阅读说明：本技术 一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置 (Temperature testing device convenient for accurately researching electromagnetic induction heating stage ) 是由 陈国华 高振山 黄雪杰 于 2019-05-07 设计创作，主要内容包括：发明公开的属于加热阶段装置技术领域,具体为一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置,其特征在于：包括下支撑板、电机支座、联轴器、阶梯轴、轴承座、螺杆、感应线圈、红外测温仪和中央控制模块,所述下支撑板的四角贯穿连接有第一螺栓,所述第一螺栓的顶端固定安装有上支撑板,所述上支撑板的顶部左侧固定安装所述电机支座,所述电机支座的左侧壁固定安装所述步进电机,所述步进电机的动力输出端固定连接有转轴,所述转轴的右侧端固定安装所述联轴器,所述联轴器的内腔右侧端固定安装所述阶梯轴,该发明实现了对工件温度实时监控,控制曲轴样件的转速和加热时间,从而提高产品的合格率的综合效果。(The invention discloses a temperature testing device convenient for accurately researching an electromagnetic induction heating stage, belonging to the technical field of devices in the heating stage, and being characterized in that: the crankshaft sample piece temperature monitoring device comprises a lower supporting plate, a motor support, a coupler, a stepped shaft, a bearing seat, a screw rod, an induction coil, an infrared thermometer and a central control module, wherein first bolts are connected to four corners of the lower supporting plate in a penetrating mode, an upper supporting plate is fixedly installed at the top ends of the first bolts, the motor support is fixedly installed on the left side of the top of the upper supporting plate, the stepping motor is fixedly installed on the left side wall of the motor support, a rotating shaft is fixedly connected to the power output end of the stepping motor, the coupler is fixedly installed at the right side end of the rotating shaft, and the stepped shaft is fixedly installed at the right side end of the inner cavity of the coupler.)

一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置

技术领域

发明涉及加热阶段装置技术领域，具体为一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置。

背景技术

感应加热阶段就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。电磁感应加热阶段工艺以期高效、清洁和非接触式的加热方式，在现代工业领域得到了广泛的应用。尽管感应加热阶段工艺的最终目标是改善材料的力学性能，如表面强度、硬度以及材料的疲劳特性，但是首先最为重要的是能够精确控制工件受热区的温度分布。加热过程中，工件温度分布及能够达到最高温度，直接影响着冷却后淬硬层厚度、表面硬度和残余应力分布等材料特性。温度控制不当将会发生过热或过烧现象，导致工件表面组织成分不能符合标准要求，其塑性、断裂韧性等力学性能明显降低。在工件精加工及正常使用过程中，可能因发生微小裂纹而产生应力集中现象，进而导致裂纹迅速扩展而断裂。合理的工件温度场分布是获得合格产品的关键。因此，在电磁感应加热阶段实现工件加热温度分布的精确控制是至关重要的。

电磁感应加热过程中，对温度场其决定性作用的是工艺参数的设定，包括曲轴转速、加热时间、感应线圈的设计参数以及输入电流、电压等。由此可见，影响温度场分布的因素较多，通过传统试验的办法得到较为合理温度场分布的工艺参数是及其困难，同时将耗费巨大的人力和财力。随着科学技术的进步，电磁感应加热阶段工艺设计从基于经验的传统方法转向了计算机模拟仿真，以便快速获得工艺参数。很多学者对电磁感应加热阶段工艺过程的数值模拟开展了大量的研究工作，其研究对象主要集中在轴对称工件，以期用来指导产品的生产工作。

现有技术当中的电磁感应加热阶段装置，温度控制不当将会发生过热或过烧现象，不能实现实时的对温度进行监控，不易调节对工件的加热温度，同时容易直接导致产品的合格率下降，其次不能有效的对曲轴转速进行控制，及其加热的时间控制，因此亟需研发一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置，以便实现电磁感应加热的精确控制。

