автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов

На правах рукописи

X

ООьипооо« ФИЛИППЕНКО НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЛ 2072

Иркутск — 2012

005016580

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ИрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Каргапольцев Сергей Константинович

Официальные оппоненты:

Гозбенко Валерий Ерофеевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Высшая математика».

Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет», зав. кафедрой «Электропривод и электрический транспорт».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева»

Защита состоится 24 мая 2012 г., в 14 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского 15, ауд. А-803.

тел: (8-3952) 63-83-11, (8-3952) 38-76-07.

факс: (8-3952) 38-76-72

e-mail: mail@irgups.ru

WWW: http://www.irgups.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан 11 апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационн* Совета, д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение стали находить полимерные материалы. Коррозионная стойкость, малое водопоглощение, высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность позволяют использовать эти материалы взамен цветных металлов, нержавеющих сталей и других конструкционных материалов.

В связи с этим, возрастающий объем и ассортимент производства деталей из полимеров требует дальнейшего совершенствования существующих технологических процессов их изготовления. В настоящее время к наиболее прогрессивным способам изготовления деталей следует отнести ресурсо- и энергосберегающие технологии, связанные с обработкой полимерных материалов токами высокой частоты (ВЧ). В отличие от традиционных технологий с внешним подводом тепла, такими как конвекционное, тепловое излучение, электротермия обладает целым рядом преимуществ: избирательность воздействия (наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими показателями диэлектрических потерь); быстрый и управляемый прогрев материала в объеме вне зависимости от его геометрических размеров, формы и коэффициента теплопроводности; безииерционность (отсутствие тепловой инерции нагревателя); отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем; возможность концентрации высоких энергий в больших объемах.

Тем не менее, несмотря на столь внушительную практическую значимость данной технологии, автоматизированных ВЧ-установок до сих пор не создано. Управление процессом и контроль качества электротермической обработки полностью зависят от оператора, вследствие чего брак продукции достигает 20%. Проблемы повреждений (прожогов) дорогостоящей оснастки (электродов), связанные с пробойными явлениями, никем не рассматривались и практического решения на сегодняшний день не имеют.

К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: недостаточный уровень разработки теории процесса термической обработки ВЧ-полем влажных, загрязненных, неоднородных материалов; недостаточную изученность технологических режимов процессов ВЧ-термообработки, в том числе при различной влажности, включениях и предыстории полимерных и композитных материалов; невозможность использования прямых методов контроля ВЧ-процесса; отсутствие практических разработок в области автоматизации установок ВЧ-нагрева.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что разработка автоматизированной системы управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка теоретических положений и практических рекомендаций по автоматизации управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов для повышения его качества и энергоэффективности.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить диапазон эффективных частот электротермической обработки изделий различных полимерных материалов.

2. Исследовать оборудование для высокочастотной обработки полимерных материалов как объект управления.

3. Выбрать оптимальные методы контроля состояния полимерных материалов в процессе высокочастотной обработки.

4. Разработать имитационную математическую модель процесса высокочастотной

обработки полимерных материалов с отображением пробойных явлений.

5. Разработать методику управления высокочастотной обработкой полимерных материалов на основе оптимизации энергетического воздействия и в режиме предпробойного состояния.

6. Разработать алгоритм и структуру автоматизированного управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов.

7. Реализовать разработанную автоматизированную систему управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов в производственных условиях.

Объектом исследования являются оборудование и технологический процесс высокочастотной обработки полимерных материалов.

Предметом исследования служат модели, способы, системы управления и структурирование знаний, данных и технологий электротермической обработки полимерных материалов.

Методы исследований. Исследования проводились на основе математического моделирования, теории поля, электродинамики, физикохимии полимерных материалов, проектирования автоматизированных систем, электротехники, математической статистики, численных методов. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием классического термомеханического и хроноамперометрического методов исследования полимерных материалов. В ходе исследований было использовано программное обеспечение: Со<1е\%юп АУЯ, Оо1(Шауе, Ро\\'егОгарЬ, МБОШсе.

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Комплекс управляемых параметров процесса высокочастотной обработки полимерных материалов и 1фитерии их оценки.

2. Способ управления процессом ВЧ-обработки изделий по динамике возникновения частичных разрядов.

3. Имитационная математическая модель развития пробоя, возникающего в ходе реализации технологического процесса высокочастотной обработки полимерных материалов.

4. Алгоритм управления процессом ВЧ-обработки изделий из полимерных материалов.

5. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной обработки изделий из полимерных материалов на основе контроля изменения их фазового состояния.

Достоверность полученных научных результатов обоснована: использованием классических теорий автоматического управления, электродинамики, основ физической химии; использованием при математическом моделировании апробированных методов численного анализа, математической статистики и методов аппроксимирования; согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическое значение работы. Впервые обнаруженное явление частичных разрядов, возникающих при обработке полимерных материалов высокочастотным энергетическим полем, и основные выводы и положения, определенные в ходе диссертационного исследования, могут быть использованы для дальнейшего углубленного изучения отдельных аспектов их проявления как способа контроля и управления.

Практическое значение работы. На основе предложенной методики управления высокочастотной обработки полимерных материалов разработана циклограмма рабо-

чих процессов ВЧ-сушки и ВЧ-сварки, отображающая параметры и последовательность выполнения этапов технологических операций.

Созданный алгоритм автоматизированной системы управления, позволяющий сделать регулируемым процесс высокочастотной обработки полимерных материалов в режиме его предпробойного состояния, повышает качество обработки и срок службы дорогостоящей технологической оснастки.

Разработанная автоматизированная система управления позволяет производить высокочастотную обработку полимерных материалов с максимальной энергоэффективностью и производительностью в автоматическом режиме.

