CC BY
32
УДК 621.365 Лившиц Александр Валерьевич,
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой ТРТСиМ, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 638395-362, e-mail: livnet@list.ru
Филиппенко Николай Григорьевич, к. т. н., доцент кафедры ТРТСиМ, ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: ifpi@mail.ru
Попов Сергей Иванович,
аспирант кафедры ТРТСиМ, ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: ifpister@gmail.com
Ларченко Анастасия Геннадьевна,
аспирант кафедры ТРТСиМ, ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: larchenkoa@inbox.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ РАБОЧЕГО КОНДЕНСАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
A. V. Livchitc, N.G. Filippenko, S.I. Popov, A.G. Larchenko
INVESTIGATION OF ELECTROTHERMAL INSTALLATIONS OPERATING CONDENSER DIELECTRIC COMPONENTS INFLUENCE ON POLYMERIC MATERIALS HIGH-FREQUENCY PROCESSING
Аннотация. В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния изоляторов на процесс высокочастотной обработки, представлен анализ результатов исследований, сформирована математическая модель процесса электротермии с учетом дополнительных термоизоляторов.
Ключевые слова: электротермическая обработка, высокочастотная обработка, нагрев, сушка, сварка, нестационарная теплопроводность.
Abstract. The article presents the results of experimental studies of the impact of insulators in the process of high-frequency processing, provides the analysis of the research results, the mathematical model of the process taking into account the additional temperature insulators.
Keywords: electric heat treatment, high-frequency, heating, drying, welding, non-stationary thermal conductivity.
Последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение стали находить полимеры. Коррозионная стойкость, высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность позволяют использовать их взамен цветных металлов, нержавеющих сталей и других конструкционных материалов. Объемы производства полимеров в России продолжают
расти. По итогам 2012 года суммарный объем выпуска базовых полимеров составил 5,4 млн тонн. В декабре прошлого года выпуск базовых полимеров вырос на 7,3 % относительно декабря 2011 года [1]. В связи с этим возрастающий объем и ассортимент производства деталей из полимеров требует дальнейшего совершенствования существующих технологических процессов их изготовления. В настоящее время к наиболее прогрессивным способам изготовления следует отнести ре-сурсо- и энергосберегающие технологии обработки полимерных материалов токами высокой частоты (ВЧ).
ВЧ-электротермия обладает целым рядом преимуществ:
- избирательность воздействия (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;
- безинерционность (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, к которым можно отнести отсутствие технической возможности контроля температуры в области ВЧ-воздействия. Следовательно, решение данной задачи непосредственно связано с корректным определением показателей параметров процесса ВЧ-обработки - момента достижения в обрабатываемом материале температуры текучести или температуры плавления термопласта. В работе [2] отмечены недостатки известных моделей, не учитывающих изменения удельной мощности внутренних источников тепла в течение цикла обработки, идеализация конструкции технологической оснастки, не учитывающая теплопроводность элементов системы с учетом расположения эквивалентных внутренних источников тепла.
Особенно данное допущение вносит значительную погрешность определения оптимальных режимов ВЧ-обработки при сварке пластин различной толщины. Учитывая особенности электротермии, когда разогрев материала происходит в глубинных слоях полимера с низким коэффициентом теплопроводности, существует большая вероятность получения расплав вне зоны контакта свариваемых поверхностей, что приведет к снижению качества сварки или полной невозможности реализации технологического процесса.
Разогреваемые материалы и конструктивные элементы приспособления рабочего конденсатора значительно различаются по теплопроводности.
Для стальных плит конденсаторов данный параметр составляет 70 Вт/(м°С), для полимеров -0,2-0,3 Вт/(м°С), что не может не сказываться на тепловых потерях при теплообмене.
Для подтверждения данного факта, определения характера теплообмена и возможностей его регулировки при реализации технологического процесса электротермии был проведен ряд экспериментальных исследований по методике, основанной на контроле фазового состояния обрабатываемого материала по динамике изменения анодного тока и количества частичных разрядов (ЧР) [7].
В серии экспериментов обрабатывались полимерные материалы, различающиеся по физико-химическим показателям (фольга для горячего тиснения - ГОСТ 18.004.009, ПВХ - ГОСТ 1433278, полиамид марки «Армамид» - ТУ 2243-01511378612, кабельный пластикат - ГОСТ 5960-72, кремнеорганическая резина - ТУ 349-005 00214639). Толщина образцов для исследования варьировалась от 0,04 мм до 9,2 мм.