发明内容

发明的目的在于提供一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置，建立曲轴转速，加热时间及加热温度等工艺参数对材料性能的影响规律，以解决工艺参数不能精确控制加热阶段材料性能的难题，能够有效提高产品合格率。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置，其特征在于：包括下支撑板、电机支座、联轴器、阶梯轴、轴承座、螺杆、感应线圈、红外测温仪和中央控制模块，所述下支撑板的四角贯穿连接有第一螺栓，所述第一螺栓的顶端固定安装有上支撑板，所述上支撑板的顶部左侧固定安装所述电机支座，所述电机支座的左侧壁固定安装所述步进电机，所述步进电机的动力输出端固定连接有转轴，所述转轴的右侧端固定安装所述联轴器，所述联轴器的内腔右侧端固定安装所述阶梯轴，所述电机支座的顶部右侧端固定安装所述轴承座，所述轴承座的内壁卡接有轴承，所述阶梯轴相固定安装在所述轴承的内壁，所述阶梯轴的右侧端插接所述螺杆，所述螺杆上螺接所述第二螺母，所述螺杆的右侧端固定安装所述样件，所述样件的外壁贴合连接所述感应线圈，所述感应线圈的外壁固定安装有导磁体，所述感应线圈的中部固定安装有曲轴轴颈，所述感应线圈通过导线电性连接所述电磁感应加热装置，所述样件的右侧端放置所述红外测温仪，红外测温仪电性输出连接所述中央控制模块，所述中央控制模块电性双向连接所述存储模块，所述中央控制模块电性输出连接所述步进电机和所述电磁感应加热装置。

优选的，所述红外测温仪的底部固定安装有三脚架。

优选的，所述阶梯轴的右侧端开设有螺孔，所述螺孔内壁螺接所述螺杆。

优选的，所述轴承座的左侧壁开设有圆形卡槽，所述圆形卡槽内壁卡接所述轴承，所述圆形卡槽的中部开设有通孔，所述通孔与所述阶梯轴相配合连接。

优选的，所述下支撑板的底部固定安装有橡胶垫。

与现有技术相比，发明的有益效果是：该发明提供了一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置，设置了感应线圈，利用感应线圈对样件进行加热，然后利用红外测温仪实现对样件的加热温度进行监控，并将监控的结果实时的传输到中央控制模块，利用中央控制模块进行分析，然后利用中央控制模块控制步进电机的转速和电磁感应加热装置的加热时间和加热温度，实现对工件的有效的控制，从而提高产品的合格率。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1为发明结构示意图；

图2为发明结构的俯视图；

图3为发明结构的系统框图；

图4为发明曲轴轴颈感应加热示意图；

图5为发明的热传导系数折线图；

图6为发明结构的比热折线图；

图7为发明结构曲轴有限元模型图；

图8为发明结构的热流边界条件添加流程图。

图中：100下支撑板、110第一螺栓、120上支撑板、130第一螺母、200电机支座、210步进电机、220转轴、230第二螺栓、300联轴器、400阶梯轴、500轴承座、510轴承、520第三螺栓、600螺杆、610第二螺母、620样件、700感应线圈、710电磁感应加热设备、720曲轴轴颈、730导磁体、800红外测温仪、810三脚架、900中央控制模块、910存储模块。

具体实施方式

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

发明提供一种技术方案：一种便于精准研究电磁感应加热阶段的温度测试装置，用于实现对工件温度实时监控，控制曲轴样件的转速和加热时间，从而提高产品的合格率，请参阅图1和图2，包括下支撑板100、电机支座200、联轴器300、阶梯轴400、轴承座500、螺杆600、感应线圈700、红外测温仪800和中央控制模块900；

请再次参阅图1和图2，下支撑板100具有第一螺栓110、上支撑板120和第一螺母130，具体的，下支撑板100和上支撑板120的四角分别对称开设有四个第一螺纹槽(图中未标记)和四个第二螺纹槽(图中未标记)，通过四个第一螺纹槽、四个第二螺纹槽、第一螺栓110和第一螺母130将上支撑板120固定安装第一螺栓110顶端，下支撑板100用于固定安装电机支座200和轴承座500,下支撑板100由不锈钢制成；

