CC BY
27
фики и других инженерных дисциплин позволяет внедрять активные методы обучения с целью повышения его эффективности, развития познавательной и творческой деятельности обучающихся, подготовки их к самостоятельной профессиональной деятельности
[10]. Все это в совокупности способствует развитию компетентности будущего квалифицированного специалиста и бакалавра, отвечающего требованиям интенсивно развивающейся экономики и общества в целом.
Библиографический список
1. Байденко В.И. Выявление состава компетенций выпускников вузов как необходимый этап проектирования ГОС ВПО нового поколения. М., 2006. 55 с.
2. Болонский процесс и его значение для России. Интеграция высшего образования в Европе /под ред. К.Пурсиайнена и С.А.Медведева. М.: РЕЦЭП, 2005. 199 с.
3. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 151000 «технологические машины и оборудование».
4. Громкова М.Т. Андрагогика: теория и практика образования взрослых: учеб. пособие для системы доп. проф. образования; учеб. пособие для студентов вузов. М.: ЮНИТИ -ДАНА, 2005. 495 с.
5. Грачева С.В., Виткалов, В.Г. Инновационный подход к проведению практических занятий по начертательной геометрии // Совершенствование подготовки учащихся и студентов в области графики, конструирования и стандартизации. Саратов, 2001. С. 102-104.
6. Дергач В.В., Толстихин А.К., Борисенко И.Г. Начертательная геометрия: курс лекций. Красноярск: Сибирский федеральный ун-т; 2011. 127 с.
7. Начертательная геометрия: рабочая тетрадь / сост: В.В.Дергач, И.Г.Борисенко, А.К. Толстихин. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2009. 55 с.
8. Звягинцева Н.Ю. Компетентный подход в обучении будущего педагога // Научный журнал «Синергетика образования». Армавир, 2009. Вып. 15.
9. Зеер Э.Ф. Психология профессионального образования: учеб. пособие. М.; Воронеж, 2003. 480 с.
10. Зимняя И.А. Культура, образованность, профессионализм специалиста // Проблемы качества, его нормирования и стандартов в образовании. М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 1998. С. 156.
11. Курдюмов В.И. Курс начертательной геометрии «Проекции ортогональные». СПб.: Изд-во Петербургского института инженеров путей сообщения, 1985.
12. Татур Ю.Г. Компетентностный подход в описании результатов и проектировании стандартов высшего профессионального образования: материалы ко второму заседанию методологического семинара. Авторская помощь. М.: Исследовательский центр проблем качества подготовки специалистов, 2004.
УДК 621.365
АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
19 Я
H.Г.Филиппенко1, А.В.Лившиц2, А.Я.Машович3
I,2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены основные направления автоматизации технологического процесса высокочастотной обработки диэлектрических материалов. Предложена методика построения систем управления, основанных на новых, ранее не учитываемых явлениях частичных разрядов. Предложена блок-схема автоматизации, не изменяющая существующих схем и конструкций высокочастотного оборудования. Ил.4. Библиогр.8 назв.
Ключевые слова: автоматизированная система управления; высокочастотный нагрев; автоматизация; электротермическая обработка.
AUTOMATION OF HIGH FREQUENCY HEAT TREATMENT OF POLYMER MATERIALS N.G. Filippenko, A.V. Livshits, A.Ya. Mashovich
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
1Филиппенко Николай Григорьевич, старший преподаватель кафедры технологии ремонта транспортных средств и материаловедения, тел.: (3952) 638395-149, e-mail: [email protected]
Filippenko Nikolai, Senior Lecturer of the Department of Vehicle Repair Technology and Material Science, tel.: (3952) 638395149, email: [email protected]
2Лившиц Александр Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии ремонта транспортных средств и материаловедения, тел.: (3952) 638395-362, e-mail: [email protected]
Livshits Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Vehicle Repair Technology and Material Science, tel.: (3952) 638395362, e-mail: [email protected]
3Машович Андрей Яковлевич, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: 89500620622, e-mail: [email protected]
Mashovich Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Industrial Ecology and Life Safety, tel.: 89500620622, e-mail: andr.mashovich @ yandex.ru
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The basic trends of the automation of the technological process of high-frequency treatment of dielectric materials are examined. The procedure to build control systems based on new, previously neglected phenomena of partial discharges is proposed. An automation block diagram that does not change the existing schemes and designs of high-frequency equipment is offered. 4 figures. 8 sources.
Key words: automated control system; high-frequency heating; automation; electrothermic treatment.
Синтетические материалы стали находить в последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение. Повышенный интерес к ним объясняется их особыми свойствами. В связи с этим, возрастающий объем и ассортимент производства деталей из пластических масс требует дальнейшего совершенствования существующих технологических процессов их изготовления.
