Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОПЛАМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ 13
1.1 Анализ проблемы износа поверхности деталей и способов повышения ее износостойкости 13
1.2 Оборудование и системы управления газопламенными установками 18
2. МАТЕРИАЛЫ, АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 39
2.1 Материалы и технологическая аппаратура для реализации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки 39
2.2 Методика и оборудование для исследования влияния управляемых технологических параметров на свойства наносимого покрытия 41
2.3 Методы и средства проектирования и конструирования систем автоматического управления 49
2.4 Методики выполнения технологических экспериментов по наплавке защитных покрытий 51
2.5 Методы исследования механических свойств и структуры защитных покрытий 52
3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ РАСХОДА РАБОЧИХ ГАЗОВ ПРИ СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОПОРОШКОКВОЙ НАПЛАВКЕ 58
3.1 Анализ технологических параметров, влияющих на свойства покрытия, полученного при помощи сверхзвуковой газопорошковой наплавки 58
3.2 Выбор основных технологических параметров управления 62
3.3 Разработка алгоритма работы системы автоматического управления процессом сверхзвуковой газопорошковой наплавки 64
3.4 Анализ основных технических характеристик газопламенной аппаратуры и разработка алгоритма работы системы автоматического управления параметрами расхода рабочих газов 70
3.5 Разработка структурной схемы системы автоматического управления параметрами расхода газов и определение ее аппаратного состава 73
3.6 Описание принципиальной схемы системы автоматического управления параметрами расхода газа о^
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАСХОДА ГАЗОВ НА СВОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ 90
4.1 Исследование зависимости расхода рабочих газов от параметров работы блока системы автоматического управления параметрами расхода газов 90
4.2 Исследование зависимости удельной мощности газопламенной струи от параметров расхода рабочих газов 95
4.3 Исследование зависимости свойств защитного покрытия от режимов работы разработанного блока системы автоматического управления параметрами расхода газов 105
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Анализ проблемы износа поверхности деталей и способов повышения ее износостойкости
- Материалы и технологическая аппаратура для реализации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки
- Анализ технологических параметров, влияющих на свойства покрытия, полученного при помощи сверхзвуковой газопорошковой наплавки
Введение к работе
Механическая прочность детали, как известно, гарантируется за счет применения основного материала, а специальные свойства поверхности обеспечиваются сплошным или локальным формированием на ней тонких слоев других материалов — покрытий. В результате обеспечивается повышенная долговечность детали, сочетающаяся с экономией легирующих элементов, удешевлением изделий.
В теплоэнергетике одной из основных проблем является поверхностный износ, где твердые частицы топлива и золы нередко очень быстро разрушают системы топливоподачи, трубы и стенки газоходов, лотки и трубы гидрозолоудаления котлоагрегатов. Примером тому является интенсивный абразивный износ участков трубных панелей котлоагрегатов с «кипящим» слоем (ККС). Котельные установки данного типа имеют широкое распространение, так как обладают рядом преимуществ по сравнению с иными типами котельных установок, что делает их использование экономически целесообразным. При этом основным недостатком является небольшой срок межремонтного периода (1,5...2,5 месяца), из-за того, что влияние абразивных потоков при высоких температурах и окислительное воздействие воздуха с продуктами горения на рабочие поверхности приводят к их активному изнашиванию, потере работоспособности и выходу из строя. Поэтому задача продления срока службы элементов котлоагрегатов, подверженных износу является актуальной.
Анализ способов для создания покрытий, показал, что среди существующих технологических процессов для создания защитных покрытий все более заметную роль приобретают процессы газопорошкового напыления и наплавки сверхзвуковым газовым пламенем. Они сочетают преимущества концентрированных источников нагрева и достоинства высоколегированных порошковых материалов. Но, несмотря на технологические и экономические преимущества процессов газопорошкового напыления и наплавки, свойства покрытий, полученных при помощи сверхзвуковых способов, еще мало изучены и описаны в научно-технической литературе.
