CC BY
21
3. Редькин В. И., Ладыгин О. И., Верхотуров В. К. // Железнодорожный транспорт. - 1999. - № 12. - С. 48-50.
4. Смазывание рельсов как средство уменьшения шума // Железные дороги мира. - 2000. - № 7. -С. 64-66.
5. Хайнике Г. Трибохимия. - М. : Мир, 1987. -584 с.
6. Мороз Б. А., Коротаев Е. Н., Марютин К. А. Новые технологии на Восточно-Сибирской железной дороге : сб. науч. тр. - Новосибирск : СибГУПС, 1999. - С. 96-98.
7. Сюняев З. И. Нефтяной углерод. - М. : Химия, 1979.- С. 75.
8. Использование отходов производства в композициях для лубрикации рельсов / Назаров Н. С., Якимова Г. А., Руссавская Н. В., Ясько С. В., Гозбенко В. Е., Корчевин Н. А. - Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2003. - 244 с.
9. Фукс И. Г. Добавки к пластическим смазкам. -М. : Химия, 1982. - 248 с.
10.Павленко Г. Ф. // Трение и износ. - 1999. - Т. 20, № 4. - С. 412-420.
11. Винокуров Д. И., Гозбенко В. Е. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. - № 1. - С. 148-157.
12. Физическая химия лигнина / К. Г. Боголицын, В. В. Лунин, Д. С. Косяков и др. - Архангельск : Арханг. гос. техн. ун-т, 2009. - 489 с.
13.Шорыгина Н. В., Резников В. М., Елкин В. В. Реакционная способность лигнина. - М. : Химия, 1976. - 367 с.
14. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. - М. : Машиностроение, 2007. - 496 с.
15. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону / Гур-вич Л. В., Карачевцев Г. В., Кондратьев В. Н., Лебедев Ю. А., Медведев В. А., Потапов В. К., Ходеев Ю. С. - М. : Наука, 1974. - С. 351.
УДК 621.365 Филиппенко Николай Григорьевич,
от. преподаватель каф. ТРТСиМИрГУПС, Иркутск, тел.: 638395-149,
e-mail: ifpister@gmail. com Лившиц Александр Валерьевич канд. техн. наук, доцент, зав. каф. ТРТСиМ ИрГУПС, Иркутск, тел.: 638395-362,
e-mail: [email protected] Машович Андрей Яковлевич канд. техн. наук, доцент, каф. «Промэкология и БЖД» ИрГТУ, г. Иркутск, тел.: 89500620622,
e-mail: andr. mashovich@yandex. ru
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА МАТЕРИАЛОВ НА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКЕ УЗП 2500 АДАПТИВНЫМ МЕТОДОМ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ
В ЛАБОРАТОРНЫХ ЦЕЛЯХ
N. G. Filippenko, A. V. Livchitc, A.J. Machovich
AUTOMATION OF PROCESS OF HIGH-FREQUENCY HEATING OF MATERIALS ON THE PLANT UZP 2500 BY ADAPTIVE METHOD. USE OF THE AUTOMATED EQUIPMENT IN THE LABORATORY PURPOSES
Аннотация. Статья дает обоснование выбора промышленной частоты ВЧ-излучения для лабораторной установки электротермического оборудования, с целью расширения возможностей его применения в области транспортного машиностроения. Авторами выдвинуты предложения по его модернизации путем создания адаптивной автоматизированной системы управления.
Ключевые слова: электротермическая обработка, лабораторная установка, автоматизация.
Abstract. The article gives the substantiation of choice of industrial frequency of high frequency radiation for laboratory installation of the electro-thermal equipment, with the purpose of expansion of opportunities of his application in the field of transport mechanical engineering. The authors put forward the
иркутским государственный университет путей сообщения
suggestions on its modernization by creation of the adaptive automated control system.
Keywords: electro-thermal processing, laboratory installation, automation.
Для радиоэлектронных устройств, предназначенных для использования в промышленности и сельском хозяйстве, выделены диапазоны частот, приведенные в табл. 1.
Условием для выбора промышленной частоты для электротермической обработки материалов являются следующие факторы:
1. Интенсивность воздействия.
2. Равномерность разогрева по всему объему образца.
3. Глубина проникновения.
За основу выбора рабочей частоты авторами были приняты расчетно-графические данные на примере масло-бензостойкого пластиката марки ОМБ-60, ГОСТ 5960-98, широко используемого в качестве изоляционного материала на железнодорожном транспорте. Расчеты производились по всем разрешенным частотам, согласно табл. 1.
Была рассмотрена зависимость глубины проникновения А ЭМВ (электромагнитной волны) (1) и напряженность электрического поля Е в зависимости от изменения частоты f поля (2). При этом за постоянную величину была принята удельная мощность Руд.
