Моделирование, алгоритм работы и реализация микроконтроллерной системы мониторинга энергосберегающей технологии восстановления деталей погрузочных машин

тверждает ее работоспособность и возможность использования всего комплекса оборудования для получения основных характеристик двигателя с системой оперативной готовности двигателя внутреннего сгорания.

The paper describes the algorithm systmy operational internal combustion engine, which includes algorithms of the system as a whole and algorithms subsystems: thermal battery and system accelerated

warming. We describe the operation of the system by the algorithm are the principles of interaction between elements of the operational readiness of the internal combustion engine. Showing and reasonable conditions and restrictions of the system. Shown that the completion of field studies using the described algorithms of the system proves its efficiency and the use of all complex equipment to obtain the basic characteristics of the engine system operational internal combustion engine.

УДК 621.791.92

БЕРЕЖНАЯ Е.В., к.т.н., ассистент (Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск).

Моделирование, алгоритм работы и реализация микроконтроллерной системы мониторинга энергосберегающей технологии восстановления деталей погрузочных машин

Актуальность

В процессе эксплуатации погрузоч-но-разгрузочных машин вследствие действия сил трения детали подвергаются неравномерному изнашиванию.

В том случае, если машина эксплуатируется при соблюдении установленных правил технического обслуживания, изнашивание проявляется как нормальный относительно медленный естественный процесс. Однако нарушение правил технической эксплуатации приводит к повышенному износу деталей. Кроме того, скорость изнашивания одних и тех же деталей, установленных на однотипных машинах, различна в зависимости от квалификации обслуживающего персонала, интенсивности использования машины и рода перерабатываемого груза [1, 2]. Например, при использовании автопо-

грузчиков при переработке насыпных и навалочных грузов наблюдается более быстрое изнашивание деталей гидросистемы, ходового оборудования, коробки передачи, грузоподъемной рамы по сравнению со скоростью изнашивания этих узлов и деталей при эксплуатации автопогрузчиков на контейнерных или тяжеловесных площадках. Поэтому для продления срока службы деталей погрузочных машин необходимо учитывать ряд факторов и предпринимать меры по снижению интенсивности изнашивания, такие как своевременное техническое обслуживание и ремонтно-восстановительные работы. В частности, для снижения интенсивности абразивного изнашивания зубьев ковшей экскаваторов, ножей землеройных и погрузочных машин режущие рабочие органы последних восстанавливают и упрочняют методом электроконтактной наплав-

ки композиционных материалов.

Анализ публикаций

Электроконтактная наплавка представляет собой сложный электротермический процесс со взаимосвязью между параметрами, характер изменения которых в реальных условиях зависит от целого ряда факторов, которые в течение импульса сварочного тока изменяются в широких пределах [3, 4]. При электроконтактной наплавке порошковой лентой изменение физических свойств материалов в зоне наплавки будет особенно значительно, так как в процессе нагрева происходит уплотнение, спекание, расплавление шихтовых ингредиентов сердечника [5]. При высоких скоростях нагрева происходит практически мгновенный локальный разогрев контактных участков частиц [6]. Ввиду кратковременности действия тепловых источников частица не успевает прогреваться полностью, к тому же при силовом активировании, технологически выполняемом посредством прокатываемого роликового электрода, приложение активирующего давления также носит кратковременный характер, причем факторы силового и температурного активирования действуют не синхронно: к моменту, когда тепло от контактных участков распространяется по всему объему частицы, факторы силового активирования минуют свой пик. Поэтому при подобной схеме действия и взаимосвязи факторов температурного и силового активирования исключительно важным представляется автоматическое регулирование указанных параметров процесса.

Цель данной работы

Построение быстродействующей микроконтроллерной системы измерения, регистрации и управления параметрами процесса электроконтактной наплавки.

Основной материал

Результатом нерегулируемого взаимодействия силы тока и давления на ролике-электроде могут стать несплавления, выплески шихтового материала и прожоги (рис.1).

Рис.1. Осциллограмма процесса электроконтактной наплавки с нерегулируемым взаимодействием параметров

Минимум на осциллограмме свидетельствует о резком падении силы тока, что объясняется расплавлением выступов рельефа поверхности наплавляемой ленты, их нагревом практически до температуры закипания металла. При этом контактное сопротивление «деталь-оболочка ленты» максимально возрастает. Следствием чего является расплавление и выплеск шихты порошковой ленты и как результат резкое снижение эксплуатационных свойств наплавленного износостойкого слоя.

Для регулирования силы сварочного тока и мониторинга усилия на ролике-электроде была разработана специальная система управления на базе микроконтроллера LPC2138 (рис.2).

Это современный быстродействующий микроконтроллер, оснащенный встроенным АЦП, ЦАП, широтно-импульсным модулятором и функционирующий под управлением операционной системы реального времени RTOS.

