Актуальность темы
В последнее время в связи с износом энергетического оборудования резко повысились требования к обеспечению безопасности в области энергетики. Это в первую очередь относится к турбогенераторам большой единичной мощности, в частности установленным на АЭС.
Одним из конструктивных элементов, определяющих надежность турбогенераторов, являются бандажные кольца, служащие для укрепления лобовых частей обмоток турбогенераторов. Бандажное кольцо должно отличаться высокой прочностью и однородностью механических характеристик, а также не оказывать воздействие на внутренние магнитные поля турбогенераторов. Такими свойствами обладают кольца из аустенитной (немагнитной) стали, подвергнутые холодной пластической деформации, степень которой может составлять 50−60% для достижения необходимых величин пределов текучести и прочности по объему кольца.
Снижение прочностных свойств бандажных колец приводит к их разрушению в процессе эксплуатации турбогенераторов с катастрофическими последствиями. На рис. В1 изображены последствия разрушения бандажного кольца.
Рисунок В1 — Последствия разрушения бандажного кольца
Требуемые уровни механических свойств колец могут быть достигнуты в процессе холодного пластического гидрорастяжения колец большого диаметра на мощном гидравлическом прессе под действием внутреннего давления жидкости без подпора наружной поверхности заготовки. 'В этом случае гидрорастяжение является частным способом гидравлической штамповки полых крупногабаритных изделий.
При гидрорастяжении кольцевую заготовку устанавливают между вертикально расположенными конусами, связанными с нижней подвижной траверсов и архитравом вертикального гидравлического пресса. Вместе с заготовкой между конусами гидравлического пресса помещают цилиндрическую оправку. Описанная конструкция образует замкнутую внутреннюю полость между внутренней поверхностью заготовки и наружной поверхностью оправки. Гидравлическое растяжение заготовки осуществляют путем подачи во внутреннюю полость жидкости сверхвысокого давления и сближения конусов усилием пресса для обеспечения постоянной герметичности внутренней полости. Под действием сверхвысокого давления жидкости во внутренней полости и усилий раздачи заготовки со стороны сближающихся конусов происходит холодная пластическая деформация кольцевой заготовки. При этом не должны искажаться по высоте наружная и внутренняя цилиндрические поверхности кольцевой заготовки. Нарушение согласованности между движением конусов и возникающей радиальной деформацией заготовки приводит к искажению цилиндрической формы заготовки, а также появлению трещин и разрушению заготовки. Кроме того, в течение всего процесса гидрорастяжения необходимо обеспечивать герметичность внутренней полости заготовки.
Решение данной проблемы связано с созданием автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок.
Реальный процесс гидрорастяжения является сложным динамическим объектом управления, функционирующим в условиях неполной и нечеткой информации об основных технологических параметрах процесса. Этим объясняется тот факт, что ранее разработанные детерминированные автоматизированные системы управления процессом гидрорастяжения нуждаются в коренной модернизации. Значительно повысить эффективность работы автоматизированной системы управления может интеллектуализация процессов управления, а конкретно — построение системы управления с использованием методов нечеткой логики.
Таким образом, разработка эффективной автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения бандажных колец большого диаметра и методов прогнозирования механических свойств по объему колец направлена на решение реальных задач, связанных с производством упрочненных бандажных колец, предназначенных для повышения безопасности турбогенераторов большой единичной мощности, является актуальной.
Объектом исследования является автоматизация мощного гидравлического пресса усилием 300 МН предназначенного для изготовления методом гидрорастяжения крупногабаритных бандажных колец, укрепляющих лобовые части обмоток роторов турбогенераторов большой единичной мощности.
Предметом исследования являются вопросы создания автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения крупногабаритных бандажных колец из высокопрочной аустенитной (немагнитной) стали.
Цель диссертационной работы: разработка технологических, методологических и теоретических основ построения автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок для повышения производительности процесса гидрорастяжения, геометрической точности и качества бандажных колец большого диаметра.
Задачи исследования
1. Построить математическую модель процесса гидрорастяжения, учитывающую влияние основных технологических параметров на точность и качество кольцевых заготовок.
2. Разработать имитационную модель технологического процесса гидрорастяжения для исследования и моделирования АСУ в условиях нечеткости и неопределенности технологических параметров процесса.
