автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация управления технологическими процессами восстановления эксплуатационных свойств полимеров

На правах рукописи

ПОПОВ СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ЯНВ 2314

Иркутск —2013

005544964

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

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Лившиц Александр Валерьевич

Официальные оппоненты: Кольцов Владимир Петрович - доктор

технических наук, профессор кафедры «Оборудование и автоматизации машиностроения» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Мухопад Александр Юрьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева»

Защита состоится 26 декабря 2013 г., в 13 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; www: http://www.irgups.ru

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

Автореферат разослан 25 ноября 2013г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Данеев Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность ■ диссертации. Современное машиностроение характеризуют высокий уровень конкуренции, повышенные требования к качеству изделий, сокращение цикла'производства, снижение материалоемкости и массы самого изделия. Поэтому в последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все; большее применение стали находить полимеры. Коррозионная стойкость;^ высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность позволяют использовать их взамен цветных металлов, нержавеющих сталей:и других конструкционных материалов. Объемы производства крупнотоннажных-,полимеров в России продолжают расти как за счет увеличения загрузки мощностей,ггак и за счет ввода новых производств. Еще в первой половине прошлого";Века и за истекший период полиамиды (ПА) являются предметом многочисленных исследований. Несмотря на то, что в последние десятилетия отмечен рост числа новых работ, направленных на углубление представлении о тонкой структуре полимеров, их релаксационных свойствах, химии и технологии полиамидных смесей и сплавов, проблем, связанных с производством полимеров, их хранением и эксплуатацией остается много. Наряду с положительными характеристиками полимеры обладают рядом недостатков. Даже при достаточно непродолжительном времени использования композитных пластмасс в ответственных деталях и узлах машин выявились вопросы преждевременного выхода' изделий из строя. Такие проблемы, например, выявились при эксплуатации полиамидных сепараторов подшипников буксовых узлов железнодорожного подвижного состава. Гарантийный срок эксплуатации полиамидных сепараторов большинства подшипников качения составляет 15 лет, что не согласуется с данными ГОСТ на этот же полимер, где декларируется снижение прочностных характеристик полиамида до 50% по истечению только одного года; (даже при его хранении).

В связи с Этим' весьма актуальными становятся исследования кинетики разрушений^ полиамидных материалов и создание энергоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами, обеспечивающими, на основе возможностей восстановления эксплуатационных свойств, продление срока службы деталей машиностроения.

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

Целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы научных исследований процессов высокочастотного (ВЧ) нагрева и автоматизированной системы управления ВЧ-обработкой полимеров для реализации процесса восстановления их эксплуатационных свойств.

Для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. На основе анализа совокупности факторов, влияющих на эксплуатаци-

онные свойства полимерных изделий, исследовать изменение эксплуатационных свойств полимерных деталей в приближенных к реальным условиям эксплуатации.

2. Создать автоматизированную систему научных исследований процессов высокочастотной обработки, позволяющую в режиме реального времени контролировать параметры оборудования и состояния обрабатываемого материала в процессе нагрева и исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы.

3. Исследовать технологическую возможность восстановления эксплуатационных свойств полимеров.

4. Разработать алгоритм автоматизированного управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов для обеспечения необходимого качества обработки и реализовать его применительно к промышленному оборудованию.

Объектом исследования являются процессы высокочастотной обработки полимерных материалов и алгоритмы управления ими.

Предметом исследования являются взаимозависимости электрофизических параметров электротермического оборудования и обрабатываемого материала, позволяющие организовать автоматическое управление процессом обработки.

Методы исследований. Исследования проводились на основе математического моделирования с использованием математической статистики, электродинамики, физикохимии полимерных материалов, электротехники, численных методов решения дифференциальных уравнений, термодинамики и основ проектирования автоматизированных систем. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием методов исследования прочностных характеристик материалов, хроноамперометрического и метода имитационного моделирования условий эксплуатации и хранения полимерных материалов.

Научной новизной обладают и на защиту выносятся:

1. Математическая модель процессов высокочастотного нагрева для случая пятислойной пластины, включающей электроды, термоизоляторы и обрабатываемый материал, позволяющая исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы и решать практические задачи определения режимов высокочастотной обработки.

2. Способ повышения качества сушки геометрически сложных полиамидных деталей и сварки разнотолщинных материалов за счет смещения зоны максимального нагрева материала при изменении параметров изоляторов.

3. Способ защиты ВЧ-обрабатываемого материала от электрического пробоя на основе анализа динамики анодного тока.

4. Способ повышения качества ВЧ-обработки тонкостенных изделий и устройство измерения температуры поверхности нагреваемого полимера для его реализации.

5. Алгоритм автоматизированного управления ВЧ-обработкой изделий из полимерных материалов, учитывающий развитие предпробойного состояния и прекращение процесса сушки полимера при стабилизации анодного тока.

Достоверность полученных научных результатов обоснована согласованностью результатов экспериментальных и теоретических исследований, использованием аппарата классической теории автоматического управления, электродинамики, основ физической химии; использованием апробированных методов численного анализа, математической статистики и методов аппроксимирования.

