CC BY
21
ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 678.4:678.058:621.72
А. Ю. Скоробогатова, С. Ю. Осипов, Ю. Р. Осипов, С. П. Рожин, С. В. Волкова
ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ СОЗДАНИИ АСУ ТП ПРОИЗВОДСТВА ГУММИРОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ
A. Y. Scorobogatova, S. Y Osipov, Y. К Osipov, S. P. Rozhin, S. V. Volkova
APPLICATION OF THE AUTOMATED METHODS OF NON-DESTRUCTIVE TESTING OF A PROTECTIVE COVER QUALITY WHILE DESIGNING AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR RUBBERIZED OBJECTS MANUFACTURE
Рассматриваются различные методы осуществления неразрушаюицего контроля качества гуммировочных покрытий. Приведены описание физических основ рассматриваемых методов, описание и принцип действия установок, их положительные и отрицательные стороны. Приведены указания о способе интеграции установок в АСУ ТП производства гуммированных объектов.
Вулканизация, гуммированные объекты, защитное покрытие, АСУ, контроль, степень вулканизации, метод, неразруша-ющий контроль.
The paper considers various methods of carrying out non-destructive testing of a rubberized protective cover quality; describes physical principles of the observed methods, design and principles of installations, their advantages and disadvantages, as well as directions how to integrate these installations with automated control system of rubberized objects manufacture.
Vulcanization, rubberized objects, protective cover, automated control system, control, degree of vulcanization, method, nondestructive testing.
Вулканизация является завершающим и наиболее ответственным процессом во всем цикле работ по гуммированию. Этот процесс в зависимости от состава, назначения и размеров футеровки и покрытий выполняется одним из многочисленных способов. Чаще всего вулканизация производится с помощью серы. В настоящее время для оценки скорости и степени вулканизации при разработке рецептур резин применяются химические методы, определяются физико-механические показатели резины. Эти методы характеризуются большим сроком испытаний и не всегда могут быть использованы при осуществлении процессов гуммирования [1].
Целью настоящей работы является проведение анализа доступных автоматизированных методов неразрушающего экспресс-контроля
резиновых футеровок и гуммировочных покрытий и интеграции системы контроля в АСУ ТП производства гуммированных объектов.
Среди существующих методов контроля перспективными являются способы, основанные на применении радиоволн высокочастотного диапазона, явления поглощения резиной оптических волн, ультразвуковой и радиоизотопный методы [2].
Радиоизотопный метод контроля степени вулканизации гуммировочных покрытий заключается в определении интенсивности поглощения гамма-лучей обкладками на основе различных каучуков.
Метод физического анализа по интенсивности поглощения покрытиями гамма-лучей базируется на известных зависимостях определяемых свойств эластомера от степени его вулка-
низации или от количества прореагировавшего агента вулканизации, содержащегося в эластомере. Гамма-кванты, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, поглощаются ими или отклоняются от первоначального направления, рассеиваются. Ослабление интенсивности монохроматического пучка гамма-излучения, проходящего через материал произвольной толщины, подчинено экспоненциальному закону и может быть выражено уравнением
/ = /0ехр(-ц8об), (1)
где / - интенсивность излучения после прохождения через слой поглотителя толщиной 5об; /о- интенсивность излучения в отсутствии поглощения; ц - линейный коэффициент ослабления.
Из формулы (1) видно, что интенсивность поглощения гамма-лучей зависит от структуры вулканизата, его плотности и толщины.
Для исследования была использована установка, состоящая из источника гамма-квантов, счетчика (детектора излучения) и пересчетного прибора. В качестве источника жесткого, почти монохроматического гамма-излучения был применен радиоактивный изотоп кобальт-60, характеризующийся большим периодом полураспада и обеспечивающий высокую чувствительность и точность определения степени вулканизации и плотности твердого материала. Исследуемые резинометаллические изделия помещались между источником и детектором излучения. Методика проведения контроля степени вулканизации покрытий заключалась в следующем: определялось количество импульсов N0, зарегистрированных счетчиком. Для срезания (3-излучения перед счетчиком помещался алюминиевый фильтр. Колебания числа актов распада радиоактивного источника в единицу времени учитывались при статистической обработке результатов измерений.
