Содержание к диссертации
Введение
1. Автоматизация технологического процесса приготовления СОТС 11
1.1 Анализ автоматизации технологического процесса приготовления эмульсий для машиностроения
1.2 Обзор современных технологий с применением эмульсий и требования, предъявляемые к эмульсиям в различных областях промышленности'
1.3 Методы и устройства приготовления эмульсий 25
1.3.1. Гидродинамический способ приготовления эмульсий 25
1.3.2. Механический способ приготовления эмульсий 31
1.3.3. Акустический (звуковой и ультразвуковой) способ эмульгирования
1.3.4. Электрический способ приготовления эмульсий 40
1.4 Комплексный критерий оценки параметров устройств для приготовления эмульсий
1.5 Постановка задачи исследования 51
2. Математическая модельэлектрогидравлическогопреобразователя импульсного действия для приготовления технологических сред в машиностроении
2.1 Анализ системы автоматического управления для автоматизации процесса приготовления СОТС
2.2 Физические процессы, происходящие при электрогидравлическом разряде в воде
2.2.1 Расчет параметров пульсации парогазовой полости, образованной в результате высоковольтного разряда в воде
2.2.2 Устойчивость эмульсий приготовленных электрогидравлическим способом и факторы, влияющие на неё
2.3 Построение математической модели электрогидравлического преобразователя импульсного действия
2.3.1 .Расчет статической характеристики ЭГПИД по давлению 77
2.3.2. Расчет статической характеристики ЭГПИД по скорости 83
2.3.3. Расчет динамической характеристики ЭГПИД 89
2.4 Обоснование конструктивных параметров для ЭГПИД 95
2.4.1. Обоснование выбора электродной системы 95
2.4.2. Расчёт параметров конструкции кюветы ЭГПИД 105
.5 Выводы 106
3. Экспериментальные исследования электрогидравлического преобразователя импульсного действия
3.1 Экспериментальная установка для исследования ЭГПИД 111
3.2 Экспериментальные исследования статических и динамических характеристик ЭГПИД
3.3 Экспериментальные исследования ЭГПИД при приготовлении эмульсий
3.4 Обоснование основных режимных параметров ЭГПИД методом пла нирования эксперимента
3.4.1 Расчет факторной модели ЭГПИД по давлению в жидкости при разряде.
3.4.2 Расчет факторной модели ЭГПИД по диаметру капель полученной эмульсии
3.5. Выводы 141
4. Система автоматизированного приготовления эмульсий на базе ЭГПИД - 142
4.1 Синтез системы автоматического регулирования приготовления эмульсий
4.2 Микропроцессорное управление процессом приготовления эмульсий. 148
4.3. Практическое применение САУ на базе ЭГПИД 150
4.3.1. САУ приготовления СОТС в машиностроении 151
4.4 Выводы 153
Заключение 154
Список литературы 156
Приложения 166
- Анализ автоматизации технологического процесса приготовления эмульсий для машиностроения
- Анализ системы автоматического управления для автоматизации процесса приготовления СОТС
- Экспериментальная установка для исследования ЭГПИД
- Синтез системы автоматического регулирования приготовления эмульсий
Введение к работе
Бурное развитие информатики и микропроцессорной техники: подняло на принципиально новый уровень решение многих задач управления технологическими и производственными процессами. Тенденция перехода к автоматизированному производству затронула многие сферы хозяйства, в том числе и машиностроение.-Автоматизация производственных процессов является? на. сегодняшний:день основным фактором в повышении качественных показателей производства, увеличении производительности труда, интенсификации и рентабельности производства. В! основе автоматизации процессов лежит частичное или полное отстранение человека от непосредственного участия в производственном процессе.
Развитие автоматизации вЇ машиностроении; на ранних этапах характеризовалось отсутствием мобильности и динамичности. При этом создавались жесткие автоматические линии, предназначенные длямассового производства;. Срок окупаемости таких линий составляет не менее 8 - 10 лет. Однако единичное и мелкосерийное производство оставались практически неавтоматизированными. Именно поэтому возникла принципиально новая концепция автоматизированного производства - гибкие производственные системы (ГПС). В машиностроении обработка деталей в ГПС означает, что весь процесс производства деталей машин происходит на одном рабочем месте, что значительно уменьшает стоимость продукции.
