Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий анализ исследований процесса распространения ударных волн при электрическом разряде в воде .
1.1 . Некоторые характерные особенности электрического разряда в воде ... 11
1.2.Состояние вопроса о КПД в технологических процессах, базирующихся на электрогидравлическом эффекте 18
1.3.Предложения о разрядной камере с подвижным поршнем 25
1.4.Некоторые математические модели процесса распространения ударных волн при электрическом разряде в воде 30
1.5.Задачи разработки системы автоматизированного управления электрогидравлическими процессами 37
Глава 2. Математическое описание процесса переноса энергии ударными волнами в сплошной среде при неклассическом подходе .
2.1. Выбор определяющей субстанции. Вывод уравнения переноса энергии 38
2.2. Решение уравнения переноса энергии в фундаментальной постановке 47
2.3. Частный случай сферы и элементарной площадки 51
2.4. Частный случай решения при /3 = 0 54
2.5. Частное решение нестационарного уравнения переноса энергии для двух поверхностей, разделенных поглощающей средой, на одной из которых задана собственная поверхностная плотность энергии в виде ряда Фурье 57
Глава 3. Решение задачи для замкнутой камеры с подвижным поршнем
3.1. Постановка задачи. Общее решение 62
3.2. Расчет локальных угловых коэффициентов 74
3.3. Определение суммарной нагрузки на днище поршня 77
Глава 4. Сопоставление результатов расчета и эксперимента .
4.1. Выбор определяющих критериев 80
4.2. Пример расчета 89
4.3. Экспериментальные установки и проведение эксперимента 105
4.4. Сопоставление результатов 112
4.5.Разработка алгоритмов для САУ электрогидравлических устройств 121
Заключение 125
Список использованной литературы 126
Приложения 140
- Некоторые характерные особенности электрического разряда в воде
- Выбор определяющей субстанции. Вывод уравнения переноса энергии
- Расчет локальных угловых коэффициентов
- Экспериментальные установки и проведение эксперимента
Введение к работе
Науку и промышленность второй половины XX века можно характеризовать интенсивным развитием аэрокосмической и атомной техники, энергетики, транспорта и других отраслей машиностроения. Эта тенденция развития промышленности побудила поиск новых технологических процессов, использующих, в частности, электрофизические и электрохимические методы обработки материалов [102, 138, 139, 144, 155, 168], нередко базирующихся на высокоинтенсивных источниках энергии. Данное обстоятельство в естественной взаимосвязи потребовало более детального изучения физики явлений, лежащих в основе новых технологий, причем с условием получения результатов, пригодных для инженерной практики.
В числе многих электрофизических методов обработки материалов достаточно широкую известность получили технологические процессы, использующие электрогидравлический удар (ЭГУ) в штамповке, выбивке стержней из отливок, дробление руды и т.д. [55, 109, 126, 127, 138, 177, 180, 190, 191 и т.д.], которые часто называют разрядно-импульсными технологиями (РИТ) [41, 144, 158].
Явление электрогидравлического удара или в другой терминологии, интенсивное механическое возмущение в жидкости, возникающее в ней при высоковольтном электрическом разряде, впервые было обнаружено Т.Лейном в 1767 и Дж. Пристли в 1769 годах [134]. Однако, проявление практического интереса к этому явлению начинается примерно с 30-х годов XX века с приложениями к различным задачам техники [134].
Среди различных причин, побудивших интерес к ЭГУ, в первую очередь, следует отметить необходимость разработки мероприятий по предотвращению аварий в высоковольтных линиях электропередач в результате электрических пробоев в различных агрегатах и узлах подстанций. Второй существенный импульс к изучению ЭГУ был получен от работ, связанных с изучением термоядерных реакций и вообще ядерной энергетики.
Ряд авторов [128,134,138] отмечают и другие причины, объясняющие появление интереса к ЭГУ и не прекращающуюся актуальность этой темы вплоть до настоящего времени. Однако, важность отмеченных выше двух первоначальных причин заключается в том, что в процессе работ по этим двум направлениям были созданы надежные агрегаты высоковольтного оборудования: трансформаторы, коммутаторы, разрядники, импульсные конденсаторы большой емкости и другие, то есть была создана материальная база для реализации ЭГУ в экспериментальных и производственных условиях. А как показали дальнейшие разработки по тематике РИТ одни теоретические изыскания здесь без экспериментальных проверок оказываются в большинстве случаев малоэффективными.