请再次参阅图1和图2，电机支座200具有步进电机210、转轴220和第二螺栓230，电机支座200的底部安装在下支撑板100的顶部，具体的，步进电机210的动力输出端固定连接有转轴220，步进电机210的右侧壁开设有两个第三螺纹槽(图中未标记)，电机支座200的左侧壁开设两个与第三螺纹槽相对应的同孔径的第四螺纹槽(图中未标记)，通过两个第三螺纹槽、两个第四螺纹槽和紧固螺栓将步进电机210安装在电机支座200上，电机支座200用于固定安装联轴器300，步进电机210为步进电机57BYG56；

请再次参阅图1和图2，联轴器300安装在电机支座200的右侧壁，具体的，联轴器300的左侧端开设有插孔(图中未标记)，通过插孔和紧固螺栓将转轴220插接在联轴器300上，联轴器300用于固定安装阶梯轴400,联轴器300为梅花联轴器；

请再次参阅图1和图2，阶梯轴400安装在联轴器300的右侧端，具体的，阶梯轴400通过联轴器300右侧的插孔(图中未标记)和紧固螺栓将阶梯轴400的左侧端安装在联轴器300上，阶梯轴400用于固定安装螺杆600，阶梯轴400由不锈钢制成；

请再次参阅图1和图2，轴承座500具有轴承510和第三螺栓520,轴承座500的底部安装在下支撑板100的顶部，具体的，轴承座500的内壁卡接有轴承510，轴承座500的左侧壁开设有圆形卡槽，圆形卡槽内壁卡接轴承510，圆形卡槽的中部开设有通孔，通孔与阶梯轴400相配合连接，轴承座500的底部开设有两个第五螺纹槽(图中未标记)上支撑板120的顶部开设两个与第五螺纹槽相对应的同孔径的第六螺纹槽(图中未标记)，通过两个第五螺纹槽、两个第六螺纹槽和紧固螺栓将轴承座500安装在下支撑板100上，轴承510用于实现阶梯轴400的转动，轴承座500由不锈钢制成；

请再次参阅图1和图2，螺杆600具有第二螺母610和样件620，螺杆600安装在阶梯轴400的右侧壁，具体的，阶梯轴400的右侧端开设有螺孔，螺孔内壁螺接螺杆600,螺杆600的中部螺接有第二螺母610,螺杆600的右侧端螺接样件620,第二螺母610用于实现对螺杆600的固定作用，螺杆600的后侧臂固定安装感应线圈700,螺杆600由不锈钢制成；

请再次参阅图1和图2，感应线圈700具有电磁感应加热装置710、曲轴轴颈720和导磁体730,感应线圈700安装在样件620的后侧壁，具体的，所述感应线圈(700)的外壁卡接有导磁体(730)，所述感应线圈(700)的中部卡接有曲轴轴颈(720)，样件620的外壁贴合连接感应线圈700，感应线圈700通过导线电性连接电磁感应加热装置710，电磁感应加热装置710为XJH-15KW高频感应加热设备；

请再次参阅图1和图2，红外测温仪800具有三脚架810，红外测温仪800安装在螺杆600的右侧壁，具体的，红外测温仪800的底部通过螺栓固定安装三脚架810,红外测温仪800为ImageIR8325热成像仪；

请再次参阅图3，中央控制模块900具有存储模块910，具体的，中央控制模块900电性双向连接存储模块910，中央控制模块900电性输出连接步进电机210和电磁感应加热装置710，中央控制模块900电性输入连接红外测温仪800；

在具体的使用过程中，当需要发明在使用的过程中首先将样件620固定在螺杆600的右侧端，然后利用步进电机210上的转轴220带动阶梯轴400的转动，阶梯轴400在轴承510的中部进行旋转，阶梯轴400带动样件620进行旋转，然后利用感应线圈700对样件620进行旋转加热，同时利用红外测温仪800对样件620表面的温度进行监控，并将数据传递给中央控制模块900，利用中央控制模块900控制步进电机210的转动和电磁感应加热装置710的加热温度。

