WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ФИЛИППЕНКО НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2012

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

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Каргапольцев Сергей Константинович

Официальные оппоненты:

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

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

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

Защита состоится 24 мая 2012 г., в 14 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу:

664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского 15, ауд. А-803.

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

факс: (8-3952) 38-76-e-mail: mail@irgups.ru WWW: http://www.irgups.ru

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

Автореферат разослан 11 апреля 2012 г.

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

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.т.н., профессор Тихий Иван Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

В связи с этим, возрастающий объем и ассортимент производства деталей из полимеров требует дальнейшего совершенствования существующих технологических процессов их изготовления. В настоящее время к наиболее прогрессивным способам изготовления деталей следует отнести ресурсо- и энергосберегающие технологии, связанные с обработкой полимерных материалов токами высокой частоты (ВЧ). В отличие от традиционных технологий с внешним подводом тепла, такими как конвекционное, тепловое излучение, электротермия обладает целым рядом преимуществ:

избирательность воздействия (наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими показателями диэлектрических потерь); быстрый и управляемый прогрев материала в объеме вне зависимости от его геометрических размеров, формы и коэффициента теплопроводности; безинерционность (отсутствие тепловой инерции нагревателя); отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем; возможность концентрации высоких энергий в больших объемах.

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

К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: недостаточный уровень разработки теории процесса термической обработки ВЧ-полем влажных, загрязненных, неоднородных материалов; недостаточную изученность технологических режимов процессов ВЧ-термообработки, в том числе при различной влажности, включениях и предыстории полимерных и композитных материалов;

невозможность использования прямых методов контроля ВЧ-процесса; отсутствие практических разработок в области автоматизации установок ВЧ-нагрева.

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

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

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

4. Разработать имитационную математическую модель процесса высокочастотной обработки полимерных материалов с отображением пробойных явлений.

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

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

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

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

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

Методы исследований. Исследования проводились на основе математического моделирования, теории поля, электродинамики, физикохимии полимерных материалов, проектирования автоматизированных систем, электротехники, математической статистики, численных методов. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием классического термомеханического и хроноамперометрического методов исследования полимерных материалов. В ходе исследований было использовано программное обеспечение: CodeVision AVR, GoldWave, PowerGraph, MsOffice.

Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

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

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

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

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

Практическое значение работы. На основе предложенной методики управления высокочастотной обработки полимерных материалов разработана циклограмма рабо чих процессов ВЧ-сушки и ВЧ-сварки, отображающая параметры и последовательность выполнения этапов технологических операций.

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

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

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

Реализация результатов работы. Основные результаты работ были апробированы и применены на предприятии полиграфической отрасли. Экономический эффект от внедрения составил более 800 000 рублей в год.

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

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

Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Технологии восстановления полиамидных сепараторов полем высокой частоты.

Автоматизация ВЧ-установки», зарегистрированной ФГНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти», рег. № 01201177497 от 10.01.2011г.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе на основе обзора научных источников проведен анализ автоматизированных систем и способов управления ВЧ-процессом обработки полимерных материалов и решений, направленных на повышение их работоспособности. Рассмотрены пути повышения энергоэффективности процесса электротермии. Значительный практический интерес представляет использование систем управления на основе микропроцессорной техники. Наличие микропроцессоров в контуре управления делает интеллектуальными системы регулирования, повышает надежность, достоверность и позволяет выполнять обработку различных полимерных материалов в поле ВЧ с максимальной энергоэффективностью. Применение таких схем АСУ является одним из перспективных методов расширения возможностей использования установок диэлектрического нагрева.

Исследованиями систем управления процессами ВЧ-обработки занимались Юленец Ю.П., Архангельский Ю.С., Донской С. Н., Федорова И.Г., Марков А.В., Румынский А.В., Калганова С.Г., Коновалов Н.П. и другие авторы.

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

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

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

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

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

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

Были исследованы образцы из полимерного маслобензостойкого пластиката марки ОМБ-60 ГОСТ 5960-98. Схематичное отображение расчетных данных представлено на рис. 1, где видна характерная зависимость глубины проникновения Е электромагнитной волны (ЭМВ) в полимерный материал от частоты излучения f электромагнитного поля. При этом в расчетах использовались только разрешенные к эксплуатации в промышленном оборудовании частоты.

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

30,, м 25,20,15,10,5,0,27,12 40,68 433,92 866 915 2375 2450 5800 221f, МГц Рис.1. Схематичное отображение глубины проникновения ЭМВ от частоты излучения Для подтверждения расчетных зависимостей были проведены экспериментальные ВЧ- и СВЧ-обработки пластиката ОМБ-60 при мощности воздействия P = const.

Результаты полученных экспериментальных данных представлены в табл.1.