Теоретическое значение работы. Впервые выявлена возможность контроля развития предпробойного состояния по частичным разрядам с использованием анализа динамики анодного тока. Впервые выявлены критические комбинации влажности и температуры среды эксплуатации, приводящие к снижению эксплуатационных свойств деталей из полимерных материалов, и доказана возможность их восстановления с использованием автоматизированной системы ВЧ-нагрева. Разработан способ повышения качества сушки геометрически сложных полиамидных деталей и сварки разнотолщинных материалов за счет смещения зоны максимального нагрева.

Практическое значение работы.

Создана автоматизированная система научных исследований высокочастотной обработки, позволяющая выявлять взаимосвязи электрофизических параметров оборудования и обрабатываемых материалов с целью организации процессов управления электротермической обработкой.

На основе сформированной в рамках диссертационной работы математической модели ВЧ-нагрева полимера разработан программный комплекс, позволяющий решать задачи практического характера, связанные с определением оптимальных режимов обработки. Авторство программного комплекса подтверждено свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №2013617957, № 2013619699.

На основе предложенных методик контроля фазового состояния материала, анализа предпробойного состояния по динамике анодного тока, определения температуры поверхности материала (патент на полезную модель №132549) создана автоматизированная система управления ВЧ-обработкой, позволяющая реализовать технологический процесс восстановления эксплуатационных свойств полимерных деталей.

Реализация результатов работы. Основные результаты работ были апробированы и применены на предприятии полиграфической отрасли (экономический эффект от внедрения составил более 900 тыс. рублей в год) и при восстановлении эксплуатационных свойств ремонтных сепараторов буксовых узлов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись в научных докладах и обсуждались на: на Третьей международной научно-практической конференции «Безопасность регионов — основа устойчивого развития» (г. Иркутск, 12—15 сентября 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2012» (г. Одесса, 2-12 октября 2012 г.); Третьей Всероссийской научно технической

конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 11 апреля 2013 г.); Третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (г. Иркутск, 13-17 мая 2013 г.)

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 публикации в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ; получен 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа объемом 150 страниц машинописного текста содержит 68 рисунков, 9 таблиц и список литературы, включающий 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, дается краткая характеристика направления исследования, определяется научное и практическое значение решаемой проблемы, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы эксплуатационные свойства деталей из полимеров и перспективность использования подобных материалов. Рассмотрены всевозможные факторы, влияющие на механические свойства полимеров в процессе их изготовления, хранения и эксплуатации, возможные способы контроля качества полимерных изделий. Большое внимание уделено исследованию возможности использования современных технологий для восстановления прочностных свойств полимерных материалов.

Исследованиями в области изучения полиамидов и их обработкой занимались Бурлов В. В., Войлов Ю. В., Ефремова А. И., Иванова JI. JI., Крыжанов-ский В. К., Новиков Г. Ф., Павлов Н. Н., Паниматченко А. Д., Песецкий С. С., и другие авторы. Литературный обзор показал, что основным методом восстановления полиамидов является метод сушки с использованием различных технологий.

Наиболее перспективным, с точки зрения энергоэффективности процесса, выступает метод высокочастотной (ВЧ) сушки полимерных материалов.

Исследованиями систем управления процессами ВЧ-обработки занимались Архангельский Ю.С., Донской С. Н., Калганова С.Г., Каргапольцев С.К., Коновалов Н.П., Марков A.B., Румынский A.B., Федорова И.Г., Филиппенко Н.Г., Юленец Ю.П., и другие авторы. Литературный обзор выявил недостатки существующих систем управления.

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

Во второй главе проведен анализ распределения температуры и влажности по годовым сезонам и широтам районов возможной эксплуатации полимерных деталей на примере сепаратора подшипника буксового узла.

Результаты анализа позволили выявить две характерные картины распре-

деления атмосферно-климатических параметров. Первая соответствует относительно высокой влажности в течение всего года за исключением весеннего периода, вторая - низкой влажности большего периода года с весны до поздней осени и высокой в зимний период. Примером первой картины являются города Иркутск и Красноярск (рисунок 1), второго распределения влажности - города Братск и Кемерово (рисунок 2). Для всех городов Сибири характерен высокий температурный градиент (рисунок 3).

88

л 83

о

78

*

РЗ е: И

си 68

63

58

53

урт

N

< ?

ч\ /

* к /

{

• Влажность г. Иркутск

8 9 10 11 12

Месяц года • Влажность г Красноярск

Рисунок I - Средняя относительная влажность в гг. Иркутск, Красноярск за 2010-2012гг.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Влажность г- Кемеоово

8 9 10 11 12 Месяц года -•— Влажность г- Боатск

Рисунок 2 — Средняя относительная влажность воздуха в гг. Кемерово, Братск за 2010-2012г.г.

