Исследование процессов газотермического напыления, как объектов автоматического управления

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ, КАК ОБЪЕКТОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Галаган П.В. (ГУ УНПК, г. Орел, РФ)

Приводятся результаты исследования влияния характеристик технологических объектов автоматического управления ГТН на качество напыляемых покрытия с заданными свойствами и запрограммированной структурой.

The results of thermal spray coating process reseaching are described in this article.

Ключевые слова: газотермическое напыление, качество покрытий, переходные процессы, эксперимент, импульс последействия

Key words: thermal spray coating, quality of coating, transient process, experiment, aftereffect pulse

Важной проблемой, стоящей перед отечественным машиностроением является повышение качества, долговечности и конкурентоспособности выпускаемой продукции за счет газотермического напыления защитных покрытий поверхностей деталей, работающих в условиях абразивного износа, электрохимической коррозии и высоких температур. Напыляемые порошки представляют собой монодисперсные частицы с размерами 5 - 70 мкм, которые вдуваются в струю несущего газа или плазмы, доставляющую их до обрабатываемой поверхности. Находясь в высокотемпературном потоке, они частично оплавляются и, преодолевая расстояние от места их вдува до обрабатываемой поверхности, за доли секунд приобретают скорости и температуры, близкие к параметрам несущей струи. У поверхности газовый поток изменяет свое направление, теряет скорость и обтекает обрабатываемую деталь. При этом твердые частички продолжают движение по инерции по оси струи, при этом часть их уносится отклоняющимся потоком. Нанесенное послойно покрытие характеризуется арочной структурой, которая возникает вследствие сильной деформации и быстрой кристаллизации материала покрытия.

Механические, теплофизические, химические и электрические свойства газотермических покрытий при формировании заданной послойной структуры принципиально отличаются от монолитных материалов. Их применение способно увеличить ресурс работы деталей и изделий за счет улучшения эксплуатационных свойств, повысить надежность изделий, снизить затраты на их эксплуатацию. В настоящее время наибольший интерес представляют наноструктурированные покрытия, которые позволяют в 2–3 раза снизить коэффициенты трения и в 1,5 - 2 раза превысить показатели прочности адгезии, коррозионно-, термо- и износостойкости напыляемых покрытий, не достигаемые на уровне микроструктур. При их использовании появляется возможность увеличения многофункциональности покрытий, получения пористости, близкой к компактному состоянию исходных материалов, и большей твердости верхнего слоя по сравнению с покрытиями, получаемыми с применением обычных порошков [1].

Современные методы высокоскоростного напыления принципиально ничем не отличаются от газопламенных, однако, благодаря особенностям их горелок, в них достигаются очень высокие скорости распыления. У систем HVOF первого поколения давление в камере сгорания составляло 0,3 - 0,5 МПа, скорость вылета частиц достигала 450 м/с. В дальнейшем для ускорения вылетающих частиц до 1000 м/с стали использовать камеры сгорания с давлением 1-1,5 МПа, благодаря чему удалось напылять покрытия большей толщины. В ряде приложений, процессы HVOF постепенно вытесняют плазменное напыление. Вместе с тем эти методы требуют использования более сложных автоматических систем управления режимами работы оборудования и контроля однородности покрытия.

В настоящей работе использовался системный подход к разработке автоматических систем управления сложными технологическими процессами послойного напыления покрытий заданной структуры, предусматривающий уточнение физических и создание математических моделей основных процессов; определение исходных данных для моделирования; проведение необходимых расчетов численными методами и экспериментальных исследований [2].

В исследованиях использована специальная установка, включающая в себя автоматизированную систему сбора, обработки и представления массивов экспериментальных данных в реальном режиме времени на базе многоканального компьютерного осциллографа с полосой пропускания 40МГц и производительностью 100 Мвыб/с с малоинерционными измерительными устройствами температуры, давления и системой точного ЧПУ позиционирования. По результатам экспериментов определялись поля нестационарных температур при движущимся источнике тепла, форма растекания струи и рассеяния напыляемых частиц на поверхности пластины, временные характеристики выходов на режим и отключения исследуемых устройств и их запаздываний. Программы численного моделирования, управления экспериментом и обработки данных выполнены в единой лицензионной среде графического программирования LabVIEW. Все экспериментальные данные обрабатывались в безразмерных величинах (критериях) и аппроксимировались различными зависимостями с определением среднеквадратической ошибки.

Ниже излагаются результаты экспериментального определения времени выхода на установившийся режим и времена переходных процессов запуска и останова устройств, генерирующих поток, несущий частицы. Испытания проводились на установке (рис. 1).

Для высокоскоростных горелок переходные режимы работы могут составлять несколько миллисекунд. Они, как правило, сочетаются с периодами установившихся режимов длительностью нескольких минут. При работе в импульсных нерасчетных режимах средняя скорость потока оказывается меньше, чем при установившихся.