Тем не менее, появление возможности проведения мощных электрических разрядов в жидкостях побудило в 1950-1960 годах ряд авторов, например [214], к многочисленным предложениям по использованию ЭГУ в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
К сожалению, вследствие малоизученности процессов, происходящих при ЭГУ, многие экспериментально-промышленные установки оказались малоэффективными, металлоемкими, с низким КПД и другими недостатками, что дискредитирует прогрессивные идеи об использовании данного высокоинтенсивного процесса. В результате этих обстоятельств в 1970-1980 годах развернулись многочисленные теоретические и экспериментальные работы по изучению физических процессов, происходящих при высоковольтном электрическом разряде в жидкости. Значительный объем этих работ был выполнен в специализированном Проектно-конструкторском бюро электрогидравлики АН УССР. Часть этих работ, опубликованных в печати, отражена в приводимом ниже списке использованной литературы.
Тем не менее, несмотря на многочисленные к настоящему времени исследования, ряд вопросов, связанных с процессами при электрогидравлическом эффекте (ЭГЭ) остаются малоизученными, что затрудняет совершенствование как процессов РИТ, так и самого используемого оборудования.
Недостаточная изученность процессов, происходящих при высоковольтном электрическом разряде в жидкости, в частности в воде, вследствие их сложности обусловила и такой важный фактор, сдерживающий соответствующие РИТ, как отсутствие надлежащей математической модели, позволяющей автоматизировать (по крайней мере частично) поиск оптимальных решений в различных технологических процессах.
Основной целью работы является повышение КПД электрогидравлических установок за счет автоматизации управления параметрами технологических процессов и снижение металлоемкости оборудования путем введения закрытых камер оптимальной геометрии.
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи;
Разработка методики расчета нагрузки от ударных волн, действующих на днище поршня, учитывающей поверхности, ограничивающие замкнутый объем камеры, и энергетические параметры электрогидравлических установок.
Разработка методики определения локальных значений поверхностной плотности энергии с учетом прямой и отраженных ударных волн.
Создание электрогидравлической установки закрытого типа с автоматизированной системой управления технологическими процессами при листовой штамповке, рубке металла и прошивке отверстий.
Экспериментальная проверка предлагаемого метода расчета ударных нагрузок на днище поршня от ударных волн при высоковольтном электрическом разряде в воде, в замкнутом объеме. Разработка структуры и блок-схем управления электрогидравлическим процессом в закрытом объеме с подвижным поршнем. Положения, выносимые на защиту и обладающие научной новизной;
Математическая модель процесса распространения ударных волн, учитывающая переотражение, поглощение и рассеяние энергии в закрытом объеме, с учетом ее геометрических параметров, позволяющая определять усилие на днище поршня.
Методика определения локальных значений поверхностной плотности энергии, с учетом прямой и отраженных ударных волн, для проектирования электрогидравлических устройств, используемых при автоматизации технологических процессов в листоштамповочном производстве, учитывающая поверхности, ограничивающие закрытый объем.
Аналитические и экспериментальные зависимости воздействия ударных волн на поршень от расстояния между каналом электрического разряда и днищем поршня, позволяющие оптимально управлять технологическими процессами при листоштамповочном производстве.
Практическая полезность работы:
Математическая модель процесса перемещения ударных волн в закрытом объеме позволяет ее использование в расчетах ударных процессов электрогидравлических устройств.
Структура системы управления электрогидравлическими процессами на основе микро-ЭВМ с регулируемыми выходными параметрами для автоматизированной обработки деталей в листоштамповке позволяет повысить КПД электрогидравлических установок, снизить металлоемкость оборудования, повысить производительность производства. Конструкция электрогидравлического устройства с закрытой камерой и подвижным поршнем (патент РФ №2223831 с приоритетом от 26.08.2002 г.), отличающаяся от существующих формой головки, выполненной в виде гиперболического параболоида, позволяющая сконцентрировать фронт ударной волны на днище поршня.