Материалы диссертации могут быть использованы в процессе подготовки семинарских занятий по дисциплинам, предусматривающим изучение технологий ремонтных работ, сварочному производству, материаловедению.

Реализация результатов работы. Основные результаты работ были апробированы и применены на предприятии полиграфической отрасли. Экономический эффект от внедрения составил более 800 ООО рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС - «Проблема транспорта Восточной Сибири» 21 - 22 апреля 2011г.; Всероссийской научно-техническая конференции с международным участием - «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)» НИ ИрГТУ 28 - 29 апреля 2011 г.; Второй межвузовской научно-практической конференции ИрГУПС - «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» 16-17 мая 2011г.; Международной научно-практической конференции -«Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» 2011г.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них 6 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 2 без соавторов.

Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Технологии восстановления полиамидных сепараторов полем высокой частоты. Автоматизация ВЧ-установки», зарегистрированной ФГНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти», per. № 01201177497 от 10.01.2011г.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа объемом 161 страница машинописного текста содержит 74 рисунка, 13 таблиц и список литературы, включающий 111 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение обосновывает актуальность темы диссертационной работы, дает краткую характеристику направления исследования, определяет научное и практическое значение решаемой проблемы, формулирует основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе обзора научных источников проведен анализ автоматизированных систем и способов управления ВЧ-процессом обработки полимерных материалов и решений, направленных на повышение их работоспособности. Рассмотрены пути повышения энергоэффективности процесса электротермии. Значительный практический интерес представляет использование систем управления на основе микропроцессорной техники. Наличие микропроцессоров в контуре управления делает интеллектуальными системы регулирования, повышает надежность, достоверность и

позволяет выполнять обработку различных полимерных материалов в поле ВЧ с максимальной энергоэффективностью. Применение таких схем АСУ является одним из перспективных методов расширения возможностей использования установок диэлектрического нагрева.

Исследованиями систем управления процессами ВЧ-обработки занимались Юле-нец Ю.П., Архангельский Ю.С., Донской С. Н., Федорова И.Г., Марков A.B., Румынский A.B., Калганова С.Г., Коновалов Н.П. и другие авторы.

На основе работ Лущейкина Г.А., Егорова А. В., Хиппель А.Р., Моржина А.Ф., Юленец Ю.П. были проанализированы способы контроля процесса электротермической обработки полимеров. В данных работах отмечено, что возникающие при перегреве деформирование и деструкция материала значительно снижают качество обрабатываемых полимерных материалов и приводят к ухудшению механических и конструкционных свойств термопластов.

Существующие способы организации процесса управления основаны на расчетных методах определения температуры шгавления (основываясь на декларируемые параметры обрабатываемых материалов) с расчетом мощности и времени нагрева. При этом в большинстве работ использованы уравнения нестационарной теплопроводности с вводом большого количества допущений. Практическому применению данных методов управления препятствует идеализация технологического процесса, использование дорогостоящего специализированного оборудования и контролирующей аппаратуры.

Исследование термомеханических и электрофизических свойств полимерных материалов и закономерности их изменений с помощью ВЧ-диэлектрического напева дало возможность применения метода амперометрии и регистрации динамики микроразрядных явлений на поверхности изделия для организации процесса контроля состояния обрабатываемых термопластов. Отмечено, что электрофизическое состояние полимерных материалов изменяется с повышением температуры. Наиболее значимые изменения происходят при температурах близких или равных температуре плавления.

Исходя из этого, за основу организации автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки были взяты особенности изменения электрофизических показателей полимеров при их фазовых превращениях.

В заключительной части главы сформулирована цель диссертационной работы и вытекающие из нее задачи.

Во второй главе диссертации разработана методика расчета и приведены результаты экспериментальных исследований, которые дали возможность оценить влияние различных частот электромагнитных излучений на режимы и условия термической обработки полимерных материалов, что позволило выбрать эффективный частотный режим ВЧ-термического воздействия с удовлетворительным качеством и глубиной воздействия.

Были исследованы образцы из полимерного маслобензостойкого пластиката марки ОМБ-бО ГОСТ 5960-98. Схематичное отображение расчетных данных представлено на рис. 1, где видна характерная зависимость глубины проникновения <5Е электромагнитной волны (ЭМВ) в полимерный материал от частоты излучения /электромагнитного поля. При этом в расчетах использовались только разрешенные к эксплуатации в промышленном оборудовании частоты.

Аналогичная зависимость была получена при расчете напряженности электромагнитного поля Е от частоты/излучения.

д, м 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00

—-н 1-1

27,12 40,63 433,92

866

915

2375 2450 5800 /, МГц

Рис.1. Схематичное отображение глубины проникновения ЭМВ от частоты игчучения

Для подтверждения расчетных зависимостей были проведены экспериментальные ВЧ- и СВЧ-обработки пластиката ОМБ-бО при мощности воздействия Р = const. Результаты полученных экспериментальных данных представлены в табл.1.

Табл.1

Результаты экспериментальных данных ВЧ- и СВЧ-обработки пластиката ОМБ-бО

Частоты нагрева, МГц Время нагрева сек. Мощность Ватт Температура нагрева (начальная 20°С)°С

27,12 30 900 34

45 48

60 62

2450 30 20

45 20

60 21

Основываясь на полученных расчетных и экспериментальных данных, в качестве наиболее предпочтительной была принята частота ВЧ-излучения в диапазоне 27,12±0,16%МГц.

Анализ установки (на примере оборудования типа УЗП 2500) диэлектрического нагрева полимерных материалов и технологического процесса ВЧ-обработки (рис. 2) показал, что в существующем виде ВЧ-установка практически не автоматизирована. Момент окончания цикла обработки (ВЧ-нагрева) определяется оператором экспериментально. Продолжительность цикла каждый раз приобретает новое значение, так как полимерные материалы обладают рядом существенных недостатков: водопопго-щение, изменение со временем прочностных характеристик и др.