Предварительные исследования свойств покрытий, полученных с помощью нового метода сверхзвуковой газопорошковой наплавки (СГП-наплавки), разработанного коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий», показали, что свойства покрытий на порядок выше покрытий, полученных при помощи традиционных способов, к которым, прежде всего, относятся дозвуковые газопламенные способы напыления и наплавки. Однако данная технология требует дальнейшего развития, особенно в части совершенствования технологического оборудования.
Естественно, что развитие и широкое использование метода СГП-наплавки невозможно без специального технологического оборудования. Это связано, в первую очередь, с требованием нанесения защитных покрытий на поверхности изделий различной формы, а таюке с получением стабильных характеристик защитного слоя. Качество получаемого защитного покрытия зависит от многих параметров, основным из которых является мощность в пятне нагрева и распределение температуры по поверхности изделия. Эти параметры определяют температуру в пятне нагрева, скорости охлаждения точек в пятне, а таюке возможное и нежелательное образование трещин и несплавлений, что, в итоге, предопределяет структуру покрытия.
Как показывает практика, управление параметрами процесса СГП-наплавки вручную не может обеспечить должного качества защитного слоя на всем его протяжении из-за влияния так называемого «человеческого» фактора. Поэтому для получения более качественных покрытий и повышения производительности метода СГП-наплавки необходимо создание системы автоматического управления (САУ) технологическим процессом.
Целью данной работы является повышение качества защитных покрытий в технологическом процессе сверхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких самофлюсующихся сплавов на элементы теплоэнергетических установок путем автоматического управления технологическими параметрами.
Для достижения поставленной цели в диссертации были определены и решены следующие задачи:
На основании анализа существующих способов нанесения защитных покрытий и систем управления выделить основные управляемые технологические параметры, изучить влияние этих параметров на процесс формирования покрытия и обосновать способ управления газопламенными установками.
Разработать методику управления и алгоритм функционирования системы автоматического управления.
Разработать и реализовать опытно-промышленное устройство управления.
Выполнить экспериментальные исследования свойств покрытий, полученных с помощью разработанного устройства управления.
На основании проведенных исследований разработать технологические рекомендации по применению созданной системы автоматического управления в процессе СГП-наплавки на элементы теплоэнергетических установок.
Методы исследования. Основные результаты выполненной работы получены с использованием как стандартных, так и оригинальных методик экспериментальных исследований процессов наплавки и наплавленных слоев.
Наплавку производили с помощью разработанного и запатентованного авторским коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий» устройства для СГП-наплавки.
Процессы нагрева и охлаждения исследовались при помощи оригинальной методики, которая обеспечивает сбор данных и их обработку с использованием компьютерной техники.
Исследования микроструктуры покрытий проводились с помощью метода световой микроскопии.
Исследование свойств наплавленного покрытия проводились с помощью определения микротвердости и испытаний на сопротивление механическому изнашиванию о жестко закрепленные частицы.
Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивалась использованием современных серийных приборов, технологического оборудования, компьютерной техники, достаточным количеством повторений опытно-экспериментальных исследований, а также получением адекватных практических результатов.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
Определены основные управляемые технологические параметры процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки самофлюсующихся сплавов, отвечающие за качество покрытий (расход рабочих газов Vnpon и Vkhoi и их соотношение (3=VKHra/Vnpon), и обоснованы способы управления указанными параметрами.
Разработана оригинальная методика управления расходом газов и их соотношением на базе созданного алгоритма работы системы автоматического управления процессом сверхзвуковой газопорошковой наплавки в целом и интегрированного в него алгоритма работы системы автоматического управления подачей рабочих газов, как определяющей части технологического процесса наплавки.
Установлена область эффективной работы системы автоматического управления подачей рабочих газов и определены рациональные режимы технологического процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки покрытий для теплоэнергетического оборудования (общий расход газов (УПр0п+Укисл)=7,6...9Д л/мин, их соотношение Р=1,62...1,97).
Практическая значимость работы:
Разработаны структурная и электрическая схемы системы автоматического управления и изготовлен блок автоматического управления расходом рабочих газов при нанесении защитных покрытий методом сверхзвуковой газопорошковой наплавки на элементы теплоэнергетического оборудования.
Разработан и изготовлен оригинальный регулятор расхода газа с сервоприводом, обеспечивающий возможность плавного регулирования параметров для достижения рациональных режимов наплавки.