Некоторые характерные особенности электрического разряда в воде
Первоначальным этапом в большинстве научно-технических исследований традиционно считается рассмотрение самого явления, подлежащего изучению.
Существенно отметить, что за период с 1767-1769 гг., когда было обнаружено явление электрогидравлического удара Т.Лейном и Дж. Пристли, к настоящему времени, несмотря на длительное невнимание к этому явлению вплоть до 1930-х годов, на сегодняшний день известно значительное количество работ, посвященных изучению многих аспектов электрического разряда в воде. Обзор их представляет самостоятельную громоздкую задачу. Однако известно, что значительный объем работ как по обзору публикаций, так и в направлении собственных исследований электрогидравлического эффекта был выполнен в ПКБ ЭГ (в Проектно-конструкторском бюро электрогидравлики) АН УССР в 1970-1980-х годах и опубликован в ряде монографий и сборников [27, 39, 41, 55, 56, 107, 108, 126, 127, 128, 154, 177, 190, 191, 192, 197, 206, 207, 208, 209 и др.]. Как следует из этих работ физические явления, происходящие при электрическом разряде в жидкости, многообразны. Их изучение, находящееся на стыке ряда наук: физики плазмы, физики взрыва в жидкости, гидродинамики в импульсных полях, физики высоких напряжений и т.д., оказывается сложным само по себе. При этом многие вопросы этого явления до конца не изучены и результаты исследований различных авторов нередко дискуссионны. Так, например, на физическую природу высоковольтного электрического пробоя в жидкости автор известной монографии В.Я. Ушаков [188] в 1975 году приводит около десятка различных теорий. Однако и через 15 лет, в 1990 году Г.А. Гулый [56] отмечает наличие различных точек зрения на этот вопрос.
В аналогичном состоянии находится проблема с методами расчета гидродинамических параметров ударных волн: амплитудного давления ра и скорости перемещения фронта ударной волны N при реализации электрического разряда в «большом» объеме. Существенно заметить, что определенным достижением можно считать методику расчета этих параметров, разработанную в КамПИ, основные положения которой опубликованы в [12,63,64,65,74]. Методики расчета ра и N в закрытом объеме с подвижной границей, по-видимому, вообще малоисследованы. В связи с отмеченным выше, большинство авторов считает, что основным методом исследования электрогидравлических эффектов с целью технических приложений является экспериментальный. Причем, в качестве изначального положения следует учесть вывод Р. Коула [104] о том, что использование теории подобия, широко применяемой в теплофизических экспериментах [54,57], в задачах с подводным взрывом, весьма затруднительно и не всегда надежно. Особенно тогда, когда обобщения желательно выражать через временные критерии подобия. Поэтому при исследованиях ЭГЭ характерно использование производственного высоковольтного оборудования с необходимыми частичными доработками. Для получения более конкретных сведений об ЭГЭ приведем наиболее распространенное представление об импульсном электрическом разряде в жидкости, согласно исследованиям [55, 128, 154]. Принципиальная схема электрогидравлической установки показана на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Схема импульсного электрического разряда в жидкости (а), кривые изменения тока и напряжения в межэлектродном промежутке (в) и поля давлений в ближней зоне разряда (б), внешний разрядный контур (г). 1-электрод-анод; 2- канал электрического разряда; 3- электрод-катод [128]. После достижения заряда конденсаторной батареи до заданного напряжения Uo начинается пробой и разряд в жидкости. Условно весь процесс разряда подразделяют на три стадии: предпробойную, активную и пассивную. До момента электрического пробоя энергия содержится в скрытой, потенциальной форме в электрическом конденсаторе. Быстрое выделение энергии порождает появление механических сил, приложенных к среде. Существенно при этом, что энергия выделяется быстрее, чем затем передается окружающей среде. Например, весь разряд завершится к Юмкс, а порожденная им ударная волна за это время проходит путь в окружающей среде только 1,5 см [140, 141, 142, 143]. Но прежде, чем в межэлектродном промежутке 1р появятся условия инициирования пробоя, проходит некоторое время — статическое время запаздывания (стадия I) и в разрядном промежутке появляется ток. После начала пробоя проходит еще некоторое время, так называемая стадия формирования разряда (стадия II), характеризующаяся некоторым ростом тока, спадом напряжения и завершающаяся образованием высокопроводящего канала электрического разряда (КЭР).
