Підвищення ефективності технологічних процесів детонаційного напилювання покриттів на основі комплексної математичної моделі - Автореферат

Розроблено структурну схему комплексного математичного моделювання процесів ДНП, при цьому виділені вхідні й вихідні параметри моделей основних стадій ДНП і встановлено їхній взаємозвязок. Розроблено й програмно реалізовано інформаційно-пошукову систему для вибору газотермічних покриттів, із фреймовою структурою подання знань, а також метод визначення раціональних технологічних режимів ДНП, заснований на використанні генетичного алгоритму, які входять у СППР як підсистеми. Показано, что в процессе истечения двухфазного потока из ствола детонационной установки порошковое облако растягивается в радиальном и осевом направлениях, при этом частицы отклоняются от прямолинейной траектории движения. В качестве структурных элементов данной системы созданы информационно-поисковая система, содержащая сведения о разработанных газотермических покрытиях и облегчающая работу инженеров-технологов по их выбору, а также автоматизированная система для поиска рациональных режимов напыления, обеспечивающих необходимые для получения покрытия с заданными свойствами значения скорости и температуры частиц порошка. The thesis is devoted to development of mathematical models of detonation spraying of coatings (DSC) process, investigation on its bases of behaviour of a spraying powder particles and creation methods for rational operating practices selection and reduction of costs in technological processes (TP) of DSC development.Розглядаються наступні стадії: 1) формування свіжого заряду газової суміші й газосуспензії порошку у стволі; 2) генерація високошвидкісного потоку продуктів газової детонації; 3) взаємодія між продуктами детонації й частками, що напилюються; 4) взаємодія часток порошку й газодисперсного імпульсного струменя з основою; 5) формування одиничного шару покриття; 6) утворення покриття. Використовувалися наступні допущення: тиск створюється тільки газом, впливом порошкових часток зневажається; вязкість і теплопровідність фаз ураховується лише в процесах міжфазної взаємодії; відстані, на яких параметри течії міняються значно, багато більше розмірів часток і відстаней між ними; частки сферичні, монодисперсні і не вступають у хімічні реакції з ПД; дроблення і зіткнення часток відсутні; ПД до початку витікання розглядаються як реагуюче середовище, що має в кожній крапці рівноважний хімічний склад, після початку витікання - як інертний газ із постійним показником адіабати; вплив часток на характеристики ДХ не враховується. Розрахунок температурного поля в сферичній частці, що рухається в детонаційно-газовому струмені, здійснюється з використанням нестаціонарного рівняння теплопровідності: , (3) де - просторово-тимчасовий розподіл температури, - відстань від центра сферичної частки; - коефіцієнт теплопровідності частки. Крайові умови для рівняння (3) задаються у вигляді: ; ; , (4) де - початкова температура частинки; - температура поверхні частинки; - температура ПД у точці знаходження частки; - коефіцієнт тепловіддачі. Радіальний зсув часток порошку, розташованих поблизу осі ствола, незначний й істотно зростає для часток, розташованих поблизу стінок ствола, становлячи для часток Al2O3 діаметром 10…20 мкм кут між віссю ствола й траєкторією руху ~ 3°.Показано, що для одержання високощільних покриттів з підвищеною адгезійною і когезійною міцністю необхідні температурно-швидкісні умови зіткнення часток, що забезпечують величину напірного тиску на рівні динамічної границі текучості матеріалу поверхневого шару й відповідно контрольований рівень пластичної деформації основи в зоні контакту із часткою. Обґрунтовано можливість керування швидкістю й температурою часток, що напилюються, комплексом технологічних параметрів детонаційного напилювання: формою й розмірами ствола; складом горючої суміші й ступенем заповнення ствола; величиною дози порошку і її просторовим розподілом; формою й розмірами часток порошку; дистанцією напилювання. При довжині вихідної хмари газосуспензії в стволі менш 16 мм і величині дози порошку більше 0,1 г міжфазний теплообмін внаслідок високої обємної концентрації часток погіршується. Радіальний зсув часток у процесі їхнього руху залежить також від їхнього первісного положення щодо осі ствола й істотно зростає для часток, розташованих поблизу стінок ствола (становлячи для часток Al2O3 діаметром 10 мкм кут між віссю ствола й траєкторією руху близько 3°). При напилюванні порошком оксиду алюмінію (діаметр часток 40 мкм, ствол довжиною 1,6 м, суміш C2H2 2,5O2, дистанція напилювання 200 мм, глибина завантаження 0,7 м) коливання швидкості часток становлять ±10% від середнього значення 765 м/с, температура часток зростає з 2200 К у головної частині потоку, до 2350 К, час формування одиничного шару - 2,5 мс.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Проведено теоретичні дослідження робочого циклу детонаційного напилювання покриттів. Установлено, що детонаційне напилювання є багатофакторним багатокритеріальним процесом, моделювання якого можливо на основі комплексу математичних моделей його окремих стадій з наскрізною передачею даних між ними. Розроблено відповідну схему комплексного моделювання й структуру діалогового моделюючого комплексу. Показано, що для одержання високощільних покриттів з підвищеною адгезійною і когезійною міцністю необхідні температурно-швидкісні умови зіткнення часток, що забезпечують величину напірного тиску на рівні динамічної границі текучості матеріалу поверхневого шару й відповідно контрольований рівень пластичної деформації основи в зоні контакту із часткою.

