CC BY
2Труды МАИ. Выпуск № 83
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 62-52
Способ автоматического управления вакуумной технологией
изготовления препрегов
Глебов И.В.*, Котенко В.Д.**
Московский государственный университет леса, ул. 1-я Институтская, 1, Мытищи-5, 141005, Россия * e-mail: glebov@mgul.ac.ru ** e-mail: kolenko@mgul.ac. ru
Аннотация
В статье описан способ автоматического управления процессом изготовления
препрега на основе кремнезёмных вязально-прошивных полотен и бакелитового
лака. Данный способ позволяет реализовать вакуумную многоступенчатую
технологию изготовления препрега, которая сокращает время производства по
сравнению со стандартной технологией в несколько раз.
Способ заключается в контроле массы пропитываемой заготовки на этапах
вакуумной пропитки вязально-прошивного полотна и вакуумной сушки. По
известным соотношениям компонентов в бакелитовом лаке и приведённым в статье
формулам расчёта вычисляется требуемая масса препрега на каждом этапе процесса
изготовления. Управление процессом ведётся путём контроля давления в
пропиточной камере, скорости вакуумной пропитки и сушки и времени выдержки
пропитанной заготовки под пропиточным давлением.
1
Также в статье приведён примерный алгоритм для программной реализации описанного автоматического процесса управления.
Ключевые слова: способ управления, препрег, вакуумная пропитка, стеклопластик, композит.
Технология препрегов является распространённой технологией для производства композиционных материалов различного назначения, как конструкционных, так и функциональных. Для производства препрегов применяются различные технологии [1, 2, 3, 4].
Однако существуют композиционные материалы, препреги для производства которых нельзя получить обычными методами. К таким материалам, в частности, относятся композитные абляционные ТЗП (теплозащитные покрытия), которые, главным образом, используются для защиты космических спускаемых аппаратов, но также могут применяться для теплозащиты пожарных машин, дорогостоящей техники и произведений искусства.
Для изготовления таких ТЗП применяются препреги на основе кремнезёмных и кремнезёмно-капроновых вязально-прошивных полотен [5] и бакелитового лака ЛБС-4 [6]. Они изготовляются путём пропитки заготовок из нужных полотен в ванне, заполненной лаком, до достижения требуемого содержания в них ФФС (фенолформальдегидной смолы). Такой способ изготовления является очень продолжительным (до 60 суток) и трудоёмким.
Такая продолжительность процесса пропитки объясняется высокими требованиями по содержанию ФФС, предъявляемыми к данному препрегу (табл. 1 ).
Таблица 1.
Требования по содержанию ФФС к препрегам для производства ТЗП
Марка ткани для препрега Требования по содержанию ФФС в препреге, % масс
Кремнезёмная ткань 35...40
Кремнезёмно-кпроновая ткань Более 40
Для сокращения времени технологического процесса, снижения расхода бакелитового лака и автоматизации процесса МГУЛеса совместно с ЗАО«ЗЭМ» РКК «Энергия» им. С.П. Королёва была разработана технология многократной вакуумной пропитки полотен с промежуточными вакуумными сушками [7, 8], позволяющая получать в препрегах высокое содержание ФФС с сокращением времени процесса более чем в 10 раз. Однако использующийся в данной технологии способ контроля процесса пропитки не позволяет проводить точное отслеживание параметров препрега в процессе изготовления. Поскольку контроль содержания ФФС в препреге предлагается осуществлять по количеству удалённого в процессе вакуумной сушки растворителя после его конденсации, не исключено частичное попадание растворителя в вакуумную линию и его потеря, а также ошибки, связанные с неточностью визуального определения объёма растворителя.
Для реализации этой технологии разработан способ управления процессами пропитки и сушки, позволяющий с высокой точностью контролировать содержание ФФС и летучих продуктов в каждый момент технологического процесса и
управлять выходными параметрами препрега путём регулирования продолжительности протекающих процессов.
Изготовление препрега ведётся в герметичной камере оборудованной системами вакуумной пропитки и сушки заготовок из вязально-прошивных полотен, а также системой контроля и регулирования расхода лака, количества удаляемых летучих продуктов, давления и температуры на всех этапах процесса (рис. 1).
Изготовление препрега производится подачей лака из ёмкости (1) в заготовку (10), размещённую в кассете (8), которая помещается в герметичную камеру (12, 13), многоразовой вакуумной пропиткой и сушкой заготовки. Автоматизация технологического процесса изготовления препрега осуществляется с помощью контрольно-измерительного комплекса.
Температура в камере постоянно поддерживается на заданном уровне при помощи датчика температуры (5) и реле управления нагревателем.