На рисунке показано изменение интенсивности поглощения гамма-лучей, содержания свободной серы и сопротивления разрыву для обкладок из эластомеров на основе каучуков СКБ
и НК-СКБ марок 1752 и 1814 при толщине покрытий 0,0045 м и при толщине стальной подложки 0,001 м.
16 60
г
12 - 50
5 о
а Ш
г? 10 1
з -л*
3 =
2" 8 ■ 1 40
5 3
3 6 9 12 15 18 Кинетика изменения параметров гуммировочных покрытий:
---- содержание свободной серы;
- интенсивность поглощения гамма-квантов; _ . _ . - сопротивление разрыву;
О - гуммировочное покрытие марки 1752; д - гуммировочное покрытие марки 1814
В начале вулканизации интенсивность поглощения гамма-лучей резко возрастает до определенной, далее почти не изменяющейся величины, а содержание серы вначале резко падает, затем остается почти неизменным. Точки выхода на прямую для обеих зависимостей практически относятся к одному моменту, когда основные физико-химические процессы вулканизации прошли и наступил период динамического равновесия между структурированием и деструкцией в вулканизируемых покрытиях. Фи-зико-химические показатели, зависящие от количества прореагировавшего агента вулканизации, также вначале резко изменяют свои значения, а затем незначительно.
Кривые «интенсивность поглощения гамма-квантов - время» по характеру соответствуют кривым кинетики вулканизации по содержанию свободной серы, определяемой химическим методом. Таким образом, по интенсивности поглощения гамма-квантов эластомером можно судить не только о количестве прореагировав-
шего агента вулканизации, но и о физико-механических показателях готового изделия.
На основании проведенных испытаний построена зависимость количества непрореагиро-вавшего агента вулканизации от интенсивности поглощения гамма-лучей покрытиями, которая позволяет непосредственно по графику определять количество свободной серы в зависимости от времени вулканизации. Для ряда исследуемых марок гуммировочных покрытий также наблюдался подобный характер изменения интенсивности гамма-лучей от времени вулканизации.
Радиоволновый метод контроля степени вулканизации гуммировочных покрытий заключается в анализе основных диэлектрических характеристик материала: диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь, проводимости и т.д., по которым можно определить многие параметры эластомерных покрытий на металлах, состояние их структуры и происходящие в них процессы [3].
Микрорадиоволны, проходя через материал, изменяются по амплитуде, фазе, поляризации в зависимости от свойств, строения и структуры материала. Изучение явлений, лежащих в основе взаимодействия микрорадиоволн с исследуемым покрытием, показало, что при распространении волны на ее параметры будут переноситься характеристики среды и их изменения во времени.
Особенностью нашего случая является обязательное образование стоячей волны в результате взаимодействия волны, падающей на образец, волны, отраженной от внешней стенки образца, и волны, отраженной от внутренней стенки, т. е. имеет место интерференция волн. Суммарные амплитуда и фаза стоячей волны в значительной степени зависят от величины волны, отраженной от внутренней стенки покрытия: если внутренняя стенка граничит с металлом, то отраженный сигнал максимален и фазу можно отсчитывать от этой поверхности, так как амплитуда стоячей волны на металле равна 0.
Таким образом, если сохраняются постоянными расстояние между антеннами и образцом и абсолютное значение амплитуды во времени, то сдвиг фазы, вызываемый изменением диэлек-
трических свойств исследуемого участка, приводит к тому, что на детекторе выделяются разные сигналы. Радиоволны миллиметрового диапазона позволяют регистрировать процесс вулканизации, а значит, появляется возможность решать вопросы автоматического неразрушаю-щего контроля этих материалов.
