Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ІМ. Є.О. ПАТОНА

УДК 621.793:[518+681.5]

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

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харламов Максим Юрійович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі комп'ютеризованих систем Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ульшин Віталій Олександрович, Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, завідувач кафедрою комп'ютеризованих систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Крівцун Ігор Віталійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, завідувач відділом

кандидат технічних наук, доцент Пащенко Валерій Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри “Відновлення деталей машин”

Провідна установа: Інститут газу НАН Україні, м. Київ

Захист відбудеться “ 12 ” жовтня 2005 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “ 07 ” вересня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Л.С. Киреєв



АНОТАЦІЯ

Харламов М.Ю. Підвищення ефективності технологічних процесів детонаційного напилювання покриттів на основі комплексної математичної моделі. - Рукопис. імпульсний струмінь детонація газовий

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, 2005 р.

Дисертація присвячена розробці математичних моделей процесів детонаційного напилювання покриттів (ДНП), дослідженню на їхній основі закономірностей поводження порошкових часток при напилюванні й створенню методів вибору раціональних технологічних режимів і скорочення затрат при розробці технологічних процесів (ТП) ДНП. Розроблено структурну схему комплексного математичного моделювання процесів ДНП, при цьому виділені вхідні й вихідні параметри моделей основних стадій ДНП і встановлено їхній взаємозв'язок. Розроблена модель генерації імпульсного струменя продуктів газової детонації та математична модель, що описує фізику взаємодії порошкових часток і продуктів детонації всередині ствола детонаційної установки і в зовнішньому середовищі. Створено відповідне програмне забезпечення й проведені чисельні дослідження фізичних процесів, що протікають при детонаційному напилюванні. Запропоновано принципи створення системи підтримки прийняття рішень (СППР) для розробки ТП ДНП. 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. Представлено рекомендації для побудови комплексної системи автоматизованого керування ТП ДНП.

Ключові слова: детонаційне напилювання, математична модель, швидкість і температура часток, система підтримки прийняття рішень, інформаційно-пошукова система, генетичний алгоритм, система керування.



АННОТАЦИЯ

Харламов М.Ю. Повышение эффективности технологических процессов детонационного напыления покрытий на основе комплексной математической модели. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - Сварка и родственные технологии. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, г. Киев, 2005 г.

Диссертация посвящена разработке математических моделей процессов детонационного напыления покрытий (ДНП), исследованию на их основе закономерностей поведения порошковых частиц при напылении и созданию методов выбора рациональных технологических режимов и сокращения затрат при разработке технологических процессов (ТП) ДНП.

Обобщены результаты теоретических исследований физических процессов, протекающих при ДНП и разработана структурная схема их комплексного математического моделирования. При этом выделены входные и выходные параметры моделей основных этапов ДНП и установлена их взаимосвязь.

Предложена модель генерации импульсной струи продуктов газовой детонации. Разработана математическая модель, позволяющая определять пространственно-временные характеристики потока напыляемых частиц, как внутри ствола детонационной установки, так и во внешней среде, в том числе и при использовании стволов переменного сечения. Создано соответствующее программное обеспечение.

Проведены численные исследования поведения частиц порошка при детонационном напылении. Установлено, что разгон и нагрев частиц при детонационном напылении осуществляется в два этапа: за детонационной волной и в волне разрежения. 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. С уменьшением плотности материала частиц и их диаметра увеличивается степень их радиального отклонения. Степень радиального смещения частиц в процессе их движения зависит также от первоначального положения относительно оси ствола. Радиальное смещение частиц порошка, расположенных вблизи оси ствола, незначительно и существенно возрастает для частиц, расположенных вблизи стенок ствола. Обоснована возможность управления скоростью и температурой напыляемых частиц комплексом технологических параметров детонационного напыления: формой и размерами ствола; составом горючей смеси и степенью заполнения ствола; величиной дозы порошка и ее пространственным распределением; формой и размерами частиц порошка; дистанцией напыления.

Разработаны принципы создания системы поддержки принятия решений (СППР) для проектирования ТП ДНП, состоящей из блока самостоятельных модулей. 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. Для рационального выбора технологических режимов разработан и программно реализован метод, основанный на использовании генетического алгоритма. Применение данного метода существенно уменьшает затраты времени на разработку технологий детонационного напыления.

Предложены алгоритм управления и рекомендации для построения комплексной системы автоматизированного управления процессом ДНП. Основу системы управления составляет СППР, результаты работы которой используются для непосредственного управления оборудованием технологического комплекса для ДНП.

