CC BY
10
DOI 10.25987^Ти.2020.16.4.023 УДК 62-533.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ АВТОКЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Ю.В. Нефедов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматриваются вопросы целесообразности проведения натурных экспериментов при мелкосерийном производстве полимерно-композитных материалов в установках автоклава, что позволяет получить необходимые значения параметров управления процессом формовки с меньшим количеством затраченных средств, времени, а также с наименьшей погрешностью. Основное внимание уделено учету факторов, влияющих на динамику изменения базовых параметров процессов автоклавирования, которые зависят как от особенностей реализации установки, так и от индивидуальных настроек системы автоматического управления основными агрегатами установки. Для повышения эффективности технологического процесса на аппаратном уровне было предложено использование системы частотного регулирования электропривода основного вентилятора типовой установки автоклава. Такое решение дает возможность снизить потери электроэнергии, эффективно скоординировать управление нагревательной и вентиляторной групп установки, а также ускорить проведение единичного цикла автоклавирования полимерно-композитных материалов. В свою очередь, реализация нескольких циклов автоклавирования в качестве натурного эксперимента дает возможность проведения анализа полученных данных и выработки необходимых управляющих параметров управления процессом формирования полимерно-композитного материала с достаточной точностью и с меньшим количеством затрат по времени. Показано, что данная минимизация затрат при достижении заданного качества полимерно-композитного материала в условиях малого производства достигается за счет корректировки индивидуальных настроек системы автоматического управления нагревательной и вентиляторной групп установки автоклавирования
Ключевые слова: метод натурного эксперимента, технологический процесс автоклавирования, настройки системы автоматического управления
Введение
Основой для производства самолетов, крылатых ракет, космических кораблей и широкого спектра предметов домашнего обихода, послужил легкий, высокопрочный полимерно-композитный материал (ПКМ), состоящий из переплетенных нитей углеродного волокна в матрице смол. Углепластик имеет плотность от 1450 кг/м3 до 2000 кг/м3, что по удельным характеристикам превосходит легированную сталь марки 25ХГСА почти в два раза, а по массе - в пять раз меньше. Из-за того, что изделие на момент формирования находится в матрице, пропитанной полимером, оно свободно может принять форму одинарной и двойной кривизны. Объемы и размеры, а соответственно и стоимость изготавливаемой детали, могут быть весьма значительны (обтекатель космических ракет имеет в диаметре пять метров и в высоту семнадцать метров).
Основным недостатком такого материала является сложность и дороговизна самого процесса формирования изделий. Отклонения от технологических параметров в процессе производства углепластика приводят к появлению брака, к возгоранию внутри автоклавной уста-
© Нефедов Ю.В., 2020
новки и значительным экономическим потерям. Как следствие, в производстве ПКМ необходима реализация сложных, дорогостоящих систем управления и контроля качества изделия, которые обеспечат стабильность и отлаженность технологического процесса автоклавного формирования.
Постановка задачи
Описанная выше задача контроля качества изделий и управления производственным процессом автоклавного формирования на практике решается с привлечением методов как имитационного моделирования, так и натурного экспериментирования [1-4]. Задача данного исследования - подтверждение целесообразности по временным и материальным затратам использования методики именно натурного экспериментирования для мелкосерийного производства ПКМ с использованием модернизированной системы управления.
Решение сформулированной задачи
Мелкосерийное производство в автоклавной установке полимерно-композитного материала имеет свои особенности, связанные, как правило, с формовкой единичного изделия от-
личного по своим параметрам и характеристикам от серийных изделий (в том числе и энер-го-экономическим)[5,6]. При этом соответствующие управляющие значения и задаваемые уставки, необходимые для корректной
работы системы управления процессом автоклавного формирования, приходится рассчитывать и задавать вручную каждый раз с учетом конкретных требований (рецепта, рис. 1).
Сегмент 0 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14
Технологический шаг Старт/ Стоп В дейст. В дейст. В дейст, В дейст. В дейст. В дейст, В дейст. В дейст. В дейст, В дейст. В дейст. В дейст, В дейст. Старт/ Сто п
Время сегмента 0:00:00 0:05:00 0:10:00 2:00:00 4:30:00 0:10:00 0:05:00 0:20:00 3:30:00 0:15:00 0:45:00 2:30:00 0:05:00 1:00:00 0:00:00
Температура воздуха, [°с] 20,0 20,0 20,0 110,0 110,0 110,0 110,0 145,0 145,0 175,0 175,0 30,0 30,0 20,0 20,0
Давление: [бар] 0,0 2,0 2,0 2,0 2,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 0,0 0,0
Вакуу м: [бар] -0,95 -0,95 -0,95 -0,95 -0,95 -0,65 -0,55 -0,55 -0,55 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
ЭР-Разн. темп.:[°С] 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Тер мо-голова :[°С] 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0
контроль детали: Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл.