В настоящее время к наиболее прогрессивным технологиям изготовления деталей из синтетических материалов следует отнести технологии, связанные с обработкой токами высокой частоты (ВЧ), как ресурсо- и энергосберегающие. В отличие от традиционных, так называемых, внешних источников подвода тепла (конвекционных, тепловых излучений), ВЧ- электротермия обладает рядом преимуществ:
-избирательность (наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими диэлектрическими потерями);
-быстрый и управляемый прогрев материала в объеме вне зависимости от его геометрических размеров, формы и коэффициента теплопроводности;
-безынерционность (отсутствие тепловой инерции нагревателя);
-отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем;
- возможность концентрации высоких энергий в больших объемах.
В то же время, в ходе реализации ВЧ обработки возникает ряд проблем, вызванных изменениями свойств полимерных материалов в процессе транспортировки, хранения и эксплуатации. В результате возникают сложности в обеспечении эффективности технологических процессов и решении вопросов их автоматизации.
Основная проблема видится в непостоянстве электрофизических показателей полимеров, а именно тангенса угла потерь, электропроводности, диэлектрической проницаемости, что приводит к необходимости изменения мощности ВЧ воздействия при переходе от материала к материалу. Измерение параметров непосредственно в зоне действия ВЧ излучения невозможно, поэтому в [1,2] предлагается решать данную проблему, рассчитывая время нагрева по прогнозируемой температуре в зоне обработки. При этом расчет производится для каждого материала отдельно, с целым рядом принятых допущений, что снижает ценность методики применительно к производственным условиям. В [3] контроль параметров ВЧ обработки ведется на
основе визуального наблюдения за состоянием обрабатываемого изделия (деструкция, изменение цвета). До практического применения предлагаемые выше решения достаточно далеки.
Имеющиеся на сегодняшний день разработки не предусматривают возможность в случае аварийной ситуации (пробойных токов) сохранить от повреждения обрабатываемые изделия и дорогостоящие электроды. Это является одним из основных факторов, сдерживающих широкое промышленное использование ВЧ установок. Также немаловажно и то, что эти автоматизированные системы при монтаже требуют практически полного переоснащения имеющегося на производстве ВЧ оборудования, что отрицательно влияет на процессы их внедрения.
В целях устранения данных недостатков авторами предлагается контролировать процесс обработки посредством измерения скорости изменение анодного тока ВЧ генератора и динамики возникновения ранее не учитываемых частичных разрядов (ЧР), возникающих на поверхности обрабатываемых материалов. ЧР являются чувствительной характеристикой электрофизического состояния полимеров [4]. Они проявляются в виде искровых разрядов в различных частях изделия. Измерение импульсов ЧР позволяет с высокой достоверностью выявить механизмы предпробойного состояния на самых ранних стадиях возникновения проблем. Соответственно, контролируя ЧР, можно контролировать процесс развития пробоя во времени.
На рис. 1 представлена вольт-амперная характеристика пробоя полимерных материалов [5] с указанием зоны предпробойного состояния.
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика пробоя полимерных материалов
Данная особенность полимеров была взята за основу автоматизации процесса управления ВЧ устройством с защитой от токов пробоя.
Исходя из конструкционных особенностей регулятора мощности ВЧ генератора, выполненного в
виде переменного конденсатора, была определена нелинейная зависимость изменения мощности генератора от угла поворота регулятора и установлено оптимальное время увеличения мощности генератора до его номинального режима, равное 7 с.
Расчет скорости увеличения анодного тока можно вычислить как разность мгновенных значений тока:
— - — < к,
(1)
где /п, /п-1 - мгновенное значение тока, А; тп, тп-1 -мгновенное значение времени, с; К- коэффициент линейности,
К = V / Т. (2)
Здесь Т - периодичность измеряемых данных, с; V- линейная скорость регулирования, А/с,
V (/ном - /хол) / тр
(3)
где /ном - ток номинальный, А; /хол - ток холостого хода, А; трег - время регулирования анодного тока до номинального значения.
На рис. 2 изображена предлагаемая структурная схема блока автоматизации устройства ВЧ термообработки полимерных материалов, содержащая: 1 - блок автоматизации, 2 - экранирующий корпус, 3 - коаксиальный кабель,4 - источник постоянного напряжения, 5 - высокочастотный генератор, 6 -систему управления сигнализация, 7 - цепь управления генератором, 8 - исполнительный механизм, 9 - линейный токовый датчик, 10 - вычислительное устройство, 11 - акустические датчики регистрации частичных разрядов, 12 - вычислительное устройство 13 - помехозащищенный корпус, 14 - блок питания, 15 - переменный конденсатор, 16 - микроконтроллер, 17 - рабочий конденсатор.