Ключевые слова: детонационное напыление, математическая модель, скорость и температура частиц, система поддержки принятия решений, информационно-поисковая система, генетический алгоритм, система управления.



SUMMARY

Kharlamov M.Y. Increase of effectiveness of detonation spraying of coatings technological processes based on a complex mathematical model. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree of engineering science on speciality 05.03.06 - Welding and related technologies. - The E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

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. The structure scheme of complex modeling of DSC processes was developed, and input and output parameters of the models of main DSC stages were chosen, and its intercommunication was determined. Model of generation of impulse jet of gaseous detonation products was proposed. Mathematical model, describing a physics of interaction of powder particles and products of detonation inside a barrel of detonation unit and in an external space, was developed. Correspondent software package was developed and numerical investigations of physical processes, proceeding in detonation spraying, were carried out. Principles for creation a decision support system (DSS) for technology development of the DSC TP were proposed. Developed and program-realized information storage and retrieval system for gas-thermal coating selection, and method of optimal DSC process variables determination, based on genetic algorithm, are the parts of a DSS as subsystems. Recommendations for creation of complex automated control system for DSC technological process were presented.

Key words: detonation spraying, mathematical model, velocity and temperature of particles, decision support system, information storage and retrieval system, genetic algorithm, control system.



загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Технологія детонаційного напилювання дозволяє одержувати захисні й функціональні покриття з підвищеною міцністю зчеплення й щільністю, що володіють високими трибологічними й іншими експлуатаційними властивостями. Можливість створення виробів з унікальним сполученням властивостей основного матеріалу й поверхневого шару обумовлює зростаючий інтерес підприємств машинобудування й інших галузей промисловості до більш широкого використання цього процесу.

Як вихідний матеріал детонаційних покриттів використовують порошки металів, сплавів, тугоплавких сполук, оксидів та інших матеріалів, а також композиційні порошки. Структура, а відповідно, і властивості детонаційних покриттів значною мірою визначаються значеннями термічної та кінематичної енергії часток порошку, що напилюються, оптимальні значення яких залежать від виду їхнього матеріалу. Постійно зростаючі вимоги до якості поверхні виробів, необхідність розробки нових видів покриттів із заданими властивостями й технологій їхнього нанесення викликають потребу в розробці ефективних методів керування структурою й властивостями шару, що напилюється. Тому актуальним є створення гнучких технологій детонаційного напилювання покриттів (ДНП), що забезпечують необхідний ступінь нагріву й прискорення часток порошку матеріалу, що напилюється. У цей час відсутні надійні методи прогнозування й керування якістю покриттів, а розробка й оптимізація технологічних процесів (ТП) детонаційного напилювання здійснюється переважно експериментальним шляхом з більшими витратами праці, часу й матеріальних засобів. Існує потреба подальшого вдосконалювання й підвищення ефективності ТП ДНП і якості одержуваних покриттів, а також скорочення строків розробки їхніх нових видів. Для рішення цих завдань необхідне проведення комплексу теоретичних досліджень, спрямованих на створення математичних моделей робочого циклу ДНП і розробку програмно-алгоритмічних засобів автоматизації праці інженерів-технологів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках програми індо-українського науково-технічного співробітництва на 2001-2003 рр. (госпдоговiрна тема з Міносвіти й науки України № 2M/202-2001 від 17 липня 2001 р. “Теоретичне і експериментальне дослідження поводження порошкових часток і розробка експертної системи по детонаційному напилюванню покриттів”), а також відповідно до тематичних планів Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля.

Мета роботи. Підвищення ефективності технологічних процесів детонаційного напилювання покриттів шляхом розробки математичних моделей, необхідних алгоритмів, а також засобів комп'ютерної реалізації та їхнє використання для вибору технологічних режимів напилювання, які забезпечують раціональні умови формування покриттів.

Задачі дослідження. Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Провести теоретичні дослідження робочого циклу детонаційного напилювання і супутніх явищ газодинаміки й теплообміну, розробити структурну схему їх комплексного математичного моделювання.

2. Розробити математичну модель генерації імпульсного струменя продуктів детонації та модель, що описує поводження часток дисперсного матеріалу на шляху руху як у стволі гармати, так і в зовнішньому середовищі, а також обчислювальні алгоритми й відповідні програмні засоби для комп'ютерної реалізації вказаних моделей.