Образцы изготавливали на резальной машине с ЧПУ модели «Сейпа 138» с точностью обработки ±0,1 мм. Длинную сторону образцов-пластин располагали по направлению прокатки листов (продольное направление) с целью уменьшения разброса результатов экспериментов. При этом стороны образцов не совпадают с границами исходных заготовок. Подготовительные процессы полностью соответствуют технологическим операциям подготовки полимерных материалов при промышленной ВЧ-обработке.
Полимерные образцы обрабатывали на экспериментальной установке, собранной на основе оборудования модели УЗП-2500. Принципиальная схема с приспособлением и устанавливающимися изоляционными вкладышами электродов приведена на рис. 1.
Серия экспериментов была проведена при постоянных режимах работы ВЧ-генератора (при ир = const). ВЧ-обработке подвергались (серией по три образца одного геометрического размера) различные полимерные материалы до возникновения состояния пробоя.
Для определения частичных разрядов (ЧР) был использован звуколокационный метод. Локация и определение уровня частичных разрядов направлены на выявление очагов их возникновения в материале в процессе его обработки. Наличие ЧР позволяет оценить состояние исследуемого материала в условиях реальных напряжённостей и фазовых состояний. В сочетании с методами ам-перометрии метод частичных разрядов существенно повышает достоверность оценки состояния обрабатываемого полимера, особенно в конечной стадии его обработки. Пространственное расположение датчиков позволяет определить место расположения источника разряда. Методика регистрации частичных разрядов акустическим методом состоит в исследовании измеренных сигналов с помощью микроконтроллера (МК). При регистрации использовался алгоритм селекции импульсов на основе физических признаков ЧР (высокая частота, электромагнитный импульс). Эти особенности разрядов позволяют эффективно отстраиваться практически от всех помех, присутствующих в высоковольтном оборудовании (корона, синхронные помехи, перенаводки). Регистрация сигналов ЧР акустическим методом позволяет локализовать место дефекта. Для проведения измерений датчики крепятся за пределами ВЧ-камеры. Полученный сигнал обрабатывается программно при помощи микроконтроллера.
ф
НАГРЕВ ВКЛ
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - образец изделия; 2 - образец изделия;
3 - электроды рабочего конденсатора; 4 - изоляционный вкладыш; 5-1 - акустический датчик; 5-2 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 6 - вычислительное устройство; 7 - ВЧ-генератор;
8 - амперметр анодного тока; 9 - кнопка ПУСК
Для обработки данных использовалась программы PowerGraph и GoldWavePortaЫe. Данные продукты общедоступны и являются свободно-распространяемым программным обеспечением.
Экспериментальный нагрев до состояния пробоя диэлектрических материалов различных толщин (рис. 2), проводимый по схеме, представленной на рис. 3, показывает, что при малых толщинах (до 2 мм) наблюдается значительное увеличение времени достижения пробоя, что подтверждает влияние на эффективность воздействия ВЧ-излучения на обрабатываемую деталь контакта с материалов высокого коэффициента теплопроводности и подтверждает необходимость учета данного факта при определении режимов нагрева.
Данное явление можно расценивать неоднозначно с точки зрения обеспечения качества технологического процесса.
При сварке тонкостенных материалов, материалов одинаковой толщины наличие эффекта теплообмена положительно сказывается на качестве соединения. При сварке разнотолщинных материалов или реализации техпроцесса сушки данное явление приводит соответственно к получению некачественного соединения или увеличению энергозатрат.
Наиболее простой способ регулирования
теплообмена - использование термоизоляторов с коэффициентом теплопроводности (X) менее, чем X обрабатываемого материала.
Результаты экспериментов (рис. 4) с использованием изолирующих материалов, в частности диэлектрического картона ГОСТ 2824-86 с теплопроводностью 0,16 Вт/(м°С), проводимых по схеме представленной на рис. 5, показывают, что использование термоизоляторов позволяет практически исключить эффект влияния теплообмена.
Изменяя количество изоляторов, подбирая их толщину и электрофизические параметры, возможно изменять интенсивность нагрева изделия, координату расположения зоны расплава при постоянных режимах работы ВЧ-генератора.
