автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль термоэлектрической способности биметаллов хлопающих мембран датчиков температуры

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КАЛЮК Антон Валерьевич

КОНТРОЛЬ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПОСОБНОСТИ БИМЕТАЛЛОВ ХЛОПАЮЩИХ МЕМБРАН ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел, 2006 г.

Работа выполнена на кафедре «Приборостроение, метрология и сертификация» в Орловском государственном техническом университете (ОрелГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Корндорф Сергей Фердинандович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коробко Виктор Иванович

кандидат технических наук Козлов Андрей Викторович

Ведущая организация: ОАО ПКО «Теплообменник»

г. Нижний Новгород.

Защита состоится « » 2006 г. в часов на засе-

дании диссертационного совета1"'Д212.182.01 в Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, Россия, г.Орел, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан « » 2006 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета, /С^

доктор технических наук _Суздальцев А.И.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Среди существующих на данный момент датчиков-реле температуры значительную часть составляют реле, использующие в качестве чувствительного элемента биметаллическую хлопающую мембрану (БХМ). Широкое распространение этого типа датчиков объясняется простотой их конструкции, надежностью, компактностью, технологичностью и относительной дешевизной. Однако, при разработке и наладке производства данного типа датчиков-реле оказывается довольно сложно добиться постоянства температур срабатывания. В качестве примера рассмотрим производство таких датчиков-реле на Орловском предприятии ЗАО «Орлэкс».

Предприятием ЗАО «Орлэкс» выпускается целый ряд датчиков-реле температуры, чувствительным преобразователем которых является элемент в виде так называемой биметаллической «хлопающей» мембраны (БХМ). Действие приборов основано на свойстве такой мембраны мгновенно изменять направление прогиба при достижении определенной температуры. Таким образом, биметаллическая мембрана осуществляет преобразование температуры в перемещение, которое в свою очередь передается на контактную группу. Изменение температуры биметаллической мембраны может осуществляться теплообменом между чувствительным элементом и контролируемой средой, нагревом мембраны при прохождении через нее электрического тока или совместным действием этих двух факторов. В число приборов, выпускаемых ЗАО «Орлэкс» и использующих в качестве чувствительного элемента БХМ, входят приборы ТАБ-Т, ТАБ-102 и ТАБ-105. Продукция предприятия хорошо зарекомендовала себя на рынке и уже долгие годы пользуется спросом. В последние несколько лет были заключены договоры и налажена поставка приборов на экспорт.

Очевидно, что качество и надежность представленных приборов во многом зависят от применяемого в них чувствительного элемента. Законы рыночной экономики требуют постоянного поиска методов повышения качества продукции, снижения ее себестоимости и улучшения показателей надежности.

Потребители продукции ЗАО «Орлэкс» проявляют заинтересованность в разработке новых модификаций датчиков-реле температуры с улучшенными показателями допусков на температуры срабатывания. Очевидно, что температуры срабатывания датчика-реле практически полностью определяются свойствами биметаллического элемента, используемого в нем. Поэтому руководством ЗАО «Орлэкс» была поставлена задача поиска путей снижения разброса температур срабатывания биметаллических элементов, используемых в датчиках-реле температуры.

Объектом исследования данной работы является контроль параметров биметаллов БХМ.

Предметом исследования данной работы является метод и средство контроля термоэлектрической способности биметалла заготовок БХМ.

Целью диссертационной работы является снижение брака биметаллических хлопающих мембран на выходе технологического процесса производства.

Основные задачи работы:

• анализ причин, приводящих к разбросу температур срабатывания БХМ;

• выявление параметров биметаллических заготовок и технологического процесса производства БХМ, связанных с температурами срабатывания БХМ;

• разработка метода контроля параметров исходного биметалла, влияющих на температуры срабатывания БХМ;

• выбор параметра, неразрушающий метод контроля которого позволяет уменьшить долю брака БХМ по температурам срабатывания на выходе технологического процесса производства;

• разработка устройства контроля, реализующего выбранный метод контроля параметров биметалла;

• экспериментальные исследования эффективности разработанного устройства с целью определения целесообразности его применения.

Научная новизна работы:

1. Выявлены зависимости температур срабатывания биметаллических хлопающих мембран от поверхностной твердости слоев биметалла заготовок.

2. Разработана математическая модель работы БХМ, базирующаяся на положениях моментной теории тонких оболочек в области больших перемещений, теории упругости и сопротивления материалов.

3. Разработан способ контроля поверхностной относительной термоэлектрической способности биметалла, исключающий влияние термоЭДС, возникающей на границе раздела слоев биметалла, на результаты контроля, защищенный патентом РФ на полезную модель.

Методы и средства исследований. Рассматриваемые в работе теоретические аспекты решаемых задач базируются на основе положений моментной теории тонких оболочек в области больших перемещений, теорий упругости, сопротивления материалов, вероятности и термодинамики. Теоретические результаты получены с помощью методов математического анализа, аналитических и численных методов решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений. При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа. Математическое моделирование проводилось по стандартным методикам с использованием модифицированных алгоритмов, которые реализовывались с помощью программных продуктов MathSoft MathCAD, Waterloo Inc. Maple, Microsoft Excel.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных средств измерения и на оригинальной компьютеризированной установке, выполненной с использованием современной электронной элементной базы и специально разработанным программным обеспечением, при создании которого были использованы среды разработки Microsoft Visual Studio и Atmel AVR Studio.