3. Виконати детальні чисельні дослідження процесів взаємодії продуктів детонації з частками, що напилюються, оцінити ступінь впливу основних технологічних параметрів процесу детонаційного напилювання на швидкість і температуру часток порошку.

4. Розробити структуру системи підтримки прийняття рішень (СППР) при розробці технологічних процесів ДНП і реалізувати її окремі структурні елементи для вибору газотермічних покриттів і пошуку раціональних режимів напилювання.

5. Розробити рекомендації для створення комплексної системи керування процесом ДНП і алгоритм її функціонування.

Об'єкт дослідження - технологічний процес детонаційного напилювання покриттів.

Предмет дослідження - процеси прискорення й нагріву часток порошку, що напилюються, методи й алгоритми вибору раціональних режимів напилювання й проектування технологій ДНП.

Методи дослідження. У роботі використані аналітичні й чисельні методи дослідження фізичних явищ, що відбуваються при ДНП, методи штучного інтелекту - для рішення завдань вибору газотермічних покриттів (фреймова інформаційно-пошукова система) і визначення раціональних технологічних параметрів ДНП (генетичний алгоритм), а також методи теорії прийняття рішень і системного аналізу при розробці структури СППР.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі проведені дослідження робочого циклу детонаційного напилювання й розроблені принципи й засоби для його комплексного моделювання з метою вдосконалювання технологічних процесів одержання покриттів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Уперше встановлено взаємозв'язок між основними етапами робочого циклу детонаційного напилювання - утворенням свіжого газопорошкового заряду, генеруванням і витіканням імпульсного двофазного потоку й формуванням покриття, у вигляді комплексу відповідних математичних моделей з наскрізним обміном даних між ними.

2. Показано, що використання комплексу технологічних параметрів детонаційного напилювання, що включає форму й розміри ствола, склад горючої суміші й ступінь заповнення ствола, величину дози порошку та її просторовий розподіл, форму й розміри часток порошку, дистанцію напилювання, забезпечує можливість гнучкого керування швидкістю й температурою часток, що напилюються.

3. Уперше виявлені особливості теплової й динамічної взаємодії часток порошку із продуктами газової детонації на стадіях поширення детонаційної хвилі в стволі й наступному витіканні їх зі ствола. При цьому розгін і нагрівання часток порошку проходить у два етапи, з інтенсифікацією цих процесів після виходу детонаційної хвилі на зріз ствола, що дозволяє, варіюючи технологічні режими напилювання, керувати швидкістю й температурою часток, а тим самим умовами утворення покриттів.

4. Уперше методом комп'ютерного моделювання виявлені особливості двомірного витікання двофазного потоку зі ствола детонаційної установки, що полягають у тому, що частки захоплюються потоком газу, що розширюється, й відхиляються від прямолінійної траєкторії руху, з більш інтенсивним радіальним зсувом часток, розташованих на периферії потоку.

5. Розроблено принципи створення автоматизованих систем проектування технологічних процесів детонаційного напилювання й показана можливість використання генетичного алгоритму для вибору раціональних технологічних режимів.

Практичне значення одержаних результатів

1. Створено комплекс програмних засобів для проектування технологічних процесів ДНП, що містить програми для розрахунку параметрів детонаційної хвилі газових сумішей й просторово-тимчасових характеристик двофазного потоку, а також вибору раціональних технологічних режимів напилювання на основі генетичного алгоритму.

2. Розроблено інформаційно-пошукову систему по вибору газотермічних покриттів, що може бути використана як автономно, так і в складі систем автоматизованого проектування.