Основными элементами установки для проведения рассматриваемого метода контроля являются: генератор СВЧ, волноводный мост, приемник сигнала низкой частоты и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный по цифровому каналу с АСУ ТП. Принцип действия установки основан на сравнении в детекторной секции волноводного моста амплитуд волн, отраженных покрытием и металлом, поступающих от приемных антенн, установленных на входе и выходе из установки вулканизации. Сигнал с блока низкой частоты подается на регистрирующий прибор и через интегратор -на АЦП. Описанная установка регистрирует неоднородность электрических свойств покрытия, поэтому регистрирующий прибор должен быть откалиброван в шкале степени вулканизации. Информация об отклонениях процесса вулканизации от заданного режима от блока сравнения и контроля подается затем в АСУ ТП.
Оптический метод контроля степени вулканизации гуммировочных покрытий основан на количественном определении интенсивности поглощения волн инфракрасного излучения покрытиями из эластомеров на основе различных каучуков [4].
Установка состоит из источника излучения инфракрасных волн (ИИ), приемника излучения (ПИ), усилителя напряжения (УН), аналого-ци-фрового преобразователя (АЦП), информация с которого в цифровой форме передается в АСУ ТП.
Оптические лучи от источника излучения проходят первоначально через контролируемое покрытие 1 и, отражаясь от поверхности металлической основы 2 и вновь проходя через эла-стомерное покрытие, попадают на фотоприемник. Сигналы с приемника поступают в АЦП, где преобразуются в цифровую форму и передаются в АСУ ТП.
Ультразвуковой эхометод является наиболее универсальным среди применяемых в настоя-
щее время акустических методов неразрушаю-щего контроля и предназначен для выявления в материале изделия поверхностных и внутренних дефектов. Чувствительность метода может быть различна и зависит от частоты и типа используемых ультразвуковых колебаний, условий контроля, состояния контролируемой поверхности, применяемых средств и т.д. Эхометод основан на возбуждении в контролируемом изделии коротких импульсов ультразвуковых колебаний и последующей регистрации интенсивности времени поступления эхосигнала молекул среды относительно точек равновесия. Для лучшего выявления дефекта необходимо, чтобы пучок ультразвуковых лучей был направлен перпендикулярно к плоскости дефекта. Наиболее характерным дефектом гуммированных изделий являются недовулканизация или перевулканизация, отслоение, раковины и другие типы несплошностей. В конкретном случае наиболее хорошие результаты в оценке качества покрытий гуммированных изделий получаются при использовании продольных волн. В зависимости от ориентации выявленного дефекта выбирается способ ввода ультразвуковых колебаний в изделие. Так как в покрытиях гуммированных объектов наиболее часто встречается дефект, расположенный параллельно поверхности металла и защитного покрытия, то колебание вводится перпендикулярно поверхности изделия.
Величина угла отражения ультразвуковой волны от дефекта зависит от соотношения размера дефекта и длины волны ультразвуковых колебаний. Чем меньше длина волны, тем более мелкие дефекты могут вызвать достаточное для их выявления отражение колебаний. При увеличении длины волны энергия отражения колебаний резко уменьшается, что ухудшает выявляе-мость дефекта. Поэтому увеличение частоты колебаний приводит к возрастанию чувствительности контроля. Однако при увеличении частоты ультразвуковых колебаний, возрастает затухание рассеяния колебания в контролируемом материале, ухудшаются условия для прохождения через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражения от границ зерен и неоднородностей материала. Для покрытий гуммированных объектов целесообразно применять частоты от 0,1 до 0,2 МГц.
Прибор ультразвукового контроля работает следующим образом. При выходе гуммированного изделия с качественным покрытием из вулканизационного аппарата срабатывает блок контроля наличия изделия и происходит подготовка к работе блоков управления режимами работы, обработки информации, вычисления начальных условий для работы прибора в режиме «Контроль».