Рис. 2. Структурная схема блока автоматизации устройства ВЧ термообработки полимерных материалов
Работа блока автоматизации осуществляется следующим образом: одновременно с включением
устройства высокочастотной обработки полимерных материалов включаются высокочастотный генератор ВЧГ, блок управления СУС, блок автоматизации. Линейным датчиком Холла с выходом по напряжению измеряется анодный ток высокочастотного генератора (АТВЧ), одновременно с этим акустическими датчиками регистрируются частичные разряды (ЧР), возникающие на полимере, помещенном в рабочий конденсатор. Данные по АТВЧ и ЧР передаются в вычислительные устройства микроконтроллера (ВУМК) [6], которые производят расчет величины изменения анодного тока и количества частичных разрядов в определенном временном интервале. По интенсивности изменения контролируемых показателей можно определить электрофизическое состояние обрабатываемого полимера, а именно его предпробойное состояние, которое характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости [7], [8]. В случае обнаружения вычислительным устройством отклонения от линейной зависимости скорости возрастания анодного тока микроконтроллером подается команда исполнительному механизму на уменьшение емкости переменного конденсатора до величины, соответствующей нормальному режиму термообработки. Если регистрация ЧР по динамике превышает пороговое значение (экспериментально полученного 1,2 с), микроконтроллером также подается команда на уменьшение анодного тока. Все блоки и кабельные линии защищены коаксиальной и экранирующей защитой [9].
На примере ВЧ устройства «УЗП 2500» был произведен расчет и получена линейная зависимость возрастания анодного тока, которую и использовали в ВУМК.
Расчет производился исходя из следующих данных:
1. Номинальный анодный ток /ном=0,9 А.
2. Ток холостого хода /хол= 0,2 А.
3. Время регулирования до номинального тока
трег=7 с.
4. Периодичность предоставления данных Т=
2000.
Подставив значения в формулу (3), получаем
V= (0,9-0,2) /7 = 0,1 А/с. (4)
По формуле (2) вычислим значения К:
К = 0,1/2000= 0,00005. (5)
Таким образом, мы получили коэффициент линейной зависимости возрастания анодного тока, который и используем в ВУМК в соответствии с формулой (1).
Алгоритм работы вычислительного устройства ВУМК заключается в следующем: если разница значений текущего и предыдущего мгновенных токов больше полученного значения К, вычислительное устройство обнаруживает отклонения от линейной
т
т
п-1
зависимости, скорости возрастания анодного тока и микроконтроллер подает команду исполнительному механизму на уменьшение анодного тока до величины, соответствующей нормальному режиму термообработки согласно формуле (1). Для обнаружения предпробойного состояния в конструкцию блока включены акустические датчики частичных разрядов.
Данная акустическая система свободна от влияния индустриальных и естественных электромагнитных полей, часто затрудняющих проведение регистрации частичных разрядов в процессе эксплуатации электротермического оборудования.
Полученные в ходе исследования фонограммы подвергались обработке с использованием программных продуктов «GoldWave», «PowerGraph», Ехе11. Так, например, на рис. 3 показана фонограмма ЧР, возникающих при ВЧ обработке полиамида марки «Армамид» ПА СВ 30-1ЭТМ.
Рис. 3. Фонограмма частичных разрядов (ЧР) полиамида
В процессе исследований авторами была проведена серия экспериментов, в ходе которых обрабатывались полимерные материалы марок различной толщины (таблица).
Полимерные материалы, используемые для определения динамики ЧР
№п/ п Марка НТД Толщина, мм
1 ПВХ ГОСТ 14332-78 0,9
1,2
2 Полиамид марки «Армамид» ТУ 2243-01511378612 2,4
3 Кабельный пластикат ГОСТ 5960-72 1,2
4 Кремнеорганиче-ская резина ТУ 349-005 00214639 4,6
В качестве образцов использовали наиболее применяемые полимерные материалы, значительно различающиеся по физико-химическим показателям. Толщина образцов для исследования варьировалась от 0,9 до 4,6 мм.
Данные динамики возникновения ЧР в процессе ВЧ обработки в графическом виде представлены на рис. 4. Анализ данных (рис.4) позволяет сделать вывод, что пробою предшествует в достаточно большом временном интервале ряд ЧР, возникающих с некоторой прогрессией. Частота возникновения ЧР указывает на развитие пробоя. Поэтому основной задачей организации процесса управления ВЧ электротермии является определение максимального значения межразрядного интервала, которое является показателем развития предпробойного состояния.