Повышение экономичности машиностроения неразрывно связано с ростом эффективности: металлообработки и снижения затрат, связанных с износом металлорежущего инструмента. Качество обработки металлов в немалой степени зависит от применяемого смазочно-охлаждающего технологического средства (СОТС) /1/. GOTG представляют собой эмульсии, прямого или обратного типов. Это достаточно устойчивая система из двух жидких фаз, одна из которых распределена в виде мельчайших капелек в другой. Ту ная часіь эмульсии — это дисперсионная (непрерывная) среда. В эмульсии прямого типа (М/В) дисперсной фазой является масло которое распределяется в дисперсной среде - воде. В эмульсии обратного типа (В/М) наоборот дисперсной фазой является вода, распределенная в масле. При обработке металлов резанием применяют оба типа эмульсий. Концентрат эмульсии, разбавляемый водой, называют эмульсолом. В зависимости от физико-химических особенностей основной фазы СОТС подразделяются на водные (водо-смешиваемые) и масляные - основная фаза — животные, растительные и синтетические масла.
Применение эффективных СОТС ведет к увеличению производительности станков на 25-30%, позволяет улучшить показатели качества производимых деталей. Повысить эффективность СОТС можно несколькими спосо-бами: подбором оптимального состава; активацией СОЖ внешним энергетическим воздействием; применением специальных методов подачи СОТС (под давлением, распылением, через каналы в» теле инструмента), улучшением степени очистки от механических примесей. Наиболее распространен первый способ, так. как остальные требуют значительных капитальных затрат и наличие свободных производственных площадей 12/.
Ближе всего к теме диссертации относятся работы, по изучению повышения эффективности СОТС Латышева В.Н., Бердичевского Е.Г., Худобина Л.В., Жданова В.Ф.. А.П. Бабичева, Е.М. Булыжева, В.М. Шумячера. А также работы, обобщающие теоретические основы диспергирования-жидкостей, экспериментальные исследования дисперсных систем и практическую реализацию, выполненные профессором Дитякиным Ю.Ф., Барановским Н.В:, Фоминой Н.Н, большой вклад в изучение диспергирования, жидкостей внесли: Вайткус В.В., Грановский В.Я., Фофанов Ю.Ф., Мухин А.А., Смолуховский М.А., Кузьмин Ю.Н., Абрамзон А.А., Степанов В.М., Прошин А.Ю. и другие.
Анализ работ исследователей по изучению СОТС показал, что современные высокопроизводительные агрегаты в машиностроении рассчитаны на ис пользование металла, обладающего строго постоянными свойствами и бездефектной поверхностью 121. В области обработки металлов резанием, до сих пор имеет место значительное технологическое отставание, качество листа по отделке поверхности и разнотолщинности еще не всегда находится на уровне лучших зарубежных образцов.
Применение эффективных СОТС в технологическом процессе резания металлов выгодно отличаются от масел высокой охлаждающей способностью, возможностью длительного использования в циркуляционных системах, сравнительно низким расходом смазки, а иногда и лучшими антифрикционными свойствами /3/.
В современном машиностроении предъявляются повышенные требова-ния не только к функциональным, но и к экологическим свойствам СОТС, так как СОТС должна не только улучшать работоспособность инструмента и качество обработанной поверхности, но и не должна оказывать.техногенного влияния на обслуживающий персонал и окружающую среду. В связис этим при изготовлении СОТС стремятся- уменьшить количество минерального масла и минимизировать, а иногда и исключить эффективные, но опасные для здоровья некоторые неорганические и органические компоненты СОТС. Одним из способов создания экологически чистых СОТС является минимизация количества.требуемых СОТС, в частности, это достигается активацией СОТС в процессе приготовления электрическими разрядами и введением микродоз СОТС в воздушный поток.
В настоящее время 72% всех СОТС получают, используя механические и электромеханические эмульгаторы, которые имеют ограниченные возможности по степени и качеству перемешивания компонентов за счет использования малонадежных, трущихся, инерционных механических элементов. Также в работе /4/ доказано, что в настоящее время существующие устройства для приготовления эмульсий эффективны для приготовления больших объемов СОТС в крупных цеховых и заводских централизованных системах. И существует дефицит устройств для получения небольшого коли чества СОТС в безнапорном и непроточном режиме. Анализ устройств для приготовления эмульсий различного принципа действия показал, что существует проблема создания современного, компактного, экологического оборудования с возможностью более точного регулирования параметров для приготовления высокоэффективных СОТС.
