Введение к работе
Актуальность диссертации. Современное машиностроение характеризуют высокий уровень конкуренции, повышенные требования к качеству изделий, сокращение цикла производства, снижение материалоемкости и массы самого изделия. Поэтому в последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение стали находить полимеры. Коррозионная стойкость, высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность позволяют использовать их взамен цветных металлов, нержавеющих сталей и других конструкционных материалов. Объемы производства крупнотоннажных полимеров в России продолжают расти как за счет увеличения загрузки мощностей, так и за счет ввода новых производств. Еще в первой половине прошлого века и за истекший период полиамиды (ПА) являются предметом многочисленных исследований. Несмотря на то, что в последние десятилетия отмечен рост числа новых работ, направленных на углубление представлений о тонкой структуре полимеров, их релаксационных свойствах, химии и технологии полиамидных смесей и сплавов, проблем, связанных с производством полимеров, их хранением и эксплуатацией остается много. Наряду с положительными характеристиками полимеры обладают рядом недостатков. Даже при достаточно непродолжительном времени использования композитных пластмасс в ответственных деталях и узлах машин выявились вопросы преждевременного выхода изделий из строя. Такие проблемы, например, выявились при эксплуатации полиамидных сепараторов подшипников буксовых узлов железнодорожного подвижного состава. Гарантийный срок эксплуатации полиамидных сепараторов большинства подшипников качения составляет 15 лет, что не согласуется с данными ГОСТ на этот же полимер, где декларируется снижение прочностных характеристик полиамида до 50% по истечению только одного года (даже при его хранении).
В связи с этим весьма актуальными становятся исследования кинетики разрушений полиамидных материалов и создание энергоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами, обеспечивающими, на основе возможностей восстановления эксплуатационных свойств, продление срока службы деталей машиностроения.
Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Технологии восстановления полиамидных сепараторов полем высокой частоты. Автоматизация ВЧ-установки», зарегистрированной ФГНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти», per. № 01201177497 от 10.01.2011г.
Целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы научных исследований процессов высокочастотного (ВЧ) нагрева и автоматизированной системы управления ВЧ-обработкой полимеров для реализации процесса восстановления их эксплуатационных свойств.
Для реализации поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. На основе анализа совокупности факторов, влияющих на эксплуатаци-
онные свойства полимерных изделий, исследовать изменение эксплуатационных свойств полимерных деталей в приближенных к реальным условиям эксплуатации.
-
Создать автоматизированную систему научных исследований процессов высокочастотной обработки, позволяющую в режиме реального времени контролировать параметры оборудования и состояния обрабатываемого материала в процессе нагрева и исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы.
-
Исследовать технологическую возможность восстановления эксплуатационных свойств полимеров.
-
Разработать алгоритм автоматизированного управления процессом ВЧ-обработки полимерных материалов для обеспечения необходимого качества обработки и реализовать его применительно к промышленному оборудованию.
Объектом исследования являются процессы высокочастотной обработки полимерных материалов и алгоритмы управления ими.
Предметом исследования являются взаимозависимости электрофизических параметров электротермического оборудования и обрабатываемого материала, позволяющие организовать автоматическое управление процессом обработки.
Методы исследований. Исследования проводились на основе математического моделирования с использованием математической статистики, электродинамики, физикохимии полимерных материалов, электротехники, численных методов решения дифференциальных уравнений, термодинамики и основ проектирования автоматизированных систем. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием методов исследования прочностных характеристик материалов, хроноамперометрического и метода имитационного моделирования условий эксплуатации и хранения полимерных материалов.
Научной новизной обладают и на защиту выносятся:
-
Математическая модель процессов высокочастотного нагрева для случая пятислойной пластины, включающей электроды, термоизоляторы и обрабатываемый материал, позволяющая исследовать взаимовлияние электрофизических параметров технологической системы и решать практические задачи определения режимов высокочастотной обработки.
-
Способ повышения качества сушки геометрически сложных полиамидных деталей и сварки разнотолщинных материалов за счет смещения зоны максимального нагрева материала при изменении параметров изоляторов.
-
Способ защиты ВЧ-обрабатываемого материала от электрического пробоя на основе анализа динамики анодного тока.
-
Способ повышения качества ВЧ-обработки тонкостенных изделий и устройство измерения температуры поверхности нагреваемого полимера для его реализации.
-
Алгоритм автоматизированного управления ВЧ-обработкой изделий из полимерных материалов, учитывающий развитие предпробойного состояния и прекращение процесса сушки полимера при стабилизации анодного тока.
Достоверность полученных научных результатов обоснована согласованностью результатов экспериментальных и теоретических исследований, использованием аппарата классической теории автоматического управления, электродинамики, основ физической химии; использованием апробированных методов численного анализа, математической статистики и методов аппроксимирования.
Теоретическое значение работы. Впервые выявлена возможность контроля развития предпробойного состояния по частичным разрядам с использованием анализа динамики анодного тока. Впервые выявлены критические комбинации влажности и температуры среды эксплуатации, приводящие к снижению эксплуатационных свойств деталей из полимерных материалов, и доказана возможность их восстановления с использованием автоматизированной системы ВЧ-нагрева. Разработан способ повышения качества сушки геометрически сложных полиамидных деталей и сварки разнотолщинных материалов за счет смещения зоны максимального нагрева.
Практическое значение работы.
Создана автоматизированная система научных исследований высокочастотной обработки, позволяющая выявлять взаимосвязи электрофизических параметров оборудования и обрабатываемых материалов с целью организации процессов управления электротермической обработкой.
На основе сформированной в рамках диссертационной работы математической модели ВЧ-нагрева полимера разработан программный комплекс, позволяющий решать задачи практического характера, связанные с определением оптимальных режимов обработки. Авторство программного комплекса подтверждено свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №2013617957, № 2013619699.
На основе предложенных методик контроля фазового состояния материала, анализа предпробойного состояния по динамике анодного тока, определения температуры поверхности материала (патент на полезную модель №132549) создана автоматизированная система управления ВЧ-обработкой, позволяющая реализовать технологический процесс восстановления эксплуатационных свойств полимерных деталей.
Реализация результатов работы. Основные результаты работ были апробированы и применены на предприятии полиграфической отрасли (экономический эффект от внедрения составил более 900 тыс. рублей в год) и при восстановлении эксплуатационных свойств ремонтных сепараторов буксовых узлов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись в научных докладах и обсуждались на: на Третьей международной научно-практической конференции «Безопасность регионов -основа устойчивого развития» (г. Иркутск, 12-15 сентября 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2012» (г. Одесса, 2-12 октября 2012 г.); Третьей Всероссийской научно технической
конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 11 апреля 2013 г.); Третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (г. Иркутск, 13-17 мая 2013г.)
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 публикации в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ; получен 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа объемом 150 страниц машинописного текста содержит 68 рисунков, 9 таблиц и список литературы, включающий 105 наименований.
Похожие диссертации на Автоматизация управления технологическими процессами восстановления эксплуатационных свойств полимеров