3. Разработать систему бесконтактного измерения геометрической формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения на основе оптоэлектронных приборов.
4. Разработать концепцию построения автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на основе системного и структурно-функционального подходов.
5. Разработать алгоритм и способ управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок в условиях параметрической неопределенности технологического процесса на основе метода нечеткой логики.
6. Оценить эффективность предложенного подхода к управлению процессом гидрорастяжения бандажных колец большого диаметра.
Методы исследования
При выполнении исследований использованы вариационные методы механики твердых деформируемых тел. Теории автоматического управления и построения автоматизированных систем управления методами нечеткой логики, математического и имитационного моделирования технологических процессов обработки металлов давлением, измерений, математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных положений и методов исследования, корректном применении математического аппарата, согласовании новых результатов с ранее известными теоретическими положениями.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель процесса гидрорастяжения, учитывающая влияние основных технологических параметров на точность и качество кольцевых заготовок.
2. Имитационная модель процесса гидрорастяжения для моделирования технологического процесса в условиях неопределенности технологического процесса.
3. Система бесконтактного измерения геометрической формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения на основе оптоэлектронных приборов.
4. Концепция построения автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на основе системного и структурно-функционального подходов.
5. Алгоритм и способ управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок в условиях параметрической неопределенности технологического процесса на основе метода нечеткой логики.
6. Результаты экспериментальных исследований эффективности предложенного подхода к управлению процессом гидрорастяжения бандажных колец большого диаметра.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Новизна разработанной математической модели процесса гидрорастяжения крупногабаритных кольцевых заготовок заключается в том, что она учитывает сложность формы заготовки и позволяет определить формоизменение заготовки и степень накопленной деформации в материальных точках по всему объему заготовки.
2. Новизна разработанной имитационной модели процесса гидрорастяжения заключается в том, что облегчает проектирование ТП гидрорастяжения и построение автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения.
3. Новизна разработанной системы бесконтактного измерения геометрической формы кольцевой заготовки в процессе гидрорастяжения на основе оптоэлектронных приборов заключается в том, что позволяет в автоматическом режиме, не влияя на динамические характеристики системы управления, с большой точностью измерять диаметр и форму кольцевой заготовки.
4. Новизна разработанной концепции построения автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения на основе системного и структурно-функционального подхода заключается в том, что позволяет одновременно поддерживать оба регулируемых параметра с высокой точностью.
5. Новизна разработанного алгоритма и способа управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок на основе метода нечеткой логики заключается в том, что позволяет организовать управление процессом гидрорастяжения в условиях параметрических неопределенностей и обеспечить близкие к оптимальным в смысле технико-экономических критериев технологические режимы.
6. Новизна экспериментального исследования состоит в использовании автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения на основе методов нечеткой логики для управления ТП, что позволяет выявить повышение производительности, геометрической точности и качества бандажных колец большого диаметра.
Практическая значимость полученных результатов и их реализация:
1. Разработана система бесконтактного измерения размеров и геометрической формы кольцевой формы в процессе гидрорастяжения, которая позволяет увеличить точность производимых измерений на 35%.
2. Разработана модель процесса гидрорастяжения, который позволяет моделировать технологический процесс и обучать обслуживающий персонал в условиях неопределенностей технологического процесса, что позволило вдвое ускорить процесс разработки и освоения управления процессом гидрорастяжения.
3. Разработана модель управления механическими свойствами бандажного кольца в процессе гидрорастяжения, которая позволяет прогнозировать качество и повышать надежность готовых изделий в зависимости от уровня технологических параметров кольцевых заготовок и режимов режимом управления ТП гидрорастяжения.
4. Полученные результаты нашли применение в процессе модернизации гидропрессовой установки усилием 300 МЫ для производства бандажных колец на ОАО «Уралмашзавод».
Результаты исследований используются в учебном процессе Уральского государственного университета путей сообщения при преподавании дисциплины «Технологии автоматизированного машиностроения» для специальности 220 401 «Мехатроника».
