ПРЕДИСЛОВИЕ

Всякая новая отрасль техники при своем возникновении носит, как правило, эмпирический характер. Первые конструкции создаются на основании интуиции— методом «проб и ошибок». В этот период развития можно говорить не об инженерной науке, а об инженерном искусстве. Литература, посвященная данному вопросу, носит преимущественно описательный характер.

Лишь после того как окончательно установятся некие стабильные конструкции, может появиться теория их расчета. Инженерные расчеты не могут вырасти из чистой физики и математики. Инженер должен решать не только технические, но и экономические задачи; он должен конструировать и строить наиболее дешевые, наименее трудоемкие агрегаты. Для экономических расчетов в физические формулы должны быть введены эмпирические коэффициенты, получить которые можно только на основе эксплуатационного опыта. Всегда имеется бесчисленное множество вариантов решения одной и той же инженерной задачи. Лишь эксплуатация может выявить наиболее надежный и экономичный из этих вариантов.

В электротехнике инженерные теории возникли в конце прошлого столетия. После того как выкристаллизовались более или менее установившиеся конструкции электрических машин и трансформаторов, появились работы лорда Кельвина, братьев Гопкинсон, Сильвануса Томпсона, Штейнмеца, несколько позже Милана, Видмара и др., посвященные их расчету, выбору оптимальных соотношений и размеров.

Радиотехника пережила период становления инженерных теорий значительно позднее — в эпоху мировой империалистической войны 1914—1918 гг.

Настоящая работа является попыткой наметить методы инженерного расчета в быстро развившейся за последние годы области индукционного нагрева.

Из всего комплекса вопросов, связанных с индукционным нагревом, основное внимание здесь уделено поверхностной закалке стали. Поверхностная закалка находит применение во всех отраслях металлопромышленности. Она дает громадную экономию металла, удешевляет технологический процесс, оздоровляет условия труда, намного увеличивает качество и срoк службы деталей механизмов, режущего и мерительного инструмента.

Плавильные печи в настоящей работе почти совершенно не затронуты, так как по этому вопросу имеется довольно обширная литература.

При написании этой работы я старался пользоваться возможно более простым математическим аппаратом, памятуя известное изречение Лапласа: «Математическая мельница мелет весьма мелко, но качество полученной муки зависит от исходного продукта».

Ценность любого метода расчета определяется теми физическими предпосылками, которые были заложены при его выводе.

Все уравнения, встречающиеся в работе, линеаризованы. Применение более точных нелинейных расчетов при современном состоянии вопроса вряд ли целесообразно, так как в окончательные формулы все равно приходится вводить эмпирические поправочные коэффициенты. Правда, чем примитивнее формула, тем ýже пределы ее применения, но зато тем легче дать физическую интерпретацию сущности расчета и тем меньше вероятность ошибок.

В электротехнических и тепловых расчетах особенно легко злоупотреблять математикой. Поэтому я старался никогда не забывать, что от инженера в конечном счете требуются не формулы и не уравнения, а живые результаты — экономично построенные и надежно работающие конструкции. Расчет — только средство, но не цель.

Проектирование и исследование установок индукционного нагрева производилось по инициативе автора и инж. М. Г. Лозинского в лаборатории завода «Светлана» начиная с 1936 г.

Первые опыты производились с относительно небольшими мощностями 5—10 квт. В этот период в работах принимали участие главный конструктор завода «Светлана» инж. С. А. Зусмановский и инж. А. Ф. Смирнов. В 1938 г. была построена мощная установка на 300 квт и было начато проектирование промышленных установок для высокочастотной электротермии.

За истекшие годы работы по индукционному нагреву велись в ряде организаций, появились типовые ламповые генераторы для установок индукционного нагрева, удалось промышленно освоить поверхностную закалку разнообразнейших стальных изделий, а также изучить ряд других применений индукционного нагрева. Я считаю необходимым упомянуть своих сотрудников, принимавших участие в первых пионерских работах по индукционному нагреву.

Механические конструкции большинства устройств и станков разрабатывались инженерами А. А. Батуричевым, В. М. Васильевым и Б. А. Шустовым. Электротехнической стороной вопроса занимались инженеры Н. Г. Натансон, Ю. Б. Вигдорович, Н. А. Рощин (погиб в боях за Ленинград). Металловедческие исследования проводились инженерами В. К. Кучма, Л. М. Шевченко, В. М. Залкиндом, а также доцентом Э. В. Шлейером. Выпуск промышленных установок осуществлялся под руководством инж. Р. Ф. Аладжева.

При разборе ряда теоретических вопросов автор неоднократно пользовался советами канд. техн. наук В. С. Лукошкова.

Почти все опытные конструкции нагревательных индукторов, трансформаторов, закалочных приспособлений и т. п. выполнялись механиками лаборатории И. А. Труфановым и Ф. И. Ивановым (погибшими во время Ленинградской блокады), высокому мастерству которых обязан успех многих начинаний.

Отдельные результаты работ автора опубликованы в журналах «Электричество», «Вестник электротехники», «Станки и инструмент», «Вестник металлопромышленности», «Журнал технической физики», «Electronics», «RGE», «IEE», «Heat Treating and Forging», «Wireless Engineer» за 1937—1940 гг.

