РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА И СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ОБОЛОЧЕК, ИСПЫТЫВАЮЩИХ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ

Иванюк А.К.

ORCID: 0000-0002-9383-4543, аспирант, Волгоградский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА И СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ОБОЛОЧЕК, ИСПЫТЫВАЮЩИХ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ

Аннотация

В статье рассмотрено – разработка автоматизированной программы для расчета минимальной толщины стенок оболочек из заранее заданного материала находящихся под заданным гидростатическим давлением. Схема реализации контроля с помощью современных микроконтроллеров и тензодатчиков, беспроводная передача данных с помощью wifi-модуля  на управляющий пункт.  

Ключевые слова: автоматизация, система мониторинга, промышленность.

 

Ivanyuk A.K.

ORCID: 0000-0002-9383-4543, Postgraduate student, Volgograd State Technical University

DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED CALCULATION AND SYSTEM OF MONITORING OF THE COVERS EXPERIENCING HYDROSTATIC COMPRESSION

Abstract

In the article development of the automated program for calculation of the minimum thickness of walls of covers from in advance set material being under the set hydrostatic pressure is considered. The scheme of realization of control by means of modern microcontrollers and strain gages, wireless data transmission by means of the wifi-module on the operating point.

Keywords: automation, monitoring system, industry.

В наше время вопрос об автоматизации на производстве занимает, пожалуй, первое место. Данный процесс позволяет не только сократить время создания готовой продукции, но и повысить качество продукции, уменьшить финансовые издержки. Особенную роль автоматизация стала играть в проведении испытаний новых образцов. Поясним, при создании нового продукта в любой отрасли, зачастую требуется его испытания на итоговой фазе, но чем больше новый продукт отличается от аналога, тем больше вероятности, что при испытаниях он не достигнет или не выдержит нужных параметров. Соответственно автоматизация позволяет провести неразрушающий контроль, подготовить объект до испытаний и устранить все недочеты. Это и определяет актуальность данного вопроса.

Рассмотрим данную идею на примере создания автоматизированной системы мониторинга для обнаружения критических зон (трещин) в герметических оболочках испытывающих гидростатическое сжатие давлением. Данный вопрос касается области в машиностроении производящей гидроакустическое оборудование для ВМФ. Новые разработанные приборы и системы на финальной фазе испытывают под давлением в бассейнах, и зачастую оболочки не выдерживают и дают трещину, соответственно внутренняя дорогостоящая аппаратура затапливается и приходится переделывать  конструкцию заново [1]. Это первая проблема, которую следует рассмотреть и решить. Вторая проблема заключается в вопросе, почему сконструированные оболочки не выдерживают требуемое давление. Очень редко это происходит из-за некорректных разработок инженеров, чаще процесс трещинообразования возникает из-за нелинейности или посторонних включений в материал, используемый для приборов. Так при использовании обычного материала АМг6 подобные вопросы не возникают, но для подводных систем требуется легкость конструкции и высокие коррозионные свойства, поэтому чаще всего используют материалы типа PVC-U или ПВХ [2]. А пластик характеризуется разнонаправленностью волокон и возможными включениями и неоднородностями в материале. Конструкция оболочек представляет собой совокупность 2-х геометрических фигур – трубы и сферы. Объясним и рассмотрим более подробно данный вопрос на примере следующих известных формул (1).

Задача по расчету толщины стенки оболочки исходя из внешнего давления и материала оболочки описывается следующим видом:

где  – внешнее давление,

– внутреннее давление,

 – наружный диаметр стенки,

 – допустимое напряжение, учитывающее устойчивость стенок трубы к продольному изгибу ,

 –допустимое напряжение на сжатие материала оболочки,

 – коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости трубы

 ,

 – коэффициент Пуассона,

 – длина трубы,

 – момент инерции поперечного сечения трубы [3].

Провести данный расчет возможно не для всех материалов. Так исследовав существующую литературу выяснилось что зависимость  является известной только для небольшой группы материалов, в частности для металлов и сплавов [4]. На рисунке приведена известная таблица таких зависимостей (Рис.1).

Рис. 1 - Данные к расчетам на устойчивость

Используя данную таблицу, автором была разработана автоматизированная программа для расчета минимальной толщины стенок оболочек из заранее заданного материала находящихся под заданным гидростатическим давлением.

Данная программа (Рис. 2) позволяет ускорить и упростить расчет.