Табл.Результаты экспериментальных данных ВЧ - и СВЧ-обработки пластиката ОМБ-Время на- Мощность Температура нагреЧастоты нагрева, МГц грева сек. Ватт ва (начальная 200С)0С 30 27,12 45 60 930 2450 45 60 Основываясь на полученных расчетных и экспериментальных данных, в качестве наиболее предпочтительной была принята частота ВЧ-излучения в диапазоне 27,12±0,16%МГц.

Анализ установки (на примере оборудования типа УЗП 2500) диэлектрического нагрева полимерных материалов и технологического процесса ВЧ-обработки (рис. 2) показал, что в существующем виде ВЧ-установка практически не автоматизирована.

Момент окончания цикла обработки (ВЧ-нагрева) определяется оператором экспериментально. Продолжительность цикла каждый раз приобретает новое значение, так как полимерные материалы обладают рядом существенных недостатков: водопоглощение, изменение со временем прочностных характеристик и др.

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

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

Тсв = Тпл, (1) где: Тсв – температура сварки; Тпл, – температура плавления.

АЕ КI Ia tc 3-4-9 3 НА V Кв 13-F 7 12 6 8 13 Рис. 2. Схема установки и технологического процесса ВЧ-обработки полимерного материала: 1 – ВЧ-генератор; 2 – пульт оператора; 3 –амперметр; 4 – реле времени; 5 – оператор; 6 – заземленный электрод; 7 – высокопотенциальный электрод; 8 – низкопотенциальная опорная плита; 9 – привод пресса; 10 – высокопотенциальная плита; – защитный экран; 12 – обрабатываемое изделие; 13 – регулятор мощности.

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

Тсуш 90%Тпл, (2) где: Тсуш – температура сушки.

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

Факторами, влияющими на мощность воздействия ВЧ-излучения, являются, в основном, электрофизические показатели обрабатываемого материала, а именно, тангенс угла диэлектрических потерь tg и диэлектрическая проницаемость полимера е.

Частота генератора электротермического оборудования в процессе эксплуатации является постоянной величиной. Было определено, что изменения показателей tg и е с ростом температуры полимера при ВЧ-обработке имеют существенные отличия.

Так рост показателей диэлектрической проницаемости е в зависимости от температуры имеет характеристику близкую к линейной зависимости. Динамика тангенса угла диэлектрических потерь tg, в зависимости от температуры, имеет более сложную зависимость и характеризует как химическое, так и физическое состояние материалов. Было определено, что вопрос о влиянии пробоев на процесс оптимизации работы ВЧ-установок никем не рассматривался, а система предохранения от пробоя реализована в виде токовых реле, установленных в силовых цепях ВЧ-оборудования.

Такая система безусловно необходима, но ее возможности ограничиваются защитой только самого электрооборудования установки. На основе вышеизложенного было принято, что развитие пробоя в процессе ВЧ-обработки полимерных материалов может контролироваться и управляться ограничением интенсивности возрастания электрического тока.

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

Контроль процесса электротермической обработки материалов – задача, от решения которой зависит качество обработки. Измерение параметров обрабатываемых ди электрических материалов в зоне ВЧ-воздействия – это затратная и технически сложная задача. На практике в процессе электротермической обработки на систему ВЧгенератор – технологическое устройство воздействуют ряд внешних и внутренних факторов, которые не позволяют режиму работы оставаться постоянным.

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

о Т, С III 1 Tпл Период жидкой 1 II Период фазы I плавления Период нагрева t1 t2 t, сек Рис. 3. Процесс фазовых превращений, где: t1, – время нагрева до начала плавления; t2 –время периода плавления; Т –темпера- тура вещества; I – период нагрева твердого вещества; II – период плавления; III – пе- риод жидкой фазы вещества.

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

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

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

4f0"(T )EU ab p Ia (3) d или Ia k( (T) ), (4) где k = const электрофизических величин.

Анализ выражения (3) позволяет сделать следующий вывод: изменение фазового состояния можно проследить по динамике изменения коэффициента диэлектрических потерь f T. Следовательно, в соответствии с зависимостью (4), контроль фазового состояния можно осуществлять по динамике анодного тока Ia.

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

Iа = f(T, Tпл) (5) Была разработана автоматизированная установка для определения амперо- метрической зависимости фазового превращения полимерных материалов из прямых экспериментов на высокочастотной установке, схема которой показана на рис. 4.

Ia РЕ P 3 АЕ 9-7-ТЕ T 6-е"(T) Ia(T) Рис. 4. Схема автоматизированной установки для определения амперометрической зависимости фазового превращения полимерного материала: 1 – образец; 2 – электроды рабочего конденсатора; 3 – ВЧ-генератор; 4 – приспособление для нагрева образца;

5 – электронагревательный элемент; 6 – термопара; 6-1 – термопара-термометр;

7 – защитный экран; 7-1 – амперметр (линейный датчик с выходом по напряжению);

8 – вычислительный блок.