3. Сформульовано принципи створення комплексної системи керування процесом ДНП і розроблено алгоритм керування, призначений для визначення величин керуючих впливів та їхньої подачі на встаткування для нанесення детонаційних покриттів.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблені: математичні моделі, обчислювальні алгоритми й програмне забезпечення для комп'ютерного моделювання процесів ДНП; структура СППР, інформаційно-пошукова система по вибору газотермічних покриттів і метод визначення раціональних технологічних режимів ДНП; алгоритм керування й рекомендації для побудови системи керування процесом ДНП, а також проведені чисельні дослідження робочого циклу детонаційного напилювання й виконаний аналіз їхніх результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на міжнародній науково-технічній конференції “Матеріали, технології й устаткування для зміцнення й відновлення деталей машин” (Новополоцьк, Білорусь, 2003 р.), 2-ої і 3-ої міжнародної науково-технічної конференції “Інженерія поверхні й реновація виробів” (Ялта, 2002-2003 рр.), 6-ої міжнародної науково-технічної конференції “Плівки й покриття” (Санкт-Петербург, 2001 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Обробка, зварювання й зміцнення конструкційних матеріалів. Якість і перспективи розвитку” (Луганськ, 2002 р.), II Східноукраїнській конференції “Зварювання, лиття й родинні процеси” (Луганськ, 2003 р.), науковій конференції професорсько-викладацького складу й наукових співробітників СНУ ім. В.Даля “Наука-2004” (Луганськ, 2004 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 друкованих робіт, у тому числі 9 у фахових виданнях ВАК України і 1 у тезах доповідей науково-технічної конференції.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатка. Обсяг роботи становить 219 сторінок, включаючи 55 рисунків на 34 сторінках, 8 таблиць на 3 сторінках, список використаних джерел зі 156 найменувань на 17 сторінках та додатка на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні положення роботи.

У першому розділі проаналізовані переваги ДНП щодо конкуруючих методів газотермічного напилювання покриттів (ГТНП), обумовлені, насамперед, високою швидкістю часток, що напилюються. Вивчено сучасний стан технологій ГТНП і показано, що їх раціональне використання в сучасних умовах пов'язане з розробкою методів і засобів комп'ютеризації при розробці й оптимізації ТП одержання покриттів, а також розвитком систем автоматизованого керування. Застосування засобів комп'ютерного моделювання дозволяє спростити проведення робіт з оптимізації параметрів напилювання в результаті заміни дорогих і трудомістких експериментальних робіт комп'ютерним моделюванням. У той же час процес нанесення газотермічних покриттів залежить від багатьох технологічних параметрів, що впливають на структуру й властивості одержуваних покриттів. Експериментальні методи досліджень, як і комп'ютерне моделювання, дозволяють цілеспрямовано, поетапно варіюючи технологічні параметри, наближатися до найкращого результату, що, однак, не гарантує оптимальності знайденого рішення. Тому велике значення має розробка методів і засобів автоматизованого раціонального вибору технологічних режимів й проектування процесів нанесення газотермичічних покриттів. Створено ряд програмних пакетів для моделювання основних стадій процесу плазмового напилювання, що дозволяють скоротити час на технологічну підготовку процесів нанесення плазмових покриттів. Для технології ДНП подібні програмні засоби відсутні.

У другому розділі був проведений аналіз теоретичних досліджень фізичних процесів, що протікають при ДНП, запропонована схема їх комплексного математичного моделювання, розроблені математичні моделі генерації імпульсного струменя продуктів газової детонації й динаміки прискорення й нагрівання часток порошку.

У результаті узагальнення теоретичних досліджень фізичних процесів, що протікають при ДНП, розроблені принципи їх комплексного математичного моделювання. При цьому розглянуті особливості та виділені вхідні й вихідні параметри моделей основних стадій ДНП, розроблена структурна схема їх комплексного математичного моделювання. 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. При комплексному моделюванні здійснюється наскрізна передача даних від однієї моделі (або стадії процесу) до іншої з урахуванням їхньої динамічної зміни в процесі обчислень.

Запропоновано модель генерації імпульсного струменя продуктів газової детонації. В основу моделі покладені допущення, що склад продуктів детонації (ПД) визначається умовами хімічної рівноваги, й поводження ПД описується рівнянням стану ідеального газу. Параметри й склад ПД для точки Чемпена-Жуге розраховуються для суміші з умовною формулою з додаванням інертних газів на основі рівнянь балансу речовини, хімічної рівноваги, газодинаміки й рівняння стану. Вихідні дані моделі: параметри детонаційної хвилі (ДХ), склад ПД, розподіл температури й швидкості в незавантаженому детонаційному струмені використовуються як вхідні дані наступних етапів робочого циклу ДНП.