Положения выносимые на защиту:

1. Выявленная зависимость между температурами срабатывания биметаллических хлопающих мембран и поверхностной твердостью слоев исходного биметалла.

2. Способ контроля поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла, основанный на методе импульсной контактной теплопередачи.

3. Устройство контроля, реализующее разработанный способ контроля поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла.

Практическая ценность работы:

• разработан способ измерения поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла с помощью импульсного нагрева путем контактной теплопередачи;

• разработана измерительная система на базе ПК, реализующая разработанный способ контроля и программное обеспечение этой системы;

• разработаны критерии и рекомендации по разбраковке заготовок биметаллических хлопающих мембран;

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное устройство термоэлектрического контроля однородности слоев биметалла наряду с методикой определения термоэлектрической способности слоев биметалла внедрено в опытное производство СКБприбор ЗАО «Орлэкс».

Кроме того, разработанные средства используются в ОрелГТУ при проведении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 3 международных конференциях:

1. международная научно-техническая конференция «Приборостроение 2004», Винница-Ялта, 2004г.

2. международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки - 120 лет», Орел, 2006г.

3. международная 5-я научно-практическая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 2006г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель и поданы 2 заявки на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 159 страницах машинописного текста, иллюстрируется 58 рисунками (в том числе 19 в приложении), 26 таблицами (в том числе 11 в приложении), состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 71 наименование.

Основное содержание работы

Введение

Обоснована актуальность работы, определена ее цель, кратко изложены

основные научные результаты, а также раскрыто научное и практическое значение работы.

Глава 1

Проанализированы причины возникновения разброса температур срабатывания БХМ. Приведены результаты экспериментальной работы по определению влияния нестабильности ряда параметров технологического процесса производства на температуры срабатывания БХМ. Результаты эксперимента показали, что нестабильность рассмотренных параметров технологического процесса производства БХМ в рамках существующей на производстве на данный момент системы контроля этих параметров не может привести к значительному разбросу температур срабатывания БХМ. Из рассмотренных параметров техпроцесса производства наиболее сильное влияние на температуры срабатывания БХМ оказывает температура окружающего воздуха в помещениях, где проводятся операции формовки и контрформовки заготовок.

С целью определения параметров исходного материала, которые могут оказывать влияние на температуру срабатывания БХМ, составлена математическая модель работы БХМ, которая базируется на моментной теории тонких оболочек в области больших перемещений. Анализ полученной математической модели показал, что на температуры срабатывания БХМ, кроме начальной геометрии мембраны, оказывают влияние следующие параметры исходного материала: толщина биметалла в целом; соотношение толщин материалов в биметалле; модули упругости, коэффициенты Пуассона и коэффициенты температурного расширения для каждого материала, входящего в состав биметалла, а также соотношение коэффициентов температурного расширения материалов, составляющих биметалл. Приведенный перечень влияющих параметров очевиден из математической модели работы БХМ и наверняка является неполным, поскольку сама модель есть некоторая абстракция, так как предусматривает однородность используемого материала.

Из перечисленных параметров исходного биметалла для прямого контроля доступны толщина биметалла в целом и составляющих его слоев. Остальные параметры практически проконтролировать невозможно, так как в биметалле слои находятся в напряженном состоянии, характеристики которого в различных точках различны и поэтому при разделении слоев происходит изменение состояния этих слоев, повреждаются микрослои, подвергавшиеся сварке при производстве биметалла, что может повлечь за собой изменение структуры материала и не позволит получить достоверные данные о контролируемых величинах. Поэтому необходимо было найти такие параметры биметалла, которые хотя бы косвенно позволили бы судить о постоянстве параметров, входящих в математическую модель. Одним из таких параметров является поверхностная твердость слоев, составляющих биметалл, как величина, тесно связанная с модулем упругости этих слоев.

Гпава 2

Проведен анализ возможной степени влияния разброса толщин слоев биметалла и их поверхностной твердости на температуры срабатывания БХМ, который показал, что в случае настройки техпроцесса по температурам сраба-

тывания БХМ, изготовленных из участка биметаллической ленты, толщины слоев которого значительно отличаются от средних значений для всей партии биметалла, то доля брака, обусловленная разбросом толщин слоев биметалла у БХМ, изготовленных по такому техпроцессу, может на 50% превосходить аналогичный показатель у БХМ, изготовленных по оптимально настроенному техпроцессу.

При проведении исследований взаимосвязи температур срабатывания БХМ и поверхностной твердости слоев биметалла, из которого они изготовлены, была обнаружена корреляция между верхней температурой срабатывания БХМ и поверхностной твердостью пассивного слоя биметалла, а также между нижней температурой срабатывания БХМ и поверхностной твердостью активного слоя биметалла. Графики, иллюстрирующие указанную взаимосвязь, представлены на рисунке 1.

