Neuro-fuzzy optimisation of plasma spraying for the restoration of forestry machine parts

Совершенствование технологий восстановления и упрочнения ответственных деталей лесных машин — таких как направляющие гидроцилиндров, валы, шнеки и режущие кромки — является ключевой задачей для повышения их ресурса и общей надёжности в условиях интенсивных ударных, абразивных и коррозионных нагрузок. Плазменное напыление, обеспечивающее формирование высокопрочных износостойких покрытий из тугоплавких материалов (карбидов, боридов, оксидов), занимает центральное место среди методов поверхностного модифицирования. Однако традиционные режимы непрерывной дуги зачастую сопряжены с рядом технологических ограничений: локальный перегрев и термическая деформация тонкостенных деталей, недостаточная адгезия и повышенная пористость слоя, а также низкий коэффициент использования порошкового материала. Эти факторы напрямую влияют на долговечность восстановленных узлов в агрессивной среде лесозаготовки.

Перспективным направлением преодоления указанных ограничений является внедрение импульсных режимов плазменного напыления с модуляцией электрических параметров дугового разряда. Динамическое управление мощностью дуги позволяет целенаправленно трансформировать термогазодинамическую структуру плазменной струи: интенсифицировать тепло- и массообмен, генерировать ударные волны, увеличивать скорость и температуру частиц порошка. Это, в свою очередь, способствует повышению плотности покрытия, улучшению его сцепления с основой и снижению общего теплового ввода в деталь. Особый интерес представляет сравнительный анализ механизмов воздействия для плазмотронов различного принципа действия — косвенной (несвязанной) и прямой дуги. В первом случае основной акцент делается на максимизацию кинетической энергии частиц, во втором — на управляемое тепловое воздействие в области анодного пятна, что может приводить к локальному микропроплавлению основы и формированию сварных соединений на границе раздела.

Несмотря на растущий интерес к импульсным технологиям, задача комплексного моделирования и оптимизации такого многопараметрического процесса, где управляющими факторами являются амплитуда, частота и длительность импульсов, остаётся актуальной. Особенно это важно для адаптации технологии к восстановлению конкретных деталей лесных машин, требующих баланса между высокой адгезионной прочностью и минимальной термической деформацией.

Имеется значительное количество работ, посвященных процессу плазменного напыления, но эти работы либо касаются эффективности плазменного напыления

Целью настоящей работы являлась разработка математической модели процесса плазменного напыления с модуляцией параметров косвенной дуги.

В этой связи для решения задачи комплексного управления процессом напыления наиболее перспективным является использование методов динамической модуляции. Повышение качества износостойких плазменных покрытий обеспечивается за счёт двух основных подходов:

– модуляция электрических параметров при плазменном напылении;

– комбинированное электромеханическое воздействие на формируемый слой.

Динамическое управление параметрами плазменного процесса является одним из эффективных методов совершенствования технологии и его оптимизации. Оно позволяет целенаправленно влиять на тепловые и газодинамические процессы путём модуляции мощностей дуг плазмотрона. Конкретные механизмы такого управления различаются в зависимости от типа используемого плазмотрона — прямого или косвенного действия.

Для плазмотрона косвенного действия управление динамикой направлено на максимизацию мощности импульсов дуги, что необходимо для повышения кинетической энергии напыляемых частиц.

Для плазмотрона прямого действия ключевая задача – генерация импульсов мощности, которые обеспечивают: оптимальную плотность распределения при проплавлении покрытия; формирование равномерного температурного поля с минимальным разбросом.

Техническая реализация управления основана на регулировке параметров модулятора: амплитуды импульсов, дуги, частоты модуляции, длительности импульсов.

Модель процесса модуляции для дуг косвенного и прямого действия схематично представлены на рисунках 1 и 5.

Рисунок 1 - Модель процесса модуляции косвенной дуги плазматрона

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.1

Преобразование модулированной электрической энергии импульсов в тепловую и газодинамическую составляющие, определяющее ключевые параметры плазменной струи, энергию напыляемых частиц и общий КПД процесса, моделируется в рамках физической модели плазменного напыления с модуляцией косвенной дуги. Характер протекающих в струе физических процессов определяется частотой модуляции νм, а также временными (τм) и энергетическими (ΔN, dN/dt) параметрами импульсов.

