CC BY
14
УДК 678.026.34:004
I ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ С ПРЕГРАДОЙ
В.М. Гилев, A.A. Батурин, C.B. Клинков, В.Ф. Косарев, A.A. Сова
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск
Метод холодного газодинамического напыления (ХГН) был открыт в ИТПМ СО РАН (г. Новосибирск) в 80-е годы XX века при исслгдовании процессов на-текания сверхзвуковых двухфазных потоков на твердую преграду. Разработчики метода -д.ф.-м.н. А.Н. Папырин, д.ф.-м.н. А.П. Алхимов, д.ф.-м.н В.Ф. Косарев. Имеется ряд авторских свидетельств и патентов.
Суть метода заключается в том, что в сверхзвуковой поток газа (например, воздуха) с помощью дозатора вносятся мелкодисперсионные частицы напыляемого материала. Созданный таким образом двухфазный поток, направляется на обрабатываемую деталь, за счет чего и обеспечивается процесс напыления.
Метод холодного газодинамического напыления оказался эффективным способом нанесения металлических покрытий на различные материалы [ 1 ]. С помощью его может осуществляться соединение между собой самых разнообразных материалов (металлы, сплавы и т.д. с подложками из металлов, керамик и т.п.).
Достоинством метода ХГН перед другими способами нанесения покрытий является tq что напылжие осуществляется при температурах, œ превышающих величин «сколько сот градусов, что не приводит к разрушшию напыляемых образцов. Для сравнзшя, плазмжные способы напыляия осуществляются при температурах в несколько тысяч градусов.
Для исследования процессов холодного газодинамического напыления и доведшия данной технологии до промышляного применяия в ИТПМ СО РАН создано несколько вариантов установок ХГН. На рисунке 1 представля стационарный вариант такой установки, а на рисунке 2 - вариант в першосном исполняли в виде пистолета для напылзшя порошков.
Рисунок 1 - Стационарный вариант установки ХГН
На рисунке 3 представлены примеры покрытий, созданных с помощью технологии холодного газодинамического напыления.
Рисунок 2 - Пистон с пультом управления для напыления порошков
Рисунок 3 - Примеры покрытий, созданных с помощью технологии ХГН
Несмотря на то, что уже имеются действующие образцы установок ХГН, существу немало технологических вопросов по их применению. С целью отработки технологии холодного газодинамического напыления необходимо проведшие соответствующих научно-методических исследований. Основные направления этих исследований могут быть представлшы в следующем виде:
1. Научные основы холодного газодинамического напыления
• Изучшие процессов ускорения мелкодисперсных частиц в сверхзвуковых соплах.
• Изучшие физических процессов при натекании сверхзвуковых двухфазных струй на преграду.
• Моделирование (экспериментальное и численное) высокоскоростного деформирования и адгезионного взаимодействия с преградой мелко- и ультрадисперсных частиц.
2. Новые материалы и технологии на основе ХГН
• Контактирование новых материалов с заданными свойствами. Поисковые исследования возможности создания материалов из механических смесей мелко- и ультрадисперсных частиц, в том числе с использованием химических реакций (СВС и т.п.).
• Разработка установок и технологических процессов формирования покрытий различного функционального назначшия.
Представляемая в данной работе система автоматизации была разработана для обеспечения эффективного проведения исследований в области ХГН. Система автоматизации установки предназначена для:
• автоматизированного ввода в компьютер данных с датчиков установки;
• управления блоками установки (открытие/закрытие в заданный момогг клапанов подачи газа и заслонок, включение нагревателей, управление движением подложки;
• сохранение измеренных и внгсошых пользователгм параметров и вольт-амперных характеристик блоков питания установки в базе данных (БД) для обеспечошя точного воспроизведения эксперимента.
На рисунке 4 представлена структурная схема автоматизированной установки, созданной в ИТПМ СО РАН для исследования процессов холодного газодинамического напыления.
Установка предназначена для проведения комплекса экспериментальных исслгдо-ваний высокоскоростного взаимодействия микрочастиц в твердом состоянии с поверхностью преграды с учетом физико-химических процессов адгезионного соединения и эрозии. Экспериментальное исслгдование процессов соударения твердых микрочастиц с размером 0,01 - 50 мкм и скоростью 100 - 1200 м/с с преград ей из различных материалов, анализ физических условий перехода от процесса разрушатия преграды к соединению микрочастиц с поверхностью в зависимости от скорости, концентрации частиц и т.д., представляет значительный фундамопальный и практический интерес. Большое количество измеряемых и контролируемых параметров рассматриваемой установки послужило причиной создания современней системы автоматизации сбора данных и управления данной установкой. Это позволит создать представительную базу экспериментальных данных, которые необходимы для развития физико-математических моделей, числзшых методов и комплексов программ моделирования ж стационарных процессов соударашя микрочастиц в твердом состоянии с поверхностью преграды.
Основными элементами установки ХГН (рис. 4) являются: сверхзвуковое сопло, предназначенное для разгона микрочастиц до высоких скоростей; нагреватель рабочего газа, используемый для регулирования температуры газа и, соответственно, частиц и подложки; дозатор порошка, регулирующий количество частиц, подаваемых в форкамеру
сверхзвукового сопла; камера напыления с размещшным внутри ее координатником, перемещающим напыляемую подложку перед срезом сопла.