Розроблено математичну модель динаміки прискорення й нагрівання часток порошку при ДНП. Моделювання проводилося при наступних умовах. Ствол детонаційної установки (ДУ) довжиною L, що має циліндричну форму із внутрішнім діаметром d, або ствол зі змінним перетином, що має вихідний діаметр d, заповнений, частково або повністю, детонаційно-здатній сумішшю газів при початкових тиску , щільності й температурі . Усередині ствола в області ( , ), причому , перебуває газосуспензія твердих сферичних часток діаметром . Біля лівого закритого кінця ствола формується стаціонарна ДХ, що поширюється вправо зі швидкістю D_CJ (рис. 1). При частковому заповненні ствола детонаційною сумішшю, частину ствола, що залишилася, займає нереагуючий газ. У цьому випадку після виходу ДХ на контактну границю “газова суміш - нереагуючий газ” (ГС-НГ), відбувається розпад ДХ на ударну, що рухається по НГ і хвилю розрядження, що рухається у зворотному напрямку по ПД. Після досягнення ударною або детонаційною хвилею правого відкритого кінця ствола починається витікання ПД і дисперсних часток у навколишній газовий простір.

Граничні умови задавалися наступним чином. На осі симетрії, стінках ствола ДУ ставляться умови непротікання газу й дисперсних часток. Доти, поки ДХ не досягла контактної границі ГС-НГ, її параметри знаходяться по формулах для фронту стаціонарної ДХ (права гранична умова). Після досягнення ДХ контактної границі на відкритих границях розрахункової області AB і BC ставляться умови вільного протікання фаз, на правій границі CD, ставиться умова непротікання для газової фази й вільного проникнення для дисперсної фази, тобто порошок, що досяг перешкоди, напилюється на неї.

Використовувалися наступні допущення: тиск створюється тільки газом, впливом порошкових часток зневажається; в'язкість 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.

Система рівнянь двовимірного вісісиметричного нестаціонарного руху газосуспензії має такий вигляд:

,

,

,

, (1)

, ,

, , , i=1, 2.

Тут і -- складової швидкості в радіальному (r) і осьовому (z) напрямках; , -- питомі внутрішні й повні енергії -ої фази; p -- тиск газу; , - складові силової взаємодії з боку газу на дисперсну частку в циліндричних координатах; q -- інтенсивність притока тепла до поверхні окремої частки; - число дисперсних часток в одиниці об'єму суміші; - діаметр часток; , - середні й щирі щільності фаз відповідно; - об'ємний зміст i-ої фази. Індекси i = 1 належать газової, а i = 2 дисперсної фазам.

Використовуються рівняння стану ідеального газу:



де R - універсальна газова постійна; - молекулярна маса ПД; - температура газової фази. До початку витікання, для реагуючого потоку газу в стволі ДУ застосовується рівняння для повної внутрішньої енергії газу e₁(T₁ , ₁₎ і рівняння хімічної рівноваги ₁(₁, T₁). Рівняння для внутрішньої енергії дисперсної фази

де - температура дисперсної фази, ураховує можливий фазовий перехід (плавлення часток).

Отримана система рівнянь замикалася шляхом завдання законів міжфазової силової й теплової взаємодії газової та дисперсної фаз , , .

Для вивчення динаміки поводження одиночних часток порошку масою

уважалося, що , а поводження частки в нестаціонарному потоці ПД описувалося рівняннями:

,

, (2)

.



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.

Ступінь розплавлювання частинки визначається спільним рішенням рівняння (3) з рівнянням

де f - координата фронту плавлення. На границі фазового переходу

,



де - температура плавлення дисперсної фази.

Для комп'ютерної реалізації розроблених моделей створене програмне забезпечення, в яке входить програма для розрахунку параметрів ДХ газових сумішей, що використовуються при ДНП, програма для моделювання динаміки прискорення й нагрівання часток порошку при детонаційному напилюванні, редактор бази даних властивостей газів і порошкових матеріалів. Розроблене програмне забезпечення може бути використане самостійно, для проведення чисельних досліджень процесів ДНП і оптимізації режимів напилювання, а також може бути інтегроване в експертні системи й системи підтримки прийняття рішень при проектуванні технологій ДНП.

До основних умов одержання міцних високощільних покриттів при ГТНП належать забезпечення раціональних для даного виду матеріалу значень температури й швидкості часток, що напилюються, а також протікання локальної пластичної деформації основи в зоні контакту з часткою. Запропоновано метод оцінки критичної швидкості часток для протікання такої деформації залежно від матеріалів часток й основи і їхньої температури. Для цього використовуються залежності: температурна для границі текучості матеріалу основи швидкісна для ударного й напірного тисків. Показано, що значення як ударного так й напірного тисків повинні досягати динамічної границі текучості матеріалу поверхневого шару.