Рис. 1. Типовое задание основных параметров технологического процесса (рецепт)
Тем не менее реализация оптимального набора параметров и их реализация системой управления основывается на единой базе сложных физических и математических процессов, описываемых известными законами термодинамики, теплофизики и электротехники. Эти закономерности достаточно проблемные для проведения аналитического анализа (с точки зрения человеко-машинных затрат и точности), и практическая эффективность построения имитационных и математических моделей, как правило, низка [7-10].
Именно поэтому реализация ряда натурных экспериментов на мелкосерийном автоклавном производстве дает возможность проведения анализа полученных данных и выработки необходимых управляющих параметров управления процессом формирования полимерно-композитного материала с достаточной точностью и с меньшим количеством затрат по времени.
Основными технологическими параметрами для системы управления автоклавом (которые необходимо изменять и контролировать) являются:
a) давление;
b) температура воздуха (или среды, например: азота) в автоклавной емкости;
c) поддержание вакуума в «пакете» формующегося изделия;
d) управление воздухообменом в автоклаве, посредством регулирования скорости вентилятора.
Технологически процесс реализуется следующим образом.
В сосуде автоклава, с помощью компрессорной установки, создается необходимое давление (максимально - 1,25 МПа, что соответствует ~10 атмосферам). Параметр давления варьируется в диапазоне 2-9 атмосфер и зависит
от рецептурного значения уставки по давлению при «запекании» композитного материала.
Формовка и пропитка полимерно-композитного изделия реализуются поддержанием температуры в автоклаве на заданном уровне - 170 °С с помощью группы термоэлектрических нагревателей (ТЭН мощностью Р = 295 кВт), нагруженных на трехфазную сеть. Изменение уровня нагрева осуществляется с помощью тиристорных регуляторов мощности.
Для создания условий равномерного нагрева группой термоэлектрических нагревателей полимерно-композитного материала предусмотрена принудительная циркуляция воздуха (азота) внутри автоклава, реализуемая вентиляторами на основе асинхронного электропривода.
Для снижения потерь электроэнергии и оптимизации технологического процесса на аппаратном уровне было предложено использование системы частотного регулирования электропривода вентиляторной группы установки автоклава. Такое решение дает возможность не только снизить затраты на производство, но и эффективно скоординировать управление нагревательной и вентиляторной групп установки, и тем самым существенно ускорить проведение единичного цикла авто-клавирования полимерно-композитных материалов за счет более быстрого установления требуемого температурного режима. Необходимая скорость потока воздуха реализуется путем регулирования оборотов асинхронного двигателя (АД, мощность Р= 45 кВт) вентилятора преобразователем частоты (система «ПЧ-АД»). Система «ПЧ-АД» обеспечивает не только оптимальное регулирование потока воздуха, но и энергосбережение, а также защитные функции самого электропривода. Данное аппаратное решение было расширено в области оптимизации структуры системы
управления «ПЧ-АД». Был реализован контур обратной связи ПИД-регулирования скорости потока воздуха в автоклаве с учетом тепловой инерционности его емкости. Это позволило решить проблемы синхронизации нагрева ТЭН и скорости воздушного потока с технологическими требованиями (рецептами) для каждой серии изделий из ПКМ. Предложенный контур ПИД-регулирования позволяет оптимально форсировать процессы нагрева и охлаждения рабочей зоны автоклава, что сокращает длительность переходных процессов (а следовательно, и время каждого единичного цикла формования изделия) на 15% - 25% (рис. 4).
Отметим, что в процессе отладки была установлена постоянная для всех рецептов интегрирующая составляющая ПИД-регулятора, которая учла большую тепловую инерционность самого объекта управления (емкость автоклава). Но чтобы добиться точного и оптимального управления основными технологическими параметрами в автоклавной установке, необходимо учитывать не только ее технические характеристики, но и особенности основного термодинамического процесса для каждого варианта изделия и рецепта.