Выполнена апробация разработанной системы автоматического управления в опытно-экспериментальном режиме на устройстве для сверхзвуковой газопорошковой наплавки износостойких покрытий на базе ООО «НИИ Высоких Технологий», подтвердившая работоспособность системы автоматического управления в области рекомендуемых режимов наплавки.
Представленный проект «Разработка системы автоматического управления процессом газопламенной наплавки» стал призером на Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (2005 г.).
Кроме того, в 2007 году на Федеральной школе-семинаре по обучению коммерциализации проектов участников программы "УМНИК" проект «Разработка системы автоматического управления быстротекущими процессами на основе промышленных микроконтроллерных систем для сверхзвуковой газопорошковой наплавки наноматериалов» также вошел в число призеров.
Основные положения, выносимые на защиту:
Концепция построения системы автоматического управления сверхзвуковой газопорошковой наплавкой защитных покрытий.
Оригинальная методика управления технологическими параметрами в процессе сверхзвуковой газопорошковой наплавки.
Алгоритмы работы системы автоматического управления технологическим процессом сверхзвуковой газопорошковой наплавки в целом и системы автоматического управления расходом рабочих газов, как основной составляющей системы автоматического управления технологическим процессом наплавки в целом.
Совокупность результатов экспериментальных исследований и обобщений о связи эксплуатационных свойств покрытий и параметров регулирования, полученных при использовании разработанного блока системы автоматического управления расходом рабочих газов и их соотношением.
Рациональные технологические режимы работы блока системы автоматического управления расходом рабочих газов для процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки покрытий на элементы теплоэнергетических установок.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на региональных и международных конференциях по вопросам современных технологий и автоматизации управления.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК и сборниках докладов на международных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 123 страницах, содержит 41 рисунок, 7 таблиц и 2 приложения.
Во введении обоснована актуальность изучаемой в диссертации проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ проблемы поверхностного износа деталей и наиболее распространенные способы ее решения, а также обзор технологического оборудования для газотермического нанесения защитных покрытий, проведен сравнительный анализ технического уровня стандартного оборудования, приведены разработанные на данный момент способы и средства управления технологическим процессом нанесения покрытий.
Во второй главе приводится описание материалов, используемых для СГП-наплавки, измерительного оборудования и методик экспериментальных исследований, используемых при выполнении диссертационной работы.
Третья глава посвящена разработке САУ параметрами расхода рабочих газов. При этом был проведен анализ основных технологических параметров, влияющих на свойства защитного покрытия. На основе определенных в результате анализа параметров управления были сформулированы требования к функциональным возможностям САУ, обоснован метод управления параметрами расхода рабочих газов и разработан алгоритм, реализующий его. На базе данного алгоритма был определен аппаратный состав САУ и разработана ее принципиальная схема.
Четвертая глава посвящена определению функциональных возможностей САУ и экспериментальным исследованиям по определению влияния управляемых с ее помощью технологических параметров СГП-наплавки на качество наносимого покрытия. При этом основным оцениваемым параметром была удельная мощность пламени, изменяющаяся в зависимости от установленного режима, для которого характерны определенные значения расхода и соотношения рабочих газов.
В приложениях представлены электрические схемы САУ, описание некоторых ее структурных элементов.
Автор приносит благодарность за оказанную помощь сотрудникам кафедры «Малый бизнес и сварочное производство», а также заведующему кафедрой «Малый бизнес и сварочное производство» д.т.н., профессору В.Г. Радченко и аспирантам кафедры «Автоматизированный электропривод и электротехнологии», принимавшим непосредственное участие в обсуждении результатов работы и проведении экспериментальных исследований на различных этапах выполнения работы.
Автор считает своим долгом выразить признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору М.В. Радченко.
