автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система автоматизированного управления высокочастотным диагностированием при производстве и эксплуатации изделий из полимерных материалов

На правах рукописи

ЛАРЧЕНКО АНАСТАСИЯ ГЕННАДЬЕВНА

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ДИАГНОСТИРОВАНИЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

2 3 ОКТ 2014

Иркутск - 2014

005553600

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: Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук,

профессор ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет», профессор кафедры «Электропривод и электрический транспорт»

Кузнецов Борис Федорович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия», профессор кафедры «Электрооборудования и физики»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокос-

мический университет имени академика М.Ф. Решет-нева», г. Красноярск

Защита состоится 13 ноября 2014 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 на базе ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15; ауд. А-803. Тел: (8-3952) 63-83-11; факс: (8-3952) 38-76-72; e-mail: maknv@irgups.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» http://wwvv.¡rgups.ru

Автореферат разослан 29 сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. В. Данеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время полимеры применяются практически во всех отраслях промышленности. Из полимерных материалов изготавливается большое количество конструктивно сложных, ответственных деталей, несущих значительные нагрузки. Высокое качество при производстве и ремонте изделий из полимерных материалов обеспечивается повышенным уровнем контроля, в частности, диагностированием. Трудоемкость диагностирования некоторых полимерных изделий в промышленности весьма велика и может составлять 15-20 % общих трудозатрат на их изготовление. Вследствие несовершенства технологических процессов, а также при длительном воздействии различных эксплуатационных факторов в изделиях могут возникнуть различного рода дефекты, приводящие к отклонениям физико-механических характеристик. К таким дефектам относятся металлические включения, состояние повышенной влажности и различные нарушения сплошности материала (поры, трещины, раковины и т.д.).

Анализ современного состояния проблемы показал, что одним из путей реализации задач диагностирования подобных дефектов является использование радиофизических методов дефектоскопии, связанных с воздействием на объект электромагнитных волн различных диапазонов. Среди радиоволнового диагностирования на сегодняшний день наиболее известен метод дефектоскопии с использованием волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. При контроле данным методом используется большое количество информационных параметров, позволяющих организовывать качественный процесс диагностирования полимерных материалов, но несмотря на это, СВЧ дефектоскопия обладает рядом недостатков (конструктивная сложность диагностических устройств, в том числе волноводов из-за необходимости создания в них бегущей волны; невозможность диагностирования геометрически сложных и габаритных изделий из-за небольшой глубины проникновения СВЧ энергии; высокий уровень шумов при СВЧ диагностировании; постоянная максимальная мощность работы СВЧ генератора, уменьшение которой требует наличия дополнительных энергопоглощающих делителей, что ведет к увеличению непроизводительных энергопотерь). Эти недостатки, а также многофакторность технологической системы контроля, неоднозначность взаимовлияния процессов усложняют решение задач автоматизации управления СВЧ диагностированием, что достаточно полно освящено в работах Архангельского Ю. С., Калгановой С. Г. Анализ результатов ряда работ таких авторов как Румынский С. Н., Трофимов Н. В., Юленец Ю. П., Филиппенко Н. Г., Попов С. И. позволяет говорить о решении подобных проблем при переходе от СВЧ дефектоскопии к методу диагностирования на основе высокочастотного (ВЧ) излучения. Простота подвода высокочастотной энергии (кабельной линией) к электродам, возможность организации процесса управления мощностью ВЧ воздействия, меньшее (по сравнению с СВЧ) количество управляемых и информационных параметров процесса контроля потенциально открывают возможности создания автоматизированной системы управления технологическим процессом ВЧ диагностирования.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод о том, что разработка системы автоматизированного управления процессом высокочастотного диагностирования полимерных материалов является актуальной задачей, решение которой сформирует новые научно обоснованные технические и технологические решения, имеющие существенное значение для развития страны.

Цель диссертационной работы: на основе анализа физических явлений, сопровождающих процесс воздействия высокочастотного излучения на полимеры, сформировать научно обоснованные технические и технологические решения, позволяющие автоматизировать управление процессом высокочастотного диагностирования изделий из полимерных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить комплекс контролируемых и управляемых параметров процесса выявления основных дефектов и состояния «повышенное влагосодержание», для организации автоматизированного управления процессом диагностирования.

2. Сформировать способы выявления дефектов в изделиях из полимерных материалов на основе комплекса контролируемых параметров, разработать технические решения по их реализации. Экспериментально подтвердить работоспособность принятых решений по реализации процесса диагностирования изделий из полимеров.

3. Построить математические модели ВЧ воздействия на полимерные изделия с различными дефектами с целью определения критериев оценки контролируемых параметров, необходимых для автоматизации процесса управления дефектоскопии.

4. Создать методику определения входных параметров автоматизированной системы управления процессом высокочастотного диагностирования.