В образовавшемся канале быстро за 10... 100 мкс вводится энергия, накопленная батареей конденсаторов. Вещество в КЭР разогревается до температуры (20...40)- 10 К, а давление поднимается до (3...10) 10 МПа. Под действием этого давления КЭР расширяется, получает сравнительно большие скорости 300...500 м/с, которые направлены по радиусам, исходящим примерно из центральной части разрядного промежутка 1р. Жидкости передается высокое давление плазмы, и под его действием жидкость сжимается. Область этого сжатия ограничивается скачком давления извне - движущимся фронтом волны сжатия, который перемещается со сверхзвуковой скоростью N Со. Из КЭР энергия разогретой плазмы передается непосредственно ударной волне и окружающей среде (стадия III).
Выбор определяющей субстанции. Вывод уравнения переноса энергии
Схема разбиения поверхности 2 на элементарные площадки. Рз — сила упругости пружины в статическом приближении, она не велика, и ею можно пренебречь. Однако, в данном случае при импульсивном нагружении ее жесткость может быть весьма значительной, а численное значение этого увеличения нуждается в сложном исследовании. Р4 — сила трения, которая в данном случае при весьма значительной идеализации в отношении отсутствия боковых сил на поршне, может быть принята равной нулю. Однако, при наличии несимметричной нагрузки на рабочем инструменте, как показано на схеме рисунка 4.1, она может оказаться значительной и ее определение нуждается в специальном исследовании. Рп — сила полезного сопротивления. Определение ее по результатам полученной деформации: штамповки, вырубке, отрезке и т.д. - в «чистом» виде весьма сомнительно, т.к. деформации являются следствием суммарного действия сил. Теоретический расчет этой величины, например, из решения задачи о внедрении твердого тела при импульсивном нагружении в деформируемую среду [91] аналитического исследования напряженно-деформированного состояния, представляется для данного случая весьма сомнительным, главным образом по следующим соображениям. При теоретических расчетах делается ряд допущений, учет которых весьма затруднителен. Это относится в первую очередь к конкретным значениям механических характеристик материла: пределу прочности на разрыв Ов, модулям упругости первого рода Ем и второго рода GM и другим, которые при импульсивном нагружении существенно зависят от скорости деформации [230] є( с ), или в нашей задаче для простейшего случая, согласно рисунка 4.1, от dhl dt, т.е. от величины, определяемой по закону движения поршня, который изначально неизвестен.
Прямое измерение закона Р =P(t) на штоке с помощью соответствующих средств измерения, например аппаратуры РМ, использованной для измерения давления нами ранее в «большом» объеме [13,14,15,74], связано с рядом чисто технических затруднений, т.к. требует промежуточное демпфирующее устройство с дополнительной динамической тарировкой (баллистический маятник или стержень Гапкинсона, высота подвеса, прецессионные скользящие пары и т. д.).
Однако, основным существенным фактором, вызывающим сомнение в использовании величины давления, как критерий сопоставления расчета и эксперимента является то, что давление на фронте ударной волны не дает полной характеристики для ее энергетических возможностей, что неоднократно подчеркивалось выше, а также и в апробированных работах [12,13,14,62,63,64]. Учитывая то, что энергетические возможности ударных волн зависят кроме давления также и от скорости перемещения фронта ударной волны N представляется разумным выбрать критерий сопоставления, объединяющийpuN. Такой величиной, во-первых, является поверхностная плотность энергии Е = Е(р, N), которая и использовалась нами для решения поставленной задачи в разных видах Е , Еотр Епогл, Ерез, Е, Еэф (см. также [74]). Однако, прямое измерение поверхностной плотности энергии в данном случае вызывает сомнение в связи с наличием существующих средств измерения. деформации, может быть определено по виду деформации и ее величине, которая определяется в процессе эксперимента.