На підставі аналізу відомих експериментальних і теоретичних досліджень узагальнені оптимальні режими зіткнення часток, що напилюються, з основою. Матеріали, що використовуються для ДНП, підрозділяються на наступні основні групи: 1. Матеріали, що володіють пластичністю при температурах нижче точки плавлення (метали, сплави, механічні суміші й композиційні порошки, що містять пластичну складову). Раціональні умови формування детонаційних покриттів - нагрів часток до 0,8…0,9T_пл і швидкість до 400…1000 м/с. 2. Аморфізуємі сплави, що вимагають повного розплавлювання часток і швидкість до 500…800 м/с. 3. Непластичні матеріали, що формують покриття з розплавлених часток (оксиди) при швидкості часток порядку 300…600 м/с.

У третьому розділі виконана перевірка адекватності моделі динаміки прискорення й нагрівання порошку детонаційно-газовим струменем, за допомогою комп'ютерного моделювання проведені дослідження процесів взаємодії продуктів детонації з частками, що напилюються.

З метою перевірки адекватності розробленої моделі динаміки прискорення й нагрівання порошку при детонаційному напилюванні проведено порівняння результатів моделювання з відомими експериментальними даними. Показана цілком задовільна їхня відповідність, як при моделюванні динаміки одиночних часток порошку, так і газосуспензії напилюємих часток. При цьому розбіжність експериментальних і розрахункових даних не перевищує 5% для швидкості й 15% для температури часток, при довірчій імовірності 0,95, що дозволяє застосовувати розроблену модель для проведення чисельних досліджень і оптимізації ТП ДНП.

На основі комплексного комп'ютерного моделювання утворення ДХ та її поширення досліджено розподіл температури, швидкості й тиску ПД уздовж осі ствола. Показано, що вихід ДХ на зріз ствола й поширення усередину нього хвилі розрідження, призводять до росту швидкості й зниженню температури ПД на 500…2000 градусів залежно від складу газової суміші. При цьому в процес витікання втягується вся маса ПД по довжині ствола, із практично лінійним зменшенням їхньої швидкості до нуля у закритого торця ствола. Для температури й тиску продуктів газової детонації характерно відносно рівномірний розподіл їхніх значень уздовж ствола з незначним зниженням у напрямку його зрізу.

Встановлено, що розгін і нагрівання часток при детонаційному напилюванні здійснюються у два етапи: за детонаційною хвилею й у хвилі розрідження. Після виходу ДХ на зріз, внаслідок росту швидкості ПД, прискорення й нагрівання часток порошку інтенсифікуються. Використання нестаціонарного рівняння теплопровідності при розрахунках дозволило одержати відповідний просторово-тимчасовий розподіл температури у перетині частці, що напилюється.

Проведено чисельне дослідження витікання двофазного потоку зі ствола ДУ, що являє собою складний нестаціонарний хвильовий процес, що складається з послідовних стадій одномірного руху дисперсної суміші в стволі установки й двовимірного вісісиметричного вильоту хмари часток у зовнішній газовий простір. Потоком газу, що розширюється, захоплюються частки і відхиляються від прямолінійної траєкторії руху. Розміри порошкової хмари збільшуються в радіальному й осьовому напрямках, внаслідок чого об'ємна концентрація часток знижується в 2…10 разів у порівнянні з початковою. Установлено, що зі зменшенням щільності матеріалу часток і їхнього діаметру збільшується ступінь їхнього радіального відхилення. Ступінь радіального зсуву часток у процесі їхнього руху залежить також від первісного положення щодо осі ствола. 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.

За допомогою комп'ютерного моделювання був досліджений вплив основних технологічних параметрів процесу ДНП на швидкість і температуру часток. Розрахунки проводилися для порошків Ni і Al₂O₃, що відносяться відповідно до пластичних і непластичних матеріалів і потребують різних умов напилювання. Обґрунтована 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.