Отсутствие контроля состояния материала, излишняя выдержка полимера даже при температуре равной температуре плавления весьма нежелательны, так как может привести к разложению термопласта (термоокислительная деструкция).

Таким образом, оптимальным при процессе ВЧ-сварки принято отключение нагрева при температуре равной температуре плавления:

Та=Тш, (1)

где: Гсв - температура сварки; Т^ - температура плаатения.

Рис. 2. Схема установки и технологического процесса ВЧ-обработки полимерного материала: 1 - ВЧ-генератор; 2 - пулып оператора; 3 -амперметр; 4-реле времени; 5 -оператор; 6 - заземленный электрод; 7 - высокопотенциальный электрод; 8-низкопотенциапъная опорная плита; 9 - привод пресса; 10- высокопотенциальная плита; 11 - защитный экран; 12 - обрабатываемое изделие; 13 -регулятормощности.

Проведенный анализ показал, что температура сушки Т^ не должна превышать 90% от значения температуры плавления Тт, которая зависит от множества факторов и заранее не может быть определена.

Тсуш~90%Тш, (2)

где: Тсуш - температура сушки.

При данных условиях (2), процесс сушки может происходить сколь угодно долго без деструктивных изменений обрабатываемого материала.

Факторами, влияющими на мощность воздействия ВЧ-излучения, являются, в основном, электрофизические показатели обрабатываемого материала, а именно, тангенс угла диэлектрических потерь ígS и диэлектрическая проницаемость полимера е. Частота генератора электротермического оборудования и в процессе эксплуатации является постоянной величиной. Было определено, что изменения показателей ígS и е с ростом температуры полимера при ВЧ-обработке имеют существенные отличия. Так рост показателей диэлектрической проницаемости е в зависимости от температуры имеет характеристику близкую к линейной зависимости. Динамика тангенса угла диэлектрических потерь tgS, в зависимости от температуры, имеет более сложную зависимость и характеризует как химическое, так и физическое состояние материалов. Было определено, что вопрос о влиянии пробоев на процесс оптимизации работы ВЧ-установок никем не рассматривался, а система предохранения от пробоя реализована в виде токовых реле, установленных в силовых цепях ВЧ-оборудования. Такая система безусловно необходима, но ее возможности ограничиваются защитой только самого электрооборудования установки. На основе вышеизложенного было принято, что развитие пробоя в процессе ВЧ-обработки полимерных материалов может контролироваться и управляться ограничением интенсивности возрастания электрического тока.

В третьей главе разработан и экспериментально подтвержден метод контроля состояния диэлектрических материалов в процессе ВЧ-элекгротермической обработки.

Контроль процесса электротермической обработки материалов - задача, от решения которой зависит качество обработки. Измерение параметров обрабатываемых ди-

электрических материалов в зоне ВЧ-воздействия - это затратная и технически сложная задача. На практике в процессе электротермической обработки на систему ВЧ-генератор - технологическое устройство воздействуют ряд внешних и внутренних факторов, которые не позволяют режиму работы оставаться постоянным.

Проанализировав процесс фазовых превращений (рис.3), где представлены фазовые периоды в зависимости от температурного напора и времени, было найдено характерное отличие изменения температуры фазовых состояний материалов I, II, III.

X III

ТП ________"

IT -Период- жидкой

Период фазы

/ Период плавления

S нагрева

if ¿2 t, сек

Рис. 3. Процесс фазовых превращений, где: - время нагрева до начала плавления; -время периода плавления; Г-температура вещества; I — период нагрева твердого вещества; II - период плавления; III - период жидкой фазы вещества.

Практический интерес, с точки зрения контроля процесса технологии ВЧ-электротермической обработки, представляет период плавления полимерных материалов (рис. 3, I - период). Анализ зависимости температурного напора от времени (при достижении начала II периода) показал, что с увеличением энергетического воздействия в процессе плавления (И - период), температура образца не повышается. Энергия расходуется на процесс изменения кристаллической структуры материала. Изменение электрофизических параметров материала при достижении постоянства температуры в момент плавления приводит к стабилизации показателей диэлектрических потерь, которые, в свою очередь, возможно проконтролировать по электрическим показателям системы ВЧ-генератор -технологическое устройство.

Исходя из принципа работы промышленных генераторов, был определен режим (недояапряженный) их настройки, используемый на производстве в электротермическом оборудовании. Этот режим характеризуется динамическими характеристиками со стабилизацией напряжения Up = const на обкладках рабочего конденсатора. Проведя анализ работы схем генераторов ВЧ-установок, был найден показатель контроля работы ВЧ-генератора в зависимости от фазового состояния обрабатываемого полимерного материала, которым является анодный ток 1й.

Обоснование использования анодного тока было доказано путем анализа основного уравнения мощности воздействия электротермической обработки относительно анодного тока 1К:

_ Аф,е\Т)ЕЦраЬ yd

или

Ia = k(e\T)), (4)

где к = const электрофизических величин.

Анализ выражения (3) позволяет сделать следующий вывод: изменение фазового состояния можно проследить по динамике изменения коэффициента диэлектрических потерь £* = /(т). Следовательно, в соответствии с зависимостью (4), контроль фазового состояния можно осуществлять по динамике анодного тока /а.

Для подтверждения данного вывода был проведен ряд экспериментов. Для материалов различных физико-химических характеристик (полиамида, ПВХ) была определена зависимость (5).

h =АТ, Тт) (5)

Была разработана автоматизированная установка для определения амперо-метрической зависимости фазового превращения полимерных материалов из прямых экспериментов на высокочастотной установке, схема которой показана на рис. 4.

