CC BY
13
УДК 62.799:628.87
Д-р техн. наук В. С. Антонюк, Ю. Г. Мережаний
Нацюналъний техтчний утверситет УкраХни «КиХвсъкий полтехтчний Шститут», м. КиХв
ВПЛИВ ПАРАМЕТР1В М1КРОКЛ1МАТУ ВИРОБНИЧИХ ПРИМ1ЩЕНЬ НА РЕСУРС ПРЕЦИЗ1ЙНИХ МЕХАН1ЗМ1В
ПРИЛАД1В
Розглянут^ вплив микроклимату на яксть та ресурс роботи прецизшних мехашзм^в, зокрема г^роскотчних приладив. Приведет рекомендации щодо зменшення негативного впливу микроклимату виробничого примщення на прецизшне виробництво, та запропоновано систему керування микроклиматом для забезпечення надшност1 г^роскотчних приладив та систем.
Ключов1 слова: микроклимат, чистота примщення, складання, прецизшшсть.
Вступ
Пвдвищення вимог до техшчних та експлуа-тацшних характеристик мехашчних та електро-мехашчних приладiв вимагае високо! точност1 1 стабшьност1 характеристик прецизшних ме-хашзм1в, що використовуються в цих приладах. В бшьшост випадк1в причиною ввдмов прецизшних мехашзм1в е висока штенсившсть зно-шування поверхонь деталей, завдання у парах тертя, недостатня антифрикцшна як1сть змащування вузл1в тертя [1].
Практика експлуатацц проскотчних приладав показуе, що найбшьш важливою причиною, яка впливае на точн1сть приладу, е стан опор ротора, оскшьки шш1 елементи приладу не дають такого впливу на зниження точност1 [2]. Порушення в робсш головних опор може впливати на змщення центра мас г1ромотору, збшьшувати динам1чну не-р1вновагу 1 в1брац1ю ротора, збшьшувати потужн1сть, яку споживае промотор. Фактично ресурс роботи промотора визначаетъся довгов1чн1стю та надай-тстю роботи пвдшипниюв головних опор.
В якост1 способ1в подовження довгов1чност1 опор ротора пропонуеться удосконалювати кон-струкщю пвдшипниыв та ¿х вузл1в, а також тех-нолопю ¿х виготовлення, випробування та монтажу. Наприклад, щоб знизити вплив мжрокл1-мату на елементи конструкци прецизшних ме-хан1зм1в в приладах, при !х конструюванн1 пе-редбачають спец1альн1 ущшьнення, як1 забезпе-чують захист ввд пилу та герметичн1сть корпусу приладу [2].
Проте, зазначет заходи стосуються лише кон-структивних особливостей приладав та удоскона-лення технолопчних операцш, 1 не враховують технолопчт умови, в яких виконуються операнд складання та регулювання. В той же час ввдомо, що похибки допущенн1 при складанн1 й регулю-вант проскотчних приладав суттево впливають
© В. С. Антонюк, Ю. Г. Мережаний, 2012
на !х точн1сть та надайтсть [1]. До того ж, слад враховувати, що при виготовлен1 прециз1йних при-ладав суттевий вплив на !х подальшу експлуата-ц1ю вносять не т1льки технолог1чн1 фактори, але й умови, в яких вадбуваються процеси складання та регулювання. При цьому суттеву роль ввддрае мжрокшмат або технолог1чне середовище, в яко-му виконуються операцц складання, в першу чер-гу це запилен1сть пов1тря, температура та волог1сть пов1тря. Пил може потрапляти в в1дпов1дальн1 еле-менти проскотчних приладав (опори, контактн1 пристро!, тощо) 1 р1зко пог1ршувати або зовам порушувати ¿х роботу.
Ступшь насиченост1 пов1тря водяною парою характеризуеться ввдносною волопстю. Висока во-лопсть пов1тря, а особливо конденсацш вологи, прискорюють короз1ю деталей прилад1в 1 зни-жують мщшсть електрично! 1золяци мж стру-монесучими деталями. Низька волог1сть пов1тря збшьшуе зношування щ1ток 1 кшець контакт-них пристро!в.
Змша температури приладу впливае на лшшт розм1ри деталей, жорстк1сть окремих елемент1в конструкци, отр електричних проввдниюв 1 маг-ттопроводав. При змш1 температури можуть де-формуватись окрем1 детал1 конструкц1й прилад1в 1з-за нер1вном1рних внутрштх напружень. При низьких температурах, внаслвдок зменшення за-зор1в в зчленуваннях 1 пвдвищення в'язкост1 ма-стила, можуть значно пiдвищуватисъ моменти тертя в опорах 1 нав1ть може в1дбутись закли-нення механ1зму.