5. Разработать систему автоматизированного управления технологическим процессом высокочастотного диагностирования изделий из полимеров. Реализовать разработанную автоматизированную систему в производственных условиях.

Объектом исследования являются процессы высокочастотного диагностирования изделий из полимерных материалов и алгоритмы управления ими.

Предметом исследования являются взаимосвязи электрофизических параметров оборудования и обрабатываемого материала с дефектами типа «металлическое включение», «воздушное включение», а также состояния «повышенное влагосодержание», позволяющие организовать автоматизированное управление процессом ВЧ диагностирования.

Методы исследований. Исследования проводились на основе методов математического моделирования, теории поля, физикохимии полимерных материалов, теории автоматизированных систем, электротехники, математической статистики. Экспериментальные исследования проведены на основе теории планирования многофакторного эксперимента. Эксперименты осуществлялись с использованием хроноам-перметрического метода исследования полимерных материалов.

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся:

1. Методика определения комплекса контролируемых и управляемых параметров контроля изделий из полимерных материалов и критерии их оценки, отличающиеся совокупным использованием при организации автоматизированного управления процессом высокочастотного диагностирования изделий из полимерных материалов.

2. Способ высокочастотного диагностирования изделий из полимеров, отличающийся одновременным выявлением комплекса основных дефектов и состояния «повышенное влагосодержание».

3. Математическая модель воздействия высокочастотного излучения на изделия с дефектом типа «металлическое включение», предназначенная для расчета основных необходимых параметров автоматизированного процесса диагностирования, позволяющих определить состояние изделия и исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы для решения практических

задач.

4. Методика определения входных параметров электротермического оборудования при автоматизации управления процессом высокочастотного диагностирования, отличающаяся установленной математической зависимостью подачи рабочего напряжения от формы и размеров контролируемого изделия.

5. Автоматизированная система управления технологическим процессом высокочастотного диагностирования изделий из полимерных материалов на основе контроля выходных параметров дефектоскопии, отличающаяся выявлением дефектов различного вида и состояния «повышенное влагосодержание».

6. Математическая модель расчета технологической оснастки для ВЧ диагностирования полимерных изделий, отличающаяся обеспечением равномерного воздействия электрического поля на элементы деталей геометрически сложной формы.

Достоверность научных результатов, полученных в диссертации, подтверждена корректным применением математических методов, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрением АСУ в промышленную эксплуатацию.

Практическое значение работы. Установленные в ходе диссертационного исследования параметры технологического процесса высокочастотного диагностирования изделий из полимерных материалов и разработанный алгоритм автоматизированного управления процессом обнаружения основных дефектов и состояния «повышенное влагосодержание» могут быть использованы при создании новых и усовершенствовании существующих методов диагностики.

Разработанное устройство высокочастотного диагностирования изделий из полимеров с автоматизированной системой управления выявляет наличие дефектов в изделиях и определяет их тип, что позволяет отбраковывать не только детали с трещинами, но также с металлическими включениями и с повышенной влагой. Внедрение автоматизированной системы диагностирования на предприятиях вагоноремонтного профиля позволит снизить количество отцепок по причине грения буксового узла из-за обводнения смазки и наличия дефектов в сепараторах.

Реализация результатов работы. Основные результаты работ были апробированы и применены на предприятии ОАО «Вагонная ремонтная компания - 1» станция Чернышевск. Экономический эффект от внедрения в 2013 году составил 413 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: III Всероссийской научно технической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» 11 апреля 2013г., Научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС - «Проблема транспорта Восточной Сибири» 26 апреля 2013 г., Всероссийской научной конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» май 2013 г., IV Всероссийской научно технической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» 11 апреля 2014г., Всероссийской научной конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» 6 апреля 2014 г., Научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС - «Проблема транспорта Восточной Сибири» 13 мая 2014 г.

Личный вклад. Из материалов совместных публикаций представлены работы, полученные лично автором.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, из них 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получены 1 патент на полезную модель и 4 свидетельства на программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа объемом 164 страницы машинописного текста содержит 73 рисунка, 22 таблицы и список литературы, включающий 104 наименования.

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 на основе обзора научных источников рассмотрены классификация и свойства полимеров и полимерных композиционных материалов. На основе анализа технологий производства, эксплуатации и ремонта изделий из полимерных материалов выделены и классифицированы дефекты различной кинетики. Проведен анализ основных устройств и методов диагностирования изделий из полимерных материалов. Исследован метод неразрушающего контроля на основе высокочастотного излучения, рассмотрены автоматизированные системы и способы управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов и решения, направленные на повышение их работоспособности.