为了防止下支撑板100在工作过程中产生较大的晃动，具体的，在下支撑板100的底部粘接有橡胶垫，减少噪声的产生和传播。

上述的第一螺纹槽、第二螺纹槽、第三螺纹槽、第四螺纹槽、第五螺纹槽和第六螺纹槽并不仅限于本实施例记载的具体数量，可以根据需要增加或减少其数量。

请参阅图4，数学模型的控制：

控制方程：

边界条件：

其中，

请参阅图5-7，有限元模型的建立：利用有限元软件ABAQUS对曲轴轴颈720进行了2D建模。为了保证计算精度，在曲轴2D模型的集肤深度内采用了相对较密的网格，其余区域采用了逐渐***的网格，以减小计算规模。在基础上对该有限元模型进行了网格收敛性计算，结果如图7所示，该模型采用单元的四边形网格，该有限元模型共包含7264个单元，表层单元尺寸为0.1mm×0.15mm,单元类型为C3D4T。曲轴采用42CrMo材料，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.25，随温度变化的比热和热传导系数如图5和图6所示。

请参阅图7和图8，热边界条件：依据曲轴电磁感应加热的集肤效应，感应热流主要集中在曲轴表面，并分布于感应线圈700对应的区域内。由于在感应加热过程中，曲轴与感应线圈700存在相对转动，感应移动热源采用ABAQUS子程序DFLUX来实现热流强度随时间和空间位置变化，以图7Y轴为基准，在某一时刻，与感应线圈700包角相对应的曲轴表面区域获得相应的热流值。并通过旋转角速度不断调整曲轴表面加热的区域。程序流程图如图8所示，将加热时间、转速和包角的度数进行输入，加热时间设定为t_i，确定曲轴表面任意节点的角度，然后判断角度是否位于热流节点作用区，当角度位于热流节点作用区时，设q＝q(r,θ),当角度没有位于热流节点作用区时，设q＝0，然后在判定加热时间t_i是否达到，当没有达到加热时间时，在延长加热时间为t_i+1，然后在确定加热时间t_i+1及其t_i+1的旋转角度依次进行循环，直到加热时间满足时，任务结束。

组合的热换热系数,被用来模拟辐射和对流换热。

h_c＝2.41×10^-3εT^1.61

其中，ε是发射率。采用电磁感应加热过程数学推到进行对比，验证采用子程序建立的有限元模型正确性。

响应面分析：温度场均匀度和相对温差的概念来评价混合器后方温度场的均匀性。

温度均匀度e_T的定义为：

式中为平均温度，N为测点数，为某一点的温度，相对温度的定义，正交试验法具有均衡分散性和整齐可比性。对于某一尺寸直径钢材，影响淬硬层厚度的影响因素包括曲轴转速，线圈包角，加热时间、电流大小、加热频率，如下表。

回归方程拟合之后，需要进行统计分析以解决一下四个问题：

a)给出回归方程的显著性检验，从总体上判定回归方程是否有效：

使用方差分析对回归方程进行显著性检验。均方和SSR和SSE的比值将是度量回归方程是否显著的最具代表性的结果。如果比值足够大，就有理由否定“回归模型无意义”的原假设，而应该认为回归效果显著。

b)给出回归方程总效果好坏的度量标准：

如果实际观测值与拟合出来的回归线很贴近，说明回归线与数据拟合得很好，就说回归方程总效果很好。通常用三个指标来度量回归方程的总效果：R2，R-sq(调整)和s。R2衡量回归方程解释观测数据变异能力，它是回归平方和占总离差平方和的比率，其数值越接近1代表模型模拟越好。R-sq考虑模型总项数增加带来的影响，R-sq＝<R2，两者数值越接近说明模型拟合越好。残差标准差s是从观察值与拟合回归线的平均偏离程度来加以度量，其数值越小越好。

c)当回归方程效果显著时，进行各个回归系数的显著性检验，判定回归方程中那些自变量是显著的，将效应不显著的自变量删除，以优化模型，这点尤其在多元回归当中至关重要；

ANOVA中的F检验时分析回归的总效果，t检验是分别检验每个单独的自变量是否有显著意义。

d)残差诊断—检验数据是否符合我们对于回归的基本假定，检验整个回归模型与数据拟合得是否很好，是否能进一步改进回归方程以优化我们的模型。

虽然在上文中已经参考实施例对发明进行了描述，然而在不脱离发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。