Положительные результаты исследования автоматизированной технологической установки на базе САУ с использованием электрогидравлического преобразователя импульсного (взрывного) действия (ЭГПИД) как исполнительного устройсгва показали, что одним из перспективных методов приготовления двухфазных эмульсий является разработка и создание новых устройств для приготовления эмульсий при помощи ЭГД - воздействия на смешиваемые компоненты. Устройство позволяет приготавливать эффективные СОТС с требуемой концентрацией дисперсной фазы, что обеспечивает оптимальный состав СОТС, без применения каких-либо ПАВ для ее стабильности, что является повышением экологичности СОТС, процесс приготовления при ПОМОЩИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ разрядов способствует электрической активации СОТС, что повышает ее эффективность. Принцип действия таких устройств основан на использовании энергии высоковольтных импульсов для-перемешивания жидкостей, отвечающих современным требованиям, предъявляемым к этим устройствам по надежности, компактности, массогабаритным характеристикам, простоте конструкции и возможности использования в современном автоматизированном оборудовании.
Целью данной диссертационной работы является. Автоматизация процесса приготовления двухфазных эмульсий, обеспечиваемые разработанной автоматизированной технологической установкой на базе электрогидравлического преобразователя импульсного (взрывного) действия как исполнительного устройства.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обоснован метод построения САУ технологическим процессом приготовления эмульсий, базирующийся на использовании электрогидрав лического преобразователя импульсного действия (ЭГПИД) в малогабаритной технологической-установке для приготовления эффективных СОТС, в основе которого лежит контроль амплитуды импульсов, точной концентрации смешиваемых компонентов, требуемой дисперсности полученной смеси.
2 Разработана физическая модель ЭГПИД, обоснованная системой уравнений электрогидродинамики, с применением методов аналитического моделирования для исследования электростатических и гидродинамических процессов, обуславливающих работу ЭГПИД в составе САУ технологическим процессом.
3. Получена математическая модель динамических процессов ЭГПИД с распределенными параметрами, в виде зависимости скорости жидкости в кювете устройства. Идентифицирована.передаточная-функция, используемая при синтезе САУ.
В результате, проведенной работы доказана возможность использования ЭГ импульсного эффекта для приготовления эмульсий типа М/В, в разработанном» "шектрогидравлическом преобразователе импульсного действия для автоматизации технологических процессов приготовления эмульсий как в машиностроении так и в других областях промышленности. Результатом работы является создание экспериментального образца электрогидравлического преобразователя импульсного действия (ЭГПИД) заявка на патент № 2007118786, который рекомендован к внедрению на ряде предприятий, о чем свидетельствуют соответствующие акты внедрения.
Научная разработка внедрена в учебный процесс ГОУ ВПО «Балаковский институт техники, технологии и управления» СГГУ на1 кафедре "Управление и информг тика в технических системах". Научные и. практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных научно - исследовательских работах за 2003 - 2007 гг. выполненных на кафедре УИТ Балаковского института техники, технологии и управления (БИТТУ) при СГТУ по направлению 19-В "Векторно-энергетический анализ и синтез элементов автоматики и систем управления".
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня.
Международных:
VII, VIII конференции "Современные проблемы электродинамики по электрофизики жидких диэлектриков" (г. Санкт - Петербург 2003,2006 гг.);
8, 9 конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (г. Санкт - Петербург 2004,2005гг.);
7 конференции «Динамика технологических систем» (Саратов, 2004) Всероссийских:
8 конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пен- за 2004г.);
7,8 "Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах" (г. Балаково, 2004 -2005 гг.);
конференции «Технологии Интернет - на службу обществу» (г. Саратов 2005г.).
Семинарах кафедры " Управление и информатика в технических системах" БИТТУ при СГТУ в 2004-2007гг., кафедры " Автоматизация технологических процессов" СГТУ, 2008г.