Большой вклад в исследование и организацию процессов сверхвысокочастотной обработки полимерных материалов внесли Архангельский Ю.С., Boyd R.H., Донской С. Н., Калганова С.Г., Коновалов Н.П., Лущейкин Г.А, Tinga W.R., Федорова И.Г. и другие авторы. Вопросами создания и совершенствования систем управления устройств высокочастотного воздействия на диэлектрические материалы занимались Марков A.B., Румынский A.B., Трофимов Н. В, Юленец Ю.П. и др. Состояние вопроса автоматизации высокочастотного оборудования, предназначенного для технологических процессов сварки и сушки полимерных композиционных материалов, достаточно полно представлено в работах Каргапольцева С. К., Лившица A.B., Попова С.И. Филиппенко Н.Г., и др.

Однако, как выявлено из анализа публикаций по данному вопросу, в них не рассматриваются способы и методики оценки качества изделий из полимерных материалов при их изготовлении, ремонте и эксплуатации, а существующие методы организации процесса автоматизированного управления не могут быть распространены для технологического процесса диагностирования полимерных изделий.

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

Во второй главе диссертации при решении задач организации автоматизированного управления процессом диагностирования полимеров обоснован метод определения комплекса информационных и управляемых параметров контроля изделий из полимерных материалов и критерии их оценки.

В работах Попова С. И., Филиппенко Н. Г. с целью реализации ВЧ процессов сварки, сушки и восстановления полимеров был определен комплекс управляемых и контролируемых параметров процесса электротермии. К информационным параметрам относятся показатели динамического изменения анодного тока работы генератора, количество микроразрядов, возникающих в процессе разогрева. С

помощью данных параметров можно контролировать основной электрофизический показатель полимера ^ <-)) и фазовое состояние обрабатываемого материала. В рамках диссертационной работы была выдвинута гипотеза о возможности контроля состояния изделий из полимеров, содержащих несплошности материала в виде раковин, трещин, пустот по количеству возникновения частичных разрядов и наличия металлического включения по динамики разогрева материала.

Данная гипотеза нашла объяснение при изучении физических явлений, сопровождающих диэлектрический нагрев при контроле полимеров. На рис. 1. а представлена технологическая схема диагностирования полимерного образца с нарушением сплошности и схема ионизационных процессов в воздушном включении рис. 1. б.

+

а) б)

Рис. 1. Схема полимерного образца с дефектом типа «воздушное включение» а) технологическая схема, б) схема ионизационных процессов в воздушном

включении

Любой полимер между двумя электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как диэлектрик конденсатора определенной емкости. В главе отмечено, что при помещении изделия из полимера с дефектом типа «воздушное включение» в пространство между электродами с разностью потенциалов, напряженность электрического поля в воздушном включении превысит напряженность поля в окружающем его твердом диэлектрике. Это создаст условие для возникновения в месте дефекта ионизационных процессов. Данные процессы могут происходить как на поверхности раздела сред, так и внутри изделия из полимера и идентифицируются как микроразряды.

При воздействии электрического поля на металлическое включение происходит перераспределение свободных зарядов, в результате электростатической индукции на поверхности проводника возникают некомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Технологическая схема диагностирования полимерного образца с дефектом «металлическое включение» представлена на рис. 2 а, электрическая схема замещения системы высокочастотной электротермии представлена на рис. 2 б.

в

а) б)

Рис. 2. Схема полимерного образца с дефектом типа «металлическое включение» а) технологическая схема, б) схема замещения Сд-емкость конденсатора без металлического включения, С.«/, С«? - емкость конденсаторов, разделенных металлическим включением.

Из схемы замещения (рис. 2 б.) следует, что исследуемый образец с металлическим включением может быть представлен как система параллельно соединенных конденсаторов (Сд с сборкой из последовательно установленных емкостей С„/ и С,,?).

Полная емкость на участке АВ:

£ _ См1 ' С,,2 _ ££(,$

м2

где: См1 - емкость конденсатора над металлической пластиной, Ф; Сл,2 - емкость конденсатора под металлической пластиной, Ф; е - относительная диэлектрическая проницаемость; ед - диэлектрическая постоянная, Ф/м; 5 - площадь обкладок конденсатора, м2; с!-.,/, с1ч2- расстояние между обкладками конденсатора, м.

Отсюда можно сделать вывод о том, что чем больше толщина и площадь поверхности металлического включения, тем больше полная емкость рабочего конденсатора. Мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика составляет:

Р = и2-си-(СА+С„)-(§б, (2)

где и — напряжение рабочего конденсатора, В; Сп - полная емкость конденсаторов, разделенных металлическим включением, Ф; Сд - емкость рабочего конденсатора без металлического включения, Ф; tgS - тангенс угла диэлектрических потерь; со - частота колебаний Гц\ Р - удельная мощность нагрева, Вт/м3.

Соответственно, воздействие высокочастотного излучения на разогрев полиамида увеличится (время нагрева пропорционально размеру металлического включения). Дополнительно следует отметить, что аналогичная картина по увеличенной динамике разогрева наблюдается и в другом случае - при повышенном содержании влаги. Однозначно интерпретировать результаты по динамике разогрева к тому или иному дефекту невозможно. Целесообразно реализовать дополнительный процесс сушки с последующим повторным контролем, либо осуществить поиск дополнительного выходного параметра.