и 30

сз" & 20 Н св

& 10 а

ж „

¡2 о -10 -20 -30

1

10 11

12

Месяц года

♦ Температура г. Иркутск —Ш— Температура г. Красноярск

А Температура г. Кемерово * Температура г. Братск

Рисунок 3 - Средняя температура в гг. Иркутск, Красноярск, Кемерово, Братск за 2010-2012гг.

Проведенный в ходе диссертационного исследования сравнительный анализ данных ЛВЧД-7 г. Иркутска отбраковки полиамидных сепараторов за 2010-2012 гг., позволил выявить закономерности количества отбраковок в зависимости от метеорологических и погодных условий (рисунок 4).

210

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяц года

Рисунок 4 - Среднестатистическое количество отбракованных сепараторов

за период 2010-2012гг.

Ярко выраженное межсезонное увеличение количества отбраковок, повторяющееся из года в год можно удовлетворительно объяснить только влиянием метеорологических условий. Более того, прямая зависимость между тре-щинообразованием, влажностью и температурой отдельно не просматривается. В связи с вышеизложенным, в рамках данной работы была выдвинута гипотеза о взаимовлияние температуры и влажности среды эксплуатации на трещинооб-разование полимерных изделий.

В рамках диссертации впервые были смоделированы все возможные комбинации среды эксплуатации полимерных изделий с изменяющимися показателями температуры и влажности. На основе экспериментального исследования

поведения полиамида, как характерного представителя термопластов, при вышеуказанных комбинациях среды эксплуатации были выявлены критические метеоусловия эксплуатации и хранения полимерных деталей с увеличенной динамикой трещинообразования и на примере эксплуатации сепаратора определены периоды, когда целесообразно реализовывать процессы восстановления конструкционных свойства полимеров ВЧ-сушкой.

На основе анализа существующих автоматизированных систем управления ВЧ-оборудованием для решения исследовательских задач в области ВЧ-нагрева была создана автоматизированная система научных исследований ВЧ-обработки (АСНИ ВЧ) (рисунок 5), позволяющая регистрировать параметры оборудования (максимально по 18 аналоговым и 56 цифровым каналам), передавать их для обработки на ЭВМ (рисунок 6а) и обрабатывать с помощью широких возможностей системы РошеЮгарЬ (рисунок 66).

1 14,

• Рисунок 5 - Структурная схема модернизированного блока автоматизации где 1 - блок автоматизации; 2 - экранирующий корпус; 3 - коаксиальный кабель; 4 - источник постоянного напряжения; 5 - высокочастотный генератор; б - система управления сигнализацией, кнопка «нагрев»; 7 - цепь управления генератором; 8 - исполнительный механизм; 9 — линейный токовый датчик; 10 - вычислительное устройство; 11— датчики тока по силовым цепям; 12 - вычислительное устройство; 13 - помехозащищенный корпус, 14 -блок питания; 15 — переменный конденсатор; 16 — промышленный логический контроллер; 17 - рабочий конденсатор.

У..........4...........,;..........,........_АГ.......X. ...........„Л,..............- кг.....кг тгт.-*-.......'■.» ^

.....................................а............."..... " ..............................б

Рисунок б - Диаграммы параметров оборудования ВЧ-обработки. а- необработанные данные, полученные по 6-ти информационным каналам, б-анодный ток после обработки фильтром нижних частот в программе

РомегСгарИ.

Проведенные с использованием АСНИ ВЧ исследования позволили выявить новые возможности построения защитных контуров системы управления электротермией и программно реализовать фильтр нижних частот по схеме «скользящего среднего» для возможности использования в автоматизированной системе управления.

Используя АСНИ ВЧ была проведена серия экспериментов, позволяющая доказать эффективность ВЧ-сушки при восстановлении эксплуатационных свойств полимеров при их эксплуатации и хранении в критических метеорологических условиях.

Третья глава посвящена математической модели процессов высокочастотного нагрева для случая пятислойной пластины, включающей электроды, термоизоляторы и обрабатываемый материал.

Распределение температуры в многослойной пластине описывается системой уравнений нестационарной теплопроводности, причем для термопласта -с учетом внутренних источников тепла. Система уравнений для случая пятислойной пластины, включающей электроды, термоизоляторы и обрабатываемый материал, представлена ниже:

аг, _ а2г,.

ах дх2 ■

дТ, X 2 д2Т,

дт сР7{тг)Рг дх2

х3 д% , РМ

СР1 (г3)р3 ах2

аг4 х4 о2ТЛ.

сН СрдО^К дх2 '

аг5 >-5 б2Т5

Начальные условия:

71 =Г... О <х<х.

(2)

Здесь Т - температура материала в процессе обработки, Тн - начальная температура; л- - текущая толщина слоя; 1р ср1, р; - соответственно коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материала слоя; рг-удельная мощность нагревы термопласта;_/ - номер слоя: 1 - металл, 2,4 - изоляторы, 3 — обрабатываемый полимер, 5 - металл.

Начальную температуру каждого слоя необходимо принимать равной температуре нормальных условий при обработке единичной или первой заготовки из партии и равной локальной температуре соответствующего слоя предыдущей обработки при нагреве последующих.

