Введение к работе
Актуальность работы. В диссертационной работе поставлена актуальная научная задача, состоящая в разработке цифровой системы автоматического управления процессом индукционной наплавки.
Существует множество процессов индукционного нагрева, которые объединяет общая физическая природа. При этом различают области применения и подход к исследованию, моделированию и реализации этих процессов. Исследование процесса индукционного нагрева, как объекта управления, опирается на технологические особенности конкретного процесса. Чаще всего исследования в области автоматизации индукционного нагрева сводятся к механизации процесса или стабилизации каких-либо его параметров. Наиболее изученными и востребованными процессами индукционного нагрева являются процессы индукционной плавки, сварки, закалки металлов и нагрева перед пластической деформацией.
В последнее время наблюдается большая потребность современных производств в автоматизированных установках для относительно новых процессов - индукционной пайки и индукционной наплавки. В отличие от процессов, приведенных ранее, данные процессы мало изучены и требуют индивидуального подхода к решению проблемы обеспечения качества получаемой продукции. Поэтому разработка системы автоматического управления процессом индукционной наплавки является актуальной задачей, так как на современных производствах различных отраслей промышленности существует потребность в повышении качества наплавляемых деталей.
Процесс индукционной наплавки заключается в нанесении на поверхность основного материала детали другого материала, отличающегося более высокими прочностными характеристиками, повышенной износостойкостью и стойкостью к ударным нагрузкам. Исследования процесса индукционной наплавки проводятся уже несколько лет. Одной из организаций, выполняющей подобные исследования, является ОАО "Инженерный центр "Сплав". Задачей исследований является увеличение вышеуказанных показателей качества процесса наплавки, в основном, за счет изменения состава наплавляемого материала, а также за счет подбора оптимальной частоты тока индукционного нагревателя и температуры наплавки. Известны устройства механизации процесса индукционной наплавки, в том числе, с использованием позиционного регулирования температуры. Но указанные решения не обеспечивают высокого качества наплавленной поверхности, что объясняется сложной взаимосвязью показателей качества с параметрами процесса, а также параметров процесса между собой.
Целью работы является повышение качества упрочненных поверхностей деталей, наплавляемых индукционно-металлургическим способом, с целью увеличения времени наработки на отказ оборудования, машин и механизмов, работающих в условиях больших ударных нагрузок.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
Сформулированы критерии, позволяющие рассчитать численные значения показателей качества процесса индукционной наплавки.
Определены взаимосвязи параметров процесса индукционной наплавки, зависимости показателей качества от параметров процесса и выявлены наиболее значимые параметры.
Разработана математическая модель процесса индукционной наплавки.
Выбран способ управления и разработано алгоритмическое обеспечение, учитывающее особенности проведения процесса индукционной наплавки. -
Разработана система управления, позволяющая регулировать показатели качества.
Разработана автоматическая установка индукционной наплавки с регулируемым показателем качества процесса.
Методы исследования. При выполнении данной работы использовались методы математического моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений (в том числе с использованием специализированных программных продуктов), методы планирования и обработки результатов экспериментов и методы оптимизации.
Научной новизной являются:
Математическая модель процесса индукционной наплавки, составленная путем численного решения уравнений тепловых и электромагнитных полей.
Цифровая автоматическая система управления процессом индукционной наплавки, защищенная патентами РФ.
Алгоритмическое обеспечение для управления процессом индукционной наплавки, обеспечивающее оптимальные показатели качества наплавленной поверхности.
Обоснованность и достоверность научных положений обусловлена применением вышеназванных методов исследования и использованием современных технических средств; достоверность математических моделей подтверждается хорошей сходимостью результатов расчета с экспериментальными данными; работоспособность оптимальной системы регулирования подтверждена увеличением значений показателей качества процесса при опытно-промышленных испытаниях установки.
Основными защищаемыми положениями являются:
Экспериментально-статистическая модель процесса индукционной наплавки позволяет рассчитать значение нероьносга поверхности при изменении мотттности скопости пвкжения детали и зазора между индуктором и наплавляемой деталью.
Система оптимального управления процессом индукционной наплавки в составе ПЛК, ПЭВМ и специального ПО, обеспечивает повышение качества наплавленной поверхности.
Алгоритм работы системы управления обеспечивает оптимальное регулирование процесса индукционной наплавки по показателю качества.
Практическая ценность результатов:
Разработанная цифровая система управления процессом индукционной наплавки используется для повышения качества упрочняемых деталей машин и аппаратов, применяющихся в химической промышленности, машиностроении, на железнодорожном транспорте, в сельскохозяйственной и других отраслях промышленности.
Разработанный алгоритм управления может быть использован также при управлении другими процессами индукционного нагрева (пайка, сварка, термообработка).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях ММТТ-19 (г. Воронеж, 2006г.), ММТТ-20 (г. Ярославль, 2007г.), III международная научно-техническая конференция ИТНОП (г. Орел 2008г.), ММТТ-21 (г. Саратов, 2008г.), ММТТ-22 (г. Псков, 2009г.). Изданы два методических указания для лабораторных работ. Получены патенты №73336 и №73632 на полезную модель для разработанной системы управления.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ из них 1 в журнале, рекомендованном ВАК.
Внедрение. Результаты работы внедрены на предприятии ОАО «Белагромаш-сервис». Ожидаемая экономическая эффективность от использования данной системы составляет 24 млн. руб. в год.
Похожие диссертации на Цифровая система автоматического управления процессом индукционной наплавки