По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 2 в журналах рекомендованных ВАК.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (112 наименовании) и 10 приложений. Работа содержит 165 страниц основного текста, 53 рисунка, 16 таблиц. На защиту выносятся следующие положения:
1) Система автоматического управления и контроля технологического процесса приготовления двухфазных эмульсий на базе ЭГПИД;
2) Идентификация статических характеристик, конструктивных и режимных лараметров ЭГПИД на основе теоретических исследований уст ройства;
3) Математическая модель динамических процессов ЭГПИД как системы с распределенными параметрами;
4) Метод комплексной оценки устройств для приготовления эмульсий;
5) Результаты экспериментальных исследований ЭГПИД при приготовлении двухфазных эмульсий;
6) Результаты практического использования ЭГПИД как элемента САУ.
Работа выполнена в соответствии с Грантом № 2109р/3991 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и Грантом Президента Российской Федерации № НШ-2064.2003.8 для ведущих научных школ РФ. Результаты работы также представлены и в настоящий момент доступны на сайте международного семинара «Франко-Российская технологическая сеть и ее возможности для установления Российско-Французского технологического сотрудничества» СГТУ, г.Саратов. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в Балаковском институте техники, технологии и управления при Саратовском государственном техническом университете.
Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Власову Андрею Вячеславовичу за оказание консультаций при выполнении настоящей работы.
Анализ автоматизации технологического процесса приготовления эмульсий для машиностроения
В современных условиях прогрессивным может быть только такое производство, которое способно учитывать изменение спроса заказчиков и может быстро переходить на выпуск новой продукции. В результате удается избежать выпуска не находящей спроса продукции бесполезного расходования» ресурсов. Изучение состояния отечественного рынка промышленного производства, и, в частности, машиностроения, показало, что единичное и мелкосерийное производство оставались на сегодняшний день практически неавтоматизированными. Именно- поэтому возникла принципиально новая концепция автоматизированного производства, - гибкие производственные системы (ГПС). Применение новых эффективных автоматизированных систем автоматического управления на базе малогабаритного технологического оборудования (МТО) позволит повысить качественные показатели производства, увеличить, производительность труда, интенсификациюj и рентабельность производства /8/.
Особый интерес в области машиностроения, а именно в процессе металлообработки деталей (металлорежущие станки), представляют СОТС. Оказывая непосредственное влияние на качество обрабатываемой поверхности, стойкость инструмента и производительность труда, СОТС осуществляют охлаждающее, смазочное, моющее, режущее и пластифицирующее действия /2,3,4/. Исследование работ /3,4/ показали, что существуют различные виды СОТС, используемые для различных процессов обработки металлов. Классификация СОТС для технологического процесса обработки металлов приведена в таблице 1.1.
Анализ классификации показывает, что водные СОТС эффективно используются при резании, ковке, штамповке, прокатке металла, а также при формировании листового металла. При этом СОТС представляют собой эмульсии или микроэмульсии с различной концентрацией дисперсной фазы. Основным критерием применения того или иного вида СОТС при обработке металлов играет эффективность обработки. Критерии оценки эффективности СОТС на производительность и качество деталей при обработке металлов приведены в таблице 1.2.
Выявлено, что водные СОТС наиболее эффективны при лезвийной обработке металлов на технологических операциях точения, сверления, развертывания, резьбонарезания, фрезерования и протягивания. При абразивной обработке водные СОТС эффективны при шлифовании чугуна. Как уже отмечалось повысить эффективность СОТС можно подбором оптимального состава; активацией СОТС внешним энергетическим воздействием; изменением их химического состава, вследствие чего можно регулировать взаимодействие СОЖ с обрабатываемыми материалами и применением специальных методов подачи СОТС 13/. В практике машиностроения существует несколько способов подачи СОТС в зону обработки деталей: способ поливом в виде свободно падающей струи; способ подачи СОТС в виде пены; способ подачи СОТС в виде высоконапорной струей жидкости под давлением 2-3 МПа; способ подачи СОТС с введением ее в воздушный поток под давлением. А также несколько способов активации СОТС /1,3,5,6/:
Классификация активирующих воздействий на СОТС и возможность автоматизации процесса активации конкретного вида СОТС представлена в табл. 1.4, Из табл. 1.4 видно, что любой способ активации СОТС возможно автоматизировать. Однако вышеперечисленные способы подачи и активации СОТС имеют ряд значительных недостатков. Способ подачи СОТС в виде струи является недостаточно эффективным и обработка резанием ведется "всухую". Так, например, полив СОТС не применяется на тяжелых продольно-строгальных, карусельных, продольно-фрезерных и других станках из-за вымывания смазки с их направляющих 111. Подачу СОТС в виде пены рекомендуется применять при обработке несимметричных деталей, выступающие части которых отбрасывают или сбивают подаваемую поливом струю СОТС 111. Способ подачи СОТС в виде высоконапорной струи в настоящее время применяется лишь для обработки труднообрабатываемых материалов, так как имеет ряд недостатков. Сильное разбрызгивание упругой и опасной струи жидкости, выходящей из сопла под большим давлением со скоростью 50 - 80 м/с.