—I ш

Рис. 4. Схема автоматизированной установки для определения амперометрической зависимости фазового превращения полимерного материала: 1 - образец; 2 — электроды рабочего конденсатора; 3 - ВЧ-генератор; 4 - приспособление для нагрева образца; 5 - электронагревательный элемент; б - термопара; 6-1 - термопара-термометр; 7 - защитный экран; 7-1 - амперметр (линейный датчик с выходом по напряжению);

8 - вычислительный блок.

Полученные с помощью описанной установки амперометрические зависимости /а(Т) фазового превращения ПВХ приведены на рис. 5.

Анализ графика показал, что изменение фазового состояния образцов (начало плавления) соответствует первому минимуму значений анодного тока.

Максимальному значению анодного тока соответствует температура полимера равная примерно 85...91%ГШ , что объясняется подвижностью полярных групп и приблизительно согласуется с результатами, приведенными в других источниках. Решение подзадачи контроля предпробойного состояния было найдено в ходе экспериментальных исследований.

и, А-

Тсуш =* 58,9 °С

1в = 0,87

Гпл = 1 1,5 °С

о 14 г ЭЙ 4 54 я 74 « 94 100 11Ь 12 130 14 150 16 170 180 190 7" °

Рис. 5. Амперометрическая зависимость фазового превращения ПВХ

При проведении натурных испытаний были отмечены возникающие незначительные разряды, которые изначально были идентифицированы как пробои. Ряд дендритных образований на поверхностях диэлектрических материалов и их исследование на диэлектрическую прочность мегомметром и повторным воздействием ВЧ-поля не подтвердили наличие шунтирующих пробойных каналов. Это дало возможность предположить, что данные явления относятся к частичным разрядам (ЧР).

Проведя дополнительные исследования, было определено, что ЧР являются очень чувствительной характеристикой предпробойного состояния полимеров в процессе ВЧ-воздействия. Измерение импульсов ЧР позволяет с высокой достоверностью выявить механизмы развития пробоя на самых ранних стадиях его возникновения. Подтверждение этому нашлось при проведении экспериментальных исследований образцов материалов с различными физико-химическими свойствами и геометрическими параметрами (табл. 2).

Полимерные образцы обрабатывали на экспериментальной установке измерения динамики ЧР, принципиальная схема которой приведена на рис.6. В результате проведенного эксперимента было получено семейство кривых (6), имеющих показательный вид:

ии=ехр(Аи+В,^и ), (б)

где; гу. - время возникновения разряда г'-го материала у'-го геометрического размера; «у - количество частичных разрядов /-ш материала /-го геометрического размера;

Ац Ву - коэффициенты аппроксимированных кривых.

Табл.2

.....-^Латериал, / Толщи на, / ---........._ Фольга полиграфическая ПВХ Полиамид Кабельный пластикат Резина

0,04 •

0,07 •

0,9 • • •

1,2 • • •

2,4 • • •

4,5 •

9,2 •

Рис. 6. Принципиальная схема экспериментальной установки измерения динамики ЧР: 1 - образец изделия; 2 - образец изделия; 3 - электроды рабочего конденсатора;

4 - изоляционный вкладыш; 5-1 - акустический датчик; 5-2 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); б - вычислительное устройство; 7 - ВЧ-генератор;

8 - амперметр анодного тока; 9 - кнопка « ПУСК».

Взяв за исходную, кривую с максимальными показателями возникновения пред-пробойного состояния, используя метод аппроксимации, была получена зависимость вида

(7)

отсюда

_ 1ППчр.КЦЧР " А /пч

чррасч.КДЧР ~ g • l.<V

Полученные экспериментальные кривые возникновения ЧР и аппроксимированная кривая динамики частичных разрядов (КДЧР) представлены на рис. 7.

Используя комплекс свободно распространяемого программного продукта «Approximator» ver. 1.6, были рассчитаны коэффициенты А и В с удовлетворительной погрешностью аппроксимации равной 0,98. Используя найденные значения коэффициентов уравнений (7, 8), получены уравнения возникновения ЧР при ВЧ-обработке полимерных материалов:

п^скдчр = ехр( 1,81 + 1 ,99Г^№,КДЧ1, ), (9)

или

_&»Vjwp+1>99

1,81

(10)

где: Тдркдчр - расчетное время возникновения разряда; «чрКДЧР - количество частичных разрядов.

За начало развития предпробойного состояния был принят факт появления ЧР. Таким образом, была получена имитационная математическая модель ВЧ-процесса, учитывающая возникновение предпробойного состояния для материалов со значительными отличиями по физико-химическим показателям и геометрическим размерам (толщине).

Рис. 7. Экспериментальные кривые возникновения ЧР и аппроксимированная кривая динамики частичных разрядов (КДЧР)

При этом была выявлена возможность расчета времени возникновения последующих частичных разрядов, что, в свою очередь, позволило в реальном режиме времени найти алгоритм управления процессом ВЧ-воздействия с целью предотвращения пробоя. Все это было использовано для организации контроля и управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов с максимальной энергоэффективностью (работа в режиме предпробойкого состояния) и, при этом, с защитой от самого пробоя. Используя методы математической статистики, было определено критическое количество возникших ЧР (для момента принятия решения при процессе управления кдчр= 3), после которых происходит лавинообразное, сложно управляемое развитие пробойного явления.

На основе полученной имитационной модели процесса ВЧ-обработки полимерных материалов была разработана методика управления процессами ВЧ-сварки и ВЧ-сушки, которая состоит из следующих этапов: 1. Сварка:

а) Этап «акклиматизации», характеризующийся плавным увеличением напряженности ВЧ-поля и сопровождаемый выгоранием посторонних поверхностных включений.

б) Основной этап ВЧ-обработки полимерных материалов при максимальной мощности воздействия с непрерывным контролем развития пробоя.

в) В момент фазового перехода процесс ВЧ-сварка прекращается.