Метою роботи е розробка та вдосконалення спец1альних автоматизованих систем контролю та керування м1крокл1матичними параметрами в складальних цехах прециз1йного виробництва з п1двищеним «класом чистоти», як1 забезпечують як1сть та над1йн1сть виготовлення прециз1йних прилад1в та систем.
Виршення поставлено! задач!
Забезпечення якост! прецизшних механоскла-дальних та регулювальних робгт можливе при дотримуваш певних умов технолопчного проце-су з створенням вщповвдного технолопчного се-редовища, параметри якого ч1тко контролюють-ся та регулюються.
Для виршення поставлено! задач! забезпечення якост! ! надшност! прецизшних приладiв та систем запропоновано математичну модель тех-нолопчного середовища виробничого прим!щення складально! д!лянки прецизшних приладдв. При розробц! математично! модел мжрокимату ви-робничих примщень бралися до уваги наступш задач!:
- розрахунок потоку повгтря всередиш при-м!щення з розм!щеним у ньому обладнанням, перегородок, джерел тепла, вологи ! забруднень;
- розрахунок розподлення температури в при-м!щенн!;
- розрахунок розподлення вологост! в при-м!щенн!;
- розрахунок потокв розповсюдження та кон-центраци забруднень в примщенш.
В основу математично! модел мжрокимату виробничих примщень складально! длянки пре-цизшного виробництва з тдвищеним «класом чистоти» покладено систему нестацюнарних ршнянь Нав'е-Стокса, р!внянь переносу тепла, вологи та концентраци забруднень [3]:
Ли1 _др[р + дх11 +8x^2 + дх13
Лг
дх1
8x1 дх
2
дх3
Ли2 _дР/Р+8Х21 , дх22 + дх23
лютна температура пов!тря; ц — питома волопсть; с — об'емна концентрацш домшок; JQ , , Jc — штучш джерела тепла, вологи ! забруднюючих домшок; — символ Кронекера; уи, у0, , ус — коефшденти кшематично! в'язкост!, температу-ропров!дност!, дифузи вологи ! домшок; ф — швидюсть формування р!дко! фази; Ь — прихо-вана теплота конденсаци (або субл!маци); цп — питома вологють насичення; я — прискорення вшьного падання; р — коефшдент об'емного теплового розширення.
Л 8
Лг дг
Вважаючи, що — = — + и^ ^— 1 враховуючи
вщносно мал! розмри розрахунково! област!, при проведен! числових експерименпв можна врахо-
вувати, що и1 _ и2 _ и3 _ 9 _ ц _ с _ 0 при г _ г0.
Граничт умови при цьому будуть мати наступ-ний вигляд:
ип _ 0, их _ 0
9 _ 9п або
. . .дв (V + К ) — = Тв, дп
йЧ _ 0, _ 0.
дп дп
их _ 0 , ип _ ип , и _ 9Ь
Лг
дх
2
дх1 дх
2
дх
3
Ч _ Чт , с _ сь
(для твердо! поверхш)
(на входi потоку в розрахункову область)
Ли3 _ дР/Р + дх31 + дх32 + дх23 + Лг дх3 дх1 дх2 дх3
Ли1 + Ли2 + Лщ 0
дх1 дх2 дх3
Л9 Л дИл дН2 — _-Ф+—1 + —2 +
Лг СР
йх дх■
2
дН
дх3
+ J9
Лц ^ дР дР2 дР3 , — _-Ф + —1 + —2 + —3 + Jц
Лг
дх1 дх2 дх3
Лс
Лг
дС дС2
дх1 дх
1 дС2 дС3
1 + —2 + —3 + J,
дх
2
с
де х{ (г = 1, 2, 3) — декартов! координати; и, —
компонента швидкост!; г — час; р — тиск; р — густина пов!тря; 9 — температура, що ввдрахо-вуеться в!д середнього значення 9 ; Т — абсо-
: 0 , ип
1оШ ■>
д9 дц дс 0 дп дп дп
(на виходi потоку з розрахунково! областi)
де их, ип
нормальна ! дотична складов! швид-
кост!; 9п — температура на поверхш; Т9 — теп-ловий пот!к; нижн!ми !ндексами т або оШ суп-роводжуються параметри на вход! потоку в роз-рахункову область або виходу з не!.