Программа по сбору и обработке данных представлена на рис. 2.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки для исследования и тестирования идеальных моделей ГТН. 1 – воздушный компрессор, 2 – краны, 3 – редуктор, 4 – воздушный баллон объемом 40 л, 5 – дозатор дисперсных частиц, 6 – испытываемый образец, 7 – трубка Пито, 8 – сопло, 9 – камера сгорания горелки, 10 – электронагреватель с клапаном

Рисунок 2 – Фрагмент программы LabVIEW по обработке данных

При запуске горелки время задержки воспламенения предварительно перемешанной топливной газообразной смеси и использовании импульсной электрической системы зажигания составляет 2 – 4 мс. Опыт отработки подобных процессов в ракетных двигателях малой тяги (РД МТ) показывает, что в таких случаях фронт пламени хорошо перемешанной топливной смеси вырождается в плоскость и распространяется в объеме камеры сгорания в течение ~ 1 мс. В тоже время, само давление в камере повышается в течение более длительного промежутка времени. При запуске горелка не сразу выходит на установившийся режим генерации несущего потока. При этом длительность запуска t₁_Sопределяется временами срабатывания электромеханического клапана - t_1к; временем заполнения камеры сгорания компонентами топлива - t_зк; их перемешивания - t_птс; воспламенения и сгорания - t_вс и t_сг; и истечения - t_ист. При первом запуске холодной горелки дополнительно необходимо учитывать некоторое время прогрева оболочки камеры сгорания - t_кс. Таким образом,

t₁_S =t_1к + t_зк + t_птс +t_вс + t_сг + t_ист + t_кс (1)

Группируя эти параметры следующим образом, получаем

t₁_S = (t_1к + t_зк + t_ист)_х + ( t_птс +t_вс + t_сг + t_к)_г (2)

Для первой части показателей, влияние которых в большей степени, чем остальные, определяют длительность запуска, проведены эксперименты с холодными продувками модели горелки с сжатым воздухом, моделирующем тщательно перемешанную топливную смесь. При этом вторую часть можно оценивать с учетом доступных результатов огневых испытаний горелок и РД МТ, которые определяют длительность запаздываний связанных с воспламенением и горением топлива в течении 2 – 3 мс [3].

а)

б)

в)

Рисунок 3 – Зависимость изменения давления в камере модельной горелки а) циклический режим работы; б) запуск горелки; в) ее останов. Точки – эксперимент, сплошная линия - аппроксимация экспонентой, пунктирная – включение и выключение клапана

Результаты проведенных испытаний показывают, что процесс запуска горелки может быть описан апериодическим звеном первого порядка с запаздываниями t_1к и t_2к равными времени открытия клапана, подачи модельной среды в горелку и ее истечения. Передаточная функция такого звена описывается соотношением , а динамические свойства определяются двумя параметрами постоянной времени – Т₁, коэффициентом усиления звена – k₁. При обратном преобразовании по Лапласу

или , (3)

Аналогично - (4)

Коэффициенты аппроксимирующих уравнений представлены в таблице 1.

По полученным данным были определены значения передаточных коэффициентов k₁ и k₂, равные установившимся значениям H(t) и h(t), и постоянные времени Т₁ и Т₂. Считалось, что переходной процесс выхода на установившейся режим заканчивается при t₁ » 3T₁, что соответствует 95% уровню Р_ном и t₂ » 3T₂ при отключении горелки при достижении Р(t) - 5%. Полученные экспоненциальные зависимости обеспечивали достаточно хорошую сходимость с экспериментальными данными со среднеквадратичной ошибкой порядка 1%.

Таблица 1 – Коэффициенты уравнения переходных процессов. P_ном – номинальное давление в камере сгорания, L – длина ее цилиндрической части, D – ее диаметр

Размеры и давление в камере	Режим работы	Запуск ; Останов
Размеры и давление в камере	Режим работы
L=30 мм, D=19 мм P_ном=318 кПа	Запуск	1,051	9,9	0,0019
L=30 мм, D=19 мм P_ном=318 кПа	Останов	-0,016	15,9	0,0007
+L=120 мм, D=15 мм P_ном=328 кПа	Запуск	1,174	16,1	0,0004
+L=120 мм, D=15 мм P_ном=328 кПа	Останов	-0,020	20,7	0,0004

Анализ показал, что

- уменьшение объема горелки за счет предварительного перемешивания топливной смеси в отдельном устройстве, а следовательно более быстрое ее воспламенение и сгорание значительно снижает времена переходных процессов запуска и остановки горелки;

- одновременное с ней включение запального устройства, практически мгновенное воспламенение и сгорание, отсутствие цилиндрической части камеры сгорания гарантируют предельно быстрый выход горелки на установившийся режим работы и низкий импульс последействия;

- для синтеза АСУ ГТН очень важным обстоятельством является необходимость использования малоинерционной измерительной аппаратуры и исполнительных механизмов;

- открытием клапанов и подачей модельной смеси должна управлять специальная автоматическая система запуска, обеспечивающая заданный выход горелки на рабочий и штатный режимы ее остановки.

Список использованных источников

1. J.R. Davis, Ed., Handbook of Thermal Spray Technology, ASM International, Materials Park, OH, 2004.

2. Галаган П.В. Системный подход к использованию информационных технологий в процессах напыления упрочняющих покрытий. Сборник трудов XII Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения». –Орел: Издательство ОрелГТУ, 2010.

3. Титов Б.А., Сирант А.Л. Исследование динамики космического аппарата с системой ориентации на базе двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малой тяги. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, № 1. – Самара: Издательство СГАУ, 2007. -С. 98-105.