Граничные условия на внешних границах электродов соответствуют условиям третьего рода

' дх

, дТ5 дх

■■а5ЛТ5, (3)

х=х5

где ах,аг- коэффициенты теплообмена, А7^,АГ2 - разницы температур поверхности тела и окружающей среды. Принимая во внимание относительно низкие температуры плавления исследуемых термопластов и высокую динамику разогрева теплообмен с окружающей средой при обработке первых и единичных заготовок можно считать пренебрежимо малым:

^Ч = -=0 (4)

дх дх

На границах слоев тепловые потоки и температура равны (граничные условия четвертого рода):

Т,= Т,Ч при л = х, (/ = 1...4). (5)

= при* (1=1-4). (6)

дх дх

Удельная мощность р, отлична от нуля только для термопласта:

Р\=Р2=Рл = Р5=0- (7)

Ръ=Ро\- (8)

Математическая модель процесса высокочастотного нагрева термопласта реализована в виде программного комплекса А1ео_НРН (рисунок 7). Результаты расчета выводятся в графическом (рисунок 8а) или текстовом виде (рисунок 86).

Расчет нагрева элементов технологической системы при ВЧ обработке

п|1| П[2| П(3] г>14| п!6]

Г„ря рг~р р^р тгг;. ^

"Л.!:;-:..:.;

Коэффициенты теплопроводности

Плотность материала

411

»(2| 1° 42] 1" 1° «Р\ ¡500

1° 1° 1°

]о 1° 1° (7.77

¡0 •(51 {0 451 1" (о |1Э0С

{0 1° 1° ¡500

I I12' Г61 И (32Г~[Ж1 ¡да Выажопотенаэлектрод 1

~|.3 ¡17 ¡21 ¡25 |5 ¡33 ¡37 р! Верхний изолятор 2 ""1121 ¡161 ¡201 ¡241 {2? ¡321 |Э61 ¡401 Полимер 3

|1? |5Г |25 ' П" )<1 Н^ний изолятор 4

Низкооотенц электрод 5

Г—г

Вывод ре вуяьюгов | Импг] Иэоял! Эд5| .. Тобпищ

рЛ Р ¡201 ¡241 ¡281 ¡321 ¡361

3»1| Имяг| Пав^гсз] Имя*| Зя51 Грвфнш

Рисунок 7 - Интерфейс программного комплекса А!ео_НРН

V

а б

Рисунок 8 - Формы вывода результатов расчета

Исследования, проведенные с использованием математической модели (рисунки 9-11), позволили выявить влияние электрофизических параметров элементов системы на процесс нагрева материала и впервые сформировать методику повышения качества ВЧ-воздействия смещением зон максимального нагрева полимеров несимметричными изоляторами (рисунок 11). Определен перечень задач, для решения которых целесообразно использование вышеуказанного программного комплекса, и разработаны соответствующие технологические инструкции:

- определение глубины зоны влияния изолятора;

- определение эффективной толщины изолятора;

- определение толщин несимметричных изоляторов с целью смещения точки максимального нагрева при организации процесса сварки;

- определение времени достижения в обрабатываемом материале температуры сушки термопласта.

Четвертая глава посвящена разработке на основе АСНИ ВЧ автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов промышленного применения. В рамках диссертационного исследования при использовании АСНИ ВЧ впервые была выявлена возможность контроля динамики развития предпробойного состояния по анализу кратковременных амплитудных скачков анодного тока, сопровождающих частичные разряды (рисунок 12, 13). Используя данную возможность, в АСУ ВЧ-нагрева был введен контур защиты от электрического пробоя.

Дополнительно решена проблема электропрогара при обработке материалов малой толщины, выявленная в процессе промышленной эксплуатации установки, введением в систему управления дополнительного защитного контура по температуре поверхности.

Для контроля поверхностной температуры используется запатентованное устройство в виде двух центрально симметричных термопар, схема расположения которых представлена на рисунке 14.

Разработанная в рамках диссертационного исследования структурная схема автоматизированного ВЧ-оборудования с защитными контурами представлена на рисунке 15. В основу функционирования представленной системы управления положен алгоритм, позволяющий осуществлять сушку полимерных изделий в наиболее энергоэффективном режиме с автоматическим определением времени окончания процесса, разработанный в рамках данной диссертации.

¿у ж/ 1*4----- "1:1" . .1... 1 {

■/' у

П.....\ ^"фг^г 1" | 1

/ ^ ьНи-о.

\ h_.-h.t-l мм | ' : !

/ - Ь2=Ь4=2.мм

/ . ; ...Л... !

