Введение к работе
Актуальность работы. Последние десятилетия в ряде отраслей промышленности все большее применение стали находить полимерные материалы. Коррозионная стойкость, малое водопоглощение, 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 способам изготовления деталей следует отнести ресурсо- и энергосберегающие технологии, связанные с обработкой полимерных материалов токами высокой частоты (ВЧ). В отличие от традиционных технологий с внешним подводом тепла, такими как конвекционное, тепловое излучение, электротермия обладает целым рядом преимуществ: избирательность воздействия (наиболее сильно нагреваются компоненты материала, обладающие наибольшими показателями диэлектрических потерь); быстрый и управляемый прогрев материала в объеме вне зависимости от его геометрических размеров, формы и коэффициента теплопроводности; безинерционность (отсутствие тепловой инерции нагревателя); отсутствие контакта обрабатываемого материала с теплоносителем; возможность концентрации высоких энергий в больших объемах.
Тем не менее, несмотря на столь внушительную практическую значимость данной технологии, автоматизированных ВЧ-установок до сих пор не создано. Управление процессом и контроль качества электротермической обработки полностью зависят от оператора, вследствие чего брак продукции достигает 20%. Проблемы повреждений (прожогов) дорогостоящей оснастки (электродов), связанные с пробойными явлениями, никем не рассматривались и практического решения на сегодняшний день не имеют.
К числу причин такого состояния вопроса следует отнести: недостаточный уровень разработки теории процесса термической обработки ВЧ-полем влажных, загрязненных, неоднородных материалов; недостаточную изученность технологических режимов процессов ВЧ-термообработки, в том числе при различной влажности, включениях и предыстории полимерных и композитных материалов; невозможность использования прямых методов контроля ВЧ-процесса; отсутствие практических разработок в области автоматизации установок ВЧ-нагрева.
Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что разработка автоматизированной системы управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка теоретических положений и практических рекомендаций по автоматизации управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов для повышения его качества и энергоэффективности.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Установить диапазон эффективных частот электротермической обработки изделий различных полимерных материалов.
Исследовать оборудование для высокочастотной обработки полимерных материалов как объект управления.
Выбрать оптимальные методы контроля состояния полимерных материалов в процессе высокочастотной обработки.
Разработать имитационную математическую модель процесса высокочастотной
обработки полимерных материалов с отображением пробойных явлений.
Разработать методику управления высокочастотной обработкой полимерных материалов на основе оптимизации энергетического воздействия и в режиме предпробойного состояния.
Разработать алгоритм и структуру автоматизированного управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов.
Реализовать разработанную автоматизированную систему управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов в производственных условиях.
Объектом исследования являются оборудование и технологический процесс высокочастотной обработки полимерных материалов.
Предметом исследования служат модели, способы, системы управления и структурирование знаний, данных и технологий электротермической обработки полимерных материалов.
Методы исследований. Исследования проводились на основе математического моделирования, теории поля, электродинамики, физикохимии полимерных материалов, проектирования автоматизированных систем, электротехники, математической статистики, численных методов. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием классического термомеханического и хроноамперометрического методов исследования полимерных материалов. В ходе исследований было использовано программное обеспечение: Code Vision AVR, GoldWave, PowerGraph, MsOffice.
Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие положения:
1. Комплекс управляемых параметров процесса высокочастотной обработки
полимерных материалов и критерии их оценки.
2. Способ управления процессом ВЧ-обработки изделий по динамике
возникновения частичных разрядов.
3. Имитационная математическая модель развития пробоя, возникающего в ходе
реализации технологического процесса высокочастотной обработки полимерных
материалов.
4. Алгоритм управления процессом ВЧ-обработки изделий из полимерных
материалов.
5. Автоматизированная система управления процессом высокочастотной
обработки изделий из полимерных материалов на основе контроля изменения их
фазового состояния.
Достоверность полученных научных результатов обоснована: использованием классических теорий автоматического управления, электродинамики, основ физической химии; использованием при математическом моделировании апробированных методов численного анализа, математической статистики и методов аппроксимирования; согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретическое значение работы. Впервые обнаруженное явление частичных разрядов, возникающих при обработке полимерных материалов высокочастотным энергетическим полем, и основные выводы и положения, определенные в ходе диссертационного исследования, могут быть использованы для дальнейшего углубленного изучения отдельных аспектов их проявления как способа контроля и управления.
Практическое значение работы. На основе предложенной методики управления высокочастотной обработки полимерных материалов разработана циклограмма рабо-
чих процессов ВЧ-сушки и ВЧ-сварки, отображающая параметры и последовательность выполнения этапов технологических операций.
Созданный алгоритм автоматизированной системы управления, позволяющий сделать регулируемым процесс высокочастотной обработки полимерных материалов в режиме его предпробойного состояния, повышает качество обработки и срок службы дорогостоящей технологической оснастки.
Разработанная автоматизированная система управления позволяет производить высокочастотную обработку полимерных материалов с максимальной энергоэффективностью и производительностью в автоматическом режиме.
Материалы диссертации могут быть использованы в процессе подготовки семинарских занятий по дисциплинам, предусматривающим изучение технологий ремонтных работ, сварочному производству, материаловедению.
Реализация результатов работы. Основные результаты работ были апробированы и применены на предприятии полиграфической отрасли. Экономический эффект от внедрения составил более 800 000 рублей в год.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: Научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС - «Проблема транспорта Восточной Сибири» 21-22 апреля 2011г.; Всероссийской научно-техническая конференции с международным участием - «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)» НИ ИрГТУ 28 - 29 апреля 2011 г.; Второй межвузовской научно-практической конференции ИрГУПС - «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» 16 - 17 мая 2011г.; Международной научно-практической конференции -«Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» 2011г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них 6 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 2 без соавторов.
Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Технологии восстановления полиамидных сепараторов полем высокой частоты. Автоматизация ВЧ-установки», зарегистрированной ФГНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти», per. № 01201177497 от 10.01.2011г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа объемом 161 страница машинописного текста содержит 74 рисунка, 13 таблиц и список литературы, включающий 111 наименований.