Апробация работы
Результаты исследования и основные его положения докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Мехатроника» (Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС) в г. Екатеринбурге, 2008;2011 гг.) и получили положительную оценку на следующих конференциях и симпозиумах, проводимых различными академическими учреждениями и высшими учебными заведениями России:
• 5-я научно-техническая конференция «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2008), С.-Петербург, 2008;
• Пятая всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых. Актуальные проблемы науки и техники. Машиностроение, электроника, приборостроение, Уфа, 2010;
• 7-я научно-техническая конференция «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ-2010), С.-Петербург, 2010;
• 15-я Международная научно-техническая конференция «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», «АПИР-15», Тула, 2010;
• Всероссийская научная конференция молодых ученых «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ», Новосибирск, 2010.
• 10-я Всероссийская научная конференция с международным участием «Краевые задачи и математическое моделирование», Новокузнецк, 2010;
• Международная научно-техническая конференция «Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура», Екатеринбург, 2011.
Связь исследований с научными программами
Диссертация является результатом исследований, проводимых на кафедре «Мехатроника» УрГУПС согласно Перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденному Президентом Российской Федерации 21.05.2006 Пр-842, а также в рамках Программы «Интеллектуальные системы управления процессом гидрорастяжения кольцевых заготовок большого диаметра на гидравлическом прессе усилием 300 МН», утвержденной Техническим директором ООО «Уралмашспецсталь» 26.07.2007 и комплексной госбюджетной научно-исследовательской работы МТХ-3 «Интеллектуальные мехатрон-ные системы: методы проектирования, примеры практического применения».
Публикации
Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 1 научная статья в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК, 1 патент на изобретение, 8 статей в сборниках материалов всероссийских и международных конференций.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 131 страниц основного текста, 45 рисунков и 2 таблицы.
Список литературы
включает 46 наименований.
Выводы по главе 4
1. Разработанные состав и структура АСУ ТП гидрорастяжения базируются на применении структурно-функционального подхода к их проектированию. Основой функционального анализа является применение САБЕ-средств, специализированного ПО ЕЯм>т. Основой структурного анализа является применение методов имитационного моделирования. В ходе разработки состава и структуры АСУ ТП показано, что функциональная модель системы полностью удовлетворяет функциональным требованиям, предъявляемым ОАО «Урал-машзавод» к ТП гидрорастяжения, а также, что состав и структура АСУ ТП приведены в соответствие с функциональной моделью системы. Нечеткий контроллер, входящий в состав АСУ ТП гидрорастяжения, образует замкнутую систему управления с отрицательной обратной связью. Показано, что данная конфигурация главного контроллера АСУ ТП гидрорастяжения является работоспособной и может быть применена на ОАО «Уралмашзавод».
2. Разработанная светодальномерная система бесконтактного измерения диаметра и формы кольцевой заготовки использует разностный метод измерения контролируемых параметров в разных сечениях по высоте заготовки в сочетании с применением лазерно-оптических приборов измерения, автоматической системой реконфигурации и управления измерительными приборами. Показано, что разработанная система бесконтактного измерения диаметра и формы кольцевых заготовок обладает устойчивостью к изменению положения кольцевой заготовки в пространстве во время процесса гидрорастяжения, а также гибкостью конфигураций использования измерительного оборудования и способностью в автоматическом режиме изменять конфигурацию и положение системы в пространстве во время процесса гидрорастяжения. Также показано, что система бесконтактно измерения диаметра и формы кольцевых заготовок работает как обособленный контур и не влияет на динамику работы остальной части АСУ ТП гидрорастяжения.
3. Разработанный алгоритм работы АСУ ТП позволяет управлять процессом гидрорастяжения в комбинированном режиме: ручном и автоматическом, что делает его универсальным инструментом для использования в ТП гидрорастяжения на ОАО «Уралмашзавод», и позволяет регулировать управляющие параметры на основании показаний датчиков и результатов функций контроля. Основой алгоритма является контроллер, реализующий принципы ситуационного управления с использованием метода нечеткой логики. Работа алгоритма АСУ ТП происходит по шагам. На каждом шаге деформирования определяется текущие состояние ТП и заготовки (геометрические и механические параметры) и формируются управляющие воздействия на основе экспертной базы знаний. Во время экспериментальных исследований было показано, что АСУ ТП, реализующая разработанный алгоритм работы системы, удовлетворяет технологическим требованиям, предъявляемым к системе управления, в полной мере реализует переход от ручного управления к автоматическому и обратно и осуществляет процесс управления в соответствии с требованиями обеспечения безопасности протекания ТП гидрорастяжения.