Анализ проблемы износа поверхности деталей и способов повышения ее износостойкости
К середине 70-х годов прошлого столетия человечеством добыто и выплавлено в общей сумме не менее 20 млрд. т железа, а весь мировой металлофонд (железо в сооружениях, машинах, механизмах) составляет в настоящее время лишь около 6 млрд. т [1]. Следовательно, 14 млрд.т. железа рассеяны по планете в виде мелкодисперсных продуктов коррозии и изнашивания. В настоящее время около 30 % ежегодной выплавки металла расходуется на восполнение потерь от коррозии и изнашивания. По данным фирмы «Эутектик & Кастолин», стоимость ежегодных простоев в промышленности равна около 15 % общих годовых затрат; 80 % общего времени простоев составляют потери рабочего времени вследствие поломок оборудования [2]. Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена тем, что использование объемно-легированных материалов, являвшееся в последнее столетие основным способом решения этой задачи, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов [3]. Кроме того, по мере развития и совершенствования техники постоянно растут требования к орудиям труда и условиям их эксплуатации (повышение скоростей, температуры, нагрузок, агрессивности среды, уменьшение массы и др.). Применение традиционных конструкционных материалов уже не в состоянии в ряде случаев удовлетворить комплекс этих требований.
Вышесказанное объясняет все возрастающий интерес к проблеме защитных покрытий, определяет значение разработки и практического применения оборудования и технологии для нанесения покрытий различного назначения в современных условиях. На сегодня имеется большое количество способов упрочнения поверхностей деталей [4-12], а также широкая? номенклатура защитных материалов с различными функциональными возможностями [3, 13-19].
В настоящее время- к числу наиболее активно развивающихся направлений в области защитных покрытий относятся методы газотермического напыления и наплавки [2-5, 7-8]. В этой области достигнут высокий уровень.исследований, накоплен большой опыт практического применения подобной технологии.
Широкая область применения; этих способов защиты объясняется достаточно простой технологией нанесения покрытий (по сравнению, например; с вакуумными и лучевыми:Способами) доступностью материалов; простотой и дешевизной оборудования, а также производительностью и достаточно высокими показателями качества покрытий.
Решением проблемы освоения технологий газотермических покрытий, разработкой нового оборудования- материалов, внедрением их в производство- в нашей стране занимаются многие академические ш отраслевые научно-исследовательские институты, ведущие ВУЗы,. промышленные предприятия. Необходимо отметить значительный вклад таких организаций; как ВНИИНМ, ИМЕТ им: А.А. Байкова РАН, ВИАМ, НИКИЭТ, ВНИИТС, ЦНИИТМАШ, МИСиС, НПО «Тулачермет», ВНИИ «Автогенмаш», ИЭС им. Е.О. Патона, ЦНИИ «Прометей», НИАТ, НИИД, ИВТАН РАН, Институт теплофизики РАН, ОАО «Композит», МТТУ им. Н.Э; Баумана; ОАО «АНИТИМ» и др: [32]!
Примером успешного применения покрытий благодаря производству широкой гаммы порошковых материалов в ТЗ НТС (Украина), НПО «Тулачермет» (РФ) является создание участков по нанесению покрытий во ФНПЦ ММПП «Салют», ООО «ТСЗП»,. ОАО «Пермские моторы», ОАО «КМПО»ит.д.
Материалы и технологическая аппаратура для реализации процесса сверхзвуковой газопорошковой наплавки
В качестве технологической аппаратуры для СГП-наплавки защитных покрытий использовалось оригинальное устройство для сверхзвуковой газопорошковой наплавки со специальным водоохлаждаемым соплом [75], разработанное и запатентованное авторским коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий» в рамках Федеральной программы «СТАРТ». На данной аппаратуре (рис. 2.1) отрабатывались технологические режимы получения слоев, наплавленных сверхзвуковой газовой струей, а также исследование зависимости качества покрытия от режимов работы технологического оборудования (рис. 2.2).
Для дозируемой подачи порошка использовался тарельчатый питатель оригинальной конструкции, также разработанный коллективом ООО «НИИ Высоких Технологий». Порошок подавался в газовую струю при помощи сжатого воздуха за счет эжекции. Для этого использовался воздушный компрессор, создающий в своем ресивере избыточное давление до 1 1,2 МПа. Для очистки сжатого воздуха от пыли, влаги и масла использовался влагомаслоотделитель с регулятором давления.
Дозировка порошка осуществлялась за счет регулирования скорости вращения тарели со специальным каналом, в который порошковый сплав высыпался из бункера, при помощи программно-управляемого электропривода. Дополнительно дозировка корректировалась изменением давления транспортирующего газа.
