Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов

иркутским государственный университет путей сообщения

чей зоне образца.

Полученные численные результаты моделирования НДС цилиндрических образцов с и-образными канавками позволяют сделать вывод, что с их помощью может быть осуществлено моделирование не только уровня напряжений различных конструкций, но и моделирование возникающего в них мягкого вида НДС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Когаев В.П., Махутов Н А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. - М.: «Машиностроение». - 1985. - 224 с.

2. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы. - Л.: «Машиностроение», Ленинград. - 1968. - 272 с.

3. Цвик Л.Б., Пимштейн П.Г, Борсук Е.Г. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния многослойного цилиндра с монолитным вводом. //Проблемы прочности. - 1978. - № 4. - С.74-77.

4. Гагарин Ю.А., Пичков С.Н. Исследование поведения дефектов в полях растягивающих и сжимающих напряжений. // Проблемы прочно-

сти и пластичности. Межвузовский сборник. -Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2000. - С. 11 - 116.

5. Цвик Л.Б., Зеньков Е.В., Пыхалов А.А. Влияние геометрических параметров плоскоцилиндрических образцов с концентраторами напряжений на вид их напряженно-деформированного состояния. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. - Вып. №3(31). - С. 35-42.

6. Описание изобретения к патенту РФ № 2360227 на «Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии». МПК 001№/08.//Цвик Л.Б., Пыхалов А.А., Храменок М.А. и др. Опубл. 27.06.2009 г. Бюл. № 18.

7. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1979. - 582 с.

8. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б., Пыхалов А.А. Дискретное моделирование напряжённо-деформированного состояния плоскоцилиндрических образцов с концентраторами напряжений в виде канавок. // Вестник ИрГТУ. -№7(54), 2011 - C. 23-31.

9. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003, 448 с.

УДК 621.365 Филиппенко Николай Григорьевич,

ст. преподаватель каф. ТРТСиМИрГУПС, Иркутск, тел.: 638395-149,

e-mail: ifpister@gmail. com Каргапольцев Сергей Константинович, д. т. н., профессор, каф. ТРТСиМ ИрГУПС, г. Иркутск, тел: 638395-362,

Лившиц Александр Валерьевич, к. т. н., доцент, зав. каф. ТРТСиМ ИрГУПС, Иркутск, тел.: 638395-362,

e-mail: livnet@list.ru

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

N.G. Filippenko, S.K. Kargapolcev, A.V.Livchitc

IMPROVING OF EFFECTIVE PROCESSING BY HIGH-FREQUENCY CURRENTS OF POLYMERS

Аннотация. В статье рассмотрены основные направления совершенствования технологического процесса высокочастотной обработки полимерных материалов. Предложена методика построения системы управления, основанная на новых, ранее не учитываемых явлениях частичных разрядов. Предложена блок-схема автоматизации, не вносящая изменений в существующие схемы и конструкции высокочастотного оборудования.

Ключевые слова: автоматизированная система управления, высокочастотный нагрев, автоматизация электротермическая обработка.

Abstract. In the article, the main directions of perfecting of technological process of high-frequency processing of dielectric materials are considered. The technique of construction of a control system based because of new, before the partial categories, not taken into account the phenomena is offered. The scheme of automation not introducing of modifications of the

existing schemes and constructions highly of frequent equipment is offered.

Keywords: automated control system, high-frequency heat, automation electrothermal processing.

Последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение стали находить полимерные материалы.

Коррозионная стойкость, малое водопогло-щение, высокая удельная прочность, антимагнитные свойства и технологичность позволяют использовать эти материалы взамен цветных металлов, нержавеющих сталей и других конструкционных материалов.

В связи с этим возрастающий объем и ассортимент производства деталей из полимеров требует дальнейшего совершенствования существующих технологических процессов их изготовления.