Глубина проникновения А соответствует такой толщине диэлектрика, при которой мощность электромагнитного поля уменьшается в е раз по сравнению с её значением на поверхности, и рассчитывается по формуле [1]
Д =---. (1)
2^-f ■ tgS
Удельная мощность, выделяющаяся в еди-
нице объема диэлектрика, может быть определена по формуле
Рд = 5,53-10-11 • Е2 • /1^8, (2)
где Руд. - удельная мощность диэлектрических потерь, Вт/см3; Е - напряженность электрического поля, В/м; /- частота поля, Гц; е- относительная диэлектрическая проницаемость; tgS- тангенс угла диэлектрических потерь. Данные расчетов переведены в графический вид и представлены на рис. 1.
Из приведенных расчетов видно уменьшение напряженности электрического поля. Это доказывает эффективность разогрева материала с увеличением частоты. Одновременно с этим наблюдается значительное (более интенсивное) снижение глубины проникновения ЭМВ в материал с увеличением частоты излучения, что отрицательно сказывается на равномерности разогрева [2]. Так, например, с увеличением частоты с 27,12МГц до 2450Мгц напряженность поля уменьшается с 20,74 10-1 до 2,1810-1, т.е. почти в 10 раз, а глубина проникновения ЭМВ в материал уменьшается с 29,34 до 0,32, т.е. почти в 100 раз, что доказывает неэффективность использования настоящей частоты при разогреве данного материала.
Расчетные данные подтверждаются экспериментальными исследованиями. Сушильные камеры на СВЧ-источниках с рабочей частотой 2450 МГц сушат неравномерно, с большими энергетическими затратами и являются хорошей «пищей» для критиков СВЧ-сушки, а у потребителей создается стойкое негативное отношение к такому оборудованию [3].
Анализ расчетно-экспериментальных данных и литературного обзора позволяет сделать заключение о правомерности использования частоты 27,12 МГц при проектировании создания
Т а б л и ц а 1
Промышленные диапазоны электромагнитных колебаний
f, МГц Страны Основные применения Диапазоны частот
27,12±0,16 Все страны ВЧ нагрев ВЧ
40,68±0,02 Все страны ОВЧ нагрев ОВЧ
433,92±0,87 Австрия, ФРГ, Португалия УВЧ нагрев УВЧ
866 Англия УВЧ нагрев УВЧ
915±25 Все страны, кроме Англии, Испании УВЧ нагрев УВЧ
2375±50 Все страны УВЧ нагрев УВЧ
2450±50 Все страны УВЧ нагрев УВЧ
5800±75 Все страны СВЧ нагрев СВЧ
22125±125 Все страны СВЧ нагрев СВЧ
.. х
к и
е; Ш
о о
С X
о го
* ЗЕ
К X
аю с > ге с
35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00
Глубина проникновения м. Напряженность поля В/м
27,12МГц
40,68МГц
433,92МГц
866МГц 915МГц 2375МГц
Частота излучения
2450МГц
5800МГц
22125МГц
Рис.1. Зависимость глубины проникновения А ЭМВ и напряженности электрического поля Е от частоты f в масло-бензостойком пластикате марки ОМБ-60, ГОСТ 5960-98
лабораторной установки ВЧ-нагрева.
За основу было взято промышленное оборудование УЗП 2500 сваривания ВЧ-полем номинальной мощностью 2,5 КВт, со всеми присущими ей недостатками установок промышленного типа.
Основным критерием управления было выбрано отношение положительного дифференциала вектора тока к дифференциалу времени
#, (3)
ат
с учетом абсолютного значения силы тока,
с = I (!, (4)
ат
Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости [4, 5]. Формально за пробивное принимают такое напряжение, при котором
й!
-= ю, (5)
аи
т. е. дифференциальная проводимость становится бесконечно большой (рис. 2).
7 N %
и
и
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика диэлектрика
Именно этот момент был взят за основу алгоритмического решения процесса автоматизации.
Адаптивная система отслеживает превышение некоторого порогового уровня, интенсивности возрастания количества электричества в единицу времени и сравнивает его с линейной зависимостью вольт-амперной характеристики и при нарушении её (предпробойное состояние) - вносит корректировку. Предоставленный алгоритм позволяет исследовать образец в спланированных, автоматически контролируемых (максимально возможных) воздействиях ВЧ-поля, сохраняя образец от лавинообразных воздействий токов пробоя. Результат такого негативного воздействия, полученный в ходе экспериментальных исследований, наглядно представлен на рис.3.