Трудность обеспечения герметичности подвижных соединений-магистралей для.подвода жидкости, работающих под давлением 20-30 атмосфер 111. Способ подачи GOTC введением ее в воздушный поток является на сегодняшний день самым перспективным при обработке материалов При рас-пыливании расходуется небольшое количество СОТС (около 300 г/час), жидкость не разбрызгивается и не требует устройств для ее сбора, а зона резания остается всегда открытой для наблюдения.
Недостатком термической активации СОТС является необходимость ее нагревания в ходе выполнения технологической операции, непосредственно на рабочем месте, что требует повышенных мер предосторожности и ухудшает санитарно-гигиенические условия работы оператора. Электрохимической и магнитной активации подвергаются только жидкости на водной основе.
Исследования показывают, что при приготовлении водных СОТС необходимо точное дозирование компонент эмульсии для достижения точной концентрации дисперсной фазы. Смазочную способность водомасляных смесей исследовали в лабораторных и промышленных условиях. Полученные результаты показывают, что по мере роста концентрации масла до 16—20% эффективность применения водных СОТС непрерывно возрастает, достигая эффективности чистого масла или несколько выше /3/.
При повышении эффективности СОТС перспективным является способ электрической активации при помощи импульсного воздействия на жидкости. Так как вследствие такой обработки изменяются физико-химические свойства жидкости, так как капли приобретают поверхностный заряд. Наблюдается ионизация компонентов СОТС, что обуславливает его переход в плазменное состояние. Большое тепловыделение в зоне разряда, ультразвуковое поле с широким спектром частот, ударно-волновое воздействие. При этом ускоряются процессы образования вторичных структур в контактной зоне, облегчающие условия металлообработки 131. Оборудование по приготовлению СОТС исследовалось в /1,3/, сделаны выводы, что в настоящее время СОТС приготавливают механическими диспергаторами, коллоидными мельницами, гомогенизаторами, ультразвуковыми устройствами (СГД-3,ГКГ-5, УГС-10,3, СЖ-2; УПХА). Технические характеристики устройств приведены в /3/. Все существующие устройства по приготовлению СОТС не пригодны в условиях безнапорного и непроточного режимов, следовательно, перспективной является разработка малогабаритного устройства для приготовления небольшого количества СОТС.
Анализ системы автоматического управления для автоматизации процесса приготовления СОТС
Процесс приготовления эмульсии включает в себя различные явления, происходящие в жидкости, которые зависят от свойств конкретной жидкости, а также от параметров диспергирования. Способы приготовления эмульсий также различны. Классификационным признакам является способ воздействия на дисперсную среду, а именно чем вызвано изменение свойств среды. /17/.
На смешиваемыевещества может быть оказано несколько воздействий, но необходимо определить основное, результатом которого был вызван главный и необходимый физико-химический эффект. Основное воздействие генерируется специальным устройством для его осуществления, а дополнительное воздействие - это воздействие, которое может генерироваться специально для усиления основного или является побочным при воздействии основного. Существует четыре основных способа приготовления эмульсии717/: механический, гидродинамический, электрический и., акустический. Все воздействия на среду взаимосвязаны и вызываются в жидкостях схожие процессы, приводящие к эмульгированию (например, образование кавитации, пульсации скорости и давления). Поэтому дальнейшая классификация проводилась для конкретного способа с выявление главного воздействующего или регулируемого параметра.