/

/ ! : |

о 1 4 6 8 1« 1-

113. ММ

Рисунок 9 - Зависимость максимальной температуры детапи от ее толщины при различной толщине изоляторов (ПА 66, рз-2 10 Вт/м , Т=30сек)

Рисунок 12 - Диаграмма изменения анодного тока в случае развития предпробойного состояния с последующим пробоем

г I ^ ь

11к. мм

Рисунок 10 - Распределение температуры по сечению полиамидной детали при ее нагреве до температуры плавления при различных толщинах изоляторов (ПА 66, И3=10мм, рЗ=2.107Вт/мЗ)

\.. мм

Рисунок 11- Влияние несимметричных изоляторов на координату точки максимального нагрева ХЗ полиамида (ПА 66, И3=4мм, рЗ=2.107Вт/мЗ)

150

эоо

а** вела а » ^ ювг^ав

• "Ч 'I . 11X2 _ * ...................

да -

Етбиугоч « у*

(Г ]1Ч Й П

Рисунок 13 - Диаграмма изменения анодного тока с частичными разрядами, соответствующими этапу акклиматизации

Рисунок 14 - Устройство измерения температуры поверхности нагреваемого

полимера

где: 1- первый термоэлектрод первой термопары; 2-второй термоэлектрод первой термопары; 3- первый термоэлектрод второй термопары; 4- второй термоэлектрод второй термопары, изготовленный; 5- изолятор первой термопары. 6- изолятор второй термопары; 7- измерительный спай первой термопары; 8- измерительный спай второй термопары; 9, 10- контактные провода первой термопары; 11, 12- контактные провода второй термопары; 13, 14-каналы

для изоляции проводников.

ОПЕРАТОР

Ввод исходных данных

Загрузка и разг рузка ВЧ пресса

Подача давления на пресс_

Пуск АСУ

Пресс

Пресс рер^

ОБЪЕКТ

ВЧ-пресс

Запуск [}ае

Датчик тока /а(т)

Вч генератор

Переменный

регулируемый

копденентор

МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ кон

Иёт

Расчет такк

Расчет /а(т)

Расчет т,,р к„,

Расчет перехода через экстсремум

---¥——

Компаратор /а{>пп 1

ГРОЛЛЕР

компаратортакк

<"ет Компаратор/а(т)

Ж

пуск расчета

.омчаратор тЧр

Компаратор к„

Расчет 1,5%/„(ма\)

Компаратор /а(мт2)

Кочиаратор/а(ма\)

Переключатель управляющего тока (режимов нагрева)

Вкл. переключателя Р--Р пл.лу

Откл. переключатели

Откл. нагрева (Установка /*=0)

,Вкл. ступенчатого регулирования ( Р"Ртях-10%)

И ет

Да

.Да

а

г>

Л -

РВ

Г >

тпресса

Рисунок 15 - Структурная схема автоматизированного ВЧ-оборудования

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенных исследований изложены научно обоснованные технические и технологические решения по автоматизации управления процессом ВЧ-обработки изделий из полимерных материалов с целью восстановления их эксплуатационных свойств, что имеет существенное значение для отраслей промышленности, связанных с производством и эксплуатацией деталей из полимеров.

2. Впервые выявлены критические комбинации влажности и температуры среды эксплуатации, приводящие к снижению твердости и ударной вязкости эксплуатируемых деталей из полимерных материалов и экспериментально доказана возможность восстановления их эксплуатационных свойств.

3. Создана автоматизированная система научных исследований высокочастотной обработки, позволяющая выявлять взаимосвязи электрофизических параметров оборудования и обрабатываемых материалов с целью организации процессов управления электротермической обработкой.

4. Впервые для случая пятислойной пластины разработана математическая модель процессов высокочастотного нагрева, позволяющая исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы и решать практические задачи определения режимов высокочастотной обработки.

5. Разработаны способы:

- повышения качества сушки геометрически сложных полиамидных деталей и сварки разнотолщинных материалов за счет смещения зоны максимального нагрева материала при изменении параметров изоляторов;

- контроля развития предпробойного состояния по частичным разрядам с использованием анализа динамики анодного тока;

- повышения качества ВЧ-обработки тонкостенных изделий на основе прямого измерения температуры поверхности объекта.

6. Разработан и реализован в автоматизированной системе управления ВЧ-обработкой изделий из полимерных материалов алгоритм, учитывающий развитие предпробойного состояния и прекращение процесса сушки полимера при стабилизации анодного тока и реализован для аппаратной платформы Ар-дуино с целью улучшения быстродействия и качества управления.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Попов, С. И. Определение физико-механических параметров полимерных материалов при высокочастотном диэлектрическом нагреве в электротермических установках / С. И. Попов, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко, А. Г. Ларченко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - Вып. 2 (38). -С.152-157.

2. Попов, С. И. Исследование влияния диэлектрических элементов рабочего конденсатора высокочастотной электротермической установки полимерных материалов / С. И. Попов, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко, А. Г. Ларченко // Совре-

менные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - Вып. 3 (39). — С. 270-275.

патенты и свидетельства о государственной регистрации программ для

ЭВМ:

3. Попов С. И., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г. Устройство измерения температуры поверхности объекта. Патент на полезную модель № 132549 Патентообладатель: ФГБОУ ВПО ИрГУПС. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 20.09.2013.