зоо.о з:-с.о мо.о эво.о эео.о «оо «о.о мо.о

Твердость пассивного слоя биметалла, НУ а)

зависимость верхней температуры срабатывания БХМ (Тв) от поверхностной твердости пассивного слоя (НУп) для биметалла ТВ 138. Коэффициент корреляции = 0,343

Твердость активного слоя биметалла, НУ в)

зависимость нижней температуры срабатывания БХМ (Тн) от поверхностной твердости активного слоя (НУа) для биметалла ТВ 13 8. Коэффициент корреляции = 0,565

S

s

3200 330.0 340.0 350.0 360.0 3700 390.0 3900 400 0 4*0.0 4200

Твердость активного слоя биметалла, НУ

зависимость нижней температуры срабатывания БХМ (Тн) от поверхностной твердости активного слоя (НУа) для биметалла 115ТВ1170. Коэффициент корреляции — 0,312

Твердость пассивного слоя биметалла, НУ в)

зависимость верхней температуры срабатывания БХМ (Тв) от поверхностной твердости пассивного слоя (НУп) для биметалла 115ТВ1170. Коэффициент корреляции - 0,303 Рисунок I — Взаимосвязь температур срабатывания БХМ и поверхностной твердости слоев

биметалла.

Полученные в ходе исследований результаты контроля толщины слоев биметалла и их поверхностной твердости позволяют говорить о возможной перспективности их использования с целью снижения процента брака при производстве БХМ. Однако методы контроля указанных параметров биметалла являются разрушающими и не могут быть использованы на производстве для

предварительного 100% контроля. Таким образом, для разработки метода, пригодного для использования в условиях производства, необходимо найти величины, косвенно связанные с указанными параметрами, контроль которых может быть осуществлен неразрушающим методом.

Гпава 3

Сформулированы требования, которым должен удовлетворять искомый метод контроля, и проведен анализ существующих методов контроля физико-механических параметров материалов. На основе анализа наиболее удовлетворяющими выдвинутым требованиям можно признать вихретоковый и термоэлектрический методы контроля материалов. Для дальнейшей разработки наиболее перспективным был признан термоэлектрический метод контроля, поскольку он обладает крайне высокой чувствительностью к неоднородности материалов по физико-химическим и структурным параметрам. Выбор термоэлектрического метода контроля также обоснован тем, что в 2000 году Несте-ровичем Ю.И. была защищена диссертационная работа, в которой он показал наличие значительной корреляции (коэффициент корреляции составил 0,91) между поверхностной твердостью некоторых марок сталей и их термоэлектрической способностью, что в сочетании с обнаруженной корреляцией температур срабатывания БХМ и твердостью слоев биметалла подтверждает правильность выбора термоэлектрического метода контроля как наиболее перспективного для решения поставленной задачи.

Гпава 4

Для анализа возможности применения термоэлектрического метода для контроля биметалла была рассмотрена типовая схема измерения термоэлектрической способности, которая приведена на рисунке 2. В случае поддержания температуры ©г постоянной и использовании одного и того же горячего электрода 3, значения термоЭДС, фиксируемые измерителем V, будут зависеть только от термоэлектрической способности исследуемого материала. Однако, на практике невозможно поддерживать температуру 0Г постоянной. Также в случае, когда исследуемым материалом является биметалл на границе раздела слоев биметалла, под действием градиента температур вызванного прогревом биметалла под действием процесса теплопередачи энергии из горячего элек-

1 - исследуемый материал;

2 - нагреватель;

3 — горячий электрод;

4 - свободный электрод;

V - измеритель термоЭДС;

©о - температура окружающего воздуха;

©г - температура горячего электрода в точке соприкосновения с исследуемым материалом;

©х - температура свободного электрода в точке соприкосновения с исследуемым материалом.

Рисунок 2 — Типовая схема измерения термоэлектрической способности материала.

трода в исследуемый материал, возникают паразитные термоЭДС, которые будут влиять на показания измерителя V. Все это будет вносить погрешность в получаемые результаты.

Для устранения влияния непостоянства температуры ©г на получаемые результаты в схему установки введен холодный электрод, который образовывает с горячим электродом искусственную термопару, а соприкосновение с исследуемым материалом производится точкой спая этих электродов (рисунок 3). В качестве характеристики термоэлектрических свойств материала предложено использовать относительную термоэлектрическую способность материала, определяемую как кш, = . Так как показания измерителей V1 и У2 пропорциональны температуре 0Г, то значение параметра ким остается постоянным при изменении температуры 0Г.

Для устранения влияния паразитных термоЭДС, возникающих на границе раздела слоев, решено проводить измерения в интервале времени между моментом соприкосновения горячего электрода с поверхностью исследуемого материала и моментом, когда область повышенной температуры теплового поля, распространяющаяся от точки соприкосновения, достигнет границы раздела слоев биметалла и увеличит температуру этой границы до значения, при котором возникает значимая термоЭДС. Для оценки длительности указанного интервала времени была составлена математическая модель, описывающая процесс распространения тепла в исследуемом материале с течением времени. На основании полученных с помощью составленной математической модели результатов были определены требования к быстродействию электронной схемы, реализующей описанный способ контроля.