Датчик давления (16) измеряет величину давления в камере в процессах пропитки и сушки, а его величина на заданном уровне поддерживается системой автоматического управления кранами вакуумной линии (КР 3) и линии атмосферного давления (КР 2).
Применение датчиков усилия (4) позволяет контролировать массу пропиточной кассеты и через систему управления регулировать расходы лака и летучих продуктов, а также продолжительность процессов вакуумной пропитки и вакуумной сушки.
1 - ёмкость с лаком, 2 -кран регулирования подачи лака, 3 - сервопривод управления краном регулирования подачи лака, 4 -датчик усилия, 5 -датчик температуры, 6 - нагреватель, 7 -распределительная сетка, 8 -пропиточная кассета, 9 - жертвенный материал, 10 -пропитываемая заготовка, 11 - прижимная решётка, 12 -корпус вакуумной камеры, 13 -крышка вакуумной камеры, 14 -смотровое окно, 15 -отделитель смолы, 16 -датчик давления,
17 -балластная ёмкость, 18 - электромагнитный кран атмосферного давления, 19 -электромагнитный кран вакуума, 20 - вакуумный насос, 21 -конденсатор паров растворителя,
22 -ёмкость для сбора конденсата Рисунок 1 -Установка для изготовления препрега с системами контроля и управления Система управления процессом пропитки включает в себя персональный компьютер (ПК) с установленной на нем управляющей программой (УП), блок
сбора информации с датчиков температуры, давления и усилия, состоящий из предварительного усилителя сигналов и АЦП. Управление температурой, давлением и скоростью подачи лака производится при помощи соответствующих контуров с блоками управления кранами и сервоприводом.
Контур управления давлением, состоит из двух электромагнитных кранов (вакуумного КР 3 и крана атмосферного давления КР 2), подключенных к блоку управления кранами, а контур управления подачей лака, состоит из крана подачи лака КР 1 с сервоприводом, подсоединенным к блоку управления сервоприводом.
Для изготовления препрега пустая кассета устанавливается в камеру на датчики усилия и после взвешивания её масса обнуляется и считается начальной нулевой массой. Затем в кассету укладывают заготовку из полотна необходимой марки (ПВП КТ или ПВП КТК) и вакуумную камеру закрывают.
ПК, считывая сигнал с датчиков усилия, определяет массу полотна Мп (кг), и требует ввести следующие данные: требуемую массовую долю ФФС в препреге gф , %; массовую долю ФФС в лаке дф, %; количество циклов пропитки ппр; массовую долю удаляемого при сушке растворителя gcy, %; температуру в камере tK , ОС; время пропитки тпр, мин; величину давления при пропитке рпр Па; частоту измерения прироста массы кассеты при пропитке Ат , с.
Затем УП производит расчёт следующих величин: - массу смолы в препреге при заданном её содержании
ф 100 - g*
- массу лака, которую необходимо откачать из ёмкости для обеспечения заданного содержания смолы в препреге
100 • МгЬ
Мл =-ф
Чф
- массу порции лака, необходимую для каждой пропитки, по формуле
М„
М„
' лп
Ппр
массу удаляемых при каждой сушке летучих продуктов
gy (100 - чФ).
М = М
лпу лп 100 100 '
После расчёта этих величин программа считывает данные о температуре в камере с датчика температуры на блок сбора информации, и сравнивает полученное значение с заданным tK. Если значение отличается от заданного, то УП посылает сигнал на реле управления для включения или выключения нагревателя. Установленная температура в камере поддерживается в течение всего времени изготовления препрега.
При достижении заданной температуры в камере запускается первый цикл пропитки (ппр = 1). УП считывает данные о давлении в камере с блока сбора информации и сравнивает его с заданной величиной рпр. Если давление в камере отличается от пропиточного, то программа при помощи блока управления кранами открывает и закрывает краны атмосферного давления и вакуумной линии пока не установится необходимое давление.
Затем начинается процесс вакуумной пропитки заготовки лаком из ёмкости. В процессе пропитки УП считывает данные с датчиков усилия и кран линии подачи лака остаётся открытым пока масса кассеты при пропитке Мпп не достигнет значения
Мш = Мп + Мпп.
После этого кран КР 1 закрывается и начинается цикл вакуумной сушки.
Контроль продолжительности пропитки осуществляется путём сравнения текущей скорости поступления лака в заготовку с расчётной.
Расчётное количество лака, поступающее в заготовку за время между измерением прироста массы кассеты определяется из следующего соотношения, кг:
дМ = М -Аг.