С генератора синхроимпульсов поступает синхроимпульс, который в блоке зондирующих импульсов формирует сигнал, поступающий в ультразвуковой искатель, и формируется излу-чательный импульс с генератора радиоимпульсов. Импульс поступает одновременно в блок усиления и в блок формирования сигнала, на выходе которого формируется прямоугольный импульс, который на выходе блока управления режимами работы вырабатывает сигнал разрешения счета, а тот подается на блок вычисления начальных условий, при этом и с генератора синхроимпульсов сигналы поступают в блок вычисления начальных условий. Через определенное время в блок усиления и формирования сигнала поступает отраженный от поверхности соединения покрытия и подложки импульс, который на выходе из блока управления режимами работы снимает сигнал разрешения счета. В счетчике блока записывается код, пропорциональный толщине контролируемого изделия. После прохождения гуммированного изделия с заведомо качественным покрытием прибор переводится из режима «Контроль» в режим «Работа».
Синхронная работа прибора обеспечивается синхронизатором, вырабатывающим переменное напряжение с различной частотой, так что на выводах счетчиков образуется сетка частот. Одно из этих напряжений через переключатель поступает на блок управления режимами работы, блок обработки информации и генератор радиоимпульсов. В блоке усиления и формирования сигнала пришедший импульс усиливается и преобразуется в прямоугольный импульс. При поступлении сигнала в блок управления режимами работы, на входе вырабатываются сигналы управления для блока обработки информации: начальной установки, неразрешения счета
и сброс. По приходу сигнала «начальная установка» с блока обработки информации записывается код из блока вычисления начальных условий, а затем из блока управления режимами работы подается сигнал «разрешение счета». При поступлении этого сигнала в блок обработки информации с генератора синхроимпульса поступает частота синхроимпульса. Если контролируемое изделие без дефектов, то по окончании импульса «разрешение счета» происходит обнуление счетчиков блока обработки информации и выдается разрешающий сигнал на продолжение контроля изделий.
Если же контролируемое изделие имеет дефект, то по окончании сигнала «разрешение счета» в счетчиках в блоке обработки информации остается код, который пропорционален глубине залегания дефекта, при этом выдается сигнал о дефекте в блок звуковой сигнализации и в блок управления исполнительным механизмом вулканизационного аппарата либо в АСУ ТП, а значение глубины залегания дефекта высвечивается на блоке индикации.
Вулканизация гуммировочных покрытий как химическая реакция каучука с вулканизующими агентами является кинетическим процессом и характеризуется определенной скоростью. В соответствии с этим изменяются во времени количества прореагировавших веществ и, как следствие, - свойства готовых покрытий. Однако количество связанного вулканизирующего агента служит лишь косвенной оценкой степени вулканизации. В этом случае столь же правомерны и все другие методы оценки зависимости свойств вулканизатов от условий и времени вулканизации, т. е. определения кинетики вулканизации [5].
Если изучать кинетику вулканизации резин
по различным свойствам, то окажется, что изменение свойств в зависимости от продолжительности и условий процесса неодинаково. Очевидно, что понятия «кинетика» и «оптимум вулканизации» становятся условными. Технический оптимум - это время вулканизации в данных условиях, за которое достигается наилучшая совокупность свойств резинового покрытия. Выбор совокупности свойств зависит от назначения резины в изделии. Применяемые в лабораториях химические методы определения общей и свободной серы для косвенной оценки скорости и степени вулканизации имеют ограниченное применение из-за длительности анализа.
Поэтому описанные выше методы неразру-шающего контроля и устройства для оценки качества и степени вулканизации резиновых футеровок и гуммировочных покрытий могут быть использованы как самостоятельные системы контроля, так и для интеграции в АСУ ТП.
Список литературы
1. Осипов, Ю. Р. Термообработка и работоспособность покрытий гуммированных объектов / Ю. Р. Осипов. - М.: Машиностроение, 1995. - 232 с.
2. Осипов, Ю. Р. Опыт оценки качества резиновых футеровок и гуммированных деталей камнедробильного оборудования щебеночных заводов / Ю. Р. Осипов, А. Н. Зин-ченко // Ж.-д. транспорт. Сер. «Путь и путевое хозяйство».