Для реализации описанного принципа измерений была разработана схема экспериментальной установки, приведенная на рисунке 4. В ходе проведения экспериментов с использованием установки получены графики зависимости значений напряжений, фиксируемых по каналам измерения термоЭДС искусственной и естественной термопар (рисунок 5). Из приведенных графиков видно, что до момента соприкосновения горячего электрода с исследуемым ма-

1 - исследуемый материал;

2 - нагреватель;

3 - горячий электрод;

4 - свободный электрод;

5 - холодный электрод; У| - измеритель термоЭДС искуственной

термопары; У2 - измеритель термоЭДС естественной

термопары; ©о - температура окружающего воздуха; ©г - температура горячего электрода в точке соприкосновения с исследуемым материалом.

Рисунок 3 — Схема экспериментальной установки.

Рисунок 4 — Функциональная схема экспериментальной установки.

1 — исследуемый материал; 2 — нагреватель; 3 — горячий электрод искусственной термопары; 4 - свободный электрод; 5 - холодный электрод искусственной термопары; 6 — двухканальный дифференциальный усилитель; 7 — двухканальный АЦП; 8 — компьютер.

териалом — 1Кдс, измерительной установкой по каналу измерения термоЭДС естественной термопары фиксируется напряжение наводок и шумов на входе усилителя термоЭДС. После соприкосновения горячего электрода с исследуемым материалом значение этого напряжения резко изменяется, поскольку в момент соприкосновения горячий электрод и исследуемый материал образуют термопару, которая генерирует термоЭДС, пропорциональную температуре горячего электрода. Резкое изменение значений напряжения фиксируемых по каналу измерения термоЭДС естественной термопары используется компьютерной системой, входящей в состав установки для надежного детектирования момента времени 1КАС. Как видно из графика значений напряжения, фиксируемого по каналу измерения термоЭДС искусственной термопары, температура горячего электрода после его соприкосновения с исследуемым материалом плавно уменьшается, что вызвано процессом теплопередачи энергии из горячего электрода в исследуемый материал. Очевидно, что интенсивность этого процесса во многом определяется теплопроводностью исследуемого материала. Поэтому было предложено в качестве дополнительной характеристики исследуемого материала использовать относительное снижение термоЭДС искусственной термопары, определяемое как 5ЗДС = (рисунок 5).

Таким образом, разработанная установка позволяет для характеристики биметалла измерять четыре информативных параметра: поверхностный относительный коэффициент термоэлектрической способности активного к*" и пассивного к"^ слоев биметалла и относительное снижение термоЭДС искусственной термопары на активном и пассивном слоях биметалла.

Для оценки эффективности использования указанных параметров биметалла и предложенного способа их контроля при разбраковке заготовок были проведены экспериментальные исследования, в которых использовались две партии БХМ по 20 штук, изготовленных из биметаллов ТВ 138 и 115ТВ1170. Перед прохождением техпроцесса производства у заготовок были измерены с использованием разработанной установки значения параметров , к"^, и ¿¡"р в 5 точках с обеих сторон заготовки. После чего заготовки подверглись

технологическому процессу производства, на выходе которого были измерены температуры срабатывания полученных БХМ.

Время, [с]

Рисунок 5 — Графики сигналов, фиксируемых компьютерной системой по каналам измерения термоЭДС искусственной и естественной термопар.

Многочисленность свойств исходного материала, значимость которых во многих случаях одного порядка, возможность проведения только пассивного эксперимента и результаты регрессионного анализа полученных экспериментально данных показали, что аналитическими методами обнаружить функциональную зависимость между температурами срабатывания БХМ и каким-либо измеряемым с помощью экспериментальной установки параметром биметалла заготовок не представляется возможным.

Анализ распределения результатов измерения параметров биметалла заготовок показал, что с вероятностью 0,9 можно считать, что они распределены по нормальному закону. Было сделано предположение, что заготовки, имеющие среднестатистические значения параметров биметалла, из которого они изготовлены, после прохождения техпроцесса производства дают БХМ со среднестатистическими значениями температур срабатывания. Следовательно, от-

клонение значений параметров биметалла заготовок от среднестатистических значений должно повышать вероятность отклонения температур срабатывания изготовленных из них БХМ за пределы допусков. Указанные вероятности можно определить через значения интегральной функции нормального распределения, соответствующей значениям моментов распределения измеренных параметров биметалла как

рх = + |д|)- ф(з - |д|),

где Рх — вероятность того, что отклонение некоторого экспериментального параметра X приведет к выходу температур срабатывания изготовленной БХМ за пределы допусков; б — среднее значение экспериментального параметра X биметалла; Д — отклонение значения экспериментального параметра X биметалла от среднего значения; Ф — интегральная функция распределения значений результатов измерения экспериментального параметра X биметалла.