На основ! математично! модел! запропонова-но систему керування м!крокл!матом виробни-чого прим!щення для прециз!йного складання прилад!в, яка регламентуеться технолог!чними умовами виробництва та вимогами стандарт!в 180 9001, 1ЯО 14644 та !нших (рис. 1).
Система керування м!крокл!матом виробничого примщення складаеться з контролера уп-равл!ння вентиляц!ею (КУ-В), пульта управлшня вентиляц!ею (П-В) та силового блоку, що вклю-чае симютори (МГТСО), автомат (А)! реле (Р3).
и
X
Рис. 1. Схема системи керування мжроклшатом
Для контролю параметр1в м1крокл1мату в систему включено датчик температури прим1щення (Тпн), датчик температури каналу (Тк), датчик зовтшньо! температури (Тн), датчики захисту теплового електронапвача (ТЕН) в1д перегршу на 60 °С (Т60) 1 90 °С (Т90). Для контролю стану роботи вентилятора (М), що нагштае пов1тря в прим1щення, та контролю ступеня засм1ченост1 фшьтра тонко! очистки пов1тря використовуються датчики вишрювання перепаду тиску (йРУ 1 йРЕ вщповщно).
Очищення приточного повгтря виконуеться наступним чином. Вентилятор (М) нагн1тае зовтшне пов1тря у систему вентиляци примщен-ня через фшьтр тонко! очистки, що очищае по-в1тря в1д часток бруду. Контролер КУ-В опитуе датчик тиску контролю вентилятора (йРУ), що
поршнюе р1зницю тиску до приточного вентилятора (М) 1 п1сля нього, та датчик тиску контролю фшьтра (йРЕ), що поршнюе р1зницю тиску до повпряного фшьтра 1 тсля нього, й видаеть-ся сигнал на керування приточного вентилятора (М). Якщо р1зниця тиску на датчиках (йРУ 1 йРЕ) бшьше задано! КУ-В, тод1 КУ-В видае сигнал на зупинку роботи вентилятора (М). Якщо р1зниця тиску на датчиках тиску (йРУ 1 йРЕ) менше задано!, то мжропроцесорний блок продовжуе опи-тування датчиюв. Так контролюеться пот1к по-в1тря, що нагттаеться вентилятором (М), а також контролюеться ступшь засмченосп пов1тряного фшьтра, 1 в раз1 потреби подаеться сигнал про необх1дн1сть його зам1ни.
Пщгрв приточного пов1тря виконуеться наступним чином. Контролер управлшня (КУ-В) керуе
роботою вентилятора, що нагштае зовн1шне по-в!тря у прим!щення через теплоелектричний нагршач ТЕН (Е1Е3). Контролер КУ-В опитуе датчик температури, що встановлений до вентилятора (Тн), датчик температури, встановлений шсля вентилятора (Тк), та датчик температури, встановлений в примщенш (Тпн). Якщо температура на датчику температури зовн!шнього повгтря (Тн) менше температури на датчику температури в примщенш (Тпн), контролер КУ-В включае ТЕН. Якщо температура бшьше або до-р!внюе, то КУ-В припиняе роботу ТЕН. Точне налаштування потужност! роботи ТЕН виконуеть-ся за допомогою використання широтно-!мпуль-сного модулятора та порозрядного врегулювання. Таким чином досягаеться необхвдне значення температури приточного пов!тря в прим!щенн!. Датчик температури в канал! (Тк) додатково виконуе функщю захисту ТЕН ввд перегр!ву. Якщо температура на цьому датчику бшьше зна-чення температури задано! КУ-В, то блок керу-вання примусово припиняе роботу ТЕН, не даю-чи йому перегр!тися ! вийти з ладу.
Керування роботою системи, завдання пара-метр!в мжрокимату ! шш! серв!сн! функци ви-конуються за допомогою пульта керування вен-тилящею (П-В). Система забезпечуе мжрокшмат на прециз!йному складальному виробництв! зг!дно технчних вимог технолопчного процесу в автоматичному режим! за умови !! застосування разом з технолопями «чистих примщень».
Згвдно стандарту КО 14644-1, чисте примщен-ня (с1еапгоот) — це примщення, в якому конт-ролюеться рахункова концентращя аерозольних часток й яке побудовано ! використовуеться таким чином, щоб звести до м!н!муму надходжен-ня, генеращю та нагромадження часток в середин! примщення, ! в якому, при необхщносп, кон-тролюються шш! параметри, наприклад, температура, волопсть й тиск. Чист! примщення класиф!-куються по ступеню чистоти повпря в них [4].