Рис. 3. Пробой диэлектрического картона и образца каменноугольного пека
Ограничение непрогнозируемой интенсивности возрастания электрического тока при максимальных значениях величины электрического поля дает максимальный КПД работы оборудования.
Основную трудность данного метода управления составляет решение вспомогательных задач, которые определяются множеством потенциально сложных варьируемых параметров, которые должны определяться относительно точно и с достаточно большой периодичностью измерений.
иркутский государственный университет путей сообщения
Для исследования промышленных процессов с использованием ВЧ-излучения и расчета аппаратов важно знать комплексные характеристики сред, связанные с воздействующим электромагнитным полем [6]. К числу таких комплексных характеристик относятся глубина проникновения ВЧ-излучения в среду, степень трансформации ВЧ-излучения в среде во внутреннюю энергию, определение глубины проникновения электромагнитной волны в сложные по составу среды. Определены градиенты температурного поля, высоты слоя вещества, при которых обеспечивается поглощение воздействующей ВЧ-энергии.
Противоречивость расчетных, эмпирических и аналитических данных подтверждает правильность поставленной задачи - создания лабораторной установки. Непостоянство электрофизических свойств материалов (е), ^5), в зависимости от производителей и изменяющихся технологий получения материалов, приход в промышленность новых материалов могут быть компенсированы только результатами экспериментальных испытаний.
При проектировании установки была разработана действующая векторная модель-схема «рабочего конденсатора», которая необходима для конструирования и контролирования, в виртуальном виде, геометрических параметров изготавливаемых датчиков, электродов и процесса их установки на оборудовании (рис. 4).
ПОДВИЖНАЯ ПЛИТА
БЫСТРОСМЕН ЭЛЕКТРОДЫ,
ЕМКОСТЬ ДЛЯ ОБРАЗЦОВ
УЗП 2500 РАБОЧИИ КОНДЕНСАТОР ПРЕСС
Рис. 4. Визуализация векторной модели «рабочего конденсатора» установки
Была предусмотрена возможность дистанционного управления оборудованием, что позволяет исключить возможность воздействия ВЧ-излучения на обслуживающий персонал в соответствии с национальными и международными гигиеническими нормативами уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах. В России действует СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в произ-
водственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы», а также гигиенические нормативы ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) «Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП)»[7].
Конструктивно цифровые датчики физических параметров выполнены в виде двух модулей - модуля измерения и передачи, располагающегося непосредственно на месте измерения. Модуль приёма, выводящего информацию на центральный процессор ЭВМ, индикации и принятия решения может быть удален от рабочего места на безопасное расстояние (что необходимо особенно в момент наладки). Исполнительный модуль выполнен в виде отдельного блока с разводкой на электронно-механические устройства, работающие в автоматическом и ручном режиме. Контрольные и измерительные элементы (тензоры, датчики, термопары, трансформаторы тока, делители частоты и напряжения) собраны воедино по месту проводимых замеров. Канал связи гальванически развязан от узлов устройства, находящихся под опасным напряжением, передача информации производится токовым сигналом, имеющим значение до 30мА.
Технические характеристики устройства:
- Измеряемое напряжение: 100-4000V AC, 100 Mz;
- Интервал между измерениями: 0,005 сек., возможность расширения до 810-6сек.;
- Максимальная погрешность измерения: ±1,5%.
Разработанная авторами система позволяет подвести, с защитой от токов высокой частоты, датчики измерительных приборов непосредственно в зону воздействия ВЧ-излучения. Сигналы с датчиков регистрируются с помощью многоканального микроконтроллера под управлением программ, написанных на языке Си, в среде CodeVision AVR. Для связи с компьютером используется интерфейс RS-232 (Comport) с последующей обработкой и регистрацией данных на ЭВМ в режиме реального времени.
Собранные и откалиброванные датчики температур, делители напряжения и частоты увязаны с аналоговыми входными данными по показателям частоты, тока, напряжения, температуры. Режим расчета и команды принятия решения могут осуществляться непосредственно процессором вычислительного устройства или оператором в ручном режиме. Для этого предусмотрено переключение управления.
Обратная связь выполнена с использованием электронно-механических систем. За основу были взяты исполнительные механизмы фирмы «КВА»
и электронные системы управления с необходимой инертностью управления (рис. 5).
конструкция позволяет провести замеры всех необходимых физических параметров непосредственно в зоне обработки, в реальном режиме времени.
Наличие микропроцессоров в контуре управления делает интеллектуальными системы регулирования, что повышает надежность, достоверность и позволяет выполнять лабораторные исследования различных материалов в поле ВЧ без критических воздействий на исследуемый образец, при максимальном КПД установки.