Тогда вероятность того, что отклонение некоторого экспериментального параметра X не приведет к выходу температур срабатывания изготовленной БХМ за пределы допусков, можно определить как =1 -Рх. Зная вероятности Р,-Х для каждого из измеренных параметров биметалла, можно определить на основании некоторой комбинации этих параметров вероятность Р0 того, что температуры срабатывания изготовленной БХМ лежат в пределах допусков, то есть вероятность того, что изготовленная БХМ будет годной как произведение вероятностей Р]_х каждого из параметров биметалла. Таким образом, можно определить вероятность Р1_0 = \-Р0 того, что на основании комбинации нескольких из измеренных параметров биметалла, изготовленная БХМ окажется негодной. По экспериментальным данным для каждой заготовки были определены значения вероятностей Р1_о при всех возможных сочетаниях, используемых для этого измеренных параметров биметалла, и построены графики зависимости абсолютного отклонения температур срабатывания от среднестатистических значений от вероятностей Р,_0 (рисунок 6.1 и 6.2 — приведены результаты которые по мнению автора позволяют проводить наиболее эффективную разбраковку заготовок). Полученные зависимости анализировались с целью определения эффективности сортировки заготовок по значениям соответствующих вероятностей Р,_о для всех комбинаций измеряемых параметров биметалла. Эффективность оценивалась по доле брака среди прошедших сортировку БХМ (рисунок 7.1 и 7.2).

На основе анализа полученных результатов были сформулированы требования к значениям относительной поверхностной термоэлектрической способности слоев биметалла заготовок и относительного снижения термоЭДС искусственной термопары, применяя которые возможно снизить долю брака БХМ на выходе технологического процесса производства с 65% до 58% для биметалла 115ТВ1170 и с 40% до 21% для биметалла ТВ 138.

S- £

и °

с "С

, х „ = ш

Е S-g

О о, х

§|1

Вероятность Pi-o, оцененная по параметрам K'^J и Г

Вероятность Р1_о, оцененная по параметрам КЦ^, - Графики зависимости абсолютного отклонения температур срабатывания БХМ от вероятностей брака заготовок из биметалла ТВ!38.

О.&S

еПЛС

и 8Ж

Рисунок 6.1

шин

8- х

О. X

1

< | 6

максимально допустимое отклонение температуры

< f 6

Вероятность Р|_о, оцененная по параметрам К,'" и 8-1".

максимально допустимое отклонение температуры

Вероятность Pi_o, оцененная по параметрам Kf" и

Рисунок 6.2 — Графики зависимости абсолютного отклонения температур срабатывания БХМ от вероятностей брака заготовок из биметалла HSTB1170.

И

11

а. х и к 9 Э

предлагаемое значение критерия разбраковки

Значения допустимой вероятности Р1-0, оцениваемой по параметрам Кци З^дс , при разбраковке заготовок

Q.S -О. в -0.7 О. в -O.S -

о. л о.з 0.2 О. 1 -

! ......- . . !___________ _ .1 предлагаемое значение-1 | критерия разбраковки | \ ' ! ■ | ! I у-исходный уровень брака ; —

r-h

■! 1 г ! ■"

Значения допустимой вероятности Pj-o, оцениваемой по параметрам , S

о.э

I кг г ПАС

при разбраковке заготовок

Рисунок 7.1 — Графики зависимости доли брака среди прошедших сортировку заготовок от значения допустимой вероятности брака заготовок для биметалла ТВ 138.

предлагаемое значение-ч^

критерия разбраковки

заготовок

предлагаемое значение критерия разбраковки

Значения допустимой вероятности Р|_о, оцениваемой по параметрам K^ff. ^эдс и ^эдс • °РИ разбраковке заготовок Рисунок 7.2 — Графики зависимости доли брака среди прошедших сортировку заготовок от значения допустимой вероятности брака заготовок для биметалла 115ТВ1 ¡70.

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты и выводы

1. Анализ причин, приводящих к разбросу температур срабатывания БХМ, выявил две группы влияющих факторов — параметры технологического процесса производства и параметры исходного биметалла.

2. Анализ влияния параметров технологического производства показал, что для снижения разброса температур срабатывания БХМ наиболее эффективно введение контроля за температурой окружающего воздуха в помещениях, где проводятся операции формовки и контрформовки.

3. Анализ влияния параметров биметаллических заготовок на температуры срабатывания БХМ выявил корреляцию между температурами срабатывания БХМ и поверхностной твердостью слоев биметалла.

4. Разработан метод определения поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла, как параметра, косвенно характеризующего физико-механические свойства материала, и создана установка, реализующая разработанный метод.

5. Проведение экспериментальной апробации метода с помощью созданной установки показало возможность введения сортировки заготовок БХМ с целью снижения доли брака среди БХМ на выходе технологического процесса производства. Снижение брака в экспериментальных партиях БХМ составило 1,1 раза для биметалла 115ТВ1170 и 1,87 раза для биметалла ТВ138.

6. Разработанное устройство контроля относительной поверхностной термоэлектрической способности слоев биметалла наряду с методикой определения относительной поверхностной термоэлектрической способности слоев биметалла внедрено в опытное производство СКБприбор ЗАО «Орлэкс», а также используются при проведении научно-исследовательских работ в ОрелГТУ.

Список опубликованных работ

1. Калюк A.B. Термоэлектрический метод прогнозирования свойств биметаллических чувствительных элементов [Текст] / В.И. Гаврищук, A.B. Калюк // Датчики и системы. - 2006.- № б — С.40-42.