- М.: ЭИ/ЦНИИТЭИ, 1992.-Вып. 2.-С. 16-31.
3. Вавилов, В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль / В. П. Вавилов. - 1-е изд. - М.: ООО «Издательский дом «Спектр», 2009. - 544 с.
4. Гриб, В. В. Диагностика технического состояния оборудования нефтегазохимических производств / В. В. Гриб.
- М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. - 211 с.
5. Осипов, Ю. Р. Автоматизация технологических процессов гуммировочных производств / Ю. Р. Осипов. - М.: Классик Прим, 2004. - 275 с.
Скоробогатова Анна Юрьевна - аспирант кафедры АСУ Тверского государственного технического университета.
Тел.: 8 (0822) 52-55-74, 8-920-699-61-59, 8-915-735-36-65; e-mail: [email protected]
Осипов Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента Тверского государственного технического университета, докторант Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (0822) 44—33-90, 32-67-00, 8-910-533^6-66.
Осипов Юрий Романович - доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 12-41-10 (доб.169), 8 (8172) 53-18-22, 8-921-121-53-78.
Рожин Сергей Павлович - аспирант кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 51^19-13, 8-911-526-32-96.
Волкова Светлана Вадимовна - аспирант кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Tel.: 8 (8202) 54-30-35, 8-921-723-30-35.
Scorobogatova, Anna Yurievna - Postgraduate student, Department of Automated Control Systems, Tver State Technical University .
Tel.: 8(4822)52-55-74, 8-920-699-61-59, 8-915-735-36-65, e-mail: [email protected]
Osipov, Sergey Yurievich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Management, Tver State Technical University, Doctorate, Cherepovets State University.
Tel.: 8 (0822) 44-33-90, 8 (0822) 32-67-00, 8-910-533^6-66.
Osipov Yury Romanovich - Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 12-A1-1Q (доб.169), 8 (8172) 53-18-22, 8-921-121-53-78.
Rozhin, Sergey Pavlovich - Postgraduate student, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 51^9-13, 8-911-526-32-96.
Volkova, Svetlana Vadimovna - Postgraduate student, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda Stale Technical University.
Tel.: 8 (8202) 54-30-35, 8-921-723-30-35.
УДК 621.793
Ю. P. Осипов, А. А. Немировский
ИМИТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ И ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМНОЙ ДУГЕ С ГОРЯЧИМ ТУГОПЛАВКИМ
МОЛИБДЕНОВЫМ АНОДОМ
Y. R. Osipov, A. A. Nemirovskiy
SIMULATION TESTS OF THE HEAT EXCHANGE PROCESS IN THE PRODUCTION OF CORROSION-RESISTANT AND HEAT-REFLECTING COATINGS IN THE VACUUM ARC WITH HOT REFRACTORY MOLYBDENUM ANODE
Исследован процесс теплообмена при изготовлении коррозионно-стойких и теплозащитных покрытий в вакуумной дуге с тугоплавким молибденовым анодом. Имитационные исследования проводились с использованием двумерной модели процесса теплообмена. Результаты исследований представлены как решения двумерной нелинейной, нестационарной задачи теплопроводности с граничными условиями в цилиндрических координатах для разных анодных длин и токов дуги.
Теплообмен, имитационное исследование, температурное распределение, вакуумная дуга, коррозионно-стойкие и теплозащитные покрытия, тепловой поток, тугоплавкий анод.
Heat exchange process in the production of corrosion-resistant and heat-reflecting coating in a vacuum arch with refractory molybdenum anode is investigated. Simulation tests were carried out using two-dimensional model of the heat exchange process. Test results are presented as solutions of the two-dimensional nonlinear, non-stationary problem of heat conductivity with boundary conditions in cylindrical co-ordinates for different anode lengths and arch currents.
Meat exchange, simulation test, temperature distribution, vacuum arc, corrosion-resistant and heat-reflecting coating, heat flux, refractory anode.