2. Сушка:

а) Этап «акклиматизации», характеризующийся плавным увеличением напряженности ВЧ-поля, сопровождаемый выгоранием посторонних поверхностных включений.

б) Этап выхода на начало перехода «размораживания сегментальных связей», соответствующий достижению первого максимума анодного тока и температуре примерно 90% от температуры плавления.

в) Стабилизация процесса ВЧ-сушки на 90%Гпя с циклическим регулированием в автоматическом режиме мощности воздействия и непрерывным контролем процесса развития пробоя.

г) В момент окончания времени сушки процесс обработки прекращается. Графическое отображение управления процессами ВЧ-обработки выполнено в виде циклограмм и представлено на примере сушки (рис. 8).

1 Цикл акклиматизации Цикл сушки Цикл контроля времени сушки 1 в _ /а„„ ~90%Т„

Л Л ¿¿щалоп. "

/ ' \ -----

/ : \

\ ...... '

У \

У \

У ; V Т.......

< : ..........V "11

: машашишпшик

^•акк ^"сушкм план ^сушкн факт С

Рис. 8. Циклограмма управления процессом ВЧ-сушки

Четвертая глава посвящена разработке, изготовлению и исследованию автоматизированной системы управления процессами высокочастотной обработки полимерных материалов. На основе предложенного способа контроля и методики управления для ВЧ-сварки и ВЧ-сушки разработаны блок-схема АСУ и алгоритм её функционирования. Блок-схема автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки изделий полимерных материалов представлена на примере ВЧ-сушки (рис.9).__

ОПЕРАТОР !

Вводииодаидаякш

Загрузка и разгрузка ВЧ пресса

Подача давления на пресс_

Пуск АСУ

ОБЪЕКТ

ПрессЬзт?

Пресс рверз^

ВЧ-пресс

X

Запуск [}ас

Датчик тока

ч

Переменный

регулируемый

конденсатор

Акустические датчики

микропроцессорнь[икон[гр1)дле'р"

Расчет такк Нет

Расчет /а(т)

Расчет тчр) А.

Задд

штаратортакк

□¡Ш

Компаратор/а(т)

пуск расчета

Да

.омпаратор Тц^

дат

Расчеттст^

Нет

-) Ком паратор тсуш [

Переключате-и управляющего тока(режимов

^ Откл. переключателя

Вкл. переключателя Р' Р г

^ Откл. нагрева (Устаковка Р=0)

ступенчатого регу.тровавия (Л-Рму10%)

Да

№

РВ

[пр 'Сса

Рис. 9. Блок-схема АСУ процессом ВЧ-сушки изделий из полимерных материалов

14

Переменный ток

Рис. 10. Система управления и её установка на оборудование

В состав системы входят блоки сбора, передачи и обработки информации, устройства исполнительного механизма. Особенностью созданной автоматизированной системы управления является то, что её установка на оборудование (рис. 10) не требует изменения принципиальных электрических и кинематических схем действующего оборудования.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЕЙ МЕХАНИЗМ

Н(||С

ДАТЧИКИ ЧАСТИЧНЫХ

Создание АСУ позволило расширить возможности ВЧ-оборудования. В связи с этим был разработан принцип конструирования технологической оснастки для обработки полимерных материалов и конструкций из них сложной геометрической формы. Реализация принципа конструирования показана на примере схемы устройства для высокочастотной обработки стеклонаполненных полиамидных сепараторов подшипников буксовых узлов подвижного состава (рис. 11).

Верхняя подвижная высокопотенциальная

Пресс

Верхняя

Перегородки

Нижний обод сепаратора

заземленная плита

контактная группа

Приспособление сепаратора

Рис. 11. Схема устройства для высокочастотной обработки стеклонаполненных полиамидных сепараторов подшипников буксового узла

Разработанные система автоматизированного управления электротермическим процессом и принцип разделения конструкции на зоны обработки (рис. 12) с созда-

Рис. 12. Зоны обработки полиамидного сепаратора

нием пространственной схемы ВЧ-рабочих конденсаторов (рис. 13) позволили осуществить обработку геометрически сложных изделий без риска возникновения пробоя и деструктивных изменений полимеров.

Рис.13. Пространственная схема ВЧ-рабочих конденсаторов: Сра6 -рабочий конденсатор; Стр, С'0е - составные пространственные ВЧ-конденсаторы

Результаты ВЧ-сушки полиамидных сепараторов с динамическими показателями прочностных характеристик представлены в табл. 3.

Табл.3

Результаты ВЧ-сушки полиамидных сепараторов

Время сушки, с 0 60 80 100 120

Относительная влажность, % 5,6 2,05 1,6 1,75 0,7

Прочность при разрыве, МПа 136,7 137,2 139,3 141,4 144,3

Анодный ток. А 0,65 0,7 0,7 0,7 0,6

Дальнейшие исследования работоспособности системы управления и оценка эффективности ее применения были выполнены с использованием различных полимерных и диэлектрических материалов. На рис. 16 показана апробация процесса ВЧ-сушки древесно-стружечных топливных брикетов и массива из гидролизного

лигнина. Использование АСУТП позволило получить образцы с влажностью 10% -12%, явлений пробоя в процессе обработки отмечено не было.

Рис. 14. Апробация процесса ВЧ-сушки древесно-стружечных топливных брикетов и массива из гидролизного лигнина

Исследование системы АСУТП в промышленных условиях производилось на предприятии ООО «Полиграфист». Оценка эффективности от ее применения путем сравнения показателей процесса обработки подтверждается актом внедрения и составляет 880 483 рублей в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе проведенных исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по автоматизации управления процесса ВЧ-обработки изделий из полимерных материалов, что имеет существенное значение для отраслей промышленности, связанных с их производством.

2. Обоснован диапазон эффективных частот электротермической обработки полимерных материалов.

3. Установлены методы контроля состояния полимерных материалов в процессе высокочастотной обработки.