С целью подтверждения выдвинутой гипотезы была проведена серия экспериментов. Исследования проводились на базе автоматизированной системы научных исследований высокочастотной обработки изделий из полимеров, разработанной Попо-

вым С. И. Данная система функционально пригодна для исследования процессов ВЧ диагностирования и формирования технических решений по автоматизации управления процессом.

Исследовались эталонные образцы и образцы с металлическим включением, нарушением сплошности материала и с повышенной влажностью. Результаты исследований представлены на диаграммах изменения анодного тока диагностируемых образцов с дефектами типа «воздушное включение» рис. 3 а, «металлическое включение» рис. 3 б.

Рис. 3. Диаграммы изменения анодного тока диагностируемых образцов а) с дефектом типа воздушное включение, б) с дефектом металлическое включение

Анализ полученных данных показывает, что при диагностировании изделий с воздушным включением прослеживаются скачки анодного тока (микроразряды) (рис. 3 а), возникающие в результате ионизационных процессов. При контроле металлического включения наблюдается динамическое увеличение анодного тока (рис. 3 б). Аналогичная картина соответствует и диагностированию образцов с повышенной влагой. При контроле эталонных изделий отсутствуют скачки анодного тока при практически линейной динамике его увеличения. Для выделения сигналов, значимых с точки зрения автоматизации управления, был разработан программный алгоритм избирательного усиления амплитуды микроразрядов. Использование разработанного программного обеспечения позволило уверенно выделять и регистрировать возникающие микроразряды при контроле образцов.

Экспериментальные и теоретические исследования позволили определить перечень параметров, используемых при автоматизации процесса управления диагностированием, таких как время разогрева и количество микроразрядов. Задачу количественного наполнения методик управления, расширения номенклатуры контролируемых материалов позволяет решить математическое моделирование.

В третьей главе создана математическая модель высокочастотного нагрева эталонного полимерного изделия и изделия с дефектом типа «металлическое включение». При построении математической модели исследуемый образец рассматривался как совокупность трех участков: первый участок — полиамид без дефекта, второй участок — полиамид, расположенный над дефектом, третий участок -полиамид, расположенный под дефектом (рис. 4).

44 44 4 хч>ч

Рис. 4. Схема смоделированного образца с дефектом типа «металлическая

включение»

В ходе диссертационного исследования разработана технологическая схема высокочастотного воздействия, представляющая собой совокупность электродов, переменного количества теплоизоляторов и нагреваемого изделия с дефектом (рис. 5).

Рис. 5. Технологическая схема высокочастотного воздействия на изделие с дефектом типа «металлическое включение»

1, 5, 6, 12 - электроды; 2, 4, 7, 11 - изоляторы; 3, 8, 10 - полимер; 9 - металлическое включение.

Принимая во внимание технологическую схему высокочастотного воздействия, для расчета динамики разогрева каждого участка использовалась математическая модель. Распределение температуры в многослойной пластине описывается системой уравнений нестационарной теплопроводности. Разогрев участка без металлической пластины описывается системой уравнений (3), а динамика увеличения температуры участков с металлическим включением характеризуется системой уравнений (4). дТх _ Л, Э2Г, .

дт

д^ дт

ОТ, дт

д^ дт

дТ5 5т

с^тр,

к

сгХТг)рг

Л

я.

Л

<=ЛТ5)Р5

дх '

82Т2 ' дх2 д% ' дх2 '

8% ' а*2

з%

' 8х2 '

(3)

сЛТъ)рг

дт<,

дТ,. 8Т„

17

8Т1г

~з7

Л.

сга,)г, л,

К

(ТЛр,

8% _ "йх2"'

8% 8% д\

(4)

Р,»

для второго участка /'/ = 12; 6=11; 6=10; 6=9; для третьего участка ¡¡=6; 6=7; 6=8; 6=9; где 7} - локальная температура слоя, С°; х - текущая толщина слоя, мм; ).Г коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); с,,, - удельная теплоемкость, КДж/(кг-К); pj — плотность материала, Па; ру - удельная мощность внутреннего источника тепла Вт/м3; ] - номер слоя: 1, 5, 6, 12 - электроды; 2, 4, 7, 11 - изоляторы; 3, 8, 10 -полимер; 9- металлическое включение.

Граничные условия на внешних границах электродов соответствуют:

-А^-1 =а АТ; {¡=5,1,12,6);

дх 1*=*' ' '

где а! - коэффициент теплообмена; Д7/ - разница температур поверхности тела и окружающей среды.

Принимая во внимание относительно низкие температуры нагрева исследуемых полимеров при диагностировании и высокую динамику разогрева, теплообмен с окружающей его средой при контроле первых и единичных изделий можно считать пренебрежимо малым:

(6)

дх 1 '

На границах слоев тепловые потоки и температуры равны:

Т1 =ТМ\ {¡=1--4; 6...11); (7)

аг Л —=л.