Гнодд для забезпечення умов технолопчного процесу в межах чистого примщення виникае необх!дн!сть створення окремих !зольованих д!ля-нок — бокс!в (або мжробокс!в). Якщо клас чистоти, який потр!бно пщтримувати всередин! боксу, аналог!чний класу чистоти самого чистого при-мщення, можна використовувати бокс класу I, оск!льки в ньому !золяц!я забруднень усередин! боксу забезпечуеться повпряним потоком, що надходить !з прим!щення. Якщо ж всередин! боксу необхвдний бшьш високий клас чистоти, нж у основного чистого примщення, тодд слвд використовувати бокс класу II. Його конструкця забезпечуе пот!к профшьтрованого повпря над виробом ! у той же час гарантуе, що повпря не буде виходити за меж! боксу. Для того, щоб за-безпечити надшну роботу бокив класу II, необ-
хвдно придшяти особливу увагу балансу по-впряних потоюв [5].
Принцип оргашзацц вентиляци в чистих при-м!щеннях схожий на принципи вентиляц!! бшьшосп звичайних примщень !з кондицюну-ванням повпря. Повпря в так! примщення по-даеться системою кондицюнування через вста-новлен! на стел! повпророзподшьники. Однак, системи вентиляц!! чистих прим!щень мають цший ряд особливостей:
- звичайн! примщення повинш забезпечува-тися т!льки такою к!льк!стю пов!тря, що необх!-дна для створення умов пращ; як правило, кратн!сть пов!трообм!ну (у годину) у них пере-бувае в межах ввд 2 до 10. У той же час в чистих прим!щеннях необх!дно мати величину кратност! повгтрообмшу ввд 10 до 100. Ця додаткова к!льк!сть пов!тря необх!дна для розр!дження заб-руднень, що знаходяться в повпр!, до прийнятно! концентраци;
- у чистих прим!щеннях використовують на-багато бшьш ефективн! повпряш фшьтри, нш в шших примщеннях; ефектившсть фшьтр!в для видалення з пов!тряного середовища часток роз-мром бшьш 0,3 мкм звичайно перевищуе 99,97 %.
- у чистих прим!щеннях високоефективн! ф!льтри встановлюються в м!сцях подач! пов!тря в прим!щення, а у системах кондиц!онування пов!тря в оф!сах ! под!бним !м прим!щеннях, ф!льтри розм!щують безпосередньо за системою кондицюнування повпря, що не виключае мож-ливост! проникнення забруднень у прим!щення через пов!троводи або генерац!! часток !х внут-ршЩми поверхнями;
- для того, щоб виключити потрапляння повпря в чисте примщення !з сумшних, бшьш заб-руднених д!лянок, у такому прим!щенн! повинен бути створений надлишковий тиск повпря ввднос-но сусвдщх примщень, менш чистих; це досягаеться шляхом подач! в примщення велико! кшькост! повпря, яке потм ввддаляеться через витяжну вентилящю, або подаеться у сумжш, менш чист! примщення.
Також важливою ознакою чистого прим!щення е стан його поверхонь. Матер!али для оздоблен-ня чистого примщення повинт легко пвддава-тися очищенню ! не бути джерелом часток, що забруднюють пов!тря. Поверхн! повинн! бути виконан! таким чином, щоб забезпечити доступ до них п!д час прибирання та виключати нагро-мадження забруднень у порожнинах та щ!линах.
Чистота повпря пов'язана з генеращею аерозольних забруднень, що видшяеться технолопч-ним устаткуванням ! працюючим в чистому при-мщенш персоналом. Чим бшьше людей перебу-вае в чистому примщенш, чим активнтш! д!!, що виконуе персонал, чим грше яысть використо-вуваного одягу, тим вище стушнь забруднен-
ня повгтря в примщенш. Людина, що переходить у чистому примщенш з мтсця на м1сце й одягнена у спецодяг, що неефективно запобь гае поширенню забруднень, наприклад, у спецодяг або лабораторний халат, може в середнь-ому генерувати у хвилину близько 2^106 часток розм1ром > 0,5 мкм, близько 300000 часток роз-мром > 5,0 мкм. Якщо людина одягнена в правильно виготовлений одяг (комбшезон, взуття до колiн, тощо), який виконано з матер1ал1в, що ефективно затримують забруднення, то се-редня генерацiя часток розмiром > 0,5 мкм i > 5,0 мкм за хвилину скоротиться на 50 та 88 вщсотюв ввдповщно. 1нформанд щодо генерацц часток технолопчним обладнанням, яке працюе в чистому примщенш, доволi мало, але вва-жаеться [4], що ця величина досягае декiлькох мшьйойв часток розмром > 0,5 мкм за хвилину.