4. Для подтверждения работоспособности разработанной АСУ ТП гидрорастяжения, построенной на основе принципов ситуационного управления и метода нечеткой логики, на гидравлическом прессе усилием 300 МН в режиме ручного управления были использованы результаты имитационного моделирования работы системы в условиях возникновения различных ситуаций состояния процесса гидрорастяжения, а также проведено моделирование полного цикла процесса гидрорастяжения. Управление процессом гидрорастяжения осуществлялось регулированием скорости движения траверсы пресса Ут и величиной сверхвысокого давления во внутренней полости заготовки q. Показано, что разработанная АСУ ТП адекватно управляет процессом гидрорастяжения в различных производственных ситуациях, регулируя оба управляющих параметра, и обеспечивает требуемые цели управления по поддержанию искажения формы заготовки в допустимых технологических пределах (±3 мм и ±5 мм для разных типоразмеров заготовок) и достижению заданной степени упрочнения кольцевой заготовки 50−60%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана математическая модель процесса гидрорастяжения крупногабаритных кольцевых заготовок, учитывающая влияние основных технологических параметров и сложность формы заготовки на ее точность и качество и позволяющая определить формоизменение заготовки и степень накопленной деформации в материальных точках по объему заготовки с большой точностью. Математическая модель позволила выявить значительную неоднородность (в пределах 20.30%) распределения деформации по объему заготовки.
2. Разработана имитационная модель ТП гидрорастяжения, позволяющая впервые в заводской практике, осуществить проектирование ТП и прогнозирование механических свойств бандажных колец, основанное на впервые полученной экспериментальным путем зависимости механических свойств от величины степени деформации заготовки, а также ставшая основой для разработки концепции построения, моделирования и исследования АСУ ТП гидрорастяжения.
3. Разработана новая лазерно-оптическая система бесконтактного измерения внешнего диаметра и формы заготовки. Использование разностного метода измерений в различных сечениях по высоте заготовки позволяет идентифицировать форму заготовки вне зависимости от ее положения, а пространстве. Система измерения работает как обособленный контур и не влияет на динамику работы основной части АСУ ТП гидрорастяжения.
4. Разработана концепция АСУ ТП гидрорастяжения, которая заключается в комплексной многорежимной и многоканальной автоматизации ТП гидрорастяжения, разработке многосвязной совокупности информационно-измерительных, управляющих и функционально-технических подсистем, и передачей управляющих функций от квалифицированного оператора ТП автоматике, организованной на основе современных информационных технологий, что способствовало в создании эффективной АСУ ТП гидрорастяжения, обладающей расширенными техническими возможностями по обеспечению ТП гидрорастяжения и вспомогательных технических операций. В рамках концепции АСУ ТП гидрорастяжения разработаны функциональная и структурная схемы АСУ ТП гидрорастяжения. Функционально-структурный подход к их проектированию базируется на применении САБЕ-средств (функциональный анализ) и методов имитационного моделирования (структурный анализ). Нечеткий контроллер, входящий в состав АСУ ТП образует замкнутую систему управления с отрицательной обратной связью.
5. Разработан алгоритм функционирования АСУ ТП гидрорастяжения кольцевых заготовок, который базируется на принципе ситуационного управления с использованием методов нечеткой логики обработки информационных потоков, позволяющий организовать управление процессом гидрорастяжения в условиях параметрических неопределенностей и обеспечить близкие к оптимальным в смысле технико-экономических критериев технологические режимы.
6. Практическое использование разработанной автоматизированной системы управления процессом гидрорастяжения бандажных колец позволит оптимизировать (стабилизировать) механические свойства и повысить надежность колец, сократит брак, улучшит условия труда и повысит безопасность обслуживающего персонала, повысит производительность процесса, из-за уменьшения времени ТП, связанное с вынужденными остановками для снятия размеров заготовки. От ОАО «Уралмашзавод» получен акт использования результатов диссертационной работы, представляющих большой практический интерес и, которые будут использованы при модернизации технологического комплекса.