Рис. 5. Исполнительные механизмы фирмы«КВА Planeta»
Для расширения возможностей использования установки, авторами были разработаны собственные технологические решения изготовления плоских, быстросъемных электродов методом точением. Изготовление объемных и специализированных электродов позволяет проводить исследования в различных технологических направлениях (рис. 6).
Рис. 6. Быстросменные и специализированные электроды
Авторами также была разработана технология изготовления температурных датчиков с использованием непосредственно самой лабораторной установки; собрана и отлажена схема регулирования давления пресса рабочего конденсатора на образец от 0 до 400 кг; разработана программа, позволяющая выводить информацию в удобном, интуитивно-привычном интерфейсе под управлением ОС Windows 98/98SE/ME/CE/XP/2000/ Vista, Linux v.2.4 и выше, MAC OS с возможностью сохранения в цифровом виде и выбранной дискретностью необходимые физических параметры и оперативно «вмешаться» в процесс теплового воздействия.
Фото лабораторной установки на базе оборудования УЗП 2500 представлено на рис.7. Отличительной конструктивной особенностью указанного устройства является наличие электродов с встроенными датчиками, изготовленными по разработанной авторами технологии. Такая
Рис. 7. Лабораторная установка на базе оборудования УЗП 2500
Дальнейшим продолжением разработок в указанном направлении являются технические решения по новой конструкции технологической оснастки со встроенными, по постоянной схеме, приборами контроля и учета, позволяющими осуществлять все необходимые функции процесса управления установкой.
Внедрение в практику электродов с элементами контроля позволит полностью отслеживать и полностью автоматизировать технологические процессы при работах с высокочастотными установками данного типа.
Анализ экспериментальных и аналитических данных позволяет сделать вывод о правомерности использования предложенной установки в качестве лабораторной для дальнейших исследований процессов воздействия ВЧ-поля на новые материалы. Реализация представленной разработки в производственных условиях при изготовлении и ремонте железнодорожного транспорта позволит расширить внедрение новых полимерных и композитных материалов.
иркутским государственный университет путей сообщения
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Основы электротехнологий : практикум / Анненков Ю. М., Михайлов М. М., Шарафутдино-ва В. В., Меркулов В. И. - Томск : Изд-во ТПУ, 2005. - 104 с.
2. Калганова С. Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле : дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук / Саратов. гос. техн. ун-т. -Саратов, 2009. - 272 с.
3. Гареев В. Ф. Х. Сушка древесины электромагнитными волнами // Лесн. пром-сть 2004. - № 9. - С. 74.
4. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. - М. : Энергоиздат, 1982. - 320 с.
5. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. - М. : Высш. шк., 2000. - 494 с.
6. Бикбулатов И. Х., Даминев Р. Р., Кузеев И. Р. Реактор для проведения эндотермических процессов под действием СВЧ-излучения // Башкир. хим. журн. - 2002. - Т. 9, № 1. - С. 57-62.
7. Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения : учеб. для ВУЗов. - М. : Физматлит, 2008. - 184 с.
УДК 658.011.56 Свитачев Анатолий Иванович,
д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой Математики Красноярского института железнодорожного транспорта -филиала Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: (8-392)-248-08-36, 8-960-768-3045, e-mail: [email protected]
Ивженко Оксана Альбертовна, инженер Красноярского института железнодорожного транспорта -филиала Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: (8-392)-248-08-36, 8-960-768-3045, e-mail: [email protected]
Свитачев Павел Анатольевич, соискатель, Красноярского института железнодорожного транспорта -филиала Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: (8-392)-248-08-36, 8-960-768-3045, e-mail: [email protected]
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ ОСНОВНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
A.I. Svitachev, O.A. Ivjenko, P.A. Svitachev
THE SYSTEM ANALYSIS OF TIME NUMBERS OF THE CORE PRODUCTIVE AND ECONOMIC INDICATORS OF WORK
OF RAILWAYS
Аннотация. В данной работе рассматриваются основные производственно-экономические показатели Красноярской железной дороги и проводится анализ на основе современных методов моделирования и прогнозирования данных показателей.
Ключевые слова: временной ряд, тренд, прогноз, экономические показатели.
Abstract. In the given article the basic productive and economic indicators of the Krasnoyarsk railway are considered, and the analysis on the basis of modern methods of modelling and forecasting of the given indicators is carried out.
Keywords: time number, trend, forecast, economic indicators.
Для оценки эффективности работы железных дорог в период реформирования необходимо проведение комплексного анализа по основным производственно -экономическим показателям. В данной работе рассматриваются основные производственно-экономические показатели Красноярской железной дороги и проводится анализ на основе современных методов моделирования и прогнозирования данных показателей.
В качестве исходных данных были взяты основные производственно-экономические пока-