Гидродинамический способ приготовления эмульсий
Диспергирование гидродинамическим способом осуществляется при изменении скорости, давление потока, отдельно впрыскиваемых струй или другими различными операциями по управлению потока /18/. И как следствие, действия таких воздействий происходит образование гидродинамической кавитации. Геометрия канала, и наличие встроенных элементов, (препятствие, рассекатель и так далее) также влияют на процесс образования эмульсии и степень дисперсности частиц.
Способ эмульгирования путем изменения давления в потоке жидко сти. Давление изменяется в очень широких пределах либо в потоке жидкости, либо на входе и выходе рабочей камеры нижеприведенными способами.
а) Создание давлением ударных импульсов /19/. Данный способ эмуль гирования осуществляется в неравноплечей U-образной трубе с размещен ным с торца ее низкого плеча поршнем и боковым патрубком входа исходной жидкости. Давления ударных импульсов находятся в пределах 0,5 МПа.
б) Эмульгирование в камерах с высоким и сверхвысоким давлениями. /20/ Смешивание происходит в двухступенчатой камере высокого и сверхвы сокого давления. Под действием разницы давления внутренние силы жидко сти разрывают макромолекулы на более мелкие составляющие. Установка позволяет получить высококачественные эмульсии или суспензии с размером частиц до 0,1 мкм.
в) Изменение величины давления до и после установки /21/. Перед смешиванием температуры компонентов уравнивают, избыточное давление жидкости за смесителями поддерживают меньшим в 2 и более раз, чем дав ление перед ними, а избыточное давление жидкости перед смесителями, под держивают не меньше 0,15 МПа. Управляющим воздействием на дозирую щее устройство подачи другого компонента является разность давлений на сыщенных паров в кавитационных полостях смесителей.
г) Смешивание постепенным снижением давления потока жидкости /22/. Смешивание осуществляется в камере с симметричной формой враще ния. Первая часть камеры имеет форму параболоида вращения, а вторая часть камеры имеет форму обращенного гиперболоида вращения. Жидкости повторно пропускаются в виде смеси через смесительную камеру, в которой смесь приводится во вращение вокруг оси при направлении потока парал лельно оси. В этой камере давление смеси снижается в направлении потока за счет постепенного увеличения скорости потока до соосной выдачи вра щающейся смеси из смесительной камеры до минимального давления, близ кого к давлению пара смеси, но не равного давлению пара или ниже его.
Способ эмульгирования изменением и управлением отдельных струй смешиваемых жидкостей. Сущность данного способа заключается в управлении отдельными струями смешиваемых жидкостей и осуществляется следующими способами.
а) Смешивание за счет сдвиговых деформаций потока /23/. Способ по лучения эмульсий заключается в подаче концентрата для приготовления эмульсии, и гидратирующей жидкости в; средство смешения с высокой ско ростью. Перемешивание компонентов ведется в нестационарном режиме при сдвиговых деформациях потока, обеспечивающих тонкое и быстрое диспер гирование во всем объеме взаимодействующих веществ.
б) Рассекание потока жидкости на отдельные струи с образованием гидродинамической кавитации /24/. Сущность метода заключается в том, что в проточной камере устройства установлен кавитатор, выполненный в виде конуса,.ориентированного вершиной против направления потока. Далее за. ним также в проточной камере установлен ряд дополнительных,. последо вательно расположенных кавитаторов, выполненных в.виде конусов, диамет ры оснований которых уменыпаютсяшо ходу потока.
в) Рекомбинирование потока жидкости /25/. Диспергирование осущест вляют путем образования- множества новых поверхностей раздела фаз жид ких потоков и дальнейшего их рекомбинирования в осевом и радиальном на правлении с помощью специальных диспергирующих элементов.
г) Использование форсунок для управления струями жидкостей и рас пыления компонент для создания эмульсии /26/. Способ заключается в том, что в смесителе в диаметрально противоположные резьбовые отверстия вставляют разгонные-форсунки; Форсунка представляет собой устройство с одним или несколькими; отверстиями для распыления жидкости. Благодаря ним жидкость разгоняется; образуя, при этом области разности давлений. Присутствующие в жидкости пузырьки газа, или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту.
