Научная статья на тему 'Определение физико-механических параметров полимерных материалов при высокочастотном диэлектрическом нагреве в электротермических установках'

Определение физико-механических параметров полимерных материалов при высокочастотном диэлектрическом нагреве в электротермических установках Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
37
10
Поделиться
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА / ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХА-НИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ / ELECTROTHERMIC TREATMENT / ELECTRO-PHYSICAL AND PHYSICAL-MECHANICAL PARAMETERS OF POLYMER MATERIALS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ларченко Анастасия Геннадьевна, Попов Сергей Иванович, Филиппенко Николай Григорьевич, Лившиц Александр Валерьевич

Статья дает обоснование выбора метода и системы управления для установки высокочастотного электротермического оборудования с целью расширения возможностей их применения в области материаловедения.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ларченко Анастасия Геннадьевна, Попов Сергей Иванович, Филиппенко Николай Григорьевич, Лившиц Александр Валерьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

DETERMINING THE PHYSICAL AND MECHANICAL PARAMETERS OF POLYMER MATERIALS UNDER HIGH-FREQUENCY DIELECTRIC HEATING IN ELECTROTHERMIC PLANTS

The article gives the rationale for the choice of method and system of control to set the high-frequency electrothermic equipment, with the purpose of expansion of opportunities of its application in the field of materials science.

Текст научной работы на тему «Определение физико-механических параметров полимерных материалов при высокочастотном диэлектрическом нагреве в электротермических установках»

5. Гершуни Г. З., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М. : Наука. 1972. с. 298.

6. Бальчугов А. В., Громова Е. В., Ульянов Б. А. Термогравитационная конвекция на поверхности раздела фаз в системе этилен-раствор хлора. Сборник тезисов научной конференции //

Современные технологии и научно-технический прогресс. 2002. Т. 1. С. 72-73.

7. Бальчугов А. В., Громова Е. В., Подоплелов Е. В. Реактор синтеза 1,2-дихлорэтана с комбинированным способом отвода теплоты // Химическая технология. 2008. Т. 9. №1. С. 37-40.

УДК 621.365

Ларченко Анастасия Геннадьевна,

аспирант кафедры ТРТСиМ Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС),

тел. 638395-149, e-mail: Larchenkoa@inbox.ru Попов Сергей Иванович,

аспирант кафедры ТРТСиМ ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: ifpister@gmail.com

Филиппенко Николай Григорьевич, старший преподаватель кафедры ТРТСиМ ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: ifpi@mail.ru

Лившиц Александр Валерьевич

к. т. н., доцент, заведующий кафедрой ТРТСиМ ИрГУПС, тел. 638395-362, e-mail: livnet@list.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

A. G. Larchenko, S.I. Popov, N. G. Filippenko, A. V. Livchitc

DETERMINING THE PHYSICAL AND MECHANICAL

PARAMETERS OF POLYMER MATERIALS UNDER HIGH-FREQUENCY DIELECTRIC HEATING IN ELECTROTHERMIC PLANTS

Аннотация. Статья дает обоснование выбора метода и системы управления для установки высокочастотного электротермического оборудования с целью расширения возможностей их применения в области материаловедения.

Ключевые слова: электротермическая обработка, электрофизические и физико-механические параметры полимерных материалов.

Abstract. The article gives the rationale for the choice of method and system of control to set the high-frequency electrothermic equipment, with the purpose of expansion of opportunities of its application in the field of materials science.

Keywords: electrothermic treatment, electro-physical and physical-mechanical parameters of polymer materials.

Электротермические методы обработки полимерных материалов относятся к числу направлений, призванных обеспечить качественные изменения в производственных силах. Достоинством электротермической обработки является безопасность, экономичность, избирательность, саморегуляция процесса, а также равномерность разогрева

диэлектриков и комфортные условия обслуживающего персонала. К числу электротермических методов обработки материалов относится высокочастотный нагрев (ВЧ) полимерных материалов с целью нагрева, сушки, сварки.

Достаточно перспективным является процесс диагностирования материалов с использованием высокочастотного излучения [1]. Физические достоинства обработки токами высокой частоты (отсутствие тепловой инерции нагревателя, простота и точность регулирования теплового режима и др.) предопределяют возможность создания технически совершенных ВЧ-автоматизированных установок, обеспечивающих оптимальные условия процесса. Однако их реализация сдерживается рядом причин, к числу которых относится отсутствие надежных и прямых средств контроля и измерения показателей работы. Не определена окончательно и методика промышленного использования системы. Несмотря на внушительную практическую значимость данной технологии, оборудование ВЧ-диагностики материалов до сих пор не создано.