4. Выявлен эффект возникновения частичных разрядов в ходе энергетического воздействия и проведен анализ динамики их возникновения.

5. Разработана имитационная математическая модель процесса ВЧ-обработки полимерных материалов с защитой от критического воздействия токов пробоя.

6. Разработана методика управления высокочастотной обработкой полимерных материалов на основе оптимизации энергетического воздействия в режиме предпробойного состояния.

7. Разработаны алгоритм и структура системы управления процессом высокочастотной обработки изделий из полимерных материалов.

8. На основе разработанных научно обоснованных методов, методик, технических решений создана автоматизированная система упраатения высокочастотной обработкой полимерных материалов на основе контроля изменения их фазового и предпробойного состояния.

9. Предложенная автоматизированная система управления внедрена в производство в составе оборудования для высокочастотной сварки полимерных материалов полиграфической отрасли с годовым экономическим эффектом более 800000 рублей в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Лившиц A.B., Машович А.Я., Филиппенко Н.Г. Автоматизация процесса высокочастотного нагрева материалов на промышленной установке УЗП 2500 // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. - Вып. 2 (30). С. 193-198.

2. Лившиц А. В., Машович А. Я., Филиппенко Н. Г. Аспекты электротермической обработки материалов электромагнитным полем высокой частоты // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -2011. -Вып. 2 (30). С. 135 - 140.

3. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц A.B. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. - Вып. 4 (32). С. 50-55.

4. Филиппенко Н.Г., Лившиц A.B., Машович АЛ. Автоматизация высокочастотной термообработки полимерных материалов // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. - 2011. - Вып. 12 (59). С. 357 - 362.

5. Филиппенко Н.Г. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - Вып. 1 (33). С. 101 -107.

6. Филиппенко Н.Г. Математическая модель процесса высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - Вып. 1 (33). С. 76 - 79.

в других изданиях:

7. Филиппенко Н.Г., Лившиц A.B., Машович АЛ. Технология электротермической обработки материалов полем высокой частоты // Научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС - «Проблема транспорта Восточной Сибири» 21-22 апреля 2011г. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. - С. 139 -144.

8. Лившиц A.B., Машович АЛ., Филиппенко Н.Г. Использование высокочастотного электротермического оборудования для переработки неметаллических материалов // Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием: межвузовский сборник научных трудов - «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)» НИ ИрГТУ 28 - 29 апреля 2011 г. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011.-С. 211-219.

9. Лившиц A.B., Машович АЛ., Филиппенко Н.Г. Необходимость использования высокочастотного электротермического оборудования на ремонтных предприятиях ОАО РЖД // Вторая межвузовская научно-практическая конференция ИрГУПС -«Транспортная инфраструктура Сибирского региона» 16-17 мая 2011г. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. - С. 350 - 355.

10. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц A.B. Система управления и блок устройства автоматизации высокочастотной обработки полимерных материалов // Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011».: докл. Междунар. конф. - URL: http://www.sworld.com.ua /index.php/ru/transportation-411 /maintenance-and-repair-of-transportation-411/11637 - 411 - 0277 (дата обращения: Октябрь 2011 года) - номер ЦИТ 411 - 0277.

Подписано в печать 06.04.2012 Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 120 экз. Заказ № 364

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

61 12-5/3001

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах^^кописи

/

ФИЛИППЕНКО НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор С. К. Каргапольцев

Иркутск - 2012

Содержание

Введение........................................................................................................................4

1. Литературный обзор, цель и постановка задач................................................7

1.1. Электротермия как прогрессивный энергоэффективный метод обработки полимерных материалов...........................................................................7

1.2. Теоретические исследования процесса обработки полимерных материалов токами высокой частоты......................................................................14

1.3. Контроль качества ВЧ-обработки.....................................................................17

1.4. Анализ оборудования электротермической обработки полимерных материалов и состояния вопроса его автоматизации.............................................23

1.5. Постановка цели и задач исследования............................................................30

2. Особенности технологической схемы электротермии и анализ высокочастотной установки, как объекта управления....................................32

2.1. Обоснование выбора энергоэффективного диапазона частот электротермических установок................................................................................32

2.2. Технологический процесс ВЧ-обработки полимерных материалов, пути

и методы его автоматизации.....................................................................................42

Выводы по главе........................................................................................................50

3. Разработка способов управления и контроля состояния полимерных материалов в процессе ВЧ-обработки..................................................................52

3.1. Определение метода контроля состояния диэлектрических материалов в процессе ВЧ электротермической обработки.........................................................52

3.2. Разработка имитационной математической модели процесса ВЧ-

обработки полимерных материалов с отображением пробойных явлений.........68

3.2.1.Экспериментальные исследование процесса возникновения частичных

разрядов......................................................................................................................70

3.2.3. Определение критерия управления процессом ВЧ-обработки в зоне предпробойного состояния.......................................................................................83

3.3. Методика управления ВЧ-обработкой полимерных материалов..................86

Выводы по главе........................................................................................................89

4. Автоматизация управления процессом ВЧ-обработки полимерных

материалов.................................................................................................................91

4.1. Разработка автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов с защитой от пробойных явлений..............91

4.2. Разработка и изготовление блока автоматизированной системы управления процессом высокочастотной обработки...........................................109

4.3. Конструирование технологической оснастки для ВЧ-обработки полимерных изделий сложной формы..................................................................121

4.4. Исследование разработанной автоматизированной системы управления

ВЧ-обработки полимерных материалов................................................................132

Выводы по главе......................................................................................................140

Общие выводы.......................................................................................................142

Список литературы...............................................................................................143

Приложения............................................................................................................153