Алгоритм работы системы управления автоклавной установки формируется на основе требуемых по технологии параметров температуры и давления. Температура определяется нагревом воздуха и характеризуется большой тепловой инерцией самого материала и в еще большей степени геометрией и исполнением рабочей зоны самого автоклава. Таким образом, тепловая инерция определяется свойствами композитного материала, связанными со способностью передавать тепло (энергию) от более теплых частиц нагреваемого воздуха и внешней поверхности композитного материала к менее нагретым и увеличением объема композитного материала с ростом температуры [11]. Свойства изготавливаемого изделия определяются термодинамическим процессом, который всегда сопровождается изменением одного из макроскопических и взаимосвязанных параметров (давления Р, объема V или температуры Т), которое приводит к изменению двух других параметров по известным газовым законам Шарля и Гей-Люссака [12].
Как было отмечено выше, процесс получения ПКМ включает ряд технологических стадий, выполняемых последовательно. Причем каждая предыдущая стадия оказывает прямое влияние на протекание процессов на последующих стадиях и на эксплуатационные характеристики ПКМ.
Существует большое количество методов формообразования изделий из ПКМ и каждый имеет свою строго определенную рецептуру (алгоритмы изменения параметров давления и температуры) в течение времени каждой стадии. Кроме того, необходимо учитывать, что увеличение температуры в емкости автоклавной установки приводит к увеличению давления газа (при неизменных объеме и массе газа), возможности создания аварийной ситуации, вплоть до разрушения емкости.
Таким образом, основные трудности производства ПКМ (особенно для мелких серий) связаны с требованиями точности подержания технологических алгоритмов в соответствии с рецептурой и параметрами (размеры, геометрия и т.д.) самого изделия. Существует большая инвариантность динамического изменения всех величин, характеризующих состояние газовой среды, окружающей изделие. Как уже было отмечено, заранее определить все необходимые закономерности такого динамического изменения с помощью математических расчетов и имитационного моделирования крайне трудоемко [3, 4, 9, 10]. Так, например, для подборки требуемых параметров рецепта для типовой мелкой серии ПКМ обычно проводится от 5 до 10 дорогостоящих полных циклов формования.
Для сокращения производственных расходов, было предложено использовать метод натурного экспериментирования, который позволяет менее затратно определить технологические алгоритмы в соответствии с рецептурой и параметрами каждого изделия. При этом используются экспертные оценки и данные аналогичных, ранее реализованных стадий автоклавного производства. Для сокращения инвариантности методология проведения экспериментирования основывается на анализе протекающих процессов, в которых один из параметров, упомянутых выше, поддерживается постоянным. На основании ранее изложенного были проведены натурные испытания в реальных условиях на автоклавной установке [6].
Методика испытаний строилась следующим образом: варьируемым параметром выступала температура среды в автоклавной установке, на основании изменений температуры анализировались динамические параметры давления. Следующий этап строился от обратного, управляемым параметром было давление в автоклаве, на основании этих изменений снимались текущие параметры температуры среды в емкости. В результате проведения серии натурных испытаний (для единичной серии достаточно проведение 3-5 полных цик-
лов формования) получаются необходимые зависимости параметров для построения переходных процессов в автоклавной установке и подготовки конкретного рецепта (пример представлен в графическом виде на рис. 2, 3).
В анализируемом переходном физическом процессе, критерий энтальпии (состояния термодинамической системы) является положительным, отсюда следует, что ход данного процесса - эндотермичен из-за влияния температуры, а потом плавно переходит в экзотермиче-
ский. Зависимости на рис. 2 показывают процесс чистой изохоры, давление воздуха всегда почти прямо пропорционально изменению его температуры в начальной фазе. На участке, где давление начинает уменьшаться, мы видим равномерный спад температуры, но когда давление в емкости автоклава равно атмосферному, происходит спад по температуре, относительно начального значения на момент испытаний (продолжительности 3 мин.), затем начинается возврат к температуре внешней среды (рис. 3).
Рис. 2. Результаты натурного испытания при t = var (1 - температура, 2 - давление)
Рис. 3. Результаты натурного испытания при р = var (1 - давление, 2 - температура)
Поскольку система автоклавной установки не имеет идеальной теплоизоляции, полученная экспериментальная зависимость несколько отличается от теоретической. Это различие вызвано повышенной теплопроводностью сосуда автоклава. Часть тепловой энергии используется для нагрева сосуда, а другая часть - уходит на нагрев воздуха. Таким образом, для точной реализации рецепта каждого изделия системе управления необходимо постоянно отслеживать и коррелировать зависи-
мость изменения давления при повышении или понижения температуры, учитывая экспериментально полученные данные.
