電磁式磁力滾壓加工啟動過程研究

曹 宇，姚新改，2，董志國，2，梁 星

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

電磁式磁力滾壓技術(shù)是一種將電磁技術(shù)和傳統(tǒng)滾壓技術(shù)相結(jié)合的新方法、新工藝。長圓不銹鋼管內(nèi)表面經(jīng)磁力滾壓加工后，降低了表面粗糙度，提高了表面硬度，延長了使用壽命，擴(kuò)大了適用范圍。電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動直接影響加工效率和加工效果，國內(nèi)外至今還沒有電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動的相關(guān)研究，但是電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動與同步電機(jī)的啟動原理類似。同步電機(jī)的啟動有三種方法，輔助電機(jī)啟動法即借助一臺與同步電機(jī)同磁極對數(shù)的異步電機(jī)帶動啟動；異步啟動法即先不通入勵磁電流使同步電機(jī)以異步方式運(yùn)行，待電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步時通入勵磁電流從而達(dá)到同步狀態(tài)；最后為變頻啟動法即先通入勵磁電流，利用變頻器逐步提高定子兩端的電源頻率，使轉(zhuǎn)子磁極在與旋轉(zhuǎn)磁場建立穩(wěn)定的磁拉力，從而實現(xiàn)同步啟動。結(jié)合磁力滾壓加工系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，選用變頻啟動法進(jìn)行系統(tǒng)快速啟動的研究。電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)在啟動時由于磁力滾壓加工系統(tǒng)轉(zhuǎn)子滾壓工具的慣性和機(jī)械負(fù)載的存在，通入三相交流電后系統(tǒng)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和滾壓工具之間存在一個轉(zhuǎn)速差，如果啟動頻率過高，轉(zhuǎn)速差過大，滾壓工具就會失步，系統(tǒng)不能啟動[1]，其次如果啟動頻率過低又會造成電磁轉(zhuǎn)矩不足，無法帶動滾壓工具轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)同樣無法啟動；另外，電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動還需要將定子繞組溫度控制在臨界值以下以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。通過對不同啟動頻率下磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動進(jìn)行理論分析，仿真并進(jìn)行試驗，從而得到滿足系統(tǒng)啟動的頻率范圍，從中優(yōu)選出系統(tǒng)啟動的最佳頻率，實現(xiàn)電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的快速啟動，為穩(wěn)定加工打下基礎(chǔ)。

2 磁力滾壓加工原理

電磁式磁力滾壓系統(tǒng)加工原理，如圖1所示。定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的三相繞組通入三相交流電后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為nr∕min的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的磁極和滾壓工具上相對應(yīng)的活動異性磁極相互吸引，使?jié)L壓工具上的滾珠和長圓管工件內(nèi)表面接觸并產(chǎn)生正壓力，在旋轉(zhuǎn)磁場的牽引下，滾壓工具和旋轉(zhuǎn)磁場逐步實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)并通過滾珠對長圓不銹鋼管內(nèi)表面進(jìn)行滾壓彈塑性加工[2]。同時，定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器在進(jìn)給裝置的驅(qū)動下軸向進(jìn)給，完成對整個長圓不銹鋼管內(nèi)表面的加工[3]。

圖1 磁力滾壓原理圖Fig.1 The Principle Diagram of Magnetic Rolling

3 磁力滾壓啟動過程理論分析

針對Φ（76×4）mm尺寸的0Cr18Ni9長圓不銹鋼管磁力滾壓加工系統(tǒng)進(jìn)行啟動過程分析。電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)由定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器和轉(zhuǎn)子滾壓工具構(gòu)成。其中定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器由Y90L-4型號的三相異步電動機(jī)改裝而成；轉(zhuǎn)子滾壓工具采用已經(jīng)設(shè)計并制造完成的第二代磁力滾壓加工工具。

電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動需滿足力學(xué)和熱學(xué)兩個條件。其中力學(xué)條件是指定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場和滾壓工具上的磁場相互作用，在旋轉(zhuǎn)磁場的帶動下能將滾壓工具從靜止?fàn)咳胪絒4]；熱學(xué)條件是指電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動瞬時溫度和啟動后穩(wěn)定運(yùn)行時的溫度在臨界值以下，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.1 啟動過程力學(xué)條件

由電機(jī)學(xué)的理論可知，磁力滾壓加工系統(tǒng)在啟動時滿足同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程[5]，如式（1）所示。