Полученные с помощью описанной установки амперометрические зависимости Iа(T) фазового превращения ПВХ приведены на рис. 5.

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

Максимальному значению анодного тока соответствует температура полимера равная примерно 85…91%Тпл, что объясняется подвижностью полярных групп и приблизительно согласуется с результатами, приведенными в других источниках.

Решение подзадачи контроля предпробойного состояния было найдено в ходе экспериментальных исследований.

Рис. 5. Амперометрическая зависимость фазового превращения ПВХ При проведении натурных испытаний были отмечены возникающие незначительные разряды, которые изначально были идентифицированы как пробои.

Ряд дендритных образований на поверхностях диэлектрических материалов и их исследование на диэлектрическую прочность мегомметром и повторным воздействием ВЧ-поля не подтвердили наличие шунтирующих пробойных каналов.

Это дало возможность предположить, что данные явления относятся к частичным разрядам (ЧР).

Проведя дополнительные исследования, было определено, что ЧР являются очень чувствительной характеристикой предпробойного состояния полимеров в процессе ВЧ-воздействия. Измерение импульсов ЧР позволяет с высокой достоверностью выявить механизмы развития пробоя на самых ранних стадиях его возникновения.

Подтверждение этому нашлось при проведении экспериментальных исследований образцов материалов с различными физико-химическими свойствами и геометрическими параметрами (табл. 2).

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

n i, j exp(A i, j B i, j i, j ), (6) где: i,j. – время возникновения разряда i-го материала j-го геометрического размера; ni,j – количество частичных разрядов i-го материала j-го геометрического размера;

Ai,j Bi,j – коэффициенты аппроксимированных кривых.

Табл.Исследуемые материалы для ВЧ-обработки Материал, i Фольга Кабельный ПВХ Полиамид Резина Толщина, j полиграфическая пластикат 0,04 0,07 0,9 1,2 2,4 4,5 9,2 НАГРЕВ ВКЛ H НАГРЕВ ОТКЛ ПУСК Ia 7 АЕ F ОТКЛ ~V ±V AЕ QЕ 5-5-Рис. 6. Принципиальная схема экспериментальной установки измерения динамики ЧР:

1 – образец изделия; 2 – образец изделия; 3 – электроды рабочего конденсатора;

4 – изоляционный вкладыш; 5-1 – акустический датчик; 5-2 – аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 6 – вычислительное устройство; 7 – ВЧ-генератор;

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

Взяв за исходную, кривую с максимальными показателями возникновения предпробойного состояния, используя метод аппроксимации, была получена зависимость вида nчр.КДЧР exp(A Bчр расч.КДЧР ), (7) отсюда ln nчр.КДЧР - A . (8) чр расч.КДЧР B Полученные экспериментальные кривые возникновения ЧР и аппроксимированная кривая динамики частичных разрядов (КДЧР) представлены на рис. 7.

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

nчрюКДЧР exp(1,81 1,99 ), (9) чр расч.КДЧР или ln nчр.КДЧР 1, , (10) чр расч.КДЧР 1,где: чр.КДЧР – расчетное время возникновения разряда; nчр.КДЧР – количество частичных разрядов.

За начало развития предпробойного состояния был принят факт появления ЧР.

Таким образом, была получена имитационная математическая модель ВЧ-процесса, учитывающая возникновение предпробойного состояния для материалов со значительными отличиями по физико-химическим показателям и геометрическим размерам (толщине).

nчр, ед Фольга 0,04мм Зона интенсивности ЧР Фольга 0,07мм Полиамид Каб пластикат Фольга ПВХ 0,9мм.

ПВХ 1,2мм ПВХ 2,4мм КДЧР ПВХ Полиамид 0,9мм Полиамид 1,2мм Резина Полиамид 2,4мм Каб пластикат 0,9мм Каб пластикат 1,2мм Каб пластикат 2,4мм Резина 2,4мм Резина 4,6мм Резина 9,2мм КДЧР , с 0 1 Рис. 7. Экспериментальные кривые возникновения ЧР и аппроксимированная кривая динамики частичных разрядов (КДЧР) При этом была выявлена возможность расчета времени возникновения последующих частичных разрядов, что, в свою очередь, позволило в реальном режиме времени найти алгоритм управления процессом ВЧ-воздействия с целью предотвращения пробоя. Все это было использовано для организации контроля и управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов с максимальной энергоэффективностью (работа в режиме предпробойного состояния) и, при этом, с защитой от самого пробоя. Используя методы математической статистики, было определено критическое количество возникших ЧР (для момента принятия решения при процессе управления kдчр = 3), после которых происходит лавинообразное, сложно управляемое развитие пробойного явления.