На рис. 4 приведены в графическом виде результаты работы автоклавной установки с использованием предложенных решений -методики натурного экспериментирования для мелкосерийного производства ПКМ и модернизированной системы управления системой вентиляции на основе автоматизированного электропривода «ПЧ-АД».
Рис. 4. Графики изменения основных параметров режима формования изделий из ПКМ
Из анализа графиков изменения основных параметров (давление, температура и вакуум во всех контрольных точках автоклава) режима формования изделий из ПКМ можно сделать вывод, что после реализации всех предложенных решений отклонения фактически установленных значений от заданных снизились с 10% до 2% в установившихся режимах, и с 40% до 15% в переходных режимах. А время единичного цикла автоклавирования снизилось на 15-25% (в абсолютных значениях, для приведенного рецепта, на 108-180 минут).
Корректность полученных при этом результатов была подтверждена требуемым качеством полученного полимерно-композитного материала и минимальным процентом брака при реализации опытной серии продукции. Таким образом, можно не прибегая к сложным математическим расчетам и имитационным моделям процессов автоклавирования, получить необходимые корректировки базовых параметров, соответствующие уставки и задания для системы управления производственным процессом автоклавного формирования ПКМ.
Выводы
1. Для мелкосерийного производства ПКМ в автоклавах целесообразно использовать метод натурного экспериментирования, который позволяет выполнить необходимые настройки процесса управления автоклавиро-ванием с достаточной точностью, с меньшими затратами ресурсов и времени.
2. Целесообразна реализация частотного регулирования скорости вентилятора автоклава. Такое решение дает возможность не только снизить затраты на производство, но и эффективно скоординировать управление нагревательной и вентиляторной групп установки и тем самым ускорить проведение единичного
цикла автоклавирования ПКМ за счет более быстрого установления требуемого температурного режима.
3. Проведенные в результате активного эксперимента натурные испытания в реальных условиях на автоклавной установке выявили факторы, влияющие на динамику изменения основных параметров процессов автоклавирова-ния, зависящие как от конструктивных особенностей установки, так и от индивидуальных настроек системы автоматического управления основными агрегатами установки (ТЭН, электроприводов вентиляторов, компрессоров и т.д.).
4. С точки зрения минимизации затрат при достижении заданного качества ПКМ при мелкосерийном производстве целесообразно основное внимание уделить корректировке индивидуальных настроек системы автоматического управления основными агрегатами установки автоклавирования, используя данные серий натурных экспериментов.
Литература
1. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: Научные основы и технологи, 2008. 822 с.
2. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухамето Р.Р. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С.20-26.
3. Wood J.R., Bader M.G. Void control for polymermatrix composites (1) theoretical and experimental methods for determining the growth and collapse of gas bubbles // Compos. Manuf. 1994. V. 5(3). P. 139-147.
4. Wood J.R., Bader M.G. Void control for polymermatrix composites (1) theoretical and experimental evaluation of a diffusion model for the growth and collapse of gas bubbles // Compos. Manuf. 1994. V. 5 (3). P. 149-158.
5. Композиционные материалы; под ред. Д.М. Корнолеса. Киев: Машиностроение, 1985.
6. Крысанов В.Н., Нефедов Ю.В., Романов А.В. Контроль параметров электромагнитной совместимости модернизированного оборудования автоклавной установки // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 2. С. 77-81.
7. Дальский А.М., Барсукова Т.М., Вязов А.Ф. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 2005.
8. Донецкий К.И., Коган Д.И., Хрульков А.В. Свойства полимерных композиционных материалов, изготовленных на основе плетеных преформ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2014. № 3. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.01.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-3-2-2.
9. Раскутин А.Е., Гончаров В.А. Компьютерное моделирование технологического процесса изготовления ПКМ методом вакуумной инфузии // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 286-291.
10. Koefoed M.S. Modeling and Simulation of the-VARTM Process for Wind Turbine Blades. Industrial Ph.D. Dissertation. 2003. P. 5-10.
11. Термодинамика: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1.
Основной курс / В.П. Бурдаков, Б.В. Дзюбенко, С.Ю. 12. Белоконь Н.И. Термодинамика. М. - Л.: Гос-
Меснянкин, Т.В. Михайлова. М.: Дрофа, 2009. 479 с. энергоиздат, 1954. 416 с.
