Введение к работе
Актуальность проблемы. Полые изделия широко применяются в машиностроении, химической, нефтегазовой, автомобильной, авиационной, пищевой и других отраслях промышленности. Однако, испытания изделий на герметичность практически не автоматизированы, в подавляющем большинстве случаев не имеется устройств автоматизированного контроля герметичности по утечкам пробной среды, фактически отсутствует теория создания автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность.
Об актуальности повышения эффективности испьпаний на герметичность изделий свидетельствует введенный с 01.06.2002 года ГОСТ Р 51780-2001 (Контроль неразрушающий. Методы и средства испытаний на герметичность. Порядок и критерии выбора). Наличие проблемы подтверждается решением Европейской арматурной ассоциации СЕИР, приступившей к финансированию исследований по теме "Методология испытаний на герметичность трубопроводной арматуры".
В теории уплотнений и уплотнительной техники достигнуты значительные результаты благодаря трудам Жуковского Н.Е., Гуревича Д.Ф., Голубева А.И., Никитина ГА, Крагельского И.В., Кондакова Л.А., Овандера В.Б., Майе-ра Э. Математическое описание гидропневматических объектов автоматического управления проводили Ивагценко Н.Н., Попов Д.Н., ГерцЕ.В., Ордынцев В.М., Коробочкин Б.Л., Лещенко ВА, Ермаков СА, Гийон М. Математическое описание цифровых систем автоматического управления рассматривается в трудах Бесекерского ВА, Изермана Р., Куо Б. Тем не менее, в работах упомянутых авторов не затрагивались процессы и устройства автоматизированных систем испьпаний изделий на герметичность.
В условиях растущей потребности в проведении испытаний изделий на герметичность развитие теории и совершенствование методов испытаний и способов их реализации, разработка нового и модернизация применяемого оборудования и технологий его использования, разработка научных основ автоматизации испытаний с автоматизированным контролем герметичности изделий по утечкам пробной среды является актуальным научным направлением.
CM7$rJ$3
Настоящая работа выполнена в рамках научно-технических программ: "Компьютеризированные интегрированные производственные системы" (приказ Министерства образования СССР № 349 от 23.05.90 г.), "Технологии, машины и производства будущего" (1990 - 1996 г., госзаказчик - Министерство науки России), "Инженирингсеть России" (постановление Правительства РФ № 332 от 15.04.94 г.), г/б НИР №01000000120 "Разработка интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления" (2000 г. - н.в.) кафедры систем автоматизации производства ОГУ, х/д НИР "Исследование и проектирование САР технологическим процессом пайки радиаторов" (1982 г., № гос. per. 01829028636), х/д НИР «Разработка элементов САУ ТП нанесения защитных покрытий» (1988 г., № гос. per. 01890000754), х/д НИР "Разработка гибких производственных с ко нтпола гкЙ1К9 ЇЙІ li'i'JA! ЙИЛ еді',,ен и ^ лообменников" (1989 г., №гос. per. 018^088ц0ТЕКА
Целью работы является повышение эффективности испытаний на герметичность промышленных изделий на основе разработки теоретических и практических основ создания автоматизированных систем контроля и управления.
Объект исследований. В качестве объекта исследований в работе рассматриваются производственные процессы испытаний на герметичность, включающие методы испытаний и способы их реализации, применяемое оборудование и технологии его использования, средства и системы контроля и управления.
Методы исследования. Использованы методы математического моделирования, методы механики жидкостей и газов, методы теории автоматического управления, методы математической статистики и теории вероятностей, методы теории тепло- и массообмена, методы измерительной техники.
Научная новизна работы состоит в разработке математических моделей устройств систем автоматизированного контроля герметичности изделий при испытаниях изделий манометрическим, пузырьковым и гидростатическим методами. На основе моделей проведена сравнительная оценки расхода газа или подогретого газа через микрощели в атмосферу, жидкость или подогретую жидкость, выявлены диапазоны применимости и причины неудовлетворительной работоспособности существующих устройств контроля герметичности, проведено их усовершенствование применительно к автоматизированным системам контроля герметичности. Разработан принцип получения информации и автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях контролируемого или взаимосвязанного параметра в устройстве испытаний.
Предложен принцип управления по отклонению в промежутках между периодическими возмущениями для систем автоматического управления.
Разработаны математические модели типовых устройств и процессов как объектов автоматического управления применительно к системам, обеспечивающим автоматизированный контроль герметичности или подготовительно-заключительные операции испытаний. Выполнено математическое моделирование объектов управления, в которые поступают две фазы среды в одном потоке - жидкость и газ (воздух, углеводородные газы) или взаимодействуют две фазы среды в объекте - водяной пар и жидкость.