4. Попов С. И., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г., Ларченко А. Г. Расчет нагрева элементов технологической системы при высокочастотной термической обработке. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013617957. Правообладатель: ФГБОУ ВПО ИрГУПС. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 28.08.2013.

5. Попов С. И., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г., Каргапольцев С. К., Ларченко А. Г. Программный модуль формирования технологической документации на основе графической информации. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013619699. Правообладатель: ФГБОУ ВПО ИрГУПС. Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 14.10.2013.

в других изданиях:

6. Попов, С. И. Аспекты безопасной эксплуатации подвижного состава. Безопасность регионов - основа устойчивого развития / С. И. Попов, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко // Материалы третьей международной научно-практической конференции 12-15 сентября 2012 г. - Иркутск: ИрГУПС. -2012. -С. 149-153.

7. Попов, С. И. Восстановление подшипников буксовых узлов подвижного состава / С. И. Попов, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко // Сборник научных трудов 8\Уог1с1. Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012», 2-12 октября 2012г. Том 2. Транспорт, Физика и математика. - Одесса. - 2012. - С.39-43.

8. Попов, С. И. Восстановление полиамидных сепараторов подшипников буксового узла подвижного состава ОАО «РЖД». / С. И. Попов, И. С. Думчев, А. Г. Ларченко, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый». - №12(47). - 2012. - С.48-51.

9. Попов, С. И. Разработка автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов с защитой от пробойных явлений / С. И. Попов, А. Г. Ларченко, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко // Научное издание. Информационные системы контроля и управления в промышленности на транспорте. - Иркутск: ИрГУПС. -2013. - С.163-172.

10. Попов С. И. Экспериментальные исследования возможности восстановления изделий из полимерных материалов / С. И. Попов, А. В. Лившиц, Н. Г. Филиппенко // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 13-17 мая 2013 г.-Иркутск: ИрГУПС.-2013.-С.430-437.

Подписано в печать 22 ноября 2013 Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 120 экз. Заказ №397

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б.Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706422118 Справки по информации: БФ «Сосиовгеология» «Глазковская типография».-Адрес: 664039, г Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел. 38-78-40, тел./факс: 598-498

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Иркутский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ИрГУПС)

На правах рукописи

04201453617

ПОПОВ СЕРГЕИ ИВАНОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ

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

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент А. В. Лившиц

Иркутск - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................4

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ..............................................................................8

1.1 Эксплуатационные свойства деталей из термопластов. Уровень производства и перспективность полиамидов.........................................................................................8

1.2 Факторы, влияющие на механические свойства полимеров.................................9

1.2.1 Влияние влаги - сорбция и десорбция влагопоглощения..............................9

1.2.2 Механизм процессов протекающих при воздействии тепла, кислорода и света............................................................................................................................11

1.2.3 Ударные нагрузки, динамическая усталость.................................................15

1.3 Сепаратор подшипника буксового узла как пример использования детали из полимерных материалов...............................................................................................18

1.4 Контроль качества полимерных изделий..............................................................27

1.5 Возможности использования современных технологий для решения задач обеспечения долговечности деталей машин..............................................................29

1.5.1 Методы восстановления полимерных материалов.......................................30

1.5.2 Сравнение способов сушки материалов........................................................31

1.6. Анализ оборудования электротермической обработки полимерных материалов и состояния вопроса его автоматизации................................................39

1.7 Выводы по главе......................................................................................................45

1.8 Постановка цели и задач исследования ...............................................................46

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИАМИДОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАГРЕВА ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ............................................................................................47

2.1 Анализ возможных дефектов полиамидных деталей на примере сепараторов буксовых подшипниковых узлов и причины их возникновения.............................47

2.2 Исследование влияния сезонных условий эксплуатации изделий из полиамидов на их эксплуатационные свойства.........................................................52

2.3 Система управления экспериментальной установкой ВЧ нагрева....................60

2.4 Восстановление изделий из полиамида с использованием экспериментальной установки ВЧ-нагрева...................................................................................................73

2.5 Выводы по главе......................................................................................................77

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ТЕРМОПЛАСТОВ В СЛУЧАЕ ПЯТИСЛОЙНОЙ ПЛАСТИНЫ..................................................................79

3.1 Математическая модель ВЧ-нагрева полимера с внутренним источником тепла................................................................................................................................79

3.2 Программный комплекс А1ео_НРН.......................................................................85

3.3 Исследовательские возможности программного комплекса..............................90

3.4 Практическое использование программного комплекса А1ео_НРН................100

3.5 Выводы по главе....................................................................................................106

4 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................................................. 107

4.1 Способ высокочастотной обработки деталей из полиамида и устройство для его осуществления.......................................................................................................107

4.1.1 Аппаратная платформа автоматизированной системы управления.............107

4.1.2 Контроль частичных разрядов на основе анализа динамики изменения анодного тока...............................................................................................................108

4.1.3 ВЧ-обработка полимерных деталей малой толщины.....................................110

4.1.4 Алгоритм функционирования автоматизированной системы управления процессом ВЧ-сушки изделий из полимеров..........................................................116