На підставі проведеного чисельного експерименту для часток оксиду алюмінію діаметром 20 мкм установлені наступні можливості регулювання швидкості й температури. Підвищення змісту кисню в суміші C₂H₂:O₂ з 55 до 75% призводить до зменшення швидкості часток з 870 до 780 м/с і збільшенню їхньої температури з 2100 до 2350 К, що пов'язано зі зниженням швидкості ПД і підвищенням теплового ефекту реакцій при збільшенні змісту кисню в суміші. При напилюванні оксиду алюмінію не рекомендується додавати в суміш, що детонує, азот, тому що при цьому знижується рівень термічної й кінетичної енергії часток, що напилюються (для суміші C₂H₂+2,5O₂+50%N₂ швидкість часток - 660 м/с, температура - 1750 К). Зниження ступеня заповнення ствола сумішшю, що детонує, до 70% від його об'єму практично не впливає на швидкість часток, але знижує їхню температуру до 2100 К. 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 призводить до збільшення швидкості часток з 650 до 900 м/с, при цьому температура часток, внаслідок інтенсивного теплообміну потоку з навколишнім середовищем, знижується з 2430 до 2319 К. Істотний вплив на теплові й динамічні характеристики часток робить початковий розподіл порошкової хмари в стволі. При довжині вихідної хмари газосуспензії в стволі менш 16 мм і величині дози порошку більше 0,1 г міжфазний теплообмін внаслідок високої об'ємної концентрації часток погіршується. Таким чином, через багатофакторність ТП ДНП, для визначення раціональних технологічних режимів напилювання необхідно застосовувати методи оптимізації, що враховують вплив комплексу технологічних параметрів.

Установлено, що формування одиничного шару покриття відбувається в умовах змінних значень швидкості й температури часток порошку (рис. 5). Зміною технологічних режимів напилювання можна регулювати розподіл швидкості й температури в імпульсному потоці, а також час формування одиничного шару покриття. Для порошку Al₂O₃ з діаметром часток 40 мкм і глибиною завантаження 0,7 м час формування одиничного шару - 2,5 мс, коливання швидкості часток становлять 10% від середнього значення 765 м/с, температура часток зростає з 2200 К у головної частині потоку, до 2350 К. При глибині завантаження 0,5 м час формування одиничного шару становить 2 мс, при цьому частки нагріваються до менших температур (2080…2319 К), коливання швидкості 17% від середнього значення 810 м/с. Таким чином, підбираючи технологічні параметри можна управляти умовами формування одиничного шару покриття (час взаємодії імпульсного струменя з основою, частоту зіткнення часток із основою, діапазони значень швидкості й температури часток порошку в імпульсному потоці).

У четвертому розділі викладені основні принципи побудови системи підтримки прийняття рішень для розробки технологічних процесів детонаційного напилювання, розроблено інформаційно-пошукову систему (ІПС) по вибору газотермічних покриттів і метод визначення раціональних технологічних параметрів ДНП.

Розроблено структуру СППР для проектування ТП детонаційного напилювання, що складається із блоку самостійних модулів. Основні модулі СППР призначені для аналізу технологічних вимог до покриття й виробу, що напилюється, й проектування відповідного типу детонаційного покриття; аналізу й прогнозу технічних і економічних показників покриттів; проектування конструкції й структури покриттів; аналізу й проектування технології детонаційного напилювання для обраного покриття.

У рамках створення СППР при проектуванні технологій детонаційного напилювання розроблено інформаційно-пошукову систему по вибору газотермічних покриттів і автоматизовану систему для пошуку раціональних технологічних режимів напилювання.

Для побудови ІПС використовувалася фреймова модель подання знань. База знань (БЗ) складається з трьох взаємозалежних рівнів (рис. 6). Верхній рівень БЗ являє собою ієрархію службового призначення покриттів. Нижній рівень БЗ містить інформацію про розроблені покриття, що включає їх якісні й кількісні характеристики (галузь можливих застосувань покриття, хімічний склад, структуру, міцність зчеплення, зносостійкість, твердість, пористість та ін. властивості). Відбір покриттів, що задовольняють вимогам користувача, виробляється на основі правил виводу, включених у слоти фреймів середнього рівня БЗ. Дані правила виводу містять у собі функціональні, у тому числі трибологічні, вимоги до покриття, характеристики процесу його одержання, вимоги до матеріалу покриття, умови експлуатації, поверхневі властивості виробу, що напилюється, та ін. Прототип ІПС, розроблений мовою CLIPS, продемонстрував ефективність застосування ІПС для задачі вибору відповідно заданим вимогам покриттів.

Запропоновано метод визначення раціональних технологічних параметрів ДНП, заснований на використанні генетичного алгоритму (ГА). Ставилося завдання вибору складу використовуваної газової суміші, середнього діаметра порошкових часток, навішення порошку, початкового розташування часток у стволі, дистанції напилювання при встановлених геометричних параметрах ствола ДУ й складу порошку, для додання напилюємим часткам заданих значень середньої швидкості й температури при взаємодії з поверхнею, що напилюється. Стосовно до ДНП показані переваги даного підходу в порівнянні з найпоширенішими детермінованими й стохастичними методами рішення завдань оптимізації.