Подача рабочих газов осуществлялось с помощью разработанной системы управления параметрами расхода газов.
В России выпускаются порошковые материалы фракцией более 40... 100 мкм. Поэтому использование порошковых сплавов данной фракции для СГП-наплавки наиболее рационально, так как более крупные порошковые частицы (200...300 мкм) слабо прогреваются в источниках нагрева [76], а более мелкая фракция 10...40 мкм, используемая при сверхзвуковом напылении, в России не выпускается.
В представленной работе в качестве основного материала для СГП-наплавки используется промышленно выпускаемый в России самофлюсующийся порошковый сплав марки ПГ-СРЗОМ (тип ПН-ХН80СЗРЗ) системы Ni-Cr-B-Si с размером частиц менее 100 мкм. Это объясняется тем, что согласно ГОСТу 21448-75 [77] указанный сплав рекомендован для наплавки и напыления уплотнительных поверхностей арматуры тепловых и атомных электростанций, подвергающихся механическому изнашиванию при нагреве до 600 С и воздействию агрессивных сред. То есть этот сплав является типичным представителем износостойких материалов для широкой гаммы изнашиваемого оборудования и деталей машин.
Перед непосредственным использованием с целью удаления влаги порошок для наплавки прокаливался в печи в течение 1 1,5 ч при температуре 200. 250 С.
В качестве рабочих газов использовались смесь пропан-бутана [66] и кислорода [67]. К баллонам со сжиженным горючим газом и сжатым окислителем подключались редукторы, понижающие давление в магистралях до требуемых технологических значений (для пропана 0,18...0,20 МПа, для кислорода 0,48...0,50 МПа).
Анализ технологических параметров, влияющих на свойства покрытия, полученного при помощи сверхзвуковой газопорошковой наплавки
Для измерения температуры концы первой термопары помещались в условный центр пятна нагрева, концы второй термопары зачеканивались со смещением на 12 мм по оси Y. После этого образец фиксировался в струбцине и располагался под горелкой на расстоянии 1... 1,3L от среза сопла (L - длина ядра факела).
Нагрев пластины производился при вертикальном положении сверхзвуковой газопламенной струи (пластина при этом располагалась горизонтально) в течение определенного времени (до начала плавления поверхностного слоя). После нагрева пламя гасилось, и пластина остывала на спокойном воздухе при комнатной температуре (18.. .20 С).
Для определения влияния управляемых параметров расхода газов на нагрев пластины измерение термоциклов производилось при их различных расходах и соотношениях с экспериментальным сверхзвуковым соплом, специально разработанным для СГП-наплавки. Чтобы уменьшить ошибки измерения и получить более точные зависимости проводилось не менее 5...7 измерений термоциклов на различных режимах, соответствующих разному расходу газов. По средним значениям измеренной температуры рассчитывалась удельная мощность газовой струи. При этом была получена зависимость удельной мощности газовой струи (мощность, потраченная на нагрев точки пластины за единицу времени) от общего расхода газов при их фиксированном соотношении.
Методы и средства проектирования и конструирования систем автоматического управления
Так как в качестве управляющего устройства был выбран ШІК, то при проектировании САУ расходом рабочих газов использовались методы синтеза цифровых систем управления и теории автоматического управления [89-91]. Эти методы в своей основе используют понятие линейного алгоритма управления, который представляет собой функциональную зависимость, в соответствии с которой управляющее устройство формирует управляющее воздействие. Синтез системы управления производился на основе разработанного алгоритма функционирования САУ.
В общем случае задачу синтеза САУ можно разбить на следующие этапы (рис. 2.6) [92].
1. Выбор объекта, для которого разрабатывается САУ.
2. Определение исходных величин и выбор способа управления.
3. Разработка устройства логического управления (УЛУ).
4. Обеспечение качественных показателей САУ.
5. Экспериментальное исследование функциональных возможностей разработанной САУ.
6. Оценка надежности и ее повышение в синтезированной САУ.
7. Составление описания работы САУ и инструкции пользователя.
8. Составление технической документации на разработанную САУ.