Некоторые из высказанных положений уже устарели, другие требуют более подробного развития и дополнения. Многие взгляды автора были предметом оживленных дискуссий. В настоящей работе я пытался рассмотреть с единой точки зрения комплекс основных вопросов, связанных с индукционным нагревом.

Пока индукционный нагрев применялся лишь для плавильных печей, где тепло должно выделяться в бесформенной массе металла, можно было пользоваться сравнительно простыми теориями для определения электрических параметров установок. Тепловые расчеты достаточны были самые примитивные. Значительно сложнее обстоит дело при поверхностной закалке.

Нагреву должны подвергаться изделия, имеющие вполне определенные (и иногда весьма сложные) геометрические формы.

Совокупность проводников, создающих высокочастотное поле, — за ней прочно утвердился термин «нагревательный индуктор» — должна быть так выполнена, чтобы локализовать нагрев на строго ограниченных участках поверхности изделия. Аналитическое и экспериментальное решение этой задачи составляет содержание основных глав этой работы.

Для определения удельных мощностей и режимов нагрева потребовались довольно сложные тепловые расчеты.

При быстром нагреве ферромагнитных материалов в электромагнитных полях было обнаружено весьма своеобразное явление «полосатого нагрева», объяснение которого потребовало ряда экспериментов и теоретических вычислений.

Глава 1, являющаяся до некоторой степени вводной, необходима для того, чтобы четко установить понятие об основной единице многих дальнейших измерений — глубине проникновения тока.

Задачу о распределении токов при любых частотах и любых геометрических формах индуктора и объекта я счел целесообразным расщепить на две части. В гл. 2 разобрано влияние частоты на распределение токов в телах простейших геометрических форм, находящихся в однородном электромагнитном поле. В гл. 3 рассматривается зависимость распределения токов от формы индуктора и объекта. В этой главе местами исключается из рассмотрения фактор частоты; предположено, что она весьма высока, так что глубина проникновения токов значительно меньше размеров исследуемых тел. Такая «высокочастотная» точка зрения позволила применить для расчетов методы магнитостатики, а также воспользоваться электролитической ванной. Результаты исследований, проведенных с электролитической ванной, изложены в гл. 4.

Графики гл. 3 и 4, потребовавшие для своего построения весьма кропотливой вычислительной работы, надеюсь, облегчат работу конструкторов и исследователей.

опрос о выборе частоты тока для поверхностной закалки можно рассматривать двояко: во-первых, с точки зрения технолога-термиста, интересующегося тем, что происходит со сталью при нагреве ее токами разных частот при разных графиках подвода мощности. Такая трактовка проведена в гл. 5 и 6. С другой стороны, электрика интересует возможность выбора такой частоты, чтобы получить возможно более простую, дешевую установку и максимальный к. п. д.

При слишком низких частотах представляют неудобства большие токи в индукторах. Коэффициент полезного действия при этом низкий, так как нагреваемый объект становится «прозрачным» для длинной электромагнитной волны, которая проходит через него, теряя лишь малую часть своей энергии. С другой стороны, слишком высокие частоты вызывают повышение напряжения на индукторе, возрастает опасность пробоя. Приходится увеличивать расстояние между индуктором и объектом и уменьшать в активной части индуктора отношение длины проводника к его ширине. Это также ухудшает к. п. д.

Понятно, где-то существует «золотая середина». Основные электрические соотношения для нагревательных индукторов приведены в гл. 7.

Схемы ламповых генераторов, применявшиеся в радиотехнике, оказались непригодными для целей электротермии.

В лаборатории завода «Светлана» впервые в истории высокочастотной техники пришлось получать мощности до 500 квт от ламповых генераторов, работающих на самовозбуждении. Попутно был разработан ряд вспомогательных устройств для регулирования и управления генераторами. Эти вопросы изложены в гл. 8.

Когда мне пришлось начать проектирование мощных высокочастотных воздушных трансформаторов для включения нагревательных индукторов, я убедился, что разработанных конструкций и методов их расчета не существует. Теории, разработанные для трансформаторов с железным сердечником, оказались здесь неприменимыми. Была создана изложенная в гл. 9 методика расчета. Были построены многочисленные трансформаторы как на заводе «Светлана», так и на ряде других заводов. Их успешная эксплуатация подтверждает правильность предложенных конструкций и методов их расчета.

Глава 10, описывающая конструкции нагревательных индукторов, с одной стороны, основана на теоретических выводах гл. 3 и 4, с другой стороны, обобщает практический опыт последних лет.

Центральное место в настоящей работе занимают электротехнические проблемы. Поэтому гл. И, затрагивающая металлургическую сторону вопроса, носит, можно сказать, вспомогательный характер.

Опыт высокочастотной обработки деталей изложен в гл. 12.

В гл. 13 делается попытка систематизировать различные конструкции закалочных станков.

Общая компоновка закалочной установки, являющаяся одним из важных факторов, обеспечивающих ее успешную эксплуатацию, рассматривается в гл. 14.

Наконец, в последних трех главах освещены различные, еще не получившие столь широкого распространения применения индукционного нагрева, исследовавшиеся в лаборатории завода «Светлана».

Индукционный нагрев диэлектриков в быстропеременном электрическом поле, получающий в последние годы весьма широкое распространение, особенно в авиационной промышленности, в настоящей работе намеренно не затрагивается. Этой теме должна быть посвящена специальная работа.

Автор

Назад, на страницу описания