Предложены методы и их математические обоснования, напрааченные на повышение ресурса герметичности и качества работы элементов автоматизированных систем испытаний на примерах гидравлических затворов, регулирующих и предохранительных клапанных устройств. Проведено математическое моделирование распределения давления в сопряжениях клапан -седло в зависимости от приложенного перепада давления, геометрической формы деталей сопряжения и скорости возвратно-поступательного перемещения клапана относительно седла, а также моделирование работы предохранительных клапанов непрямого действия с присоединенной упругой емкостью.
Разработана методика расчета эталонных емкостей, заполняемых жидкостью, с присоединенной упругой емкостью, заполненной газом, применительно к автоматизированному крнтрою герметичности изделий гидростатическим методом по дифференциальной схеме. *
Па основе предложенных принципов автоматизированного контроля герметичности изделий с использованием периодических возмущений и управления по отклонению в промежутках между возмущениями и математических моделей разработаны новые структуры автоматизированных систем испытаний с автоматизированным контролем герметичности изделий по утечкам пробной среды. Рассмотрены примеры синтеза и реализации дискретных систем автоматического управления с ПИ и ПИД регуляторами, работающими в промежутках между возмущениями, которые обеспечивают автоматизированный контроль герметичности изделий по утечкам пробной среды.
Практическая значимость работы состоит в разработке способов и устройств, позволяющих автоматизировать испытания и контроль герметичности изделий, защищенных авторскими свидетельствами и патентами: а) способ и устройство испытаний на герметичность изделий газом с использованием пузырьковой камеры и эталонной емкости переменного объема; б) способ и устройство испытаний на герметичность изделий с использованием эталонной емкости, дифманометра и сжимаемых пневматических емкостей; в) способ и устройство испытаний изделий жидкостью с контролем герметичности по газовым пузырькам в пузырьковой камере; г) устройство испытаний на герметичность изделий с использованием эталонной емкости, горизонтальной трубки с жидкостным поршнем и гидравлического затвора; д) способ и устройство испытаний на герметичность изделий с помощью света; е) устройство для ультразвуковой дегазации пробной жидкости при испытаниях изделий; ж) предохранительный клапан с серводействием.
Установлены аналитические зависимости по выбору рациональных для практического построения автоматизированных систем испытаний конструктивных и технологических параметров устройств в зависимости от типа испытательной среды, метода испытаний и способа его реализации, от класса герметичности испытываемого изделия, времени испытаний и заданной погрешности контроля герметичности при испытаниях изделий манометрическим, пузырьковым и гидростатическим методами.
Разработаны системы автоматизированного контроля герметичности изделий по утечкам пробной среды при испытаниях пузырьковым, манометрическим и гидростатическим методом, которые являются основой автоматизированных систем испытаний. Каждая из таких систем состоит из двух-трех (в зависимости от метода испытаний) систем автоматического управления: генерирования в устройстве испытаний периодических возмущений давления, коррекции амплитуды возмущений давления, системы подачи в изделие пробной среды для компенсации утечек и системы автоматического измерения объема пробной среды, подаваемой в изделие для компенсации утечек.
Предложены практические рекомендации по повышению ресурса герметичности и качества работы регулирующих, запорных и предохранительных клапанных устройств автоматизированных систем испытаний.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в Авиационном производственном объединении КумАПО (г. Кумертау, Башкортостан), Управлении железнодорожным транспортом ООО «Оренбурггазпром»,
Газоперерабатывающем заводе ООО «Оренбурггазпром», Филиале «Оренбург-Газпром» ДООО «Бургаз» ОАО «Газпром», ЗАО «Производство и реализация стальных водогазопроводных труб» «Друза» (г. Оренбург), ОАО «Нефтемасло-завод» (г. Оренбург), 000 «Исток Электро-КИПиА» (г. Оренбург), 000 «Живой исток» (г. Оренбург), 0 0 0 «Нефтехимическая компания Экодиметил» (г. Оренбург), в учебном процессе Оренбургского государственного университета и Уфимского государственного авиационного университета.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались в ПО «Радиатор» (г. Оренбург, 1982, 1988, 1989), на Всесоюзной конференции «Конструкторско-технологическая информатика, автоматизированное создание машин и технологий» (КТИ-89) (г. Москва, 1989), на научно -практической конференции «Пути повышения эффективности использования оборудования с ЧПУ» (г. Оренбург, 1989), на второй Всероссийской научно-технической конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Орск, 2000), на Всероссийской научно-практической конференции «Социокультурная динамика региона» (г. Оренбург, 2000), на международной юбилейной научно-практической конференции «Научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях» (г. Оренбург, 2001), на Всероссийской научно-практической конференции «Форум - инновации —2002» (г. Оренбург, 2002), на международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (г. Санкт - Петербург, 2003).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 32 работы, в том числе 4 монографии, учебное пособие, 12 статей в научных журналах, получено 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 201 наименования и 13 приложений. Общий объем работы 441 страница, в том числе 342 страницы машинописного текста, 160 рисунков и 17 таблиц.
