиками. При этом необходимо учитывать, что на нагрев шин, набранных из фольги, существенно влияют способ присоединения шип, а также способ заделки концов (приварка, лужение, затяжка болтом набора и т.д.), вызывающие неравномерное распределение тока в шинах. Поэтому полученные перегревы могут быть приняты только как средние значения.

При водяном охлаждении основной охлаждающей средой является вода. Теплоотдача в воздух незначительна. Поэтому при всех расчетах, когда вода непосредственно охлаждает какой-нибудь элемент конструкции, а не только его отдельные части, теплоотдачей в воздух можно пренебречь.

При охлаждении концов гибких шин, набранных из фольги, выбор их сечения в зависимости от температуры перегрева можно произвести по кривым рис. 2.

 

 

Рис. 2. Зависимость допустимых потерь в гибкой шине, набранной из медной фольги, от температуры перегрева при охлаждении концов водой. Расход воды 3,34×10^-5 м³/с (120 л/ч)

1 - длина шины 100 см; 2 - 75 см; 3 - 50 см; 4 - 25 см

 

Для других расходов воды температуры нагрева могут быть найдены расчетом, если принять перегрев пропорциональным расходу воды.

Во вторичном контуре имеет место последовательное соединение различных охлаждаемых и неохлаждаемых водой элементов, узлов и деталей, нагрев которых взаимно связан друг с другом. B этом случае расчет максимальных температур и их распределение производятся с учетом особенностей охлаждения всех узлов и деталей, а не отдельно взятой части контура.

Для расчетов температур весь контур (рис. 3) разбиваем на отдельные участки. За границы участков принимаем сечения с минимальной температурой. Такими сечениями являются трубки (каналы) охлаждения, идущие по сечению контура, или другие интенсивно охлаждаемые участки.

 

 

Рис. 3. Вторичный контур машины для контактной точечной сварки

1 и 9 - хоботы; 2 — гибкая перемычка; 3 — жесткая шина; 4 — колодка трансформатора; 5 — гибкая перемычка; 6 — жесткая шина (медное литье); 7 — распределитель воды; 8 — сливная коробка; 10 и 11 — свечи

 

На рис. 4 показан участок вторичного контура, имеющий водяное охлаждение по концам. Сечение по всей длине выбранного участка желательно иметь постоянным. При невыполнимости этого условия сечение усредняется. Выделив элемент длиной  и сечением , можно составить дифференциальное уравнение баланса теплоты:

 

,            (11)

 

где  — количество теплоты, выделяемой в элементе ;  и  - количество теплоты, проходящей через площадки  и ;  — удельные потери в элементе;  — коэффициент теплопроводности;  — температура элемента.

 

 

Рис. 4. Распределение температур вдоль участка вторичного контура

 

Решив это уравнение относительно , получим

 

;            (12)

 

,                   (13)

 

где ;  - температуры трубки на поверхности канала с водой.

Температура трубки рассчитывается по формуле

 

,           (14)

 

где  — теплота, отводимая водой, Вт;  — смачиваемая поверхность трубки см²;  — масса охлаждающей воды, протекающей в единицу времени, г/с;  — теплоемкость воды, Дж/(г×°С);  - температура входящей воды, °С;  — средний коэффициент теплоотдачи от поверхности охлаждающего канала к воде, Вт/(см²×°С).

Средний коэффициент теплоотдачи для трубок, напаянных по направлению тока в контуре; для трубок, припаянных перпендикулярно направлению тока в контуре,  для электрододержателей ; для каналов, просверленных в сечении перпендикулярно направлению тока на конце участка, коэффициент .

Для участков контура, отделенных от канала с водой разъемным контактом, за точку с минимальной температурой принимается точка, расположенная за контактом зеркально каналу с водой. В этом случае за минимальную температуру принимается

 

,            (15)

 

где  — температура трубки, °С.

Для всех участков контура, показанного на рис. 8, на основании формул 12…15 составляется система уравнений. При этом для облегчения расчета делается допущение, что контур можно разделить по оси симметрии на две части — верхнюю и нижнюю. В этом случае система уравнений составляется отдельно для верхней и нижней частей, что упрощает ее решение. Решив систему уравнений для расстояний между точками  и  каждого участка по формулам:

для

 

;               (16)

 

для

 

,                 (17)

 

находим распределение температур вдоль каждого участка.

Для обеспечения заданных условий охлаждения необходимо правильно определить сечения охлаждающих трубок. Это входит в задачу гидродинамического расчета охлаждающей системы.

Это интересно

Электроустановка, предназначенная для преобразования электроэнергии (повышения или понижения) в сети переменного тока, а также ее перераспределения называется трансформаторной подстанцией. Комплектная трансформаторная подстанция состоит из блока силовых трансформаторов, распределительного устройства, устройства автоматического управления и защиты и вспомогательных сооружений. Трансформаторные подстанции бывают понижающими и повышающими. Наибольшее распространение получили понижающие трансформаторные подстанции, позволяющие преобразовывать высокое напряжение сети высоковольтных ЛЭП в более низкое вторичное. Понижающие трансформаторы классифицируются в зависимости от назначения и от величины первичного и вторичного напряжения. В частности комплектная трансформаторная подстанция КТП 35/0,4 кВ предназначена для использования на коттеджных, промышленных, логистических, коммунальных, городских объектах в электросетях 35 кВ. Подстанция КТП 35/0,4 кВ имеет компактные габариты и обеспечена просторным коридором для обслуживания. Более подробно про трансформаторные подстанции можно узнать на сайте 35kv.com.ua