式中：J—滾壓工具的轉(zhuǎn)動慣性轉(zhuǎn)矩；Ω—滾壓工具的角速度；Tem—電磁轉(zhuǎn)矩；Tl—機(jī)械負(fù)載力矩。

從式（1）可知，磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動條件為電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載力矩；影響磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動的主要因素有慣性轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載力矩。電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動瞬時電磁轉(zhuǎn)矩只有克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩，滾壓工具才能夠轉(zhuǎn)動，如果電磁轉(zhuǎn)矩過小將導(dǎo)致滾壓工具無法被牽入同步甚至無法轉(zhuǎn)動[6]。磁力滾壓加工系統(tǒng)牽入同步的原理和同步電機(jī)類似，由同步電機(jī)低頻啟動的定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差公式[7]可知，磁力滾壓加工系統(tǒng)應(yīng)滿足：

式中：Δn—旋轉(zhuǎn)磁場和滾壓工具轉(zhuǎn)速差；n—定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速；n0—滾壓工具的轉(zhuǎn)速；P—極對數(shù)，取2；Tem—電磁轉(zhuǎn)矩；J—轉(zhuǎn)動慣量，取0.000751kg·m2。

由式（3）可得出磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動電磁轉(zhuǎn)矩需要大于1.65×10-5Δn2（N·m）。

3.2 啟動過程熱學(xué)條件

由同步電動機(jī)電壓方程式U=E0+Ea+Eσ+IR可知，電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)在某一頻率下啟動瞬時，定子沒有產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁電動勢故Ea≈0，轉(zhuǎn)子滾壓工具因慣性和負(fù)載還沒有轉(zhuǎn)動起來，定子繞組沒有切割轉(zhuǎn)子永磁鐵產(chǎn)生的磁力線，故E0≈0，忽略定子漏磁電動勢Eσ，定子繞組兩端電壓U一定，因此，定子繞組在啟動瞬時電流很大，約為額定電流的（5～7）倍。定子繞組電流過大會造成系統(tǒng)發(fā)熱、繞組短路，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行甚至出現(xiàn)安全隱患。由定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器繞組的絕緣等級可知，系統(tǒng)需要滿足的熱學(xué)條件為定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器中繞組溫度小于130℃，定子機(jī)殼溫度小于80℃[8]。

4 磁力滾壓系統(tǒng)啟動仿真

利用Ansoft瞬態(tài)磁場模塊對電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的啟動進(jìn)行有限元仿真分析。

4.1 模型的建立

建立的2D模型，如圖2所示。

圖2 磁力滾壓加工系統(tǒng)2D模型Fig.2 The 2D Model of Magnetic Rolling Processing System

4.2 材料屬性定義

表1 模型材料屬性Tab.1 Properties of Model Material

4.3 激勵源的加載與邊界條件的定義

電磁式磁力滾壓加工試驗是通過變頻器對旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器進(jìn)行電流加載，所以設(shè)定的激勵源為繞組電流源加載，加載的激勵源，如式（5）所示。

磁力滾壓系統(tǒng)的邊界為磁與非磁結(jié)構(gòu)的分界處，因此對其施加狄里克里邊界條件中的磁通平行邊界。

式中：iA，iB，iC—三相交流電瞬時值；

I0—三相交流電有效值；

f—交流電頻率。

4.4 運(yùn)動選項設(shè)置

轉(zhuǎn)動方程為[9]：

式中：J—滾壓工具的轉(zhuǎn)動慣量；

c—滾壓工具的阻尼系數(shù)；

Tem—電磁轉(zhuǎn)矩；

Tl—負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

ω—為滾壓工具的角速度；

β—滾壓工具的角加速度；

Ps—風(fēng)損耗。

通過上式計算可知在考慮機(jī)械瞬態(tài)的情況下，其啟動初始參數(shù)設(shè)定，如表2所示。

表2 啟動初始參數(shù)設(shè)定Tab.2 Setting of Start Initial Parameter

4.5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分決定仿真的精確度[10]。對于電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器與轉(zhuǎn)子滾壓工具間的氣隙磁場變化率較大，是磁力滾壓系統(tǒng)最重要的組成部分。因此為了保證仿真的真實準(zhǔn)確性，氣隙磁路網(wǎng)格劃分的密一些；其他部分根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和分析的重點進(jìn)行劃分。具體的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Model Meshing

4.6 仿真結(jié)果分析

不同啟動頻率下磁力滾壓加工工具速度曲線圖，如圖4所示。不同啟動頻率下磁力滾壓加工工具轉(zhuǎn)矩曲線圖，如圖5所示。

圖4 磁力滾壓系統(tǒng)啟動速度曲線Fig.4 The Starting Speed Curve of Magnetic Rolling System

圖5 滾壓工具所受電磁轉(zhuǎn)矩Fig.5 Electromagnetic Torque of Rolling Tool

由圖4知，在（4～9）Hz的范圍內(nèi)，隨著啟動頻率的增加，系統(tǒng)啟動時間越短。由電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f∕p可知，隨著頻率的增加，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速加快，旋轉(zhuǎn)磁場與滾壓工具轉(zhuǎn)速差的增大，由式（3）知系統(tǒng)的啟動電磁轉(zhuǎn)矩變大，所以系統(tǒng)啟動越來越快。在9Hz頻率下系統(tǒng)啟動最快為1.2s。由圖5知此時系統(tǒng)啟動達(dá)到電磁轉(zhuǎn)矩為2.3N·m。