Зс

7+1

ос

(8)

Удельная мощность Р/ отлична от нуля только для полимера

Р, *0; (1=3, 8, 10); (9)

Результаты расчета удельной мощности на трех участках образца (рис.4) представлены на диаграмме, изображенной на рис. 6 (при этом графики удельных мощностей на втором и третьем участке совпадают)

4.00Е+07

3.50Е+07

3,00Е+07

2,50Е+07

а 2.00Е+07

1,50Е+07

С 1.00Е+07

5,00Е+06

/ ---

//

50

гуд1

100 т, °с

~ Р\д2

150

200

гудЗ

Рис. 6. Зависимости удельной мощности от температуры на на трех участках образца полиамида 610

Проведенные расчеты с использованием математической модели показали, что образец разогревается неравномерно, требуемая температура на втором и третьем участке полиамидного образца (рис. 4.) достигается за 25 секунд. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о возможности использования математической модели для расчета необходимого времени диагностирования, превышение которого приведет к расплаву изделия.

Следующим этапом диссертационного исследования было нахождение зависимости мгновенной потребляемой мощности от времени разогрева г мим

(0 па

каждом участке, график которой представлен на рис. 7. Полученные зависимости

удельной мощности от температуры Лм.и/(У, Рмпи'О). РлтизО) были аппроксимированы в виде полиномиальной функции и использованы при определении энергии, затрачиваемой на разогрев изделия с дефектом типа «металлическая включение»:

25

Э„0треб = \Рмпл,(1)-Л (10)

о

7 6

5

4

I 3 а,

2 1 0

/ 6,5

/1 / А | 0,2У

/

/ Г

/ /

/ А ;

...............а,-

10

15 и с

20

0,35 0,3

0,25 5 0,2

0,15 сц5 0,1 0,05 0

25

30

чпч! -¿г- \ltl\i? —Я—. чпиЯ

Рис. 7. Зависимость мгновенной потребляемой мощности на участках полиамида 610 от времени разогрева

Проверка соответствия модели реальным процессам нагрева показала, что при диагностировании образцов из полиамида марки 610 толщиной 8 мм и радиусом 15 мм, время составляет 111 сек, а время разогрева образца тех же размеров с дефектом типа «металлическая включение» объемом 4 мм3 за 25 секунд, отклонения по времени разогрева от экспериментальных исследований составляют не более 2%, что подтверждает корректность математической модели. При этом потребляемая мощность эталонного образца составляет 1,3 Втч, а образца с дефектом - 0,35 Втч.

Аналогичным способом были получены зависимости Руа(Т) и Р,т-.,(1) образцов с металлическими включениями различных размеров и координат расположения, а также проведены расчеты потребляемой энергии на разогрев образца. Результаты расчетов энергии представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчета потребляемой энергии в зависимости от размера и расположения

металлического включения

Расположение Геометрические размеры Потребляе- Потребляе-

металлического металлического включения мая энергия мая энергия

включения Ь, мм Ь, мм 1, мм V, мм Втсек Втч

нет 0 0 0 0 4,946-103 1,374

1 2 2 4 127,181 0,035

0,5 2 2 2 254,532 0,070

ШИШ] 0,1 2 2 0,4 325,091 0,090

1ЙЁ1 1 2 2 4 1,405 ■ 103 0,390

0,5 2 2 2 2,321 • 103 0,644

0,1 2 2 0,4 3,597-103 1

Для отображения результатов были построены графики зависимости потребляемой энергии от размера металлического включения площадью 4 мм2, расположенного в середине и в нижней части образца (рис. 8.) в сравнении с энергией, затраченной на разогрев эталона.

На основании вышеизложенных результатов можно сделать вывод о том, что чем больше размер металлического включения внутри полимера, тем меньше расходуется энергии и времени на разогрев объекта контроля. Анализ результатов, полученных с помощью математической модели, позволил выявить дополнительный обладающий информативностью контролируемый параметр - потребляемая энергия.

I

О'

5000 4000 3000 2000 1000

Годен

Брак, ме галл на поверг ности

Брак, мет шл внутри из; елня

О 0,25 0,5 0,75 1

Высота металлического включения, лш Рис. 8. Зависимость потребляемой энергии от высоты и расположения металлического включения

Анализ данных показывает, что потребляемая энергия на разогрев с уменьшением объема металлического включения приближается к эталонной, что послужило основой в определении чувствительности предлагаемого метода диагностирования. В результате предложенный метод позволяет выявить дефекты типа «металлическое включение» совокупным объемом 0,0017%, что соответствует включению 1 мм3 в образце 100x100x6мм.

Для использования разработанного метода контроля и управления процессом диагностирования необходимо при обработке разнообразных материалов и изделий различных габаритов обеспечить постоянный уровень энергетического воздействия. Созданная математическая модель позволяет определять напряжение на обкладках рабочего конденсатора, необходимого для сохранения удельной мощности разогрева.