В настоящее время к наиболее прогрессивным технологиям изготовления деталей из полимерных материалов следует отнести технологии, связанные с обработкой токами высокой частоты (ВЧ), как ресурсо- и энергосберегающие. В отличие от традиционных технологий с внешним подводом тепла, таких как конвекционное, тепловое излучение, ВЧ-электротермия обладает целым рядом преимуществ:

- избирательность воздействия (наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими диэлектрическими потерями);

- быстрый и управляемый прогрев материала в объеме вне зависимости от его геометрических размеров, формы и коэффициента теплопроводности;

- безынерционность (отсутствие тепловой инерции нагревателя);

- отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем;

- возможность концентрации высоких энергий в больших объемах.

В то же время, в ходе реализации ВЧ-обработки возникает ряд проблем, вызванных изменениями свойств полимерных материалов в процессе их транспортировки, хранения и эксплуатации. Все это приводит к затруднениям в обеспечении эффективности технологических процессов и решении вопросов их автоматизации.

Прежде всего это проявляется в непостоянстве электрофизических показателей полимеров, а именно: тангенса угла потерь, электропроводности, диэлектрической проницаемости, - что приводит к необходимости изменения мощности ВЧ-воздействия при переходе от материала к материалу. Измерение параметров непосредственно в зоне

действия ВЧ-излучения невозможно, поэтому в работах [1, 2] предлагается решать данную проблему, рассчитывая время нагрева по прогнозируемой температуре в зоне обработки. При этом расчет производится для каждого материала отдельно, с целым рядом допущений, что снижает ценность их методики применительно к производственным условиям. В работе [3] контроль параметров ВЧ-обработки ведется на основе визуального наблюдения за состоянием обрабатываемого изделия (деструкция, изменение цвета). До практического применения предлагаемые выше решения достаточно далеки.

Имеющиеся на сегодняшний день разработки не предусматривают возможности в случае аварийной ситуации (пробойных токов) сохранить от повреждения обрабатываемые изделия и дорогостоящие электроды. Это является одним из основных факторов, сдерживающих широкое промышленное использование ВЧ-установок. Также немаловажно, что эти автоматизированные системы при монтаже требуют практически полного переоснащения имеющегося на производстве ВЧ-оборудования, что отрицательно влияет на процессы их внедрения.

Для устранения данных недостатков авторы предлагают контролировать процесс обработки посредством измерения скорости изменение анодного тока ВЧ-генератора и динамики возникновения, ранее не учитываемых частичных разрядов (ЧР), возникающих на поверхности обрабатываемых материалов. ЧР являются чувствительной характеристикой электрофизического состояния полимеров [4]. Они проявляются в виде искровых разрядов на различных частях изделия. Измерение импульсов ЧР позволяет с высокой достоверностью обнаружить механизм предпробойного состояния на самых ранних стадиях его проявления. В связи с этим можно сделать вывод, что анализируя динамику ЧР, можно контролировать процесс развития пробоя во времени.

На рис. 1 представлена вольт-амперная характеристика пробоя полимерных материалов [5].

Данная особенность полимеров была взята за основу автоматизации процесса управления ВЧ-устройством с защитой от токов пробоя.

Расчет скорости увеличения анодного тока можно вычислить как разность мгновенных значений тока:

^ - 1п-1 < К,

Тп Тп-\

где 1п, 1п-1 - мгновенное значение тока, А; тп, тп-1, - мгновенное значение времени, сек; K - коэффициент линейности.

иркутским государственный университет путей сообщения

тельному механизму на уменьшения напряженности поля до величины, соответствующей нормальному режиму термообработки. Если регистрация ЧР по динамике превышает пороговое значение, определяемое экспериментально для группы материалов, микроконтроллером также подается команда на уменьшение ВЧ-воздействия. Для защиты электрооборудования установки и предотвращения ложных срабатываний все блоки и кабельные линии защищены коаксиальной и экранирующей защитой.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика пробоя полимерных материалов

К в свою очередь рассчитывается по формуле К= V / Т,

где Т - периодичность измеряемых данных, сек; V- линейная скорость регулирования, А/сек.