Силовая часть установки

Система управления

ю

О I

Тиристорные ключи

Сварочный трансформатор

Детекторы

"Гальвания" ская развязка

Ш

ФНЧ детекторов

UIи

Измерительный трансформатор напряжения

Датчик тока

Датчик положения

UUи

АЦП

Uп

Индикатор

ИЮизм^Юизм 1'Шп

Задача регулятора плавления

Задача измерения толщины ленты

Задача индикации режимов

] I ] I

Уставки напряжения

Таблицы уставок напряжения и тока

Задача регистрации данных

Запись

Задача управления SD картой

А Загрузка

-^ таблицы

Программный модуль

LPC2138

SD или MMC карта памяти

UI

GPIO

GPIO

RTOS

и тока

SPI

Рис.2. Структура системы управления контроллером наплавки

Сопряжения силовой части и микроконтроллер LPC2138 выполнено при помощи четырех аналоговых и цифрового каналов управления. Информация о процессе наплавки снимается при помощи трансформаторов тока и напряжения, включенных на выходе сварочного трансформатора в виде синусоидальных напряжений Ш и ЦЦ. После выпрямления и фильтрации постоянные напряжения Ц1и, ЦЦи преобразуется встроенным АЦП микроконтроллера в соответствующий 10-разрядный код К1изм и КЦизм. Информация о толщине ленты снимается при помощи датчика линейного перемещения, закрепленного на верхнем ролике системы наплавки. Напряжение Цп, пропорциональное положению ролика поступает на вход АЦП, где преобразуется в 10-разрядный код Кип. Регулирование выходного напряжения сварочного трансформатора в пределах 50 .100% осуществляется сигналом с выхода широтно-

импульсного модулятора (ШИМ), который через гальваническую развязку подается на вход системы регулирования силовой части. Сброс импульса наплавки выполняет цифровой канал управления через дискретный порт ввода-вывода GPЮ и развязывающий усилитель. Индикацию режимов выполняет жидкокристаллический ИНДИКАТОР, подключенный к микроконтроллеру через GPЮ.

Ядро операционной системы, размещенное в памяти микроконтроллера LPC2138 обеспечивает создание и переодический запуск задач управления процессом наплавки. Эти задачи представляют собой процедуры, написанные на языке Си и выполняют следующие функции:

-Задача измерения толщины ленты. Обеспечивает получение начального значения перемещения ролика в момент возникновения тока плавления и измерение его последующего перемещения с формированием данных для задачи регистрации

и таблицы уставок напряжения и тока.

-Задача регулятора плавления. На основании таблицы уставок напряжения и тока по измеренным значениям К1изм, КЦизм и Кип определяется требуемое напряжение импульса, а также момент его прекращения.

-Задача регистрации данных. Открывает на внешнем носителе (SD или MMC карте объемом 1 Гб) файл двоичных данных, в котором регистрируются значения текущего времени (с точностью до секунд), К1изм, КЦизм и Кип, а так же состояние выходов ЦАП и сброса импульса.

-Задача управления SD картой выполняет обращение к стандартной библиотеке RTOS по управлению SD или MMC Flash накопителями под дисковой файловой системой FAT32. В ее функцию входит так же загрузка таблицы установок напряжения и тока.

-Задача индикации режимов позволяет выводить основные параметры процесса наплавки на жидкокристаллический индикатор, подключенный к микроконтроллеру.

Такая структура программной оболочки позволяет использовать контроллер наплавки с производственной так и с научной целью. В последнем случае перед каждым импульсом наплавки из памяти SD карты считывается очередная таблица установок напряжения и тока, результаты ее применения сохраняются для дальнейшего анализа, который можно точно привязать к конкретной точке наплавки на обрабатываемой детали. На рис. 3 показана функциональная схема контролера наплавки.

Входные сигналы, пропорциональные выходным значениям тока и напряжения сварочного трансформатора снимаются при помощи трансформаторов напряжения TV1 и тока TV2 контроллера наплавки. Пульсирующее напряжение с выхода мостового выпрямителя каждого из измерительных каналов поступает через пассивный ФНЧ первого порядка и регулируемый делитель напряжения на вход АЦП микроконтроллера. ФНЧ обес-

печивает подавление высокочастотных наводок на входе АЦП, делитель позволяет настроить параметры измерительного канала для получения максимального динамического диапазона измеряемого сигнала. Защитные сопрессоры VD3,VD6 предотвращают проникновение импульсных помех и выход из строя микроконтроллера. Сигнал с датчика положения через разъем X5 поступает на счетный вход CAP1.0 микроконтроллера, через дискретный вход P0.11 поступает информация о направлении движения электрода.