2. Розроблено математичну модель генерації імпульсного струменя продуктів газової детонації, а також модель для визначення просторово-тимчасових характеристик потоку напилюємих часток, як усередині ствола детонаційної установки, так і в зовнішньому середовищі, у тому числі й при використанні стволів змінного перетину. Створено відповідне програмне забезпечення, що включає базу даних термодинамічних і фізичних властивостей газів і порошкових матеріалів. Установлено, що вихід детонаційної хвилі на зріз ствола й поширення усередину нього хвилі розрідження, призводить до росту швидкості й зниженню температури продуктів детонації на 500…2000 градусів залежно від складу газової суміші, при цьому в процес витікання втягується вся маса продуктів детонації по довжині ствола. Це обумовлює двостадійність розгону й нагріву часток за детонаційною хвилею й у хвилі розрідження.

3. Обґрунтовано можливість керування швидкістю й температурою часток, що напилюються, комплексом технологічних параметрів детонаційного напилювання: формою й розмірами ствола; складом горючої суміші й ступенем заповнення ствола; величиною дози порошку і її просторовим розподілом; формою й розмірами часток порошку; дистанцією напилювання. Проведено чисельні дослідження поводження часток оксиду алюмінію діаметром 20 мкм. Показано, що регулюючи початкові параметри газового заряду (склад суміші й ступінь заповнення нею ствола) можна змінювати температуру й швидкість часток порошку в діапазоні 1750…2350 К й 660…870 м/с відповідно. Підвищення величини одиничної дози порошку й розмірів його часток веде до значного зниження швидкості й температури часток. Збільшення дистанції напилювання з 50 до 300 мм приводить до збільшення швидкості часток з 650 до 900 м/с і зниженню їхньої температури. При довжині вихідної хмари газосуспензії в стволі менш 16 мм і величині дози порошку більше 0,1 г міжфазний теплообмін внаслідок високої обємної концентрації часток погіршується.

4. Показано, що в процесі витікання двофазного потоку зі ствола детонаційної установки порошкова хмара збільшується в радіальному й осьовому напрямках, внаслідок чого обємна концентрація часток знижується в 2…10 разів у порівнянні з початковою. При цьому частки відхиляються від прямолінійної траєкторії руху. Зі зменшенням щільності матеріалу часток і їхнього діаметра ступінь радіального відхилення збільшується. Радіальний зсув часток у процесі їхнього руху залежить також від їхнього первісного положення щодо осі ствола й істотно зростає для часток, розташованих поблизу стінок ствола (становлячи для часток Al2O3 діаметром 10 мкм кут між віссю ствола й траєкторією руху близько 3°).

5. Установлено, що формування одиничного шару покриття відбувається в умовах змінних значень швидкості й температури часток порошку в імпульсному потоці. При напилюванні порошком оксиду алюмінію (діаметр часток 40 мкм, ствол довжиною 1,6 м, суміш C2H2 2,5O2, дистанція напилювання 200 мм, глибина завантаження 0,7 м) коливання швидкості часток становлять ±10% від середнього значення 765 м/с, температура часток зростає з 2200 К у головної частині потоку, до 2350 К, час формування одиничного шару - 2,5 мс. Показано, що зміною технологічних параметрів можна регулювати розподіл швидкості й температури часток порошку в імпульсному потоці під час взаємодії з основою, а тим самим умови формування одиничного шару покриття.