Линейную скорость регулирования можно рассчитать по формуле

V

где 1ном - ток номинальный, А; 1хол - ток холостого хода, А;

трег - время регулирования анодного тока до номинального значения.

На рис. 2 изображена предлагаемая структурная схема блока автоматизации устройства ВЧ-термообработки полимерных материалов. Работа блока осуществляется следующим образом: одновременно с включением высокочастотного генератора включаются блок управления и блок автоматизации. Линейный датчик Холла измеряет анодный ток высокочастотного генератора (АТВЧ), а акустические датчики регистрируют частичные разряды (ЧР), возникающие на полимере в процессе ВЧ-обработки. Данные по АТВЧ и ЧР передаются в вычислительное устройство микроконтроллера, собранного на базе процессора «Мега» [6]. Микроконтроллер с определенной частотой производит расчет величины изменения анодного тока и количества частичных разрядов. По интенсивности изменения контролируемых показателей можно определить электрофизическое состояние обрабатываемого полимера, а именно его пред-пробойное состояние. Характерным показателем пробоя является резкое возрастанием тока с отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости [7], [8]. В случае обнаружении вычислительным устройством отклонения от линейной зависимости скорости возрастания анодного тока микроконтроллером подается команда исполни-

Рис. 2. Структурная схема блока автоматизации устройства ВЧ-термообработки полимерных материалов: 1 - блок автоматизации, 2 - экранирующий корпус, 3 - коаксиальный кабель, 4 - источник постоянного напряжения, 5 - высокочастотный генератор, 6 - система управления

сигнализацией, 7 - цепь управления генератором, 8 - исполнительный механизм, 9 - линейный токовый датчик, 10 - вычислительное устройство, 11 - акустические датчики регистрации частичных

разрядов, 12 - вычислительное устройство, 13 - помехозащищенный корпус, 14 - блок питания, 15 - переменный конденсатор, 16 - микроконтроллер, 17 - рабочий конденсатор

На примере ВЧ-устройства «УЗП 2500» был произведен расчет и получена линейная зависимость возрастания анодного тока, которую и использовали в ВУМК.

Расчет производили исходя из следующих данных:

1. Номинальный анодный ток 1ном = 0,9 А.

2. Ток холостого хода 1хол = 0,2 А.

3. Время регулирования до номинального тока трег = 7 сек.

4. Периодичность предоставления данных Т = 2000.

Подставив значения в формулу (3), получили

V =

По формуле (2) вычислили значения K

K = 0,1/2000= 0,00005 А.

Таким образом, был получен коэффициент линейной зависимости возрастания анодного тока, который и используем в ВУМК в соответствии с формулой (1).

Алгоритм работы вычислительного устройства ВУМК заключается в следующем: если разница значений текущего и предыдущего мгновенных токов окажется больше полученного значения ^ вычислительное устройство обнаружит отклонение скорости анодного тока от линейной зависимости. В этом случае микроконтроллер подает исполнительному механизму команду на снижение мощности ВЧ-генератора до величины, соответствующей нормальному режиму термообработки, согласно формуле (1).

Для обнаружения предпробойного состояния в конструкцию блока включены акустические датчики частичных разрядов, что позволяет исключить влияние индустриальных и естественных

электромагнитных полей, затрудняющих проведение регистрации ЧР.

Данные экспериментальных исследований частичных разрядов, возникающих при обработке полиамида марки «Армамид ПА СВ 30-1ЭТМ», показаны на рис. 3, где представлена фонограмма ЧР, при воздействии ВЧ-поля с частотой 27,12 МГц. Графическое отображение полученных данных рис. 4 показывает динамику возникновения ЧР в процессе ВЧ-обработки.