При таком подходе к выбору критерия сопоставления следует, что в качестве деформации следует выбрать наипростейшую, при которой работа может быть рассчитана апробированными методами сопротивления материалов. Поэтому из известных способов создания деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб - выбираем деформацию сдвиг, называемую также срезом, а также скалыванием [228,229]. Отметим, что данная деформация характерна при резке металла. Расчет работы при этой деформации в предположении постоянства перерезывающей силы может быть выполнен по формуле: кг/см « 3/8 Ем, а значение модуля упругости первого рода для этих же марок сталей принимается в пределах 2-70 —2,1-10 кг/см .
Таким образом, для определения значения работы W p в процессе эксперимента необходимо знать площадь среза Fc и величину перерезывающей силы Рс. Определение Fc в процессе эксперимента (рубке металла, например стали известной марки типа Ст 45) не представляет особых затруднений.
Нахождение же величины Рс, как это было показано выше, представляет весьма сложную задачу. Поэтому для сопоставления расчетных значений силы и значения Рс, которое следует подставлять в зависимости (4.2)-(4.4), желательно использовать величину, полученную методом независимым от изложенного в гл. 3 настоящей работы. Для нахождения такой величины, по-видимому, можно использовать значения допускаемых касательных напряжений [т] при «чистом» сдвиге, полученных в экспериментах с данной маркой материала, которые содержатся в различной справочной литературе.
Однако, в приложении к нашему случаю имеется весьма существенная особенность, заключающаяся в том, что имеющиеся в справочной литературе значения [т] получены преимущественно в экспериментах с незначительными скоростями деформаций. При скоростях деформаций с и выше, которые характерны для электроимпульсных способов обработки, экспериментально обнаружено [230] существенное влияние динамических эффектов.
Расчет локальных угловых коэффициентов
Для реализации процесса с заданными показателями необходимо производить контроль и управление технологическими параметрами в реальном времени протекания процесса обработки.
В этих условиях актуальной является, с одной стороны, расчет оптимального изменения технологических параметров, а с другой разработка и исследование системы автоматизированного управления электрогидравлическими процессами.
Технологические процессы служат материальной базой для любого производства, поэтому для повышения таких характеристик производства, как производительность, качество выпускаемой продукции, рентабельность производства, необходимо обеспечить «управляемость» процессов [237,238].
Под термином «управляемый технологический процесс» понимается такой процесс, для которого определены входные контролируемые воздействия (управляющие, управляемые), установлены детерминированные или вероятностные зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия, разработаны методы автоматического измерения входных воздействий выходных параметров. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) по функционально-алгоритмическому признаку делится на три класса: 1. Система логикопрограммного управления; 2. Система оптимального управления; 3. Система комплексного управления. Для разработки АСУ электрогидравлической установки используем систему оптимального управления. Такая система широко применяется в непрерывных и непрерывно-дискретных производственных процессах [236,239]. Главной функцией центрального процессора в таких системах являются выполнение на основании выходных данных, получаемых от объекта управления, математических моделей и выработка по результатам вычислений регулирующих воздействий. Алгоритм управления процессом, как правило, разрабатывается на основе детерминированной или статистической модели, что позволяет оптимизировать, т.е. управлять процессом. АСУТП, представляющие собой, как правило, сложные технические системы, характеризуются рядом системных показателей эффективности, с помощью которых оценивают качество их функционирования. К ним относится: - время решения задач управления; - эффективная производительность; - показатель надежности; - показатели помехозащищенности и готовности; - экономичность. На систему и объект управления постоянно воздействуют возмущения. Общим источником возмущений, как для объекта управления, так и для системы управления служит среда, причем как физическая, так и информационная. К физической среде относятся тепловые, электрические и магнитные поля, окружающая атмосфера, а также источники энергии. Под информационной средой подразумевают внешнюю информацию, поступающую в систему управления. На качество управления большое влияние оказывает качество математических моделей, на основе которых ведется управление. Неточности, а тем более ошибки в математической модели приводят к несоответствию параметров выходного продукта требуемым. Этот эффект может интерпретироваться как результат воздействия на объект управления возмущений. Снизить влияние этих возмущений на процесс управления можно только повышением соответствия математической модели объекту 122 управления, в предельном случае - построением адаптивных управляющих систем. Известны два способа устранения воздействия возмущений на объект управления: управление по отклонению и управление по возмущению. Для данного случая применим принцип регулирования по отклонению, который заключается в том, что система управления оказывает на объект управления такое действие, что оно направлено на устранение отклонения контролируемой переменной от заданного значения. Блок-схема системного регулирования по отклонению показана на рисунке 4.18. Исходя из анализа математической модели разработана4 структурная схема системы автоматизированного управления, показанная на рисунке 4.19. В системе автоматизированного управления предусмотрено оптимальное управление по математической модели. На вход системы поступает информация о толщине материала, длине среза и свойствах материала. На основе найденных в работе зависимостей выбираются оптимальные параметры управления электрогидравлическими процессами по критерию максимума КПД в условиях ограничений по питающему напряжению. Рисунок 4.19 - Структурная схема автоматизированной системы управления параметрами электрогидравлической установки: ПН - преобразователь напряжения; ВР - воздушный разрядник; РК - разрядная камера; ЭУ - экспериментальная установка; ДП - датчик положения. Сочетанием управляющих воздействий на параметры технологического процесса можно устанавливать разнообразные режимы разряда в электрогидравлических установках для обеспечения качества изготовляемых деталей. Варьируемыми управляющими параметрами в электрогидравлических установках при этом могут быть: напряжение U, межэлектродное расстояние р, форма электродов, толщина заготовки А, геометрия разрядной камеры.
