Введение к работе
Актуальность темы.
Кризисные явления в экономике, имевшие место в 90-х годах прошлого ека, привели к изношенности станочного оборудования, падению качества сырья и атериалов, снижению уровня квалификации производственного персонала
В последние годы на различных ответственных объектах неоднократно мели место факты выхода из строя плоских тепловыделяющих элементов, в том исле их наиболее распространенного вида - нагревательных элементов теклопластиковых тонкослойных (НЭСТ), в ряде случаев сопровождавшиеся озгоранием, создавая реальную угрозу безопасности, как обслуживающему ерсоналу, так и дорогостоящему и технически сложному оборудованию
Процессы обновления основных фондов предприятий, повышение ачества материалов, обучение персонала требуют значительных финансовых атрат и являются достаточно продолжительными по времени Поэтому ситуация иктует необходимость решать вопросы повышения качества (Указ Президента Ф от 04 июня 2008г № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и кологической эффективности Российской экономики») за счет создания и ірименения достоверных высокопроизводительных методов контроля и иагностики технического состояния НЭСТ как на стадии отработки конструкции, онтроля при серийном производстве, так и в условиях эксплуатации, озволяющих оценить их надежность и спрогнозировать остаточный ресурс
Объект исследования - стеклопластиковый тонкослойный лектронагреватель (НЭСТ) представляющий собой получаемый прессованием ехслойный «сэндвич», внешними слоями которого являются лектроизолирующие слои, а внутренним - электропроводящий (греющий) слой
Предмет исследования - тепловой метод контроля качества НЭСТ, позволяющий получить достоверную, научно-обоснованную и объективную картину технического состояния НЭСТ на этапах
- приемо-сдаточных испытаниий в условиях серийного производства,
- отработки конструкции при реализации требований технического
задания по гарантийному сроку эксплуатации и наработке (ресурсу),
- реальной эксплуатации с оценкой остаточного ресурса
Цель работы - повышение безопасности эксплуатации плоских тепловыделяющих элементов (и устройств аналогичной конструкции и назначения).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1 Анализ современного состояния методов и средств диагностики
технического состояния плоских тепловыделяющих элементов по анализу их
температурных полей с оценкой остаточного ресурса
2 Теоретические исследования и математическое моделирование процесса
теплового неразрушающего контроля и диагностики технического состояния
нагревательных элементов (НЭСТ) в условиях эксплуатации в замкнутом объеме,
производства, отработки конструкции, в т ч
- Исследование влияния типовых дефектов различной физической
природы на температурное поле НЭСТ.
- Разработка метода определения поля электрических сопротивлений
НЭСТ по его температурному полю
3. Разработка методических принципов автоматизированного теплового
контроля и диагностики технического состояния плоских тепловыделяющих
объектов в условиях эксплуатации с оценкой остаточного ресурса
требований к методике и программно-аппаратным средствам теплового неразрушающего контроля НЭСТ
метода обнаружения и распознавания дефектов
метода оценки остаточного ресурса НЭСТ
метода выбора оптимальных параметров аппаратуры для бесконтактной регистрации температурных полей НЭСТ
Исследование влияния величины шумов и помех на результаты контроля
4 Экспериментальные исследования методики теплового неразрушающего контроля и диагностики технического состояния НЭСТ с оценкой остаточного ресурса.
Методы исследования и средства измерения-
Для решения поставленных в работе задач использовались
теоретический метод моделирования прохождения теплового фронта через многослойную среду, в том числе, с подобластями, имитирующими дефекты,
теоретический метод моделирования теплового состояния НЭСТ посредством формирования системы дифференциальных уравнений теплового баланса,
методы решения обратных задач теплопроводности,
традиционные методы статистических исследований,
- выделение случайных сигналов на фоне помех, фильтрации и распознавания
образов, методы теории вероятностей
Экспериментальные исследования проводились на метрологически аттестованных средствах неразрушающего контроля с использованием современной микропроцессорной техники Обработка данных проводилась на компьютере, как по оригинальным программам, так и с использованием стандартного программного обеспечения
Практическая ценность работы заключается в следующем
-
Разработаны и реализованы в производстве метод и программно -аппаратные средства, обеспечивающие тепловой неразрушающий контроль и диагностику технического состояния НЭСТ, включающие обнаружение дефектов, определение их характеристик и оценку остаточного ресурса НЭСТ в реальных условиях эксплуатации
-
Исследованы характеристики дефектов в виде изменения электрического сопротивления греющего слоя плоских нагревательных элементов, изготовленных методом прессования Определены с вероятностью не менее 0,95 характеристики
минимальных дефектов геометрические размеры, величины сопротивления
3 Исследовано влияние дефектов различной физической природы на
температурное поле НЭСТ, выявлено наибольшее воздействие дефектов в виде
локальных отклонений электрического сопротивления греющего слоя
4 Применение разработанной методики теплового неразрушающего
контроля и технической диагностики плоских тепловыделяющих элементов с
оценкой остаточного ресурса позволяет
а) при серийном производстве
- повысить производительность контроля по сравнению с ранее применявшейся методикой контактных замеров температурного поля в 2,6-2,8 раз и повысить достоверность контроля,
б) на этапе отработки конструкции - проводить оценку выполнения
требований технического задания по обеспечению гарантийных сроков