Pеалiзацiя розроблено! системи монiторингу та керування параметрами м1крокл1мату вироб-ничого примщення в умовах реального вироб-ництва складального цеху показало, що для за-безпечення техн1чних вимог технологiчного про-цесу складання проскотчних приладав необхщ-но дотримуватись концентраци часток пилу в пов1тр1 не бшьш 8 часток на 1 лтр пов1тря, розм-1ром 1 мкм. Дана система забезпечуе чистоту ви-робничого прим1щення у идповвдносп до класу чистоти 6 ISO, в якому згвдно стандарту [4] кшьысть часток пилу розм1ром до 1 мкм не повинна перевищувати 8320 часток пилу на 1 м3 повгтря, що е допустимим для процесу складання прецизшних проскотчних приладав та систем.
Висновки
Ресурс роботи деталей прецизшних мехашзм^в, зокрема мехашзм1в, що використовуються в приладах систем ор1ентаци i нав^аци суттево зале-жить ид параметр]в м1крокл]мату виробничого примiщення, таких як температура, волопсть повгтря i особливо запилен1сть пов1тря. При преци-зшному складанн1 г1роскоп1чних приладав, на-явн1сть мжробруду, що потрапляе в елементи рухомих конструкц1й приладу, значно по-
пршуе експлуатац1йн1 характеристики приладав, а в деяких випадках може приводити до виходу елементiв механiзму з ладу.
Для забезпечення точност i стабiльностi характеристик прецизшних мехатзм!в пропонуеть-ся використовувати «чист примщення» разом з спещально розробленою системою мон1торингу та керуванням мiкроклiматом, яка пщтримуе пара-метри технологiчного середовища виробничого примщення на заданому р1вн1, що ввдповщно забезпечуе технiчнi умови складання прецизшних мехатзм!в, необхiдних для яюсно! та довгов1чно1 експлуатаци навiгацiйних приладав та систем.
Список лггератури
1. Павловский М. А. Влияние погрешностей изготовления и сборки гироприборов на их точность./ М. А. Павловский. — К. : Издательство Киевского университета, 1973. — 192 с.
2. Гироскопические системы, Ч. III. Элементы гироскопических приборов / [Никитин А. Е., Шестов С. А., Матвеев В. А. и др.] ; под ред. Д. С. Пельпора. — М. : Высш. школа, 1972. — 472 с. с ил.
3. Описание пакета прикладных программ для моделирования микроклимата внутри помещений / [Сарманаев С. Р., Десятков Б. М., Бородулин А. И., Ярыгин А. А.] // Сибирский журнал индустриальной математики. — 2003. - Т. VI. № 4(16). - С. 94-110.
4. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness. (ISO 14644-1, IDT): ISO 146441:1999. - [Чинний в1д 1999-05-01]. -USAINFO.COM.: COPYRIGHTED MATERIAL LICENSED TO NASA, 1999. -I, 24 c. - (М!жнародний стандарт).
5. Проектирование чистых помещений / Под ред. В. Уайта., пер. с англ. [Алексашин О. Ф., Балаханов М. В., Власенко В. И. и др.] ; под ред. В. И. Калечица - М. : «Клинрум», 2004. -360 с.
Поступила в редакцию 24.08.2011
Антонюк В.С., Мережаный Ю.Г. Влияние параметров микроклимата производственных помещений на ресурс деталей прецизионных механизмов
Рассмотрено влияние микроклимата на качество работы и ресурс прецизионных механизмов, а именно гироскопических приборов. Приведены рекомендации уменьшения отрицательного влияния микроклимата производственного помещения на прецизионное производство и предложена система управления микроклиматом с целью обеспечения надежности гироскопических приборов и систем.
Ключевые слова: микроклимат, чистота помещения, сборка, прецизионность.
Antonjuk V., Merezhanyj J. Industrial premises microclimate parameters influence on the resource of precision mechanisms details
Influence of a microclimate on quality of work and resource of precision mechanisms, namely gyroscopic devices is considered. Recommendations of industrial premise microclimate negative influence reduction on precision manufacture are resulted and the control system of a microclimate for the purpose of reliability maintenance gyroscopic devices and systems is offered.
Key words: microclimate, cleanliness of a room, assembly, accuracy.