Рис. 2 – Автоматизированная программа для расчета минимальной толщины стенки оболочки

Но для пластиковых труб данная зависимость не исследована, что в первую очередь объясняется тем, что материал не однородный, во-вторых нет достаточного количества экспериментальных данных для выявления данной зависимости [5]. Соответственно выдвигается два варианта решения данной проблемы – первый, проведение огромного количества испытаний на сжатие оболочек из ПВХ и выявление зависимостей, второй проведение ультразвуковой дефектоскопии. Второй вариант представляется для нас наиболее предпочтительным, так как он поможет выявить места являющиеся концентраторами напряжений.

Зная места с наиболее возможной критической деформацией, автор предлагает использовать современную автоматику, а именно  датчик тензометрии, подсоединённый к микроконтроллеру (Рис. 3). Прикрепив датчик продольного изгиба на место наиболее подверженное разрушению, мы сможем оперативно получать в режиме реального времени нагрузку на стенку оболочки, и при возникновении критических сил вовремя остановить испытание не разрушив внутренние составляющие.

Рис. 3 – Схема соединения микроконтроллера с тензодатчиком

Так как оболочка герметична, предлагается использовать wifi-модуль для дистанционной передачи данных. Данная концепция решает ряд поставленных задач и в настоящий момент проходит стадию внедрения на АО «НИИ Гидросвязи «Штиль».

Литература

1. Иванюк, А.К. Проектирование автоматизированной системы технологической подготовки производства корпусных деталей прибора связи [Электронный ресурс] / Иванюк А.К., Барабанов В.Г. // 65-я международная студенческая научно-техническая конференция, посвящённая 85-летию со дня основания вуза (г. Астрахань, 13-17 апр. 2015 г.): матер. (секция «Информационные системы и технологии, автоматизация и управление») / Астраханский гос. техн. ун-т. - Астрахань, 2015. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
2. Капустин, Н.М. Автоматизация машиностроения / Н.М. Капустин. Н.П. Дьяконова, П.М. Кузнецов. Под ред. Н.М. Капустина. – М.: Высшая школа, 2007. – 224 с.
3. Иванюк, А.К. Разработка новых подходов в методологии проектирования АСТПП / Иванюк А.К., Барабанов В.Г. // Сборник тезисов докладов по внутривузовскому смотру-конкурсу научных конструкторских и технологических работ студентов (г. Волгоград, 12-15 мая 2015 г.) / ВолгГТУ, Совет СНТО. - Волгоград, 2015. - C. 23.
4. Сердобинцев, Ю.П. Повышение качества функционирования технологического оборудования: монография / Ю.П. Сердобинцев, О.В. Бурлаченко, А.Г. Схиртладзе; ВолгГТУ. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 410с.
5. Иванюк, А.К. Синтез структурной схемы проектирования АСТПП на примере корпусных деталей/Иванюк А.К., Сердобинцев Ю.П. // Всероссийская научная конференция по проблемам управления в технических системах (ПУТС - 2015). Материалы конференции. Санкт-Петербург. 28-30 октября 2015г. Спб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2015. - С. 433-437.

References

1. V.G. Barabanov and A.K. Ivanyuk, “Developing a computer-aided system for technological production planning of communicating devices/ Проектирование автоматизированной системы технологической подготовки производства корпусных деталей прибора связи”, Astrakhan, April 2015 [65^th International Student Scientific and Technical Conference dedicated to the 85^th Anniversary of University Foundation, Information systems and technologies, computing and management].
2. N.P. Dyakonova, N.M. Kapustin, P.M. Kuznetsov, Computer-aided engineering manufacture/ Автоматизация машиностроения, Vysshaya shkola, 2007, p. 224.
3. V.G. Barabanov and A.K. Ivanyuk, Developing new approaches to the methods of CAM systems. VolgGTU, Sovet SNTO, May 2015, p.23
4. O.V. Burlachenko, Yu.P. Serdobintsev, and A.G. Skhirtladze, Increase in functioning qualities of manufacturing equipment/Повышение качества функционирования технологического оборудования: монография, VolgGTU, Stariy Oskol, TNT, 2013, p. 410
5. Yu.P. Serdobintsev and A.K. Ivanyuk, Synthesis of Structural CAM-system Engineering Schemes as examplified by box-shaped parts/Синтез структурной схемы проектирования АСТПП на примере корпусных деталей, Spb: Izd-vo SPbGETU “LETI”, St.Petersburg, 2015, pp. 433-437 [All-Russian Scientific Conference on Technical Systems Management Issues].