Таким образом, был сформирован комплекс информационных параметров необходимых для организации процесса автоматизированного управления высокочастотным диагностированием (количество микроразрядов, время разогрева, потребляемая энергия, анодный ток, напряжение на рабочем конденсаторе).

Для расчетов основных параметров процесса диагностирования методом высокочастотного излучения в настоящем диссертационном исследовании был разработан программный комплекс А1ео-В1а£по51. Интерфейс комплекса, реализованного на языке программирования высокого уровня С++, представлен на рис. 9.

Ввод данных: (Этап 1)

е'= а^Т8 ♦Ь,"!'5«:^4 td,"!3+е,Т 2 tf,"! tg,

j>.73585ET2j 1.6444SE-0 j3,57782£-0lj 3,4э441Е 0 ¡0.00161306i| 0.0275Ü79E |0,143522£в Coty j Сздт j Coff j Copy j Сосу j Copy j Coty j

ЧаСТ. facT- |27.12EG ГЦ Tmax - [ж °C

Выбор формы и размеров обазца -<~ Блок Цилиндр

График j

Aleo-Diaqriost Диагностика полимерных

---изделий-

Результаты расчета: график |

Руд-аг*Т +Ьг*Т «сг"Т +d2"T +е2*Т г*Т >д? .Вт

¡2.3739Е-5 Cow I

0.0142БЭ ОХУ

¡3.1045 Сору

¡-300.61 ; Сору

13997 Сору

¡-2.38МЕ5

Сиу i

.2453Е6 Cwy

Информационное окно

ЭТАП 4. ' погмюмамгновенной мощности

Рай и расчет потреаляемой мощности Р. Проведте РАСЧЕТ ртап41

II ПРИ НЕОБХОДИМОСТИ РАСЧЕТЫ ПОВТОРИТЬ!!

ЭТАП 4 :> л* ч г-'.т пслллмв мгнсеешой мошне«™

Рай и расчет погрвйляемм мощности Р. Проведите РАСЧЕТ Ргап 41

!1 nFH НЕОБХОДИМОСТИ РАСЧЕТЫ ПОВТОРИТЬ'!

РАСЧЕТ (этап 2)

№

Высота h= [4 ' мм Высота h= р Длина f= [20 мм Радиус r= fis~ Ширина m={iö мм

1СЧЕ1 (зт»п|

Результаты расчета:

Площадь S=füöE_ Объем V= ¡5 «-в

Напряжение U= [и

РАСЧЕТ (этап 3)

РАСЧЕТ (этап 4)

т,°с Р«д.Вт Роб .Вт 1,сек

ш 0.637 2

ш 7,76 34

60 ¿•>26700.5 1Ш 64

80 44.13-135 5 76

III« wams 44 ¿5 93

!рЙ ит'&г 77.08 38

11 £1235052 114.7 103

Iii $44.1 106'

ащ 23776SÜ3 155.« 708

ЦЩ 158 ТТ5

ж 24.^5070 1688 ... 1 ш

Результаты расчета:

Pa6=a3"t6 +Ь3Ч5 +СзП4 tdjl3 +e,t2 +t3*t

¡■3,7ё48Е-9 j _Ё531_|

.5695E-7 j-2.5068Ei ¡ 0.0060823 ¡0.48339 Ccyy j Copy j Cwy | Copy

[9.7345 _Cof£_

♦д3.Вт

P135 l_£äJ

Потребляемая мощность P |«Sj

График

Рис. 9. Интерфейс программного комплекса А1ео-От§по51

Четвертая глава посвящена разработке, изготовлению и апробации автоматизированной системы управления процессом высокочастотного диагностирования полимерных материалов. Созданная математическая модель, сформированные научно обоснованные информационные параметры процесса дефектоскопии и методика их использования позволили решить задачу построения АСУ ТП. Был сформирован алгоритм, позволяющий автоматизировать процесс высокочастотной дефектоскопии изделий из полимеров. На основе предложенного способа контроля и методики управления разработана блок-схема автоматизированной системы управления и алгоритм её функционирования. Структурная схема устройства автоматизации ВЧ диагностирования представлена на рис. 10. Разработанный программный алгоритм управления процессом выявления дефектов в изделиях представлен на рис. 11. Схема автоматизированной системы управления процессом диагностирования изделий методом высокочастотного излучения представлена на рис. 12.

Таким образом, созданная по данной методике автоматизированная система технологического процесса позволяет производить в автоматизированном режиме диагностирование изделий, определять наличие дефекта, его тип и координаты расположения.

Особенностью разработанной АСУ ТП ВЧ диагностирования в рамках данной диссертации является то, что при ее реализации не вносятся изменения в существующие принципиальные электрические схемы устройств высокочастотной обработки и она может быть использована не только для диагностирования, но и для других технологических процессов ВЧ электротермии.