4.2 Приспособление для высокочастотной обработки деталей из пластмасс сложной геометрии на примере сепаратора подшипника буксового узла.........123

4.3 Выводы по главе....................................................................................................128

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...............................................................................130

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................132

Приложение А.....................................................................................143

Приложение Б..................................................................................... 146

Приложение В.....................................................................................147

Приложение Г..................................................................................... 148

Приложение Д.....................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение характеризуют высокий уровень конкуренции, повышенные требования к качеству изделий, сокращение цикла производства, снижение материалоемкости и массы самого изделия. Поэтому в последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение стали находить полимеры [66, 81]. Коррозионная стойкость, высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность позволяют использовать их взамен цветных металлов, нержавеющих сталей и других конструкционных материалов. Объемы производства крупнотоннажных полимеров в России продолжают расти как за счет увеличения загрузки мощностей, так и за счет ввода новых производств [71]. Еще в первой половине прошлого века и за истекший период полиамиды (ПА) и ПА-6 являются предметом многочисленных исследований. Несмотря на то, что в последние десятилетия отмечен рост числа новых работ, направленных на углубление представлений о тонкой структуре полимеров, их релаксационных свойствах, химии и технологии полиамидных смесей и сплавов, проблем, связанных с производством полимеров, их хранением и эксплуатацией остается много. Наряду с положительными характеристиками полимеры обладают рядом недостатков. Даже при достаточно непродолжительном времени использования композитных пластмасс для изготовления ответственных деталей и узлов машин выявились вопросы, связанные с причинами преждевременного выхода изделий из строя. Такие проблемы, например, выявились при эксплуатации полиамидных сепараторов подшипников буксовых узлов железнодорожного подвижного состава. Гарантийный срок эксплуатации полиамидных сепараторов большинства подшипников качения составляют 15 лет [95], что не согласуется с данными ГОСТ на этот же полимер, где декларируется снижение прочностных характеристик полиамида до 50% по истечению только одного года (даже при его хранении) [50,74].

В связи с этим весьма актуальными становятся исследования кинетики разрушений полиамидных материалов и создании энергоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами,

I

1

обеспечивающими, на основе возможностей восстановления эксплуатационных свойств, продления срока службы деталей машиностроения.

Представленная диссертация содержит результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, посвященных раскрытию и математическому описанию внутренних процессов ВЧ-воздействия на термопластические полимеры с целью восстановления их эксплуатационных характеристик, созданию автоматизированной системы научных исследований процессов ВЧ-обработки и автоматизированной системы промышленным ВЧ-оборудованием. Итоги работ изложены в четырех главах:

В первой главе проанализированы основные понятия эксплуатационных свойств деталей из полимеров и перспективность их использования. Рассмотрены всевозможные факторы, влияющие на механические свойства полимеров в процессе их изготовления, хранения и эксплуатации, возможные способы контроля качества полимерных изделий. Большое внимание уделено исследованию возможности использования современных технологий для решения задач обеспечения долговечности деталей машин и методов восстановления полимерных материалов. В качестве примера полимерной детали, эксплуатируемой в сложных условиях (циклическое знакопеременное нагружение, нестационарный режим работы, работа в условиях трения) рассмотрен полиамидный сепаратор подшипника буксового узла железнодорожного подвижного состава. По результатам литературного обзора сформулированы цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке методики восстановления свойств деталей из полиамида при использовании технологии нагрева токами высокой частоты и созданию автоматизированной системы научных исследований процесса ВЧ-нагрева термопластичных материалов. В главе приведен анализ возможных дефектов полимерных деталей на примере сепараторов и выявлены причины их возникновения, исследование влияние сезонных условий эксплуатации полимеров на их эксплуатационные свойства. Представлены результаты экспериментальных исследований сезонной эксплуатации полимерных деталей, на основе, созданной в рамках данной работы автоматизированной системы научных исследований.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов высокочастотного нагрева термопластов для случая пятислойной пластины, включающей электроды, термоизоляторы и обрабатываемый материал. Представлена система дифференциальных уравнений описывающих процесс нагрева с внутренним источником тепла. Описано созданное в рамках данной работы программное обеспечение (ПО), и даны методические рекомендации по его использованию для решения научных и практических задач. На основе использования ПО разработана методика смещения температуры максимального разогрева полимера на основе изменения параметров изоляторов.

В четвертой главе представлена разработанная в рамках данной диссертации система автоматизированного управления технологическим процессом ВЧ-обработки деталей из полимерных материалов применительно к условиям промышленной эксплуатации. Впервые предложена методика защиты полимера от электрического пробоя на основе анализа динамических показателей работы генератора — анодного тока. Представлена структурная схема автоматизированного электротермического оборудования и алгоритм его функционирования. Дополнительно определена проблема обеспечения качества обработки тонкостенных материалов, связанная с быстрым разогревом всего объема материала до его деструктивного изменения (выше температуры плавления) и создано дополнительный защитный модуль системы управления, основанный на прямом контроле температуры.