Основные термодинамические процессы, происходящие при модуляции мощности дуги, заключаются в следующем:

– Газодинамическая трансформация плазменного потока: генерация энтропийных и ударных волн, индуцирование турбулентности, выравнивание поперечного профиля скорости (А) и увеличение протяжённости зон с высокими значениями температуры (LТ) и энтальпии (LΔH).

– Интенсификация взаимодействия «струя — частица»: рост коэффициентов аэродинамического сопротивления (CD) и теплопередачи (α), что приводит к повышению эффективности увлечения и нагрева порошка, выражающейся в увеличении коэффициента использования материала и теплового КПД плазмотрона (η).

– Рост кинетической и тепловой энергий частиц: увеличение скорости движения частиц (Vч) и скорости их нагрева (dTч/dt).

Такой термодинамический характер струи позволяет повысить энергетическое состояние частиц и при соударении их с подложкой обуславливает улучшение условий формирования покрытия. За счёт роста динамического и импульсного давления усиливается деформация и физический контакт «частица — подложка», что в конечном итоге модифицирует структуру и свойства покрытия: снижает пористость (П) и повышает его прочностные характеристики, а именно адгезионную (σа) и когезионную (σк) прочность.

Моделирование технологического процесса плазменного напыления с модуляцией параметров косвенной и прямой дуг выполнено с применением гибридного нейро-нечеткого подхода. Исследуемыми управляющими факторами (входные данные модели) выступали параметры импульсной модуляции дугового разряда: амплитуда тока, частота и длительность импульсов. Критериями оптимизации (выходные данные модели) являлись структурно-механические характеристики покрытия: прочность сцепления и пористость.

В программной среде математического моделирования Anfis Matlab на основе методов нейро-нечеткого вывода разработана математическая модель процесса плазменного напыления с модуляцией параметров косвенной дуги.

Входные параметры модели:

– амплитуда импульсов дуги, ΔN, варьируемая в диапазоне 10...20 А;

– частота модуляции, ν, постоянная величина 7500 Гц;

– длительность импульсов, τимп, варьируемая в диапазоне 40...50 мкс.

Выходные параметры модели (прогнозируемые характеристики покрытия):

– прочность покрытия, σа, МПа;

– пористость покрытия, П, %.

Верификация адекватности разработанной модели проводилась посредством анализа в редакторе правил системы нечёткого вывода Rule Viewer (рисунок 2).

Рисунок 2 - Редактор правил Rule Viewer с отображением выходных параметров:

а – прочность соединения; б – пористость покрытия

Примечание: модуляция косвенной дугой

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.2

Визуализация построенной модели выполнена с использованием инструмента просмотра поверхности View/Surface (рисунки 3, 4).

Рисунок 3 - Модель плазменного напыления с модуляцией косвенной дуги:

а – σ=f(ꚍимп, ν); б – σ=f(ꚍимп,ΔN); в – σ=f(ν,ΔN)

Примечание: целевая функция – прочность соединения

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.3

Рисунок 4 - Модель плазменного напыления с модуляцией косвенной дуги:

а – П=f(ꚍимп, ν); б – П=f(ꚍимп,ΔN); в – П=f(ν,ΔN)

Примечание: целевая функция – пористость покрытия

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.4

Анализ аппроксимационных поверхностей, полученных в результате нейро-нечеткого моделирования процесса плазменного напыления при модуляции параметров косвенной дуги, подтверждает адекватность построенной модели.

Модуляция мощности прямой дуги представлена в виде схемы физического процесса в системе «покрытие – основа» (рисунок 5).

Указанные процессы аналогичны процессам, возникающим при модуляции косвенной дуги, а именно: импульсное выделение электрической энергии в дуговом разряде приводит к скачкообразному росту тепловой и гидродинамической составляющих энергии. Сгенерированная в импульсе тепловая энергия преимущественно передаётся подложке в области анодного пятна. Возрастание давления на подложку в зоне пятна, а также расширение канала дуги обеспечивается гидродинамической энергией. Расширение канала дуги инициирует распространение бегущих волн, вектор распространения которых ортогонален оси плазменной струи. В отличие от косвенной дуги, прямая дуга не ограничена стенками канала плазмотрона и не подвержена сжатию плазмообразующим газом, что исключает отражение ударных волн от стенок. Вследствие этого энергия бегущих волн быстро затухает, уменьшаясь обратно пропорционально квадрату расстояния от оси дуги, и её вклад становится пренебрежимо малым по сравнению с тепловой энергией.