Введение

Технический прогресс в условиях рыночных отношений диктует концепцию существенного повышения эффективности производства и улучшения качества выпускаемой продукции на основе передовых достижений науки и техники, интенсификации производства, широкого внедрения автоматизированных систем управления. К числу научных направлений, призванных обеспечить, качественные изменения в производительных силах, относится направление, базирующееся на применении электротермических методов (ЭТ) воздействия на различные технологические процессы. К числу ЭТ-методов относится высокочастотный (ВЧ) нагрев полимерных материалов с целью нагрева, сушки, сварки. Тем не менее, несмотря на столь внушительную практическую значимость данной технологии, автоматизированных систем ВЧ-установок в России до сих пор не создано. К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: недостаточную изученность технологических режимов процессов ВЧ-термообработки, в том числе при различной влажности и при различных сочетаниях составляющих полимерных и композитных материалов, отсутствие методов контроля материалов, недостаточный уровень разработки теории процесса термической обработки влажных, загрязненных, неоднородных материалов в ВЧ-поле и, наконец, отсутствие разработок в области автоматизации установок ВЧ-нагрева. Представленная диссертация содержит результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, посвященных раскрытию и математическому описанию внутренних процессов ВЧ-воздействия и технологической последовательности создания автоматизированной системы управления электротермической обработки полимерных материалов. Их итоги изложены в четырех главах:

В первой главе рассмотрены теоретические и технологические аспекты процессов автоматизации установок электротермии, проведен обзор конструктивных особенностей блоков и устройств систем АСУ.

Проведено описание способов организации автоматизированных систем ВЧ- и СВЧ- оборудования. Выполнен обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов автоматизации. Отмечено применение метода автоматизации на основе внедрения микропроцессорной техники. Проанализирована теория процесса управления. Рассмотрены работы, посвященные определению параметров технологического процесса ВЧ-сварки полиамидных материалов при изготовлении геометрически сложных изделий.

Вторая глава посвящена анализу исследования предпочтительного выбора частотного диапазона по показателям глубины и энергоэффективности процесса обработки токами высокой частоты. Осуществлено моделирование процесса электротермической обработки полимерных материалов значительно отличающихся по физико-химическим свойствам, проведены натурные испытания с анализом результатов исследования. Выбор оптимальной частоты ВЧ-диапазона /= 27,12±0,16МГц для электротермической обработки был подтвержден экспериментальными исследованиями. Проведен анализ высокочастотной установки и технологической схемы процесса ВЧ-нагрева как объекта управления. Определены способы и методы управления.

Третья глава посвящена определению методов контроля состояния полимерных материалов в процессе ВЧ-обработки.

Описаны экспериментальные исследования, проведенные методом автоматизированного эксперимента. Построена на основании результатов экспериментальных работ имитационная метаматематическая модель процесса ВЧ-обработки полимерных материалов с учетом возникновения пробойных явлений. Проведен анализ результатов экспериментов и адекватности моделирования. Разработана на основании имитационной модели процесса ВЧ-обработки методика управления процессом электротермии с оптимизацией энергетического воздействия и предохранения обрабатываемых изделий и электродов от пробойных явлений.

В четвертой главе разработана и представлена практическая реализация автоматизированной системы управления ВЧ-процесса обработки полимерных

материалов с алгоритмическим и программным решением. Спроектированы и изготовлены блоки контроля, управления, передачи информации, перепрограммирования микроконтроллера АСУ.

На основе созданной системе автоматизированного управления разработан принцип конструирования технологической оснастки для ВЧ-обработки изделий сложной формы. Даны технологические решения изготовления электродов из листовых материалов. Показана их практическая реализация.

Приведены результаты использования АСУ при обработки различных полимерных и диэлектрических материалов. Описаны режимы и условия обработки, представлены особенности подготовительной технологической операции при проведении ВЧ-обработки.

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Комплекс управляемых параметров процесса высокочастотной обработки полимерных материалов и критерии их оценки.

2. Способ управления процессом ВЧ-обработки изделий по динамике возникновения частичных разрядов.

3. Имитационная математическая модель развития пробоя, возникающего в ходе реализации технологического процесса высокочастотной обработки полимерных материалов.

4. Алгоритм управления процессом ВЧ-обработки изделий из полимерных материалов.

5. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной обработки изделий из полимерных материалов на основе контроля изменения их фазового состояния.

1. Литературный обзор, цель и постановка задач

1.1. Электротермия как прогрессивный энергоэффективный метод обработки полимерных материалов

Появление мощной высокочастотной (ВЧ) и сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники позволяют создать неосуществимые ранее технологические процессы или значительно их улучшить. Преимущества процесса электротермии представлены на рис. 1.1.

Преимущества электротермии

Лч.'"

Ж я %Ш

Избирательность

¿¡У^ЩЦ, ць""'-'"'" ГГГ1

'Ж Ш

.. ж **

ш

V

Равномерность

Экономичность

---- тк- -

% в!

___

Безинерционность

Комфортные условия обслуживающего персонала

Сверхчистота

швештятвттттвшштавш

Безопасность

Рис. 1.1. Преимущества электротермического процесса Электротермическая обработка материалов использует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний, без понимания физических процессов которых, сложно разобраться в воздействиях электромагнитной волны (ЭМ) на материал, причем, достаточно учитывать лишь макроскопические свойства диэлектрической среды, описываемые с позиций классической физики [1].

Электромагнитное поле состоит из неразрывно связанных друг с другом электрического и магнитного полей, векторы напряженности которых, перпендикулярны друг другу и к направлению распространения волны.

Таким образом, любая электромагнитная волна характеризуется тремя векторами [2]:

Р=[Ё-Н\ где (1.1)

1.Е - вектор напряженности электрического поля.

2. Н - вектор напряженности магнитного поля.

3. Р - вектор плотности потока электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнтинга).