Экспериментальные установки и проведение эксперимента
Главной функцией центрального процессора в таких системах являются выполнение на основании выходных данных, получаемых от объекта управления, математических моделей и выработка по результатам вычислений регулирующих воздействий. Алгоритм управления процессом, как правило, разрабатывается на основе детерминированной или статистической модели, что позволяет оптимизировать, т.е. управлять процессом.
АСУТП, представляющие собой, как правило, сложные технические системы, характеризуются рядом системных показателей эффективности, с помощью которых оценивают качество их функционирования. К ним относится: - время решения задач управления; - эффективная производительность; - показатель надежности; - показатели помехозащищенности и готовности; - экономичность. На систему и объект управления постоянно воздействуют возмущения. Общим источником возмущений, как для объекта управления, так и для системы управления служит среда, причем как физическая, так и информационная. К физической среде относятся тепловые, электрические и магнитные поля, окружающая атмосфера, а также источники энергии. Под информационной средой подразумевают внешнюю информацию, поступающую в систему управления. На качество управления большое влияние оказывает качество математических моделей, на основе которых ведется управление. Неточности, а тем более ошибки в математической модели приводят к несоответствию параметров выходного продукта требуемым. Этот эффект может интерпретироваться как результат воздействия на объект управления возмущений. Снизить влияние этих возмущений на процесс управления можно только повышением соответствия математической модели объекту управления, в предельном случае - построением адаптивных управляющих систем. Известны два способа устранения воздействия возмущений на объект управления: управление по отклонению и управление по возмущению. Для данного случая применим принцип регулирования по отклонению, который заключается в том, что система управления оказывает на объект управления такое действие, что оно направлено на устранение отклонения контролируемой переменной от заданного значения. Блок-схема системного регулирования по отклонению показана на рисунке 4.18. Исходя из анализа математической модели разработана4 структурная схема системы автоматизированного управления, показанная на рисунке 4.19. В системе автоматизированного управления предусмотрено оптимальное управление по математической модели. На вход системы поступает информация о толщине материала, длине среза и свойствах материала. На основе найденных в работе зависимостей выбираются оптимальные параметры управления электрогидравлическими процессами по критерию максимума КПД в условиях ограничений по питающему напряжению. Рисунок 4.19 - Структурная схема автоматизированной системы управления параметрами электрогидравлической установки: ПН - преобразователь напряжения; ВР - воздушный разрядник; РК - разрядная камера; ЭУ - экспериментальная установка; ДП - датчик положения. Сочетанием управляющих воздействий на параметры технологического процесса можно устанавливать разнообразные режимы разряда в электрогидравлических установках для обеспечения качества изготовляемых деталей. Варьируемыми управляющими параметрами в электрогидравлических установках при этом могут быть: напряжение U, межэлектродное расстояние р, форма электродов, толщина заготовки А, геометрия разрядной камеры. Разработанная система автоматизированного управления электрогидравлическими процессами позволит повысить КПД, снизить металлоемкость оборудования и трудоемкость.