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

1. Сварка:

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

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

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

2. Сушка:

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

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

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

г) В момент окончания времени сушки процесс обработки прекращается.

Графическое отображение управления процессами ВЧ-обработки выполнено в виде циклограмм и представлено на примере сушки (рис. 8).

Рис. 8. Циклограмма управления процессом ВЧ-сушки Четвертая глава посвящена разработке, изготовлению и исследованию автоматизированной системы управления процессами высокочастотной обработки полимерных материалов. На основе предложенного способа контроля и методики управления для ВЧ-сварки и ВЧ-сушки разработаны блок-схема АСУ и алгоритм её функционирования. Блок-схема автоматизированной системы управления процессом ВЧ-обработки изделий полимерных материалов представлена на примере ВЧ-сушки (рис. 9).

Рис. 9. Блок-схема АСУ процессом ВЧ-сушки изделий из полимерных материалов В состав системы входят блоки сбора, передачи и обработки информации, устройства исполнительного механизма. Особенностью созданной автоматизированной системы управления является то, что её установка на оборудование (рис. 10) не требует изменения принципиальных электрических и кинематических схем действующего оборудования.

ДАТЧИК ТОКА Постоянный ток А01 СА ССДрИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ СЛС11 LL02 LССДрСДАТЧИКИ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ ДрRС09 СПеременный ток Рис. 10. Система управления и её установка на оборудование Создание АСУ позволило расширить возможности ВЧ-оборудования. В связи с этим был разработан принцип конструирования технологической оснастки для обработки полимерных материалов и конструкций из них сложной геометрической формы. Реализация принципа конструирования показана на примере схемы устройства для высокочастотной обработки стеклонаполненных полиамидных сепараторов подшипников буксовых узлов подвижного состава (рис. 11).

Рис. 11. Схема устройства для высокочастотной обработки стеклонаполненных полиамидных сепараторов подшипников буксового узла Разработанные система автоматизированного управления электротермическим процессом и принцип разделения конструкции на зоны обработки (рис. 12) с созда- Рис.12. Зоны обработки полиамидного сепаратора нием пространственной схемы ВЧ-рабочих конденсаторов (рис. 13) позволили осуществить обработку геометрически сложных изделий без риска возникновения пробоя и деструктивных изменений полимеров.

Рис.13. Пространственная схема ВЧ-рабочих конденсаторов: Сраб – рабочий конденсатор; Спер, Соб – составные пространственные ВЧ-конденсаторы Результаты ВЧ-сушки полиамидных сепараторов с динамическими показателями прочностных характеристик представлены в табл. 3.

Табл.Результаты ВЧ-сушки полиамидных сепараторов Время сушки, с 0 60 80 100 1Относительная влажность, % 5,6 2,05 1,6 1,75 0,Прочность при разрыве, МПа 136,7 137,2 139,3 141,4 144,Анодный ток, А 0,65 0,7 0,7 0,7 0,Дальнейшие исследования работоспособности системы управления и оценка эффективности ее применения были выполнены с использованием различных полимерных и диэлектрических материалов. На рис. 16 показана апробация процесса ВЧ-сушки древесно-стружечных топливных брикетов и массива из гидролизного лигнина. Использование АСУТП позволило получить образцы с влажностью 10% - 12%, явлений пробоя в процессе обработки отмечено не было.

Рис. 14. Апробация процесса ВЧ-сушки древесно-стружечных топливных брикетов и массива из гидролизного лигнина Исследование системы АСУТП в промышленных условиях производилось на предприятии ООО «Полиграфист». Оценка эффективности от ее применения путем сравнения показателей процесса обработки подтверждается актом внедрения и составляет 880 483 рублей в год.

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

2. Обоснован диапазон эффективных частот электротермической обработки полимерных материалов.

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

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

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

С. 193 – 198.

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

3. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц А.В. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии.

Системный анализ. Моделирование. – 2011. – Вып. 4 (32). С. 50 – 55.

4. Филиппенко Н.Г., Лившиц А.В., Машович А.Я. Автоматизация высокочастотной термообработки полимерных материалов // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. – 2011. – Вып. 12 (59). С. 357 – 362.

5. Филиппенко Н.Г. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии.

Системный анализ. Моделирование. – 2012. – Вып. 1 (33). С. 101 – 107.

6. Филиппенко Н.Г. Математическая модель процесса высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ.

Моделирование. – 2012. – Вып. 1 (33). С. 76 – 79.

в других изданиях:

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

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

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

10. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц А.В. Система управления и блок устройства автоматизации высокочастотной обработки полимерных материалов // Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011».:

докл. Междунар. конф. – URL: http://www.sworld.com.ua /index.php/ru/transportation411/maintenance-and-repair-of-transportation-411/11637 – 411 – 0277 (дата обращения:

Октябрь 2011 года) – номер ЦИТ 411 – 0277.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.