Поступила 04.06.2020; принята к публикации 21.08.2020 Информация об авторах
Нефедов Юрий Васильевич - аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: nefe-dowjurij@yandex.ru, тел. 8906-673-44-40
USING THE NATURAL EXPERIMENTAL METHOD FOR OPTIMIZATION OF AUTOCLAWE
PRODUCTION
Yu.V. Nefedov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses the expediency of conducting full-scale experiments in the small-scale production of polymer-composite materials in autoclave installations, which allows you to obtain the necessary values of parameters for controlling the molding process with less time spent, as well as with the least errors. The main attention is paid to taking into account the factors affecting the dynamics of changes in the basic parameters of autoclaving processes, which depend both on the peculiarities of the installation implementation and on the individual settings of the automatic control system of the main units of the installation. To increase the efficiency of the technological process at the hardware level, it was proposed to use a frequency control system for the electric drive of the main fan of a typical autoclave installation. Such a solution makes it possible to reduce power losses, efficiently coordinate the control of the heating and fan groups of the plant, as well as accelerate the single cycle of autoclave of polymer-composite materials. In turn, the implementation of several autoclaving cycles as a full-scale experiment makes it possible to analyze the obtained data and generate the necessary control parameters for the process of forming the polymer-composite material with sufficient accuracy and with less time. It is shown that this minimization of costs when achieving the specified quality of the polymer-composite material in small production conditions is achieved by adjusting the individual settings of the automatic control system of the heating and fan groups of the autoclaving unit
Key words: method of natural experiment, technological process of autoclaving, settings of the automatic control system
References
1. Mikhaylin Yu.A. "Structural polymer composite materials" ("Konstruktsionnye polimernye kompozitsionnye materialy"), St. Petersburg, Nauchnye osnovy I tekhnologii, 2008, 822 p.
2. Dushin M.I., Khrul'kov A.V., Mukhametov R.R. "Choice of technological parameters of the automatic key molding of parts from polymer composite materials", Aviation Materials and Technologies (Aviatsionnye materialy i tekhnologii), 2011, no. 3, pp. 20-26.
3. Wood J.R., Bader M.G. "Void control for polymer-matrix composites (1) theoretical and experimental methods for determining the growth and collapse of gas bubbles", Compos. Manuf., 1994, vol. 5 (3), pp. 139-147.
4. Wood J.R., Bader M.G. "Void control for polymer-matrix composites (1) theoretical and experimental evaluation of a diffusion model for the growth and collapse of gas bubbles", Compos. Manuf., 1994, vol. 5 (3), pp.149-158.
5. Ed. Kornoles D.M. "Composite materials" ("Kompozitsionnye materialy"), Kiev, Mashinostroenie, 1985.
6. Krysanov V.N., Nefedov Yu.V., Romanov A.V. "Monitoring of electromagnetic compatibility parameters of modernized autoclave equipment", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2019, vol. 15, no. 2, pp. 77-81.
7. Dal'skiy A.M., Barsukova T.M., Vyazov A.F. "Technology of construction materials" ("Tekhnologiya konstruktsionnykh materialov"), Moscow, Mashinostroenie, 2005.
8. Donetskiy K.I., Kogan D.I., Khrul'kov A.V. "Properties of polymer composite materials made on the basis of woven preforms", Papers of VIAM: Electron. Sci. and Tech. J. (Trudy VIAM: elektron. nauch.-tekhn. zhurn), 2014, no3. art. 05, available at: http://www.viam-works.ru (access date: 01/14/2016), DOI: 10.18577 / 2307-6046-2014-0-3-2-2.
9. Raskutin A.E., Goncharov V.A. "Computer simulation of the manufacturing process of PCM by vacuum infusion", Aviation Materials and Technologies (Aviatsionnye materialy i tekhnologii), 2012, no. 5, pp. 286-291.
10. Koefoed M.S. "Modeling and simulation of the VARTM process for wind turbine blades", industrial Ph.D. dissertation, 2003, pp. 5-10.
11. Burdakov V.P., Dzyubenko B.V., Mesnyankin S.Yu., Mikhaylova T.V. "Thermodynamics" ("Termodinamika: ucheb. posobie. V 2 ch. Ch. 1. Osnovnoy kurs"), textbook, 2009, Moscow, Drofa, 479 p.
12. Belokon' N. I. "Thermodynamics" ("Termodinamika"), Moscow - Leningrad, Gosenergoizdat, 1954, 416 p.
Submitted 04.06.2020; revised 21.08.2020 Information about the author
Yuriy V. Nefedov, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: nefedowjurij@yandex.ru, tel. +7906-673-44-40