ш

В связи с этим задача определения методики, способа и устройств промышленной ВЧ-диагностики является весьма актуальной.

Условием для выбора промышленной частоты электротермической обработки материалов являются следующие факторы: интенсивность воздействия; равномерность воздействия по всему объему образца; глубина проникновения излучения.

За основу выбора рабочей частоты были приняты расчетно-графические данные, полученные авторами в ходе исследования, на примере пластиката марки ОМБ-60, ГОСТ 5960-98, широко используемого в промышленности, строительстве и железнодорожном транспорте. Расчеты производились по всем разрешенным к промышленному использованию частотам, приведенным в табл. 1.

Для технологии диагностирования физико-механических параметров полимерных материалов и изделий из них одним из определяющих показателей является глубина ВЧ-проникновения и напряженность создаваемого им электромагнитного поля. Поэтому была рассмотрена зависимость глубины проникновения А электромагнитной волны (ЭМВ) и напряженности электрического поля Е от изменения частоты/поля. При этом за постоянную величину была принята удельная мощность

Ру

уд-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Глубина проникновения А соответствует такой толщине диэлектрика, при которой мощность электромагнитного поля уменьшается в е раз по сравнению с её значением на поверхности, и рассчитывалась по формуле [1].

с

А = -

2п- / ■

Удельная мощность, выделяющаяся в единице объема диэлектрика, может быть определена по формуле:

Руд= 5,53 ■Ю"11

Е2 ■ /■£■

где Руд. - удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см3; Е - напряженность электрического поля, В/м; / - частота поля, Гц; е - относительная диэлектрическая проницаемость; tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь.

Расчетная зависимость глубины проникновения А ЭМВ и напряженности электрического поля Е от частоты /в полимере представлена на рис. 1.

Из приведенных расчетов видно уменьшение напряженности электрического поля с увеличением частоты излучения, но при этом наблюдается значительное (более интенсивное) снижение глубины проникновения ЭМВ в материал. Анализ

Таблица 1

Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний электротермических установок

1 МГц Страны Основные применения Диапазоны частот

27,12±0,16 Все страны ВЧ-нагрев ВЧ

40,68±0,02 Все страны ОВЧ-нагрев ОВЧ

433,92±0,87 Австрия, ФРГ, Португалия УВЧ-нагрев УВЧ

866 Англия УВЧ-нагрев УВЧ

915±25 Все страны, кроме Англии, Испании УВЧ-нагрев УВЧ

2375±50 Все страны УВЧ-нагрев УВЧ

2450±50 Все страны УВЧ-нагрев УВЧ

5800±75 Все страны СВЧ-нагрев СВЧ

22125±125 Все страны СВЧ-нагрев СВЧ

Частота излучения

Рис. 1. График глубины проникновения ЭМВ и напряженности поля

полученных данных позволяет сделать вывод о целесообразности использования частоты 27,12 МГц при технологиях ВЧ-диагностирования.

Электротермическое оборудование высокочастотного диэлектрического нагрева (рис. 2), как правило, выполняется по двухконтурной схеме и состоит из генератора (поз. 1), рабочего конденсатора (поз. 2) и фидера (коаксиального кабеля или волновода), соединяющего их между собой (поз. 3).

Обрабатываемый материал помещается в рабочий конденсатор (рис. 3, поз. 1) и прижимается одной из перемещаемых обкладок (поз. 2) для создания надежного контакта. Таким образом, формируется конденсатор, состоящий: из электрода, являющегося, как правило, высокопотенциальной обкладкой рабочего конденсатора; второй, низкопотенциальной обкладки конденсатора, соединенной с заземляющим контуром (корпусом оборудования); полимера (с определенными диэлектрическими показателями), находящегося между высокопотенциальной и низкопотенциаль-

ной плитой.

В результате воздействия высокочастотного электромагнитного поля на полимерный материал, находящийся между обкладками конденсатора (рис. 3, поз. 1, 2), происходит изменение его состояния (разогрев, расплав, диагностирование и др.).