Экспериментальная установка для исследования ЭГПИД
Экспериментальная установка для исследования электрогидравлического преобразователя импульсного действия состоит из высоковольтного импульсного источника питания, кюветы ЭГПИД, конденсаторной батареи, коммутатора, киловольтметра. Функциональная схема установки представлена на рис.3.1. Процесс приготовления8 эмульсии заключается в генерации серии высоковольтных разрядов в рабочей емкости преобразователя. Оператор задает в микроконтроллер требуемые параметры качества СОТС, а именно размер частиц, процентное соотношение компонент эмульсии, амплитуду импульсов. Электрический сигнал с микроконтроллера поступает на шаговый двигатель, который через редуктор при помощи штока в цилиндр выкачивает заданное количество жидкости, при этом клапана закрыты. Затем, когда в цилиндр поступит нужное количество жидкости, открываются клапана и смешиваемые компоненты поступают в емкость ЭГПИД. Процесс приготовления двухфазных эмульсий предполагает подачу высоковольтных импульсов в кювету ЭГПИД при следующих параметрах максимальное напряжение 6кВ, емкость батареи 1-4 мкФ: Микроконтроллер контролирует напряжение установки, следующим образом. Переменное напряжение 120В поступает на трансформатор питания, который вырабатывает напряжение питания для микроконтроллера и ШИМ контроллера. Напряжение проходит через диодный мост становится постоянным и приобретает значение 310В5 поступает на инвертор, после инвертора напряжение приобретает переменное значение 310В. с частотой 50 кГц и поступает на высоковольтный импульсный трансформатор, после которого напряжение увеличивается до ЗкВ и после умножителя становится равным 6 кВ. Затем напряжение поступает на конденсаторную батарею, там происходит зарядка конденсатора до нужной величины, после этого происходит подача напряжения на систему электродов, расположенных в емкости ЭГПИД. В качестве рабочей среды используется техническая вода, а дисперсной фазой может быть любая жидкость в зависимости от требований и состава СОТС. Регулирование подачи жидкости осуществляется исходя из линейной зависимости между перемещением штока поршня и количеством подаваемой жидкости. Для герметизации рабочей емкости во время приготовления эмульсии, а также для защиты элементов автоматики при достижении заданной концентрации закрываются управляемые электромагнитные клапаны. Количество разрядов и период зависят от типа приготавливаемой эмульсии, определяется экспериментально и оформляется в виде таблицы калибровочных коэффициентов при программировании микроконтроллера, входящего в состав МБУ. Для измерения диаметра частиц используется анализатор частиц RS-2100 с ячейкой Коултера. Принцип работы устройства состоит в следующем: в ячейке измеряется импульс электрического напряжения, возникающий при прохождении частицы эмульсии через отверстие в непроводящей перегородке (стенке ампулы). Импульс напряжения обусловлен увеличением сопротивления между электродами в момент, когда частица, увлекаемая потоком токопрово-дящей жидкости, проходит сквозь отверстие. Величина (амплитуда) импульса пропорциональна объёму частицы.
Функциональная схема высоковольтного источника питания предназначенного для формирования и подачи высоковольтных импульсов в кювету ЭГПИД(рис.3.2.).
Сетевое синусоидальное напряжение с размахом пульсаций 220 Вис частотой 50 Гц подается на сетевой фильтр, затем выпрямляется сетевым выпрямителем и поступает на выходной двухполупериодныи каскад инвертора, построенного на базе полумостовой схемы. Управление инвертором осуществляется с помощью драйвера полумоста, и представляет собой ТІІИМ-контроллер, в задачу которого входит регулирование времени открытого состояния плеч полумоста и контроль временного сдвига между импульсами («мертвой зоны»). В результате преобразованное переменное напряжение частотой 50кГц с выхода инвертора подается на высоковольтный трансформатор, повышается в 10 раз и поступает на диодно-конденсаторный умножитель напряжения. Выпрямленное и умноженное на 2 напряжение накапливается в конденсаторной батарее. Для регулирования напряжения заряда конденсаторной батареи используется 10-разрядный модуль ШИМ микроконтроллера с программируемым коэффициентом заполнения, проинтегрированный сигнал с которого складывается с напряжением, снятым с измерительной обмотки трансформатора и подается на усилитель ошибки по напряжению драйвера полумоста. Усилитель ошибки по напряжению представляет собой компаратор ШИМ, который регулирует время открытого состояния плеч полумоста. В результате, изменяя скважность импульсов, мы изменяем среднее количество энергии, передаваемой трансформатору /92/.