由圖4知，系統(tǒng)在小于4Hz和大于9Hz的頻率下不能正常啟動，這是由于系統(tǒng)在過低頻率下啟動，旋轉(zhuǎn)磁場與內(nèi)部滾壓工具的轉(zhuǎn)速差的變小，啟動電磁轉(zhuǎn)矩過小無法克服滾壓工具的負(fù)載力矩與慣性轉(zhuǎn)矩從而造成系統(tǒng)啟動失?。蝗粝到y(tǒng)在過高的頻率下啟動，旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與內(nèi)部滾壓工具的轉(zhuǎn)速差過大，由于轉(zhuǎn)子滾壓工具的慣性，還沒來得及轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)磁場對滾壓工具的平均轉(zhuǎn)矩為零，不能啟動。由圖5知，系統(tǒng)在小于4Hz和大于9Hz的頻率時平均電磁轉(zhuǎn)矩均為零，不能實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動。

5 磁力滾壓加工啟動溫度試驗

5.1 試驗內(nèi)容

試驗?zāi)康模涸诓煌l率的啟動條件下，電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)能否滿足啟動溫度要求并穩(wěn)定持續(xù)加工。試驗裝置：電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 磁力滾壓加工系統(tǒng)Fig.6 Magnetic Rolling Processing System

試驗方法：將西門子MICROMASTER440型變頻器初始啟動頻率分別調(diào)節(jié)到（5～10）Hz，然后采用TES-1310接觸式溫度測量儀，如圖7所示。實時監(jiān)測系統(tǒng)不同頻率下啟動瞬時定子機(jī)殼最高溫度以及系統(tǒng)啟動后穩(wěn)定加工時定子機(jī)殼的溫度。系統(tǒng)在不同頻率下進(jìn)行啟動溫度試驗時，利用水冷系統(tǒng)將定子旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器的初始溫度控制在環(huán)境溫度16℃以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 接觸式溫度測量儀Fig.7 Contact Temperature Measuring Instrument

試驗工藝參數(shù)設(shè)定，如表3所示。

表3 試驗工藝參數(shù)設(shè)定Tab.3 The Setting of Test Process Parameter

5.2 試驗結(jié)果分析

磁力滾壓加工系統(tǒng)在不同頻率下啟動瞬時最高溫度以及啟動后穩(wěn)定運(yùn)行的溫度，如表4所示。

表4 試驗結(jié)果Tab.4 Test Results

由表4可知，隨著啟動頻率的升高，系統(tǒng)啟動瞬時最高溫度以及啟動后穩(wěn)定運(yùn)行的溫度逐漸升高。在10Hz的頻率下啟動瞬時最高溫度超過系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界溫度80℃，不滿足啟動的熱學(xué)條件。因此，電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的最高啟動頻率為9Hz，啟動瞬時最高溫度為77.2℃以及穩(wěn)定運(yùn)行溫度為66.8℃。

6 結(jié)論

通過對電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動進(jìn)行理論分析、有限元仿真和試驗研究得出：

（1）電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動頻率為（4～9）Hz時，系統(tǒng)不失步，滿足系統(tǒng)啟動的力學(xué)條件；系統(tǒng)在小于4Hz和大于9Hz的頻率下啟動均會失步，不滿足啟動的力學(xué)條件。

（2）電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)啟動頻率為（3～9）Hz時，定子機(jī)殼啟動瞬時最高溫度以及啟動后穩(wěn)定運(yùn)行的溫度均低于80℃，滿足啟動的熱學(xué)條件；系統(tǒng)在大于9Hz的頻率下定子機(jī)殼啟動瞬時最高溫度大于80℃，不滿足啟動熱學(xué)條件。

綜上所述，在同時滿足啟動力學(xué)和熱學(xué)條件下，系統(tǒng)啟動的頻率范圍為（4～9）Hz；兼顧加工效率的要求，優(yōu)選系統(tǒng)的啟動頻率為9Hz，啟動時間為1.2s，相較原來的低頻低速啟動大大縮短了啟動時間，減少了工件的不完全加工長度，為后續(xù)的持續(xù)穩(wěn)定加工奠定了基礎(chǔ)。