При выполнении исследования были использованы заимствованные из литературы [2] зависимости свойств материалов от температуры и влагосодержания, а также зависимость определения влажности полиамида по электрофизическим показателям работы генератора.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Наиболее часто встречающийся на практике случай, когда выходная цепь генератора ВЧ-установки выполнена двухконтурной. На схеме (рис. 4) обозначено: Cэ - эквивалентная емкость лампы; Lа - анодная индуктивность; Lсв - индуктивность катушки связи; L2 - индуктивность нагрузочного (вторичного) контура; C1, C2 - емкость настроечных конденсаторов: 0, - емкость рабочего конденсатора; г1, г2 - сопротивление ак-

ш

La

Lc

©

Ua

=Г С

Катод

Т

U U

Рис. 4. Схема замещения выходной цепи генератора для высокочастотного диэлектрического нагрева

тивных потерь. Здесь нагреваемый материал представлен последовательной схемой замещения: рабочий конденсатор Ср (его емкость учитывает диэлектрическую проницаемость материала) и последовательно включенное активное сопротивление г2. К такой же схеме, только с эквивалентными параметрами в нагрузочном контуре, может быть приведен и случай, когда рабочий конденсатор устанавливается на расстоянии от генератора, а первичный контур с нагрузочным соединяется с помощью фидера, коаксиального кабеля, волновода.

Мощность в нагрузке и тангенс угла диэлектрических потерь tg5 материала выражаются через параметры принятой схемы замещения следующим образом:

1 - 1 и^^С -Ж 2

tg2s

(1) (2)

2 2 2 2 р Р 1 -

где 12 - амплитуда тока в нагрузочном контуре; ир - амплитуда напряжения на рабочем конденсаторе; ю - угловая частота.

Значение г2 можно определить как:

P

_ n

=2 1Г' ¿о

(3)

подставив которое в выражение (2), получим следующее:

Р

\ф = 2юСр -Р;, (4)

2

откуда видим, что для численного решения уравнения необходимо определить мощность Рп и ток 12. Мощность определяется как

Рп = 12и р; (5)

и ее вычисление сводится к получению текущих значений напряжения на рабочем конденсаторе и постоянных составляющих анодного тока (амперметры предусмотрены конструкцией любого промышленного генератора) с последующими вычислениями по приведенной выше формуле.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Определение напряжения на обкладках конденсатора ир возможно после установки, например, высоковольтного лампового вольтметра с делителем напряжения, но это сопряжено с большими техническими трудностями и, как следствие погрешностью измерений (до 5 %).

В ходе проведенных исследований авторами было обусловлено, что мощность Рп можно рассчитать исходя из прямых измерений напряжения ис и тока 1С силовой цепи, используемых установкой электротермического нагрева, предварительно определив мощность, затраченную на вспомогательное оборудование (муфты, электромеханические устройства), и выразив её через понижающий коэффициент к. Тогда формула (5) будет:

Рп = к1сис (6)

и (4) примет следующий вид:

к! и

tgS = 2®C

ll

(7)

Таким образом, определение тангенса угла диэлектрических потерь сводится к измерению текущих значений напряжения и тока на силовом оборудовании, постоянных составляющих анодного тока и емкости конденсатора.

Для доказательства адекватности аналитических расчетов были проведены экспериментальные исследования с использованием оборудования ВЧ-электротермического нагрева модели УЗП 2500. Обрабатывались образцы из стеклонапол-ненного полиамида марки «Армамид», размером 5*6*50мм, согласно [2]. Измерение емкости построечного конденсатора Ср производили с использованием датчика положения по изменяемому углу поворота регулятора, штатно установленного на оборудовании. Контроль параметров анодного тока работы генератора осуществляли с использованием датчиков тока модели «Honeywell». Акустические датчики, установленные по внешнему периметру рабочего конденсатора, фиксировали возникновение микроразрядов на поверхности полимеров. Использование фильтров низкой частоты

r

2

иркутским государственный университет путей сообщения

позволило отстроиться от внешних помех, а локационный метод расчета приходящего сигнала позволил определить местоположение возникающих сигналов. Данные измерений передавались в ЭВМ с помощью контроллера модели Ardшno.

Использование программного продукта PowerGraph позволило получить данные в режиме реального времени. Экспериментальные данные представлены на рис. 5.