За максимальное значение межразрядного интервала приняли эмпирическое значение, соответствующее времени возникновения первого ЧР, исследуемой группы материалов (кривая «Полиамид 2,4 мм») и показателю абсцисс, равному 1,22 с (первая крайняя правая точка на графиках группы материалов). Обозначим её ¿тах-и=1,221 с.
11 10 9
о. Т а.
ф 6
о X
--□-//—
--□/•
0
Ж ПВХ 0,9мм
□ ПВХ 1,2мм
- Полиамид 2,4мм
♦ Каб пластикат 1,2мм
□ Резина 4,6мм
-Экспоненциальный (ПВХ
0,9мм)
-Экспоненциальный (ПВХ
1,2мм)
-Экспоненциальный
(Полиамид 2,4мм)
-Экспоненциальный (Каб
пластикат 1,2мм)
-Экспоненциальный (Резина
4,6мм)
„ ,- „ Время сек . „
0 0,5 1 Вр 1,5 2 2,5
Рис. 4. График динамики возникновения частичных разрядов (ЧР) полимерных материалов
8
5
4
3
2
Этим самым было определено, что все межразрядные показатели времени ЧР, возникающие в материале при ВЧ обработке, меньшие или равные Iтах , характеризуют этап активного развития пробоя. Следовательно, за учитываемое время в процессе организации АСУ необходимо принимать время возникновения ЧР с межразрядным интервалом, меньшим или равным 1тах:
1чр — 1тах.
Исходя из полученного значения, введенная программа в ВУМК рассчитывает тчр по формуле Тчр 11,2 с,
где тчр - время между событиями с регистрацией частичных разрядов.
В случае невыполнения данного условия, т.е. когда интенсивность возникновения ЧР превышает 1,2 с, микроконтроллером подается команда исполнительному механизму на уменьшение емкости переменного конденсатора, уменьшающего мощность, а следовательно, и анодный ток до достижения контролируемых значений, соответствующих расчетному режиму термообработки.
Исполнительным механизмом может быть сер-
Библиогр
1. Румынский Н., Юленец Ю.П. Автоматизация процесса высокочастотной сварки корпусов щелочных аккумуляторов: сб. научн. тр. по химическим источникам тока. СПб.: Химиздат, 2004. 135-139.
2. Трофимов Н. В., Юленец Ю.П., Марков А.В. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 7. С.1-6.
3. Махов А.Н., Сударушкин Ю.К., Павлюк В.В. Конвективно-лучевая сушка композиционного материала на основе полиамида в фонтанирующем слое // Журнал прикладной химии. 2005. Т.78, №12. С.2008-2010.
4. Материаловедение и техника высоких напряжений / Г.Б. Дурандин [и др.]. Екатеринбург: УрГУПС, 2005. 116 с.
5. Физика диэлектриков. Область сильных полей /
вопривод, шаговый двигатель или другое устройство. При этом надо отметить, что скорость исполнительного механизма нелинейная. Для оборудования УЗП 2500 процесс увеличения анодного тока до номинального значения выполняется в пределах 7 с. Количество шагов, подаваемых на ИМ, подбирается экспериментально и зависит от конструктивных особенностей переменного конденсатора, установленного на ВЧ устройстве. Например, для увеличения анодного тока на вышеуказанном оборудовании на 0,01 А (с 0,2 до 0,21 А) количество шагов, подаваемых на шаговой двигатель, составляет 130 ед, а для увеличения тока на 0,01 А, но уже в диапазоне с 0,89 до 0,9А, количество шагов - 24 ед, что предусматривается алгоритмом управления ИМ.
Особенности данного блока автоматизации заключаются в том, что его установка не вносит изменений в существующие принципиальные электрические схемы устройств высокочастотной термообработки пластмасс. Блок легко изготавливается и может быть использован для автоматизации различного электротермического оборудования. Предлагаемый авторами автоматизированный способ позволяет производить термообработку различных полимерных материалов с защитой от критического воздействия пробойных явлений.
ий список
Г.А.Воробьев [и др.]. Томск: ТПУ, 2003. 244 с.
6. Кривченко И.В. AVR микроконтроллеры: очередной этап на пути развития //
7. Компоненты и технологии. 2002. № 3. С. 30-34
8. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела: учебник для вузов в 2 т. М.: Металлургия, 1995.
9. Рахманкулов Д.Л. Гетерогенно-каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона: монография. М.: Химия, 2006. 144 с.
10. Филиппенко Н.Г, Лившиц А.В., Машович А.Я. Автоматизация процесса высокочастотного нагрева материалов на промышленной установке УЗП 2500 // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Вып. 2 (30). С.193-198.