У ГА використовується ідея колективного пошуку экстремума безліччю незалежних наборів значень (векторів) змінюванок, що є потенційними рішеннями. На початковому етапі вектори змінюванок генеруються випадковим образом. Надалі кожна нова безліч наборів значень змінюванок за певними правилами (з використанням генетичних операторів) формується на основі попереднього з урахуванням цільової функції. При цьому в процесі ітерацій середнє по безлічі значення цільової функції наближається до екстремуму. Як цільова функція використовувався вираз:



, (5)

де - значення цільової функції для i-ого набору змінних; - номер покоління; U_op, T_op - оптимальні для одержання заданого покриття значення швидкості й температури; U_i, T_i - середні швидкість і температура часток у зоні формування покриття для i-ого набору значень змінних, які одержані на основі моделювання руху двофазного потоку при ДНП; , - коефіцієнти, що служать для приведення рівняння до безрозмірного виду.

Проведені чисельні експерименти по визначенню раціональних технологічних параметрів при напилюванні порошків нікелю й оксиду алюмінію на ДУ “Перун”, яка розроблена в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ та має ствол довжиною 1,2 м із внутрішнім діаметром 20 мм. Як оптимальні параметри ударної взаємодії часток з основою для порошку оксиду алюмінію були обрані швидкість 550…650 м/с, температура 2300…2400 К, для нікелю - швидкість 650…1000 м/с, температура 1650…1750 К. Для заданих умов за допомогою створеного на основі ГА програмного забезпечення були отримані наступні технологічні режими. Для порошку Al₂O₃ дисперсністю 10…20 мкм: газова суміш C₂H₂+2,5O₂, глибина завантаження 300 мм (ширина хмари газосуспензії 200 мм), навішення 0,18 г, дистанція напилювання 90 мм. Для порошку Ni дисперсністю 40…60 мкм: суміш C₂H₂+O2+0,3N₂, навішення 0,12 г, дистанція напилювання 180 мм, завантаження порошку в ствол 220 мм (ширина порошкової хмари 240 мм). Отримані результати оптимізації близькі до технологічних режимів, що використовуються при напилюванні детонаційних покриттів в ІЕЗ ім. Є.О. Патона. При використанні розробленого програмного забезпечення витрати часу на відпрацьовування технологій ДНП знижуються в 5…10 разів.

У п'ятому розділі наведені рекомендації для побудови системи автоматизованого керування ТП ДНП.

Запропоновано структуру системи автоматизованого керування ТП ДНП, що включає два рівні: верхній, для автоматизації розробки технологій детонаційного напилювання на основі СППР й нижній, для безпосереднього автоматичного керування ТП за допомогою пристроїв зв'язку з об'єктом. Використання в якості керуючого пристрою ЕОМ дозволить перейти на новий рівень у керуванні ДУ. При цьому стає можливим інтерактивне керування процесом напилювання, можливість оперативного переходу з одного режиму на іншій по заданому алгоритму, нанесення покриттів зі змінними властивостями (по довжині виробу або по товщині покриття) й пошуку оптимальних технологічних режимів. Зв'язок ЕОМ з устаткуванням комплексу для нанесення детонаційних покриттів може здійснюватися за допомогою спеціальної плати сполучення або мікроконтролера.

Керування ДУ здійснюється шляхом регулювання циклограми напилювання. У роботі розглянуті моделі наповнення ствола свіжим зарядом, включаючи заповнення ствола вибуховою сумішшю й уведення порошку й отримані залежності для визначення часу спрацьовування керованих газових клапанів. На основі моделей розроблено алгоритм керування, призначений для визначення величин і подачі керуючих впливів на обладнання технологічного комплексу.

Розроблені рекомендації можуть бути покладені в основу для побудови комплексної системи керування процесом ДНП, що дозволяє значно скоротити час на технологічну підготовку виробництва, знизити матеріальні витрати, пов'язані із проведенням експериментальних досліджень, поліпшити умови праці інженерів-технологів, переорієнтувати процес нанесення детонаційних покриттів на повний наскрізний цикл гнучкого виробництва “проектування - виготовлення”.



ВИСНОВКИ

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 об'ємної 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 об'ємна 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 зв'язку з об'єктом.



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.

...