Анализ полученных данных позволил идентифицировать изменения физико-механических характеристик полимерных материалов по характеру изменения анодного тока. Так, например, динамическому скачкообразному повышению анодного тока (рис. 5, канал 1-анодный ток, поз. 1...3)

соответствует наличие металлических включений в исследуемом образце.

Динамическое повышение тока с последующим его достаточно быстрым снижением позволяет диагностировать присутствие повышенной влаги и микротрещин в исследуемом полимере.

Предложенная методика и разработанный метод впервые реализует возможность проведения электрической спектроскопии и диэлькометриче-ской влагометрии [4, 5] при непосредственном проведении технологического процесса диэлектрической обработки полимерных материалов.

Практическая её реализация возможна при создании систем автоматического управления установками ВЧ-диагностирования, что и опреде-

-1-1-1-г-

т-1-1-1-1-г-

0 5,4496 10,8992 16,3488

Время, 5 0т:0о До:3 3,147144 5 То ч к и : 1 -1400 1

Рис. 5. Экспериментальные данные параметров работы ВЧ-оборудования при обработке образца полиамида

с металлическими включениями

21.7984

27.248

32.6975

m

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ляет основные направления для дальнейшего исследований в этой области знаний.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Челидзе Т. Л., Деревянко А. П., Курыленко О. Д. Электрическая спектроскопия гетерогенных систем. Киев : Наукова думка, 1977. 231 с.

2. Юленец Ю. П., Марков А. В. Определение тангенса угла диэлектрических потерь и влагосо-держания по параметрам режима установки вы-

сокочастотного нагрева // Известия вузов. Сер.: Приборостроение. 1997. Т. 40. №5. С. 60-65.

3. ГОСТ 22372-77 Материалы диэлектрические. Методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. М.: Изд-во стандартов, 1977.

4. Берлинер М. А. Измерения влажности. М. : Энергия, 1973. 400 с.

5. Арш Э. И. Автогенераторные методы и средства измерения. М. : Машиностроение, 1979. 256 с.

УДК 631 Мельников Александр Васильевич,

к. т. н., докторант кафедры «Управление техническими системами», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89834042426

Мухопад Юрий Федорович, д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89500500291, email: bts48@mail.ru

Филатов Дмитрий Алексеевич, аспирант кафедры «Управление техническими системами», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89016556785, e-mail: Drugs1989@mail.ru

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

A. V. Melnikov, Yu.F. Mukhopad, D.A. Filatov

MATHEMATICAL MODELLING OF SHOCK MECHANICAL SYSTEMS

Аннотация. Предложена методика анализа ударных механических систем, позволяющая формализовать процессы контроля и управления при разрушении горных пород. Алгоритм управления и контроля получен методом системного анализа с использованием аппарата сетей Петри.

Ключевые слова: ударные системы, молот, контроль, управление, модель, информационно-управляющие системы, алгоритмы, сложные механические устройства.

Abstract. The technique of the analysis of shock mechanical systems is offered, allowing to formalize control and management processes at destruction of rocks. The algorithm of management and control is received by a method of the system analysis with use of the device of Petri's networks.

Keywords: shock systems, a hammer, control, management, the model, information-operating systems, algorithms, difficult mechanical devices.

Ударные механические системы (УМС) приводятся в действие как внешними, так и внутренними энергетическими потоками. Реализация многосложных условий управления приводит к большому разнообразию конструктивных реше-

ний механических молотов. Ударные механические системы (механические молоты) представляют собой сложный комплекс с параллельно-последовательной логической функциональностью [1-6]. Проверку таких условий и выработку соответствующих управляющих команд целесообразно возложить на электронные устройства [7].

Математическим аппаратом для анализа и последующего синтеза подсистем управления ме-хатронных систем могут явиться сети Петри [8]. Сети Петри широко используются для анализа вычислительных систем и программного обеспечения средств управления, контроля и диагностики [9-11]. Анализ вычислительных процессов с помощью сетей Петри с запрещающими дугами впервые предложен в работе [12]. Метод получил свое развитие и был использован далее в работах [13, 14]. Однако применительно к анализу УМС сети Петри не использовались.

Для реализации задачи управления и контроля рассмотрим ударную систему молота с постоянной массой ударника. Процесс ударного разрушения горных пород (рис. 1) состоит из пяти этапов движения в течение одного цикла работы (взвод, разгон, удар, движение внутри породы,