Синтез системы автоматического регулирования приготовления эмульсий
На сегодняшний день существует большое количество систем автоматического управления для приготовления эмульсий, это объясняется широкой областью её применения, в промышленности, машиностроении, сельском хозяйстве, медицине, фармакологии, быту и других областях. САУ приготовления эмульсий базе ЭГПИД, функциональная схема и принцип работы которой описаны в главе 2 (рис.2.1.) состоит из ветки приготовления эмульсии и ветки питания.
САУ приготовления двухфазных эмульсий на базе электрогидравлического преобразователя взрывного действия (ЭГГЩД) позволяет осуществлять смешивание плохо смешиваемых жидкостей, путем пропускания через жидкости высоковольтного электрического разряда, а. так же позволяет осуществить . автоматическую дозировку смешиваемых жидкостей и дает возможность получать эмульсию любого требуемого состава. Разработанный микропроцессорный блок позволяет осуществлять контроль и управление за источником питания для ЭГПИД, а именно контроль амплитудой импульсов от 1 до 6 кВ. А также осуществлять точное дозирование смешиваемых компонентов эмульсии, управляя шаговыми двигателями. Что в свою очередь позволяет полностью автоматизировать процесс приготовления СОТС для машиностроения на базе ЭГПИД.
Произведем расчет передаточной функции ветки приготовления. В таблице 4.1 представлены передаточные функции элементов САУ, рассчитанные по известным методикам /106,107,108,109/ и приведены в таблице 4.1. Передаточная функция ЭГПИД рассчитана в главе 2 параграфе 2.3, формула (2.92). Расчет передаточной функции анализатора частиц (АЧ) проводился следующим образом. Согласно принципу работы АЧ (описанному в главе 2) диаметр капель эмульсии пропорционален амплитуде им пульса на выходе устройства. Следовательно, передаточную функцию АЧ можно представить в виде апериодического звена первого порядка, подав на вход относительную погрешность диаметра капель (256-255)/256=0,004, а на выходе снять относительную амплитуду импульса (5-4,9)/5=0,02 (все значения входных и выходных параметров определены из технических характеристик устройства) /109/. При отношении выходного сигнала к входному получим коэффициент усиления АЧ к=5. Постоянная времени равна 15с, согласно технических характеристик устройства. Коэффициент преобразования выходной величины ЭГПИД равен 4 10 7 и определялся как отношение диаметра капель эмульсии к скорости жидкости в кювете в относительных единицах.
Передаточная функция замкнутой системы (4.1) определялась в соответствии с правилами преобразования структурных схем /108,109/ и имеет вид: Оценку устойчивости разомкнутой САУ проводилась по двум критериям. По критерию Ляпунова и критерию Гурвица /107,108/.
Первым признаком устойчивости является отрицательность корней характеристического уравнения. Корни имеют вид: Все корни характеристического уравнения, а именно их вещественные части, отрицательные, то нулевое решение системы асимптотически устойчиво. Произведем оценку устойчивости системы по критерию устойчивости Гурвица. По этому критерию для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все диагональные миноры определителя Гурвица, составленного по характеристическому уравнению системы, были больше нуля /108/. Диагональные миноры имеет вид: Д1 = 1.97-107; Д2 = 1.96-10?; ДЗ = 3-10б; Д4 = 4.25-105; Д5 = 8.13-103; Д5 = 130. Поскольку все диагональные миноры положительны, то система устойчива.
Показатели качества САУ определялись по переходному процессу замкнутой системы и ее АЧХ. Переходный процесс непрерывной части САУ, строился путем применения обратного преобразования Лапласа при единичном входном воздействии (рис.4.1.). Амплитудно-частотная характеристика (рис.4.2.) определялась как модуль передаточной функции САУ.
Прямые показатели качества: время первого согласования!, =5с; время нарастания tH = 7.9c; время регулирования tp =67 с; перерегулирование о = 112%. Косвенные оценки качества: резонансная частота w = 0.52 Гц, показатель колебательности М = 7.3, полоса пропускания wi=0.44 Гц w2=0.56 Гц.