Наличие изоляционных вкладышей между электродами приводит к необходимости решения так называемой несимметричной тепловой задачи [3, 4]. Соответственно, температурное поле по толщине термопласта будет несимметричным относительно центра обрабатываемого изделия. Итак, взяв за основу математическую модель процесса высокочастотной сварки пластмасс, представленную в работе [2], рассмотрим модель процесса ВЧ-обработки деталей, заключенных между электродами 1 и 2 рабочего конденсатора Ср1.
I, мм
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
ш
т, с
Рис. 2. Экспериментальный нагрев до состояния пробоя диэлектрических материалов без использования изолирующих элементов
ИР1|:: 1:1 щии
¡1111 11!
\ 1 \ 3 \ 2 ~ир
Рис. 3. Схема нагрева диэлектрических материалов без изолирующих элементов: ир - напряжение на рабочем конденсаторе; 1 и 2 - электроды рабочего конденсатора Ср1, 3 - обрабатываемый полимерный материал
Представим рабочий конденсатор Ср1 как многослойную пластину «металл (высокопотенциальный электрод) - изолятор (вкладыш) - свариваемый термопласт - изолятор (вкладыш) - металл (заземленный электрод)» (рис. 5). В соответствии с [5] распределение температуры в каждом из контактирующих друг с другом слоев описывается
уравнением нестационарной теплопроводности с внутренними источниками тепла
дТ, X, д2Т, р, (т) . . _ . ,п
-L =----4--/V , г =1,2,...5 (1)
дт Ср, (Т, )р, д*2 Ср, (Т, )р,
с начальным условием
Т т=о = Тн, 0 < х < . (2)
Рис. 5. Высокочастотная обработка деталей из пластмасс в технологической оснастке с одним изолированным электродом конденсатора Ср1: ^ - толщины высокопотенциального и заземленного электродов; h2, ^ - толщины изоляционных вкладышей; hз - толщина обрабатываемой детали; xi - координата границы слоя; хх - координата сварного шва; у - расстояние от сварного шва; ир - напряжение на рабочем конденсаторе; 1 и 2 - электроды рабочего конденсатора Ср1, 3 - обрабатываемый полимерный материал
Здесь Т, Тн - соответственно локальная и начальная температура; x - текущая толщина слоя; xi - координата границы слоя; X, ср, р - соответственно коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материала слоя; / - номер слоя: 1 - металл, 2, 4 - изоляторы, 3 - обрабатываемый полимер, 5 - металл.
На внешних границах электродов теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал:
при различных (наперед заданных) значениях напряжений Uрl с целью принятия решения о выборе оптимальных режимов сушки.
2. Определение момента достижения в зоне сварки обрабатываемых материалов температуры текучести термопласта:
Т
= Т„
(9)
при
0,
дТ
различных
и
=х5
= 0.
(3)
/-Ч х=0 ' /-Ч
дх дх
На границах слоев температуры и тепловые потоки равны (граничные условия четвертого рода): Т = ^+1 при x = Xi (/ = 1.. .4) (4)
К
дТ,.
= Х
дТ,
1+1
дх '+1 дх Удельная мощность р1 отлична от нуля только для термопласта:
р1 = р2 = р4 = р5=0, (6)
рз = ро1. (7)
Следует отметить, что в правой части уравнения (1) записана мгновенная удельная мощность рг(т), определяемая расчетно-экспериментальным путем. Удельная мощность ро1 рассчитывается по основным формулам электротермии через текущие, измеряемые в цикле ВЧ-нагрева, значения параметров 1ао и Uv1.
Задачами расчета могут являться: 1. Определение момента достижения в центре обрабатываемого монолитного материала температуры текучести термопласта:
при x = xi (/ = 1.. .4). (5)
= Ттек , при ^ = h4
(8)
(наперед заданных) значениях напряжений ир1 с целью принятия решения об окончании процесса сварки.
3. В зависимости от соотношения толщин свариваемых деталей X - x2) и (x3 - xS) определение оптимального соотношения толщин изоляторов, соответствующих минимальному времени достижения в зоне сварки температуры текучести термопласта.
Расчет процесса ВЧ-обработки полимерных материалов может осуществляться путем численного решения уравнения (1) с условиями (2)-(9). Для подстановки ро1(т) можно использовать зависимость, полученную расчетно-экспериментальным путем, представленную в работе [2].