эксплуатации вновь разрабатываемых НЭСІ в сжатые сроки и с высокой степенью
достоверности,
в) на этапе эксплуатации - давать заключение о возможности продления
гарантийных сроков нагревательных элементов, либо, на основе прогноза их
работоспособности, о необходимости их замены
5 Разработанные программно-аппаратные средства и метод теплового неразрушающего контроля и диагностики технического состояния НЭСТ с оценкой их остаточного ресурса и их отдельные блоки нашли применение на 4 предприятиях различных отраслей промышленности
Научная новизна результатов работы состоит в следующем
1 Разработан метод теплового контроля и диагностики технического
состояния плоских нагревательных элементов с оценкой их остаточного ресурса в
реальных условиях эксплуатации
2 Разработана обобщенная физико-математическая модель реального
теплового состояния НЭСТ в условиях их функционирования с учетом влияния
условий эксплуатации, тепловыделений аппаратуры и характера компоновки в
замкнутом объеме
По результатам ее исследований определены граничные условия, которые необходимо создавать при контроле НЭСТ для соответствия реальным условиям эксплуатации
3 Исследовано влияние дефектов различной физической природы на
температурное поле НЭСТ Показано, что наибольшее влияние оказывают дефекты
в виде локальных отклонений электрического сопротивления греющего слоя от
заданного
4 Разработана физико-математическая модель определения характеристик
поля электрических сопротивлений греющего слоя как функции температурного
поля НЭСТ, включающая процесс определения характеристик аномальных
участков (дефектов) НЭСТ - величины электрического сопротивления
Разработаны два метода решения обратной задачи определения поля электрических сопротивлений греющего слоя НЭСТ по измеренному температурному полю В первом методе коэффициенты теплоотдачи на поверхности НЭСТ определяются по минимумам функционалов правдоподобия Во
втором методе используются расчетно-экспериментальные значения локальных коэффициентов теплоотдачи
5 Разработана обобщенная физико-математическая модель теплового
неразрушающего контроля плоских тепловыделяющих элементов при их
эксплуатации, адекватная реальному процессу, включающая
- моделирование процесса выделения тепла на плоскости с неоднородным
электрическим сопротивлением греющего слоя с учетом взаимного влияния
участков с локальными отклонениями электрического сопротивления и изменением
электрического напряжения вдоль токоподводящих шин,
определение матрицы электрических сопротивлений НЭСТ по его температурному полю с дискретностью, определяемой геометрической разрешающей способностью регистрирующей тепловизионной аппаратуры,
описание погрешности результатов теплового контроля НЭСТ в зависимости от величины погрешности входных данных
6 Разработан метод оценки остаточного ресурса НЭСТ на основе
ретроспективного анализа их температурных полей
Разработанные технические решения защищены «Решением» от 06 06 2007г о выдаче патента на изобретение по заявке № 2006118137 от 25 05 2006г
Реализация и внедрение результатов исследований
1 Результаты представленной диссертационной работы использованы в
Федеральном научно-производственном центре ОАО «Центральный научно-
исследовательский институт специального машиностроения» при разработке и
внедрении бесконтактной автоматизированной компьютерной технологии
теплового неразрушающего контроля по методике АЕВ 6-4740 ДМ «Типовая
методика теплового неразрушающего контроля температурного поля рабочей
поверхности нагревателей электрических стеклопластиковых тонкослойных
(НЭСТ)», применяемой
- в производственной деятельности ФНПЦ ОАО «ЦНИИСМ» при контроле НЭСТ, подлежащих поставке в интересах Минобороны РФ
Применение методики АЕВ 6-4740 ДМ взамен применявшейся методики контактного контроля АЕВ 4602 ДМ позволило сократить время приемосдаточных испытаний в 2,8 раза и повысило достоверность контроля,
- при проведении ресурсных испытаний НЭСТ в составе бункера КС 182 00 00 000 в рамках ОКР «Зарядье-2-58» по продлению гарантийных сроков комплекса «58»
По результатам проведенных работ с использованием метода оценки остаточного ресурса НЭСТ, изложенного в настоящей диссертационной работе, выдано «Заключение о продлении срока эксплуатации бункеров с НЭСТ в составе агрегатов У 168 № 435/кс - о7» от 29 10 2007г
2 На предприятиях ОАО НПО «Композит», ФГУП НПО «Молния», ООО
«Мостор-7»
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и
получили положительную оценку на конференциях
1 17-я Российская научно-техническая конференция с международным
участием «Неразрушающий контроль и диагностика», Екатеринбург, УГТУ-УПИ,
ул Мира, 19, 5-11 сентября 2005г
2 6-я специализированная выставка и конференция «Изделия и технологии
двойного назначения Конверсия ОПК», Москва, ВВЦ, 18-21 октября 2005г
3 Всероссийская научно-техническая конференция «Неразрушающий
контроль и техническая диагностика при производстве и эксплуатации
авиационной и космической техники», 5-7 октября 2005г, Санкт-Петербург,
Выставочный центр Северо-Запада РФ
4 5-ая международная выставка и конференция «Неразрушающий контроль и
техническая диагностика в промышленности», Москва, Олимпийский пр, 16,
2006г
5. 14 ежегодная международная конференция и выставка «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», г Ялта, 16-20 октября 2006г
-
27 ежегодная международная научно-практическая конференция «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), г Ялта, 28 мая-1 июня 2007г
-
15 юбилейная международная конференция «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», г Ялта, 1-5 октября, 2007г С 131-139
Публикации По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 5 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК и 1 решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит основной текст (155 страниц), рисунки, таблицы, список использованной литературы (161 наименование)