2. Калюк A.B. Контроль свойств биметалла [Текст] / A.B. Калюк, В.И. Гаврищук // Инженерно-физические проблемы новой техники: Материалы 7-го Всероссийского НТ-совещания-семинара. - Москва, 2003. —С. 123-124 .

3. Калюк A.B. Исследование характеристик датчиков температуры в зависимости от параметров технологического процесса изготовления биметаллических дисков [Текст] / A.B. Калюк, В.И. Гаврищук // Приборостроение 2004: Труды международной науч.-технической конф.: часть 2. - Винница-Ялта, 2004.-С. 413-414.

4. Калюк A.B. Термоэлектрический метод прогнозирования свойств биметаллических чувствительных элементов [Текст] / A.B. Калюк, С.Ф. Корндорф,

B.И. Гаврищук // Известия ОрелГТУ. — Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орел: ОрелГТУ, 2005. - №1. - С.5-7.

5. Калюк A.B. Способ и устройство для градуирования естественной термопары [Текст] /A.B. Калюк, Е.В. Кузнецова // Гидродинамическая теория смазки — 120 лет: Труды Международного научного симпозиума. В 2-х томах. Т.2. -М.: Машиностроение 1, 2006.-С.308-314.

6. Калюк A.B. Контроль материала для биметаллических мембран [Текст] /

C.Ф. Корндорф, A.B. Калюк // Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности: материалы 5-ой Международной науч,-практической конф. (16-19 мая 2006г., Москва) - М.: Машиностроение 1, 2006.-С.80.

7. Калюк A.B. Использование термоэлектрического метода контроля параметров биметалла с целью повышения качества готовой продукции [Текст] / A.B. Калюк // Проблемы экономики и менеджмента качества: программа и материалы международной школы-семинара молодых ученых (25 — 30 сентября 2006г., г.Тамбов) / ТГТУ. - Тамбов, 2006. - С. 284 - 285.

8. Патент РФ № 22755 на полезную модель, МПК G01N25/32, G01B7/06 (2006/01)1. Устройство для разбраковки изделий из электропроводящих материалов [Текст] / A.B. Калюк, В.И. Гаврищук, А.Н. Костин, А.И. Матюхин (решение о выдаче патента на полезную модель от 10.08.2006г.).

Подписано в печать

Отпечатано на полиграфической базе Орел 1 ГУ 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

Введение.

Глава 1. Причины возникновения разброса температур срабатывания БХМ.

1.1 Анализ параметров техпроцесса производства БХМ.

1.2 Эксперимент но определению влияния нестабильности параметров техпроцесса на разброс температур срабатывания БХМ.

1.2.1 Описание эксперимента.

1.2.2 Выводы.

1.3 Параметры исходного материала.

1.3.1 Математическая модель работы БХМ.

1.3.2 Численный метод решения математической модели.

1.3.3 Выводы по составленной математической модели.

1.4 Выводы.

Глава 2. Исследование влияния нестабильности параметров биметалла на температуры срабатывания БХМ.

2.1 Экспериментальное определение разброса толщин слоев биметалла.

2.1.1 Описание эксперимента.

2.2 Экспериментальная проверка взаимосвязи твердости слоев биметалла и температур срабатывания БХМ.

2.2.1 Описание эксперимента.

2.3 Выводы.

Глава 3. Методы контроля фнзико-мехапнческнх свойств материалов

3.1 Требования к методу контроля физико-механических свойств материала.

3.2 Существующие методы контроля физико-механических свойств материала.

3.4 Выводы.

Глава 4. Экспериментальная проверка эффективности термоэлектрического способа контроля.

4.1 Способ контроля термоэлектрической чувствительности.

4.2 Требования к устройству контроля термоэлектрической чувствительности.

4.3 Устройство контроля термоэлектрической чувствительности.

4.2.1 Определение скорости прогрева границы раздела слоев биметалла.

4.2.2 Блок усиления термоЭДС.

4.2.3 Проведение пробных измерений.

4.4 Оценка дисперсии результатов измерений разработанной установки.

4.5 Порядок и результаты проведения экспериментов.

4.6 Определение поверхностной твердости слоев биметалла БХМ.

4.6.1 Определение погрешности измерения поверхностной твердости.

4.6.2 Измерение поверхностной твердости слоев биметалла изготовленных БХМ.

4.7 Выводы.

Актуальность работы. Предприятием ЗАО «Орлэкс» выпускается цс-> лын ряд датмиков-реле температуры, чувствительным преобразователем которых является элемент в виде так называемой биметаллической «хлопающей» мембраны (БХМ). Действие приборов основано па свойстве такой мембраны мгновенно изменять направление прогиба при достижении определенной температуры. Таким образом, биметаллическая мембрана осуществляет преобразование температуры в перемещение, которое в свою очередь передается па контактную группу. Изменение температуры биметаллической мембраны может осуществляться теплообменом между чувствительным элементом п контролируемой средой, нагревом мембраны при прохождении через нес электрического тока или совместным действием этих двух факторов. В число приборов, выпускаемых ЗАО «Орлэкс» и использующих в качестве чувствительного элемента БХМ, входят приборы ТАБ-Т, ТАБ-102 и ТАБ-105. Продукция предприятия хорошо зарекомендовала себя на рынке и уже долгие годы пользуется спросом. В последние несколько лет были заключены договора, и налажена поставка приборов на экспорт.