Показаны результаты практического использования разработанного автоматизированного оборудования, приведен сформированный в рамках данной работы алгоритм сезонного восстановления эксплуатируемых, хранящихся, новых полимерных изделий.

Основываясь на выполненных исследованиях, автором выносится на защиту:

Математическая модель процессов высокочастотного нагрева для случая пятислойной пластины, включающей электроды, термоизоляторы и обрабатываемый материал, позволяющая исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы и решать практические задачи определения режимов высокочастотной обработки.

Способ повышения качества сушки геометрически сложных полиамидных деталей и сварки разнотолщинных материалов за счет смещения зоны максимального нагрева материала при изменении параметров изоляторов.

Способ защиты ВЧ-обрабатываемого материала от электрического пробоя на основе анализа динамики анодного тока.

Способ повышения качества ВЧ-обработки тонкостенных изделий и устройство измерения температуры поверхности нагреваемого полимера для его реализации.

Алгоритм автоматизированного управления ВЧ-обработкой изделий из полимерных материалов, учитывающий развитие предпробойного состояния и прекращение процесса сушки полимера при стабилизации анодного тока.

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ

1.1 Эксплуатационные свойства деталей из термопластов. Уровень производства и перспективность полиамидов

Современные эксплуатационные свойства деталей из полимеров представляют не малый и очень важный по своему научному и практическому значению класс высокомолекулярных соединений.

Объемы производства полимерных материалов, используемых в качестве конструкционных материалов, во всем мире неуклонно возрастают. По итогам 2012 г. суммарный объем выпуска базовых полимеров в России составил 5,4 млн. тонн. В декабре прошлого года выпуск базовых полимеров вырос на 7,3% относительно декабря 2011 года. По итогам 2013 года, несмотря на кризисные условия, объём производства полимеров сохранился на уровне 2012 г.. Достоинствами полимеров являются: длительный срок службы (до 50 лет), хорошая способность гасить динамические и ударные нагрузки, низкий коэффициент трения, восприятие знакопеременных нагрузок, высокие диэлектрические и антикоррозионные показатели, минимальная адгезия, высокая жесткость, ударная вязкость и стойкость к термокороблению [74]. Одним из важнейших свойств большого количества полимерных материалов является способность полностью восстанавливать свои свойства после нагрева. Данные свойство оказывают огромное влияние на конструктив, эксплуатационные характеристики узлов и агрегатов машин различных областей применения.

За последние десятилетия произошли значительные изменения конструкции машин и механизмов. Так, например, в транспортом машиностроении на смену латунным сепараторам пришли полимерные, изготовленные из композитных армированных стекловолокном полиамидов марки Армамид ПА СВ 30-1 ЭТМ и др. Использование полимерных изделий в качестве маслопроводов, бензопроводов и

водопроводов различного назначения позволяет повысить долговечность их эксплуатации.

В целом, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность полимерных изделий позволяют использовать их взамен цветных металлов, нержавеющих сталей и других конструкционных материалов, позволяя продлевать сроки эксплуатации машин, увеличивать длительность межремонтных периодов, снижать эксплуатационные издержки.

1.2 Факторы, влияющие на механические свойства полимеров

При этом, наряду с достоинствами полиамидов [63], существует и ряд их существенных недостатков, влияющих на эксплуатационные характеристики полимерных деталей к которым можно отнести: их гигроскопичность, старение, влияние высокоэнергетических воздействий на структуру материала, относительно низкая температура плавления, незначительный интервал перехода материала в вязко-текучее состояние, деструктивные изменения материала при температурах близких к температурам плавления. Отдельно следует отметить проблемы, возникающие при утилизации полимеров.

Вышесказанное позволяет говорить о том, что оптимальное использование изделий из полимерных материалов возможно при учете всех положительных и отрицательных их характеристик с точки зрения влияния на эксплуатационные свойства изделий.

1.2.1 Влияние влаги - сорбция и десорбция влагопоглощения

В соответствии с [74, 99] наибольшее влияние на изменение эксплуатационных свойств пластмасс оказывает гигроскопичность и сопутствующие ей структурные изменения. Впитывание влаги, даже при нормальных условиях хранения и эксплуатации полимеров, ухудшает их конструкционные и эксплуатационные свойства [51,12]

Литературный обзор показал ряд особенностей сорбции полимерами влаги и влияние этого факта на их конструкционные свойства. Водяные пары и влага в материалах из полиамидов при диффузии уменьшают в них межмолекулярные

взаимодействия, которые могут при определенном уровне оказать положительные результаты на прочностные характеристики полиамидов. Дальнейшее возрастание влагосодержания приводит к отрицательным воздействиям. Влага, сорбируемая поверхностью полимера, как отмечено [39], может облегчать появление самих микротрещин, способствуя появлению новых поверхностей с последующей утратой своих потребительских свойств полиамидных изделий. Поэтому при рассмотрении работоспособности изделий из полиамида в процессе эксплуатации надо обратить особое внимание на процессы законом