датчики
Рисунке 4 - Структурная схема установки ХГН
Принципы, на основе которых строится система автоматизации установки, изложены в [2 - 4]. Основными элементами системы автоматизации являются персональный компьютер (ПК) с установленным на жм специализированным программным обеспечашем и модуль сбора данных Е-140 российской фирмы L-Card. Этот модуль представляет собой 8-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частой опроса 50 кГц и 16-ти разрядный цифровой порт ввода/вывода. Модуль подключается к ПК через канал USB. Кроме этощ система включает в себя цифровой коммутатор, датчики давления и температуры, а также управляемые блоки питания, которыми оснащены все представленные на схеме узлы. Управление всеми блоками системы производится через цифровой порт модуля Е-140. На коммутатор выдается номер нвобходимого блока и код управления.
Работа системы осуществляется следующим образом. Экспериментатор, запустив программу, задает с клавиатуры требуемые значошя температуры и давления в форкамере сопла, напряжение питания дозатора, род газа, схему движения подложки (»подвижно стоит, периодические движения под соплом заданное количество раз и т.п.) и ее температуру. После запуска эксперимента программа выдает сигнал на открытие нужного клапана подачи газа. При достижении минимального необходимого давления газа в форкамере выдается сигнал на включение нагревателя на минимальную мощность. Далее программа следит за увеличением давлшия в форкамере и соответственно увеличивает ток, подаваемый на нагреватель до тех пор, пока мощность, выделяемая на нем, не достигнет установленного значения. Одновременно с этим показания датчика давления в форкамере сравниваются с установленным пользователем значением, и выдается сигнал редуктору-стабилизатору давлжия на открытие или прикрытие заслонки, чем обеспечивается выход давлшия на установленную величину и его последующая стабилизация.
По достижении установленных значений давления и температуры в форкамере программа дает сигнал на подвод подложки в струю, включает дозатор порошка и запускает по заданной схеме двигатели перемещения подложки. По окончании эксперимента программа выводит образец из зоны взаимодействия, отключает дозатор порошка и
нагреватель газа, затем, при свижшии температуры в форкамере до 50-70 градусов, отключает подачу газа.
Задаваемые эксперимагтатором параметры, измеренные данные и ход вольтам-перных кривых блоков питания записываются в базу данных (БД). Это обеспечивает накопление информации об оптимальных режимах работы установки применительно к тому или иному сочетанию материалов порошка и подложки и возможность их точного воспроизведения.
Структуру программного обеспечения системы можно разделить на 5 отдельных блоков (рис. 5): блок сбора данных с АЦП, блок настройки и индикации, блок анализа и управления, сервер баз данных; блок выборки данных из базы и их представлиия. Блок настройки и индикации обеспечивает интерфейс с пользователем и индикацию параметров системы на мониторе ПК. Блок сбора данных осуществляет в соответствии с установками пользователя настройку модуля Е-140 и инициирует опрос датчиков АЦП модуля. Блок анализа и управляли анализирует показания датчиков и вырабатывает соответствующие команды управления узлами системы, которые передает в цифровой порт модуля Е-140 и серверу баз данных. Блок выборки и представления данных позволяет выбрать из БД необходимую информацию, преобразовать ее и отобразить результаты экспериматта в графическом или табличном виде.
Рисунок 5 - Структура программного обеспечения системы
На рисунке 6 представлен внешний вид окна программы при ее работе.
Рисунок 6 - Внешний вид окна программы
Таким образом, представляемая в данной работе система автоматизации установки ХГН позволяет проводить на современном уровне комплекс экспериментальных исследований высокоскоростного взаимодействия микрочастиц в твердом состоянии с поверхностью преграды и получить широкую базу экспериментальных данных такого взаимодействия.
Следует отметить, что принципы, использованные при создании автоматизированного комплекса исследования процессов ХГН, являются достаточно общими и могут быть использованы при автоматизации процессов и в других областях знаний.
Литература
1. Алхимов А.П., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Сер. "Низкотемпературная плазма". Т. 18 / Под ред. М.Ф. Жукова и В.М. Фомина. Новосибирск: Наука, 2000. 425 с.
2. Gilyov V.M., Zapryagaev V.I., Zvegintsev V.I., Garkusha V. V., Pishchik B.N. Automatization system for aerophysical experiments // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc., Pt. II. - Novosibirsk, 2002. - P. 63 - 67.
3. Baturin A.A., Gilyov V.M. Unified measurement complex for automation of aerophysical research // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc., Pt. III. - Novosibirsk, 2002. - P. 13-17.
4. Гилев B.M., Запрягаев В.И., Гаркуша B.B., Пищик Б.Н. Распределшная система автоматизации аэродинамического эксперимагга // Материалы Международней конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании», Алматы, Казахстан, 7-9 октября 2004 г., Ч. П. - Алматы - Новосибирск, 2004. С. 93 - 99.
Тушндеме
Бул баяндамада автоматтандырылган жуйе 6ypiKnem еащы ндаткрш к,урылымды басцару мен жинацтау ушш емфазалы жогары дыбысты шектеул1 агымдардыц взара эрекетт зерттеу ушш крлданылады. Бертген эксперименттер мен цурылым жумысын баскрру жинагын компьютерлЫ техника к^ралын крлдану аркригы icKe асырылады.
Resume
Automated system, intended for data assemble and installation control of the cold gas-dynamic sputtering which is usedfor investigation of the interjection ofsupersonic two-phase currents with barriers developed in ИТПМ CO PAH is represented in the work The collection of experimental data and the conduct of action utility are exercised with use of means of computer technology.