Очевидно, что качество н надежность представленных приборов во многом зависят от применяемого в них чувствительного элемента. Законы рыночной экономики требуют постоянного поиска методов повышения качества продукции, снижения ее себестоимости и улучшения показателей надежности.

Потребители продукции ЗАО «Орлэкс» проявляют заинтересованность в разработке новых модификации датчиков-реле температуры с улучшенными показателями допусков на температуры срабатывания. Очевидно, что температуры срабатывания датчика-реле практически полностью определяются свойствами биметаллического элемента, используемого в нем. Поэтому руководством ЗАО «Орлэкс» была поставлена задача поиска путей снижения разброса температур срабатывания биметаллических элементов, используемых в датчиках-реле температуры.

Объектом исследовании данной работы является контроль параметров биметаллов БХМ.

Предметом исследования данной работы является метод и средство контроля термоэлектрической способности биметалла заготовок БХМ.

Целыо диссертационной работы является снижение брака биметаллических хлопающих мембран на выходе технологического процесса производства.

Основные задачи работы:

• анализ причин, приводящих к разбросу температур срабатывания БХМ;

• выявление параметров биметаллических заготовок и технологического процесса производства БХМ, связанных с температурами срабатывания БХМ;

• разработка метода контроля параметров исходного биметалла, влияющих на температуры срабатывания БХМ;

• выбор параметра, перазрушающий метод контроля которого позволяет уменьшить долю брака БХМ по температурам срабатывания на выходе технологического процесса производства;

• разработка устройства контроля, реализующего выбранный метод контроля параметров биметалла;

• экспериментальные исследования эффективности разработанного устройства с целыо определения целесообразности его применения.

Научная новизна работы:

1. Выявлены зависимости температур срабатывания биметаллических хлопающих мембран от поверхностной твердости слоев биметалла заготовок.

2. Разработана математическая модель работы БХМ, базирующаяся на положениях момептной теории тонких оболочек в области больших перемещений, теории упругости и сопротивления материалов.

3. Разработан способ контроля поверхностной относительной термоэлектрической способности биметалла, исключающий влияние термоЭДС, возникающей на границе раздела слоев биметалла, на результаты контроля, защищенный патентом РФ на полезную.модель.

Методы н средства исследований. Рассматриваемые в работе теорстичсскис аспекты решаемых задач базируются на основе положении моментной теории тонких оболочек в области больших перемещений, теорий упругости, сопротивления материалов, вероятности и термодинамики. Теоретические результаты получены с помошыо методов математического анализа, аналитических и численных методов решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений. При обработке экспериментальных данных использовались методы математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа. Математическое моделирование проводилось по стандартным методикам с использованием модифицированных алгоритмов, которые реализовтлвались с помощью программных продуктов MalhSofl MalhCAD, Waterloo Inc. Maple, Microsoft Exccl.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных средств измерения и на оригинальной компьютеризированной установке, выполненной с использованием современной электронной элементной базы и специально разработанным программным обеспечением, при создании которого были использованы среды разработки Microsoft Visual Studio и Atmel AVR Studio.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выявленная зависимость между температурами срабатывания биметаллических хлопающих мембран и поверхностной твердостью слоев исходного биметалла.

2. Способ контроля поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла, основанный на методе импульсной контактной теплопередачи.

3. Устройство контроля, реализующее разработанный способ контроля поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла.

Практическая ценность работы:

• разработан способ измерения поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла с помощью импульсного нагрева путем контактной теплопередачи;

• разработана измерительная система па базе ПК, реализующая разработанный способ контроля и программное обеспечение этой системы;

• разработаны критерии и рекомендации по разбраковке заготовок биметаллических хлопающих мембран;

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное устройство термоэлектрического контроля однородности слоев биметалла наряду с методикой определения термоэлектрической способности слоев биметалла внедрено в опытное производство СКБпрпбор ЗАО «Орлэкс».

Кроме того, разработанные средства используются в ОрелГТУ при проведении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 3 международных конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Приборостроение 2004», Вшпшца-Ялта, 2004г.

2. Международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки - 120 лет», Орел, 2006г.

3. Международная 5-я научно-практическая конференция «Иеразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 2006г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель и поданы 2 заявки па изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 159 страницах машинописного текста, иллюстрируется 58 рисунками (в том числе 19 в приложении), 26 таблицами (в том числе 11 в приложении), состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 71 наименование.