' • 60
Считывание данных о массе кассеты и расчёт прироста массы лака производится через заданный промежуток времени , и текущий прирост массы
определяется как, кг:
АМТ = М - М
Т тек пред'
где Мтек - текущая масса кассеты,
Мпред - масса кассеты при предыдущем измерении;
Если АМТ <АМр , то УП посылает сигнал на блок управления сервоприводом крана подачи лака КР 1 и сервопривод приоткрывает кран, при АМТ )АМр -прикрывает кран, а при АМТ = АМр не производит никаких действий.
В начале цикла вакуумной сушки УП считывает данные с датчика температуры и по заложенной в программе таблице [9] определяет соответствующее текущей температуре давление кипения лака ркл (Па), которое равняется парциальному давлению паров используемого растворителя при текущей температуре. Это давление принимается за давление вакуумной сушки препрега рс.
Затем УП считывает данные о давлении в камере и сравнивает его с величиной давления сушки рс. Если полученное значение давления отличается от давления вакуумной сушки, то УП увеличивает или уменьшает давление в камере, регулируя краны КР2 и КР3 с помощью блока управления кранами.
В процессе вакуумной сушки УП считывает данные с датчиков усилия и вакуумная сушка производится до тех пор, пока из пропитанной заготовки не удалится необходимая масса растворителя. Масса кассеты в конце вакуумной сушки Мпс должна иметь следующее значение, кг:
М^пс -Мпп -Млпу.
Далее УП присваивает п = 2, 3 и т.д., заменяет Мп на Мпс и повторяет циклы вакуумной пропитки и сушки ппр-1 раз.
После окончания процессов пропитки и сушки УП посылает сигналы на закрытие крана КР 3 и открытие крана КР 2, с корпуса вакуумной камеры снимается крышка и пропиточная кассета с готовым препрегом извлекается из камеры.
На рисунке 2 показан примерный алгоритм процесса управления пропиткой для программной реализации. Алгоритм имеет несколько основных блоков: измерение массы полотна, ввод констант, расчёт параметров, управление
температурой, давлением и контроль массы кассеты в процессах вакуумной пропитки и сушки.
Рисунок 2 - Алгоритм управления процессом изготовления препрега
10
Разработанная система позволяет с высокой точностью контролировать и управлять процессом изготовления препрега. При вводе констант можно задать любое требуемое значение содержания ФФС в готовом препреге, а также возможно гибко управлять временем вакуумной пропитки, что необходимо при пропитке заготовок из полотен различных марок.
Библиографический список
1. Способ пропитки пористых материалов и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2011511 / Товарищество с ограниченной ответственностью "ФАЛТ ЛТД Д.А. / Д.А. Беленков, В.Г. Новосёлов, Ю.А. Сров, А.Е. Озерский, С.А. Аксельрод. Заявлено 18.12.1991, опубликовано 30.04.1994. - 6 с.
2. Способ получения препрега. Патент № 2302431 РФ / Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов / В.И. Постнов, В.И. Петухов, Н.С. Кавун, О.Е. Котов, В.А. Кухарев. Заявка№2005139704/04 от 20.12.2005. Бюл. №19 от 10.07.2007. 6 с.
3. Способ изготовления препрега. Патент № 2321606 РФ / Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» / А.И.Быков, С.Н. Шестухина, Д.В. Моторин, Н.В. Мухин, Н.В. Выморков, Б.В. Чернышов, Б.Т. Федотов. Заявка №2006121850/04 от 19.06.2006. Бюл. № 10 от 10.04.2008. - 8 с.
4. Способ изготовления препрега. Патент № 2447097 РФ / Министерство промышленности и торговли Российской Федерации / В.И. Постнов, В.И.
Петухов, С.В. Стрельников, Е.А. Вешкин. Заявка №2010137273/05 от 08.09.2010. Бюл. №10 от 10.04.2012. 6 с.
5. Полотна вязально-прошивные дублированные технического назначения. Технические условия. ГОСТ 13863-89. - М.: Издательство стандартов, 1989. -11 с.
6. Лаки бакелитовые. Технические условия. ГОСТ 901-78. - М.: Издательство стандартов, 2003. - 15 с.
7. Патент № 2484956 РФ. Способ изготовления препрега. / РКК «Энергия» / А.Ф. Стрекалов, В.А. Пащенко, В.А. Романенков, А.И. Терёхин, Л.Н. Кузнецова, В.В. Абразумов, В.Д. Котенко, И.В. Сапожников, Е.В. Редянова. Заявка №2012112232/04 от 29.03.2012. Бюл. №17от 20.06.2013 - 7 с.
8. Котенко В.Д., Абразумов В.В., Сапожников И.В., Романенков В.А., Кузнецова Л.Н., Терехин А.И. Технология получения препрегов с высоким содержанием полимера // Лесной вестник. 2013. №1(93). С. 77-81.
9. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей -М.: Наука, 1972. - 720 с.