В зависимости от частоты была введена аббревиатура ЭМ волн:

- радио (V = 104 -106 Гц), УКВ (V = 107 - 108 Гц),

- СВЧ (V = 10п - 109 Гц) и инфракрасного (V = 1014 - 10 12 Гц),

- видимого спектра излучения (V = 1015-1014 Гц),

- ультрафиолетового излучения^ = 1017- 10 15 Гц),

- рентгеновского излучения (V = 1019 - 10 17 Гц) и

- излучения гамма диапазонов (X > 0,1 мм, V > 1019 Гц).

Электромагнитные волны могут распространяться как в вакууме, так и в веществе. Причём, они переносят не вещество, а энергию. При этом, перенос энергии совершается направленно, в сторону распространения волны.

Электромагнитная волна любой частоты, попав в вещество, затухает по закону Бугера [3, 4]:

1 = 10(1-К)-е~2Ь , (1.2)

где: /0 - интенсивность падающей ЭМ волны; Я - коэффициент отражения; х -толщина слоя поглотителя; к - коэффициент поглощения ЭМ-энергии в среде.

Чем больше коэффициент поглощения среды, тем меньше расстояние х, на протяжении которого амплитуда колебаний уменьшится в е раз, т.е. быстрее протекает затухание колебаний. Поглощенная материалом энергия электромагнитной волны в итоге передается атомам вещества и расходуется на нагревание образца.

Нагрев непроводниковых (диэлектрических и полупроводниковых) материалов обусловлен диэлектрическими потерями за счёт потерь, обусловленных сквозной электропроводностью и релаксационными (медленными) видами поляризации. Диэлектрические потери за счёт электропроводности возникают в результате выделения тепла Джоуля при прохождении через диэлектрик сквозного тока.

Причиной возникновения релаксационных диэлектрических потерь являются медленные виды поляризации. К ним относятся дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации. В присутствии электрического поля полярные молекулы ориентируются, а ионы смещаются в направлении сил поля. При этом энергия электрического поля превращается в кинетическую энергию частицы. В результате увеличивается амплитуда и частота колебаний поляризующихся частиц, избыточная кинетическая энергия передаётся окружающим атомам среды, что эквивалентно нагреву материала. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то при каждом изменении поля внутри материала будет генерироваться некоторое количество тепла. Чем чаще изменяется направление поля, т. е. чем выше его частота, тем больше тепла выделится в диэлектрике за единицу времени.

Мощность, выделяющаяся в единице объема диэлектрика, может быть определена по формуле [5]:

Руд=5,53Л0~п-Е2-/-8^§5, (1.3)

где: Руд. - удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см ; Е - напряженность электрического поля; В/м; / - частота поля, Гц; е - относительная диэлектрическая проницаемость; tgд - тангенс угла диэлектрических потерь.

Бытующее, многократно тиражирующееся мнение о перспективности СВЧ, как единственно возможном способе электротермической обработки полимерных материалов, не выдерживает никакой критики. Действительно, для многих сред наблюдается тенденция роста удельной мощности Руд с увеличением частоты, вплоть до субмиллиметрового диапазона. Однако, отсюда не следу-

ет, что этого обстоятельства достаточно, чтобы выбрать частоту термообработки. С увеличением частоты излучения / уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в нагреваемую среду, т.к. диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь tgд и Руд являются функциями от частоты /излучения. Отсюда зависимость Руд от / носит нелинейный характер. Это объяснение можно дополнить понятием скин-эффекта (поверхностный эффект). Переменный ток высокой частоты при протекании в проводнике распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. С точки зрения электродинамики, деление на диэлектрики и проводники относительно, так как принадлежность среды к одному из этих классов зависит от частоты ЭМ и электрофизических параметров среды.

Подтверждение этой же закономерности нашлось в работе [6], где отмечено, что для материала круглого поперечного сечения (капроновые канаты, заготовки круглого сечения и пр.), когда диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны более 0,Ц, особенно если диэлектрическая проницаемость материала велика и равна нескольким десяткам, электрическое СВЧ-поле, а следовательно и нагрев по сечению, могут быть крайне неравномерны.

Применение энергии ВЧ электромагнитных колебаний частотой 27,12 МГц для сушки полимеров интенсифицирует процесс сушки этих веществ по сравнению с традиционными способами энергоподвода (например, конвекционным, тепловым излучением), т.к. ВЧ электромагнитная волна проникает вглубь диэлектрика. В результате, тепловыделение происходит в объёме, значительно большем, чем при традиционных способах энергоподвода.

Для технологических целей важно знать область основного поглощения ВЧ-энергии материалом. Эта величина соответствует такой толщине диэлектрика, при которой мощность электромагнитного поля уменьшается в е раз по сравнению с её значением на поверхности.

В большинстве случаев, скорость (групповая и фазовая) распространения электромагнитного излучения в веществе отличается от таковых в вакууме (с = 299 792 458 ±1,2 м/с) очень незначительно, на доли процента [7], поэтому со-

гласно [8] глубина проникновения электромагнитной волны в нагреваемую среду рассчитывается:

2

2ж^sф + tg1д~\)

где: X - длина волны ВЧ-генератора; ги ^8- диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь вещества. При tg8« 1

Б 2 п • ^8 ^ ^

Глубину проникновения можно определить и как расширение, на котором в е раз уменьшается мощность ВЧ электромагнитных колебаний, причем

8Р - 0,5^, (1.6)

Величины 8Р и 8Е характеризуют глубину термообработки лишь в первом приближении, т.к. электромагнитное поле имеется и на большем расстоянии от поверхности вещества, т.к.

Е = Е0-е-а': ,

Р = Р0-е~2а* (1.7)

где: Е0 и Р0 - напряженность и мощность на поверхности вещества; а - коэффициент затухания электромагнитной волны; г - глубина проникновения.

Энергия электромагнитного поля при г > 8Р может быть достаточной д