Рис. 10. Структурная схема устройства автоматизации ВЧ диагностирования изделий из полимерных материалов

у Конец )

Рис. 11. Алгоритм программы управления процессом выявления дефектов в

изделиях

ОПЕРАТОР

и___________________]

Рис. 12. Структурная схема автоматизированной системы управления процессом ВЧ

диагностирования

При контроле геометрически сложных деталей без применения дополнительных приспособлений (электродов) невозможно обеспечить точность и достоверность результатов диагностирования. Более того, при диагностировании габаритных изделий методом высокочастотного излучения мощность оборудования квадратично возрастает с увеличением высоты. Данная проблема была решена усовершенствованием способа конструирования электродов с разбиением изделия на участки, представляющие собой элементарные конденсаторы. Способ был усовершенствован введением расчетного зазора конструкции электродов, обеспечивающего равномерность энерговоздействия на элементы изделия. Кроме этого была разработана методика расчета толщины данного зазора. Технологическая схема системы электродов и диагностируемого изделия (на примере полиамидного сепаратора подшипника буксового узла) представлена на рис. 13.

Рис. 13. Схема расположения электродов высокочастотного диагностирования 1 — подвижная верхняя высокопотенциальная плита; 2 — нижняя заземленная плита; 3 — верхняя контактная группа; 4 — нижняя контактная группа; 5 -сепаратор; 6 — перегородки сепаратора; 7 - верхний обод; 8 - нижний обод; 9 — электроды; 10 — пресс в поднятом

состоянии.

Достижение равномерного ВЧ воздействия на изделие по всему объему обеспечивается одинаковой емкостью по сечению элементарных конденсаторов при помощи создания дополнительных воздушных зазоров. С этой целью в рамках данного исследования определялись емкости конденсаторов, состоящих из электродов и расположенных между ними верхней (нижней) перегородок сепаратора и его перемычек (рис. 13). Перемычки сепаратора имеют сложную геометрическую форму с различными сечениями. Поэтому были найдены значения емкости части технологической системы электрод - перемычка сепаратора и части электрод — перемычка - воздушный зазор с целью создания одного потенциала на обкладках геометрически сложного спроектированного конденсатора.

Расчет емкости части технологической системы электрод - перемычка проводился согласно выражению:

£■£„■ Б,

С =

У-,

^d+i■tga + i■tgP

(П)

где: е - относительная диэлектрическая проницаемость; ео - диэлектрическая постоянная, Ф/м; с/ - расстояние между электродами, м; - ширина ¡-го конденсатора м; & - площадь пластины ¡-го конденсатора л/2; а, /9-углы направляющих перемычек. Емкость конденсатора части технологической системы электрод - воздушный зазор рассчитывалась исходя из выражения:

Се =-^-, (12)

2-/,-^/г + 2-/,-18(.а-Р) где: Евоз - диэлектрическая проницаемость воздуха; Ф/м\ /; - высота ¡-го конденсатора, м;

Емкость конденсатора части технологической системы электрод - перемычка рассчитывалась исходя из выражения:

с .г . ?

(13)

Сп =

£ ■ Е„ ■ 5 пол

где: е„о1 -

диэлектрическая проницаемость полиамида;

/ - общая высота

конденсатора, л».

Таким образом, равные между собой емкости конденсаторов позволяют обеспечить равномерный прогрев сепаратора в процессе диагностирования. Такая методика расчета при конструировании технологической оснастки позволяет применить метод диагностирования токами высокой частоты к практически любым изделиям из полимерных материалов с геометрическими формами любой сложности.

Исследования системы АСУ ТП в промышленных условиях производились на предприятии ОАО «Вагонная ремонтная компания - 1» станция Чернышевск. Экономический эффект от внедрения в 2013 году составил 413 300 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На основе проведенных исследований изложены и научно обоснованы технические и технологические решения по автоматизации управления процессом высокочастотного диагностирования изделий из полимерных материалов. При этом получены следующие результаты:

1. Предложена методика определения комплекса контролируемых и управляемых параметров контроля изделий из полимерных материалов и критерии их оценки, отличающиеся комплексным использованием при организации автоматизированного управления процессом диагностирования изделий из полимерных материалов.

2. Разработаны и экспериментально подтверждены способы диагностирования изделий из полимерных материалов, заключающиеся в одновременном выявлении дефектов «металлическое включение» по контролю потребляемой энергии работы высокочастотного оборудования, «воздушное включение» по контролю количества и количеству возникновения частичных разрядов, а также состояния «повышенное влагосодержание» по времени электротермического нагрева.

3. Для геометрически различных форм и размеров полимерных изделий с дефектом типа «металлическое включение» разработана математическая модель высокочастотного нагрева, позволяющая производить расчет основных необходимых параметров автоматизированного процесса диагностирования, позволяющая исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы для решения практических задач диагностирования. Разработано программное обеспечение для определения режимов высокочастотной электротермии в зависимости от геометрических и физико-химических параметров изделия.

