Автоматизация контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды

Актуальность темы

Множество разнообразных изделий работает в условиях эксплуатации при избыточном давлении рабочей среды. Одним из важнейших параметров работоспособности изделий является герметичность. К таким изделиям относятся трубопроводы различного назначения, стационарные сосуды на промышленных предприятиях, сосуды и трубопроводы на подвижной технике, различные виды трубопроводной арматуры. Из практики испытаний изделий на промышленных предприятиях известно, что испытания изделий на герметичность практически не автоматизированы, в подавляющем большинстве случаев не имеется устройств автоматизированного контроля герметичности по утечкам пробной среды, что особенно требуется вводимыми стандартами по герметичности изделий с конкретными требованиями по допустимым утечкам пробной среды и точности контроля герметичности.

В работах Сажина С. Т. /15, 81/, Гуревича Д. Ф. /29, 30/, Лем-берского В.Б. /81/, Долотова A.M., Огар П. М. /32/, Кондакова JI.A. /52/, Голубева А. И. /21, 83/, Ланис В. А. /60/ рассмотрены основы теории уплотнений и уплотнительной техники, общие вопросы автоматизации технологических процессов испытаний изделий на герметичность. Способы и устройства контроля герметичности освещены во многих отечественных /1−15/ и зарубежных /44−48, 70−72/ авторских свидетельствах и патентах, сайтах Интернета /85−118/ и научно-технической литературе /23−27, 31, 55, 63, 66, 69, 119−122/. Однако в этих работах не рассматривается метод повышения контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды в испытательных устройствах.

По литературным источникам рассмотрены основные методы испытаний и способы реализации наиболее применяемых на промышленных предприятиях манометрического, пузырькового и гидростатического методов испытаний. Подробно рассмотрены литературные источники, авторские свидетельства и патенты по контролю герметичности изделий по давлению, по разности давлений, при равенстве давлений в испытываемом изделии и эталонной емкости, при постоянном давлении в изделии, окруженном газом, при постоянном давлении и погружении изделия в жидкость, по контролю герметичности изделий с использованием звуковых и ультразвуковых колебаний. Установлено, что контроль герметичности изделий манометрическим, пузырьковым и гидростатическим методами не автоматизирован, контроль герметичности ведется по косвенным параметрам визуально без автоматизированного определения утечек пробной среды из изделия, точность контроля герметичности этими методами фактически не позволяет проводить контроль изделий по классам герметичности, А и В.

В условиях растущей потребности в проведении испытаний изделий на герметичность исследования по совершенствованию методов контроля герметичности изделий и разработке систем автоматизированного контроля герметичности изделий по утечкам пробной среды с использованием периодических возмущений пробной среды являются актуальными.

Целью работы является повышение эффективности испытаний на герметичность промышленных изделий путем создания автоматизированных систем контроля и управления при периодических возмущениях давления пробной среды. Показателями эффективности должны служить: а) прямые, а не косвенные количественные показатели утечек пробной среды при контроле герметичности изделийб) повышение чувствительности методов контроля герметичности изделий и уровня автоматизации основных технологических операций испытаний.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Разработка и теоретические исследования метода автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды в испытательных устройствах.

2. Разработка способа реализации гидростатического метода испытаний на герметичность с количественной оценкой утечек жидкости.

3. Разработка и исследование основных элементов и систем автоматизированного контроля герметичности изделий манометрическим, пузырьковым и гидростатическим методами при периодических возмущениях давления пробной среды в испытательных устройствах.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы № 1 000 000 120 «Разработка интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и управления» (2000 г. — н.в.) кафедры систем автоматизации производства ОГУ.

Объект исследований. В качестве объекта исследований в работе рассматриваются производственные процессы испытаний на герметичность, включающие способы испытаний, средства и системы контроля и управления.

Методы исследования. Использованы методы механики жидкостей и газов, методы теории автоматического управления — методы анализа нелинейных систем, методы проектирования цифровых систем автоматического управления.

Научная новизна работы:

Выполнено теоретическое обоснование метода контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды в испытательных устройствах.

Разработана методика расчета электромагнитного сильфонного исполнительного устройства автоматического управления амплитудой периодических возмущений в системе автоматизированного контроля герметичности изделий.

Разработаны математические модели объектов автоматического управления в системах автоматизированного контроля герметичности изделий.

Практическая значимость работы:

Разработаны способы, устройства и системы автоматизированного контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды при испытаниях изделий манометрическим, пузырьковым и гидростатическим методами. Предлагаемые способы и устройства испытаний защищены рядом авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Предложены инженерные методики расчета устройств САУ амплитудой периодических возмущений давления пробной среды при контроле герметичности изделий.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в филиале «Оренбургбургаз» ООО «Бургаз» ОАО «Газпром», Оренбургском отделении Южно-Уральской железной дороги ОАО «Российские железные дороги», ООО Научно-производственное предприятие «ТАН» (г. Оренбург).

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были одобрены на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Проблемы современного энергомашиностроения» (Уфа, 2002), международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Санкт — Петербург, 2003), региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование и обработка информации в технических системах» (Рыбинск, 2004).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, в том числе 5 статей в научных журналах, получено 2 патента и решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 122 наименований. Общий объем работы 193 страницы, в том числе 154 страницы машинописного текста, 54 рисунка и 28 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

1. Разработан пузырьковый способ и устройства реализации гидростатического метода контроля герметичности изделий жидкостью. Способ позволяет осуществлять автоматизированный контроль герметичности изделий по газовым пузырькам в пузырьковой камере при испытаниях изделий жидкостью при равном или неравном давлении пробной жидкости в изделии и давлении контрольного газа в эталонной емкости.