Входные сигналы, пропорциональные выходным значениям тока и напряжения сварочного трансформатора снимаются при помощи трансформаторов напряжения TV1 и тока TV2 контроллера наплавки. Пульсирующее напряжение с выхода мостового выпрямителя каждого из измерительных каналов поступает через пассивный ФНЧ первого порядка и регулируемый делитель напряжения на вход АЦП микроконтроллера. ФНЧ обеспечивает подавление высокочастотных наводок на входе АЦП, делитель позволяет настроить параметры измерительного канала для получения максимального динамического диапазона измеряемого сигнала. Защитные сопрессоры VD3,VD6 предотвращают проникновение импульсных помех и выход из строя микроконтроллера. Сигнал с датчика положения через разъем X5 поступает на счетный вход CAP1.0 микроконтроллера, через дискретный вход P0.11 поступает информация о направлении движения электрода. Сигнал управления током наплавки формирует встроенный ШИМ микроконтроллера, широтно-модулированный сигнал с его выхода гальванически развязывается через транзисторную оптопару и преобразуется в пропорциональное скважности сигнала напряжение во входных цепях системы управления сварочным трансформатором. Сигнал отключения импульса наплавки подается через аналогичное развязывающее устройство. Для подключения MMC или SD FLASH карты ис-

пользуется встроенный в микроконтроллер SPI интерфейс, реализующий после-

довательную приемопередачу между FLASH картой и микроконтроллером.

Рис.3. Функциональная схема контролера наплавки

Разработанная микроконтроллерная система позволила стабилизировать процесс электроконтактной наплавки, обеспечив постепенный характер нарастания силы сварочного тока с последующей его стабилизацией. С технологической точки зрения такой характер протекания импульса сварочного тока наиболее благоприятен для удовлетворительного формирования соединения с минимальной вероятностью образования дефектов в наплавленном металле, что позволит значительно повысить эксплуатационные свойства нанесенного покрытия и продлить срок службы изделия.

Выводы

Разработана микроконтроллерная система мониторинга параметров процесса электроконтактной восстановительной наплавки, позволяющая отслеживать и

корректировать силу сварочного тока и усилие на ролике-электроде, что снижает вероятность образования прожогов, несплавлений износостойкого материала с поверхностью детали и выплеска шихтового материала сердечника ленты.

Список литературы.

1. Bhushan B. Introduction to tribology / B. Bhushan. - New York: John Whiley & Sons. - 2002. - 732p.

2. Когаев В.П. Прочность и износостойкость деталей машин / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. - М.: Высшая школа, 1991. - 319с.

3. Хромченко Ф.А. Сварочные технологии при ремонтных работах / Ф.А. Хромченко. - М.: Интермет Инжиниринг, 2005. - 368с.

4. Упрочнение режущих органов сельхозмашин электроконтактной привар-

кой шлама ШХ15/Р /Р.А. Латыпов, А.В. По-ляченко, Б.А. Молчанов, Н.Д. Бахмудкадиев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1998. - №8. - С. 25-29.

5. Черновол М.И. Контактная наварка композиционных покрытий / М.И. Черновол //Сварочное производство. - 1991. - №12. - С.23-25.

6. Чигарев В.В. Математическое моделирование теплового состояния сердечника порошковой ленты при восстановительной электроконтактной наплавке / В.В. Чигарев, Е.В. Кассова // Вюник Донбасько'1 державно! машинобудiвноi ака-деми. Збiрник наукових праць. - Краматорск: дгма, 2009. - №1(15). - С. 338-341.

Анотации:

Разработана микроконтроллерная система мониторинга параметров процесса электроконтактной восстановительной наплавки порошковыми лентами. Данная система позволяет отслеживать и корректировать силу сварочного тока и усилие на ролике-электроде сварочной электроконтактной машины. Применение системы позволяет снизить вероятность образования несплавлений износостойкого материала с поверхностью детали и выплеска шихтового материала

сердечника ленты. Благодаря этому значительно повышаются эксплуатационные свойства наплавленного слоя и увеличивается срок службы изделия.

Розроблено м1кроконтролерну систему мониторингу параметр1в процесу електроконтактно-го ввдновлювального наплавлення порошковими стр1чками. Дана система дозволяе вщстежувати та коректувати силу зварювального струму та зусилля ролика-електрода зварювально! електроконтактно! машини. Використання системи дозволяе знизити 1мов1рнють утворення ввдсутносп сплавлення зно-соспйкого матер1алу з поверхнею детал та виплес-ку шихтового матер1алу сердечника стр1чки. Завдя-ки чому шдвищуються експлуатацшш властивосп наплавленого шару та подовжуеться термш служби виробу.

Microcontroller system for monitoring of parameters of electrocontact deposition process with powdered stripes is developed. This system allows to trace and to correct the power of the welding current and effort on roller-electrode of the welding electro-contact machine. Usage of this system allows to reduce probability of the formation of unfusion of the wearproofness material with the surface of the detail and allows to prevent the splashing out of the ribon's charge material. Due to it it is possible to promote operating descriptions of deposited layer and prolong the term of service of wares.