6. Розроблено принципи створення системи підтримки прийняття рішень для автоматизованого проектування технологічних процесів детонаційного напилювання покриттів, що складається з блоку самостійних модулів. Як структурні елементи даної системи створені інформаційно-пошукова система, що містить відомості про розроблені газотермічні покриття і полегшує роботу інженерів-технологів по їхньому вибору, а також автоматизована система для пошуку раціональних режимів напилювання, що забезпечують необхідні для одержання покриття із заданими властивостями значення швидкості й температури часток порошку. Для раціонального вибору технологічних режимів розроблено і програмно реалізовано метод, заснований на використанні генетичного алгоритму. Застосування даного методу зменшує витрати часу на розробку технологій детонаційного напилювання в 5...10 разів.

7. Розроблено алгоритм керування й рекомендації для побудови комплексної системи керування процесом детонаційного напилювання покриттів. Верхній рівень системи керування призначений для автоматизації розробки технологій детонаційного напилювання на основі системи підтримки прийняття рішень, нижній - для безпосереднього автоматичного керування технологічним процесом за допомогою пристроїв звязку з обєктом.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Ульшин В.А., Харламов М.Ю. Оптимизация параметров детонационно-газового напыления с использованием генетического алгоритма // Автоматическая сварка. - 2005. - № 2 . - С. 32-37.

2. Ульшин В.А., Харламов М.Ю. Принципы построения автоматизированной системы управления процессом детонационного напыления покрытий // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. ім. В.Даля. - 2005. - № 3. - С. 188-197.

3. Ульшин В.А., Харламов М.Ю. Экспертная система по выбору газотермических покрытий // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. ім. В.Даля. - 2004. - № 2. - С. 210 - 223.

4. Харламов М.Ю. Оптимизация технологических параметров детонационно-газового напыления покрытий на основе генетического алгоритма // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. ім. В.Даля. - 2003. - № 11. - С. 163 - 170.

5. Complex comprehensive mathematical modeling of d-gun spraying processes. Part 1: General principles / Y.A. Kharlamov, V.A. Ulshin, M.Y. Kharlamov, G. Sundararajan, S.V. Joshi, D. Srinivas Rao // Visnik of Dal East-Ukrainian National University. - 2003. - № 11. - P. 136 - 146.

6. Complex comprehensive mathematical modeling of d-gun spraying processes. Part 2: Modeling of individual stages of operational cycle / Y.A. Kharlamov, V.A. Ulshin, M.Y. Kharlamov, G. Sundararajan, S.V. Joshi, D. Srinivas Rao // Visnik of Dal East-Ukrainian National University. - 2003. - № 11. - P. 146 - 155.

7. Complex comprehensive mathematical modeling of d-gun spraying processes. Part 3: Complex modeling and its use in systems for decision-making assistance / Y.A. Kharlamov, V.A. Ulshin, M.Y. Kharlamov, G. Sundararajan, S.V. Joshi, D. Srinivas Rao // Visnik of Dal East-Ukrainian National University. - 2003. - № 11. - P. 156 - 163.

8. Харламов М.Ю. Динамика ускорения и нагрева порошка детонационно-газовой струей // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. В 2-х ч. Ч. 1. - Луганськ: вид-во СНУ ім. В.Даля, 2003. - С.93-99.

9. Харламов М.Ю. Вычисление состава продуктов и параметров детонации газовых смесей при напылении покрытий // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. ім. В.Даля. - 2002. - № 11. - С. 254 - 262.

10. Ульшин В.А., Харламов М.Ю. Динамика ускорения и нагрева порошка детонационно-газовой струей // Материалы, технологии и оборудование для упрочнения и восстановления деталей машин: Тематический сборник. - Минск: УП “Технопринт”, 2003. - С. 262-264.

Особистий внесок здобувача в публікаціях: [1] - розробка методу визначення оптимальних технологічних режимів детонаційного напилювання; [2] - аналіз і розробка рекомендацій для побудови комплексної системи керування; [3] - розробка експертної системи; [5] - розробка структури діалогового моделюючого комплексу; [6] - чисельне моделювання поводження двофазного потоку; [7] - розробка окремих модулів структурної схеми комплексного моделювання процесів ДНП й структури системи підтримки прийняття рішень; [10] - розробка математичної моделі.

Размещено на .ru