4.7 Выводы

1. Измерения относительной поверхностной термоэлектрической способности исследуемого материала необходимо производить через строго установленный промежуток времени послс соприкосновения горячего электрода с исследуемым материалом. В работе установлено, что наиболее целесообразным является момент времени спустя 8,143-10> секунды после соприкосновения горячего электрода с исследуемым материалом;

2. Проведение экспериментальной апробации способа с помощью созданной установки показало возможность введения сортировки заготовок БХМ с целыо снижения доли брака среди БХМ на выходе технологического процесса производства. Снижение брака в экспериментальных партиях БХМ составило 1,1 раза для биметалла 115ТВ1170 и 1,87 раза 71ля i биметалла ТВ 138;

3. Средпеквадратпчеекое отклонение значений средней поверхностной твердости в пределах заготовки от среднего значения поверхностной твердости материала в целом, превышает срсднсквадратичсскис отклонения значений поверхностной твердости биметалла от среднего значения в пределах заготовки не менее чем в 2 раза.

Основными результатами работы является следующее:

1. Анализ причин, приводящих к разбросу температур срабатывания БХМ, выявил две группы влияющих факторов - параметры технологического процесса производства и параметры исходного биметалла.

2. Анализ влияния параметров технологического производства показал, что для снижения разброса температур срабатывания БХМ наиболее эффективно введение контроля за температурами окружающего воздуха в помещениях, где проводятся операции формовки и коптр-формовки.

3. Анализ влияния параметров биметаллических заготовок па температуры срабатывания БХМ выявил корреляцию между температурами срабатывания БХМ и поверхностной твердостью слоев биметалла.

4. Разработан способ определения поверхностной относительной термоэлектрической способности слоев биметалла, как параметра, косвенно характеризующего физико-механические свойства материала, в том числе поверхностную твердость, и создана установка реализующая разработанный способ.

5. Проведение экспериментальной апробации способа с помощью созданной установки показало возможность введения сортировки заготовок БХМ с целью снижения доли брака среди БХМ на выходе технологического процесса производства. Снижение брака в экспериментальных партиях БХМ составило 1,1 раза для биметалла 1151431170 и 1,87 раза для биметалла TBI38.

6. Разработанное устройство контроля относительной поверхностной термоэлектрической способности слоев биметалла наряду с методикой определения относительной поверхностной термоэлектрической способности слоев биметалла внедрено в опытное производство СКБприбор ЗАО «Орлэкс», а также используются при проведении научно-исследовательских работ в ОрелГТУ.

1. Bakirov, М.В. Modifizicrt cs harlcprufvcrfahrcn / М.В. Bakirov // Kontrollc, N10, 1994, Germany.

2. Coste, J.F. Development of a portable device for thcrmoclcctrical power measurement / J.F. Coste, J.M,T. Leborgne, J.P. Massoud , R. Borrelly // Application to the inspection of duplex stainless steel components.QNDE 1998T Snowbird, 1998.-20-24 July.

3. Grisot, O.T. Evaluation of thermal aging of duplex stainless steels / O.T. Grisot, J.P.Massoud // 5-th International Conference on Nuclcar Engineering, 26-30 May 1997, Nice, France.

4. Model alloys project Material Caracterisation at AMES Laboratoryll / B. Acosta, L. Debarberis, M. Beers, C. McGirl and A.Kryukov, // CEC-JRC-lnstitute for Advanced Materials, - Pettent April 2000.

5. A1 1522079 SU G 01 N 19/04. Способ количественного определения пористости металлических покрытии / Копылов В.И., Стронгнн Б.Г. , Варвус И.А., Шатинскии В.Ф. № 4283691/25-28; заявл. 13.07.87 // Изобретения: (Заявки и патенты), - 1989. - №42.

6. А1 1786419 SU G 01 N 27/90. Электромагнитный преобразователь для дефектоскопии / Бирюкова II.П., Галкин А.В., IIIкатов П.Н. № 4912667/28; заявл. 19.02.91 //Изобретения: (Заявки и патенты). - 1993. -№1.

7. А2 17708888 SU G 01 N 27/90. Способ вихретоковой дефектоскопии композиционных материалов / Хандсикий B.C. № 4846030/28; заявл. 14.05.90 // Изобретения (Заявки и патенты). - 1992. - №39.

8. Алешин, И. П. Методы акустического контроля металлов / Н.П. Алешин, В.Е. Белый, А.Х. Попили» и др.; под общ. ред. Н.П. Алешина М.: Машиностроение, 1989. - 456 с.:ил.

9. Андреева, JT.E. Упругие элементы приборов / JT.E. Андреева.- М.: Машгиз, 1962.- 391 с.

10. Атамалян, Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин / Э.Г. Атамалян. М.: Высшая школа, 1989.- 384 с.

11. Бакиров, М.Б. Математическое моделирование процесса вдавливания сфс-ры в упругопластическое полупространство / М.Б. Бакиров, М.А. Зайцев, И.В. Фролов // Заводская лаборатория.- 2001.- №1.- С.37-47.

12. Башров, М.Б. Феноменологическая методика определения механических свойств корпусных сталей ВВЭР по диаграмме вдавливания шарового пп-дентора / М.Б. Башров, Потапов В.В. // Заводская лаборатория. 2000. -№12. - С.35-44.

13. Беляев, В.П. Исследование процесса усталости металлов / В.П. Беляев. -Минск.: Мии. высш., среднего специального и проф. образов. БССР, 1962. -112 с. ил.

14. Беляев, В.И. Процессы усталости металлов / В.И. Беляев, Т.А. Лебедев //16