Ключевое технологическое воздействие модуляции мощности прямой дуги заключается в локализованном тепловыделении и увеличении давления на поверхность подложки в области анодного пятна. Термодинамические параметры импульсного режима, такие как импульсная мощность, длительность и форма импульса, являются определяющими для данного процесса.

Рисунок 5 - Модель процесса модуляции прямой дуги плазматрона

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.5

Применяя аналогичный методологический подход, выполнено нейро-нечеткое моделирование процесса плазменного напыления в условиях модуляции электрических параметров прямой дуги.

Входные параметры модели:

– амплитуда импульсов дуги, ΔN в диапазоне 30…18 А;

– частота модуляции, ν — 1000…10 Гц;

– длительность импульсов, ꚍимп в диапазоне 0,4…0,5 мкс.

Выходные параметры модели (прогнозируемые характеристики покрытия):

– прочность покрытия, σа, МПа;

– пористость покрытия, П (%).

Оценка корректности и адекватности модели проводилась путём анализа и визуализации её логической структуры в редакторе правил системы нечеткого вывода Rule Viewer (рисунок 6).

Рисунок 6 - Редактор правил Rule Viewer с отображением выходных параметров:

а – прочность соединения; б – пористость покрытия

Примечание: модуляция прямой дугой

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.6

Поверхности отклика построенной модели, отражающие зависимости выходных параметров от входных факторов, визуализированы с использованием модуля View/Surface (рисунки 7, 8).

Рисунок 7 - Модель процесса плазменного напыления с модуляцией параметров прямой дуги:

а – σ=f(ꚍимп,ν); б – σ=f(ν,ΔN); в – σ=f(ꚍимп,ΔN)

Примечание: выходная переменная – прочность соединения

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.7

Рисунок 8 - Модель процесса плазменного напыления с модуляцией параметров прямой дуги:

а – П=f(ꚍимп,ν); б – П=f(ꚍимп,ΔN); в – П=f(ν,ΔN)

Примечание: выходная переменная – пористость покрытия

DOI:10.60797/IRJ.2026.165.9.8

Анализ аппроксимационных поверхностей, полученных в результате моделирования процесса плазменного напыления с модуляцией параметров прямой дуги, подтверждает адекватность и точность разработанной гибридной нейро-нечеткой модели.

Результаты апробации моделей на тестовых примерах представлены в таблица

В зависимости от параметров импульса наблюдаются два механизма взаимодействия. В первом режиме импульсное энерговыделение в области анодного пятна вызывает локальное проплавление подложки до границы раздела фаз «покрытие–основа», приводящее к образованию точечных сварных соединений. Во втором режиме проплавление исключается за счёт подбора параметров модуляции (амплитуда и длительность импульса мощности, частота), обеспечивающих либо равномерный нагрев подложки в процессе осаждения, либо её поверхностную термообработку (закалку или модификацию).

Таким образом, импульсная модуляция мощности прямой дуги, основанная на трансформации электрической энергии в тепловую, обеспечивает два ключевых технологических преимущества. Во-первых, формирование равномерно распределённой системы микросварных точек повышает адгезионную прочность покрытия. Во-вторых, достигается более контролируемое и равномерное распределение температуры, что снижает общий тепловой ввод в подложку по сравнению с процессами непрерывной плазменной наплавки.

Проведённое исследование было направлено на разработку и оптимизацию технологии импульсного плазменного напыления износостойких покрытий для восстановления ответственных деталей лесных машин.

В работе решена актуальная задача преодоления технологических ограничений традиционных методов, таких как локальный перегрев, недостаточная адгезия и повышенная пористость, за счёт внедрения динамического управления параметрами дугового разряда.

Результаты работы демонстрируют, что импульсная модуляция мощности дуги обеспечивает два ключевых технологических преимущества:

– повышение адгезионной прочности покрытия за счёт формирования системы микросварных точек;

– снижение общего теплового ввода в деталь, что минимизирует риск термической деформации.

Это позволяет рекомендовать разработанный подход для восстановления тонкостенных и термически чувствительных узлов лесных машин, работающих в условиях интенсивных абразивно-ударных нагрузок.

Таким образом, применение нейро-нечеткой оптимизации импульсного плазменного напыления открывает перспективы для создания адаптивных технологий восстановления, обеспечивающих высокий ресурс и надёжность ответственных деталей лесных машин в условиях агрессивной эксплуатации.