4. Разработана методика определения входных параметров электротермического оборудования при автоматизации управления процессом высокочастотного диагностирования, отличающаяся установленной математической зависимостью подачи рабочего напряжения от формы и размеров контролируемого изделия.

5. Разработана система автоматизированного управления высокочастотным диагностированием и алгоритм ее функционирования.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Ларченко А. Г. Автоматизированное выявление дефектов в изделиях из полиамидных материалов методом высокочастотного излучения [Текст] // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, - 2014. - №1 (41). - С. 160- 165.

2. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В. Моделирование процесса

самовосстановления полимеров полем высокой частоты. [Текст] // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, - 2014. - №1 (41).-С. 204-209.

3. Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г. Определение физико-механических параметров полимерных материалов при высокочастотном диэлектрическом нагреве в электротермических установках [Текст] // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, - 2013. - №2 (38). - С. 50 - 55.

4. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Попов С. И., Лившиц А. В., Исследование влияния диэлектрических элементов рабочего конденсатора в высокочастотной электротермической установке на процесс обработки полимерных материалов [Текст] // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, - 2013. - № 3 (39). -С.65 - 70.

Патенты и свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

5. Устройство диагностики деталей из полиамидных материалов [Текст]: пат. 132209 Российская Федерация МПК С0Ш29/04 / Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Попов С. И., Филиппенко Н. Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения. -№132209. заявлен 10.09.2013.

6. Свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013617957 расчет нагрева элементов технологической системы при высокочастотной термической обработке [Текст] / Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В., Попов С. И.; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения. - №2013617957 зарегистрирована 28.08.2013 г.

7. Свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ №2013619699 программный модуль формирования технологической документации на основе графической информации [Текст] / Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Попов С. И., Филиппенко Н. Г., Каргапольцев С. К.; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения. -№2013619699 зарегистрирована 14.10.2013 г.

8. Свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ №2013661820 программа фильтрации значений сигналов анодного тока высокочастотного генератора электротермической установки методом скользящей средней [Текст] / Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В., Попов С. И., Каргапольцев С. К.; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения. - №2013661820 зарегистрирована 16.12.2013 г.

9. Свидетельство государственной регистрации программ для ЭВМ №20146115490 программа расчет времени и температуры разогрева элементов технологической системы при диагностике методом высокочастотного излучения [Текст] / Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г.; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения. - №20146115490 зарегистрирована 28.05.2014 г.

Публикации в других изданиях:

10. Ларченко А. Г., Думчев И. С., Лившиц А. В., Попов С. И., Филиппенко Н. Г. Восстановление полиамидных сепараторов подшипников буксового узла подвижного состава ОАО РЖД [Текст] // Научный журнал. Молодой ученый, 2012. - №12 (47). -С.48-51.

11. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В. Инновационный метод диагностики изделий из полимерных материалов [Текст] // Сборник научных трудов. Транспортная инфраструктура Сибирского региона, 2013. - №2. - С.437-440.

12. Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г. Диагностика изделий из полиамидных материалов [Текст] // Сборник научных трудов. Проблемы транспорта Восточной Сибири, 2013. - №2. - С.129-132.

13. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В., Попов С. И., Адаптивное управление высокочастотным нагревом [Текст] // Институт динамики СО РАН, Байкальский научный центр академии инженерных наук. Сборник Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте, 2013. - №23. -С.155-163.

14. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В., Попов С. И., Разработка автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов с защитой от пробойных явлений [Текст] // Институт динамики СО РАН, Байкальский научный центр академии инженерных наук. Сборник Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте, 2013. - №23. -С.163-172.

15. Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г. Кинетика самовосстановления термопластичных конструкционных материалов [Текст] // Сборник статей. Авиамашиностроение и транспорт Сибири, 2014. - С. 201-206.

16. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В. Высокочастотный метод диагностики полиамидных сепараторов подшипников буксового узла [Текст] // Сборник статей. Авиамашиностроение и транспорт Сибири. 2014г. - С. 206 -211.

17. Ларченко А. Г., Лившиц А. В., Филиппенко Н. Г. Исследование процессов самовосстановления полимеров в высокочастотном электрическом поле [Текст] // Институт динамики СО РАН, Байкальский научный центр академии инженерных наук. Сборник Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте, 2014.-№24 С. 111-118.

18. Ларченко А. Г., Филиппенко Н. Г., Лившиц А. В. Исследование причин разрушений полиамидных сепараторов буксовых узлов подвижного состава [Текст] // Институт динамики СО РАН, Байкальский научный центр академии инженерных наук. Сборник Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте, 2014. - №24 - С. 118 - 132.

Подписано в печать 09.09.14 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,34

Тираж 100 экз. Заказ № 2397 Отпечатано в типографии ИрГУПС Адрес: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.