2. Разработан метод контроля герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды в испытательных устройствах. Сущность метода состоит в том, что при подаче в устройство контроля герметичности изделий периодических возмущений давления пробной среды происходит линеаризация нелинейных характеристик измерительных устройств (горизонтальной трубки, пузырьковой камеры), обусловленных действием поверхностного натяжения жидкости.

3. Теоретическими и экспериментальными исследованиями для устройств контроля герметичности изделий с использованием горизонтальной трубки установлено:

— изменение перепада давлений на жидкостном поршне горизонтальной трубки от утечек пробного газа из изделия не изменяет формы фазовой траектории движения жидкостного поршня, а пропорционально сдвигает фазовую траекторию движения поршня в трубке в направлении снижения давления среды в изделии;

— подводимые в устройство контроля герметичности изделий периодические возмущения по давлению способствуют формированию линейной зависимости перемещения жидкостного поршня в горизонтальной трубке в зависимости от перепада давлений от утечек среды из изделия практически в пределах от нуля до 100% зоны нечувствительности нелинейной характеристики;

— начальные значения давления в устройстве контроля герметичности изделия или снижение давления в изделии от утечек газа не влияют на результаты контроля герметичности изделий по амплитудам фазовых траекторий жидкостного поршня в горизонтальной трубке и поэтому метод контроля герметичности изделий при возмущениях по давлению пробной среды в изделии применим для различных давлений, при которых производятся испытания изделий.

4. Для систем автоматического управления, используемых при автоматизированном контроле герметичности изделий при периодических возмущениях давления пробной среды в изделии, разработаны два варианта исполнительного устройства: электромагнитное сильфонное с пружиной исполнительное устройство и электромагнитное сильфонное исполнительное устройство с пневматической разгрузкой сильфона давлением пробного или контрольного газа.

5. Установлены аналитические выражения изменения давления в сильфонном регулирующем органе, в регулирующем органе соединенным с изделием, и регулирующем органе, соединенным с изделием, горизонтальной трубкой и эталонной емкостью, в зависимости от перемещения подвижного торца регулирующего органа. Определена зависимость между перемещением подвижного торца сильфонного регулирующего органа и перемещением жидкостного поршня в горизонтальной трубке различных диаметров.

6. Проведены расчеты по выбору сильфона и электромагнита электромагнитного сильфонного исполнительного устройства с пневматической разгрузкой сильфона давлением пробного или контрольного газа для САУ амплитудой периодических возмущений давления пробной среды, а также определены численные значения коэффициентов и постоянных времени передаточных функции электромагнита и сильфона исполнительного устройства.

7. Проведено математическое описание изделий, испытываемых на герметичность жидкостью, как объектов автоматического управления на примере железнодорожных цистерн для перевозки углеводородного сырья и испытываемых на герметичность водой.

8. Разработаны системы автоматизированного контроля герметичности изделий пробным газом или пробной жидкостью при периодических возмущениях давления пробной среды с использованием устройств с горизонтальной трубкой, пузырьковой камерой и дифференциальным манометром, каждая из которых содержит систему автоматического управления (САУ) амплитудой периодических возмущений давления пробной среды и систему автоматического измерения объема утечек среды из изделия за установленное время контроля герметичности.

9. Проведен синтез САУ амплитудой периодических возмущений давления пробной среды — основной составляющей систем автоматизированного контроля герметичности изделий манометрическим, пузырьковым или гидростатическим методом: составлены функциональные и структурные схемы САУ, определена передаточная функция управляемого процесса, проведено z — преобразование передаточной функции управляемого процесса, проведен анализ управляемого процесса в частотной области с использованием логарифмических частотных характеристик и билинейного преобразования передаточных функций на W плоскости, выбран регулятор с параметрами настройки и построены логарифмические частотные амплитудная и фазовая характеристики скорректированной САУ амплитудой периодических возмущений давлений пробной среды.

Логарифмические частотные характеристика САУ с выбранным регулятором показывает, что на рабочей частоте квантования и работы САУ, равной 0,1 с" 1, запас по фазе составляет 47°, а запас по амплитуде — 61,3 дБ.

Построены переходные характеристики, определены статические ошибки САУ амплитудой периодических возмущений давления пробного газа и установлено, что САУ работоспособна в диапазоне коэффициентов усиления регулятора от 40 до 500.

Проведена реализация выбранного дискретного регулятора САУ амплитудой периодических возмущений давления пробной среды в виде импульсного пропорционально-интегрального RC — контура, проведена оценка установившихся ошибок по положению и скорости САУ амплитудой периодических возмущений. Установившаяся ошибка по положению составляет 1,9%, коэффициент ошибки по скорости — 0,014 В/с.

10. Полученные теоретические и экспериментальные результаты показывают, что при периодических возмущениях давления пробной среды в изделии или устройствах испытаний можно проводить автоматизированный контроль герметичности изделий манометрическим, пузырьковым или гидростатическим методами как в зоне нечувствительности нелинейных характеристик звеньев систем контроля, так и вне зоны нечувствительности. Это позволяет проводить контроль герметичности по утечкам пробной среды, например, затворов трубопроводной арматуры всех классов герметичности, А — D в соответствии с требованиями стандартов. Точность контроля герметичности изделий в зоне действия сил поверхностного натяжения жидкости в горизонтальной трубке при периодических возмущениях давления пробного газа составляет 2,0%.