Сравнительный анализ рис. 3 и рис. 4 позволяет сделать вывод, что пробою предшествуют ЧР в достаточно большом временном интервале. Для упрощения расчетов за допустимый промежуток времени между ЧР тчр принимаем среднеарифметическое значение межразрядных интервалов. У полимеров марки «Армамид ПА СВ 30-1ЭТМ» это значение составляет 0,2 сек.

Исходя из полученного значения, введенная в ВУМК программа рассчитывает тчр по формуле

Время со к Рис. 3. Фоногр амма частичных разрядов (ЧР) полиамида

Динамика частичных разрядов

Рис. 4. График динамики возникновения частичных разрядов (ЧР) полиамида

иркутским государственный университет путей сообщения

тчр < 0,2 сек,

где, тчр - допустимый промежуток времени между ЧР.

В случае невыполнения данного условия, т. е. когда интенсивность возникновения ЧР превышает 0,2 сек, микроконтроллером подается команда исполнительному механизму на уменьшение мощности ВЧ-генератора до достижения контролируемых значений, соответствующих расчетному режиму термообработки.

Исполнительным механизмом может быть сервопривод, шаговый двигатель или другое устройство. Надо отметить, что скорость исполнительного механизма нелинейная. Например, для оборудования УЗП 2500 процесс увеличения анодного тока до номинального значения выполняется в пределах 7 сек. Количество шагов, подаваемых на исполнительный механизм, подбирается экспериментально и зависит от конструктивных особенностей переменного конденсатора, установленного на ВЧ-генераторе. Так, для увеличения анодного тока на вышеуказанном оборудовании на 0,01 А (с 0,2 А до 0,21 А) количество шагов, подаваемых на шаговой двигатель - 130 ед., а для увеличения тока на 0,01 А, но уже в диапазоне с 0,89 А до 0,9 А, количество шагов - 24 ед., что предусматривается алгоритмом управления ИМ.

Особенность блока автоматизации ВЧ-термообработки полимерных материалов состоит в том, что его установка не вносит изменений в существующие принципиальные электрические схемы ВЧ-оборудования. Блок легко изготавливается и может быть использован для автоматизации различных моделей электротермических установок. Таким образом, предлагаемый автоматизированный блок управления позволяет производить термообработку различных полимерных материалов с защитой от критического воздействия пробойных явлений.

Промышленное внедрение представленного авторами устройства позволит автоматизировать

высокочастотное электротермическое оборудование, повысить эффективность и надежность обработки полимерных материалов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Румынский С.Н. Автоматизация процесса высокочастотной сварки корпусов щелочных аккумуляторов / Румынский С.Н., Юленец Ю.П. // Сб. научн. тр. по химическим источникам тока. - СПб: Химиздат, 2004. - С. 135-139.

2. Трофимов Н.В. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы Н. В. Трофимов, Ю. П. Юленец, А. В. Марков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2009. - № 7 - С. 1 - 6.

3. Махов А. Н. Конвективно-лучевая сушка композиционного материала на основе полиамида в фонтанирующем слое /Махов А.Н., Сударуш-кин Ю.К., Павлюк В. В. // Журнал прикладной химии. - 2005. - № 12. - С. 2008-2010.

4. Дурандин Г.Б. Материаловедение и техника высоких напряжений. / Дурандин Г. Б., Сухогу-зов А. П., Никитина Е. П., Косяков А. А Екатеринбург // УрГУПС, 2005. - 116 с.

5. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков. Область сильных полей. / Воробьев Г.А., Похолков Ю.П., Королев Ю.Д., Меркулов В.И. //ТПУ, 2003. - 244 с.

6. Кривченко И.В. АУ^ Микроконтроллеры очередной этап на пути развития // Компоненты и технологии. № 3. 2002. - С. 30-34.

7. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела. / учебник для вузов в 2-х томах. - М., Металлургия, 1995. - 251 с.

8. Рахманкулов Д.Л. Гетерогенно-каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона : монография. - М..: Химия, 2006. - 144 с.