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать вывод о несомненной необходимости исследований влияния изоляторов на процесс электротермической обработки, выработку методики применения изоляторов для обеспечения требуемого качества обработки и достижения энергоэффективности самого процесса.
Полученные предварительные результаты уже сейчас дают решение проблем сварки материалов малой толщины и возможность минимизации времени обработки при сушке полимеров за счет глубинной локализации теплового воздействия.
X = X
4
Х3 + Х2
х=
2
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Выпуск полимеров в РФ сохранился на уровне 2011 г [Электронный ресурс] // Информационно-аналитический центр RUPEC : сайт. URL: http://www.rupec.ru/news/26187/. (дата обращения 25.07.2013).
2. Трофимов Н. В. Математическая модель оптимального режима высокочастотной сварки пластмасс // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21) : материалы XXII Международ. науч. конф. Псков: Псков. гос. политехн. ин-т, 2009. Т. 10. Секция 11. С. 7173.
3. Тростянская Е. Б. Комаров Г.В., Шишкин В. А. Сварка пластмасс / Е. Б. М. : Машиностроение, 1967. 251 с.
4. Abele, Gunter. Die Hochfrequenz - Schweißung von PVC-Folien - Anwendungstechnik /G.Abele // Plastverarbeiter. 1964. № 1. Р. 727-732.
5. Марков А. В., Грачёв С. Ю. Математическая модель высокочастотной сварки термопластов // Математические методы в технике и техноло-
гиях» - ММТТ-19 : материалы XIX международ. науч. конф. Воронеж : Воронеж. гос. тех-нол. акад., 2006. Т. 5. Секция 5. С. 87-89.
6. Марков А. В., Юленец Ю. П., Румынский С. Н. Автоматический контроль температуры в процессе высокочастотной сварки пластмасс // Сварочное производство. 2005. № 4. С.45-47.
7. Филиппенко Н. Г., Каргапольцев С. К., Лившиц А. В. Система управления и блок устройства автоматизации высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011 : материалы междунар. науч.-практ. конф. URL: http://www.sworld.com.ua /index.php/ru/transport-tation - 411/maintenance - and - repair- of -transportation - 411/11637 - 411 - 0277 (Дата обращения: 15.10 2011).
8. ГОСТ 2824 - 86 Картон электроизоляционный. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1986. 14 с.
УДК 519.142.1+512.643.8 Свердлова Ольга Леонидовна,
аспирант, каф. «Химическая технология топлива», Ангарская государственная техническая академия,
тел. (8-3955) 51-29-50, e-mail: olgasv273@mail.ru Туркина Надежда Михайловна,
ст. преподаватель каф. «Высшая математика», Ангарская государственная техническая академия,
тел. (8-3955) 51-29-50, e-mail: nadytyr@mail.ru Александров Илья Михайлович, аспирант, каф. «Автоматизация технологических процессов», Ангарская государственная техническая академия, e-mail: mozg@agta.ru
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СКОРОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ДИОКСИДА СЕРЫ В ПРОЦЕССЕ АДСОРБЦИИ КИСЛОРОДА
НА ПОВЕРХНОСТИ
O.L. Sverdlova, N.M. Turkina, I.M. Aleksandrov
THE CALCULATION ALGORITHM FOR THE FORMATION RATE OF SULPHUR DIOXIDE AT OXYGEN ADSORPTION
Аннотация. На основе теории абсолютных скоростей и полученной ранее математической модели предложен алгоритм расчета скорости образования 802 в процессе адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа. Рассматривается наиболее простой случай, когда энергия латерального взаимодействия влияет только на скорость элементарной стадии и не приводит к образованию упорядоченных состояний в адсорбционном слое.
Ключевые слова: адсорбция, энергия латерального взаимодействия, локальное окружение, элементарная стадия, энергия активации.
Abstract. The calculation algorithm for the formation rate of SO2 in the course of oxygen adsorption on the surface of iron monosulfide based on the theory of absolute rates and the mathematical model developed earlier is proposed. The article concerns the simpler case of when the energy of the lateral interaction influences only on the velocity of the elementary phase and doesn't lead to the formation of the ordered state in the adsorptive layer.
