Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы измерения механических величин

Диссертационная работа:

Бориков Валерий Николаевич. Методы и средства измерений электрических параметров процесса формирования покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворах: автореферат дис. ... доктора технических наук: 05.11.01 / Бориков Валерий Николаевич;[Место защиты: Томском политехническом университете].- Томск, 2012.- 34 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы.

Практически во всех отраслях, деятельность которых связана с производством приборов, машин, механизмов, металлоконструкций, важнейшим видом обработки является формирование покрытий на поверхности изготавливаемых деталей. Наряду с традиционными технологиями поверхностной обработки деталей в растворах все большее применение находят технологии с использованием энергетического импульсного воздействия, в которых формируются нано-структурные неметаллические неорганические покрытия, что позволяет относить их к числу перспективных технологий получения и обработки конструкционных и функциональных наноматериалов.

Большой вклад в развитие научных исследований в этой области внесли Г.А. Марков, Л.А. Снежко и В.И. Черненко, П.С. Гордиенко, И.В. Суминов и А.В. Эпельфельд, Л.Т. Бугаенко, В.И. Малышев, А.В. Тимошенко, П. Курц (Р. Kurze) и Г. Маркс (G. Marx), Д. Албелла (J. Albella) и И. Монтеро (I. Montero), А.Л. Ерохин (A.L. Yerokhin) и др. В работах А.И. Мамаева впервые заявлено о применении импульсного энергетического воздействия в растворах, как наиболее эффективного способа формирования покрытий заданной толщины, пористости и состава на вентильных металлах и их сплавах.

Дальнейшее совершенствование, как самих этих технологий, так и необходимого для их внедрения высокопроизводительного оборудования, невозможно без создания соответствующих средств измерений и контроля параметров качества получаемого покрытия и процесса его нанесения.

Характерной особенностью процессов импульсного энергетического воздействия является большой динамический диапазон изменения электрических параметров процесса формирования покрытий: напряжений - от 100 до 1000 В и токов через границу раздела - от 10 до 10000 А при длительности импульса от 50 до 500 мкс. При малых длительностях энергетического воздействия форма импульса оказывает значительное влияние на качество покрытия, такие как толщина и пористость. Поэтому важно с достаточной для практики точностью измерять электрические параметры процесса с целью анализа формы энергетического воздействия и целенаправленного управления технологическим процессом и, следовательно, качеством покрытия определенного функционального назначения.

Знание формы сигнала воздействия и его отклика на это воздействие позволяет, используя современные информационные технологии, эффективно решать вопросы идентификации состояния системы, и, в конечном счете, определения косвенными методами качества сформированного покрытия.

Таким образом, диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи, заключающейся в разработке методов и средств измерений электрических параметров процессов при импульсном энергетическом воздействии в растворах электролита, позволяющих производить оценку качества получаемых покрытий в процессе обработки.

Актуальность работы подтверждена включением данной тематики в аналитическую ведомственную целевую программу (АВЦП) Рособразования и Федеральную целевую программу (ФЦП) Министерства образования и науки, а также в ведомственные программы Роснано и Роскосмос.

Цель диссертационной работы заключается в создании методов и средств анализа формы тока и напряжения микроплазменного процесса при импульсном энергетическом воздействии в растворах, обеспечивающих контроль качества покрытий металлических изделий на стадии их формирования.

Основными задачами диссертационной работы в связи с поставленной целью являются:

  1. Анализ существующих методов энергетического воздействия для нанесения покрытий в растворах, выявление электрических параметров процессов и диапазонов их изменений для адекватной оценки формируемого покрытия и получения информации о состоянии процесса микроплазменного оксидирования с целью управления качеством формируемого покрытия требуемого функционального назначения.

  2. Разработка математической модели начальных стадий микроплазменного процесса в терминах электрических величин и доказательство ее адекватности.

  3. Разработка методов измерения электрических параметров математической модели начальных стадий микроплазменного процесса и оценивание их точности.

  4. Разработка новых технических решений для средств измерений электрических параметров процесса микроплазменного оксидирования в импульсном режиме.

  5. Разработка принципов построения и создание системы автоматизированного сбора, анализа и представления данных о микроплазменном процессе.

Методы исследований. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электрических цепей и идентификации систем, теории погрешностей, математической статистики, системного анализа, математического моделирования, дифференциального и интегрального исчисления с использованием уравнений Фика и преобразований Лапласа. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты MATLAB, Mathcad, ANSYS, Lab VIEW. Экспериментальные исследования проводились в производственных и лабораторных условиях.

Научная новизна.

1. Разработана и исследована математическая модель начальных стадий микроплазменного процесса, учитывающая связь между протекающим через раствор током и напряжением поляризации, и обеспечивающая возможность контролировать качество формирования покрытия путем измерения параметров электрической цепи микроплазменной системы.

  1. Предложен метод определения параметров математической модели (сопротивления и емкости границы раздела, сопротивления раствора, индуктивности токоведущих проводов) микроплазменного процесса, основанный на анализе формы энергетического воздействия и отклика на него (защищен патентом РФ № 2284517).

  2. Разработан метод идентификации материала подвергаемого оксидированию изделия, позволяющий на основе информации об электрических параметрах микроплазменного процесса адаптировать его к свойствам этого материала (защищен патентом РФ № 2281487).

  3. Разработана конечно-элементная модель, конструкция и метод оценки метрологических характеристик коаксиального шунта с улучшенными динамическими характеристиками, предназначенного для измерения мгновенных значений тока микроплазменного процесса (решения защищены патентом РФ № 80585).

  4. Предложены структура, принципы построения и практическая реализация измерительной информационной системы, позволяющей в реальном времени измерять характеризующие микроплазменный процесс ток и напряжение в широком динамическом диапазоне с адаптивным высоким разрешением.

  5. Предложены технические решения по построению источников импульсных энергетических воздействий с программируемой формой фронта импульса, получившие широкое промышленное внедрение (патент РФ № 2330353, сертификаты об утверждении типа средства измерения РФ № 28856-05).

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Математическая модель начальных стадий микроплазменного процесса, полученная на основе линейных цепей, позволяет описывать изменение тока в растворе от поляризационного напряжения на начальных стадиях формирования барьерного слоя, причем параметры модели характеризуют качество покрытия.

  2. Метод определения электрических параметров микроплазменного процесса, основанный на анализе формы, как энергетического воздействия, так и отклика на него, позволяет определить параметры эквивалентной схемы электрической цепи микроплазменной системы.

  3. Новый метод идентификации материалов, основанный на анализе электрических параметров микроплазменного процесса, обеспечивает возможность его адаптации к свойствам материала.

  4. Обоснованная теоретически и экспериментально конструкция коаксиальных шунтов для измерения мгновенных значений тока быстропротекаю-щих микроплазменных процессов с высокими метрологическими характеристики (погрешность 0,5 % в диапазоне от 100 А до 20 кА при скорости нарастания тока до 10 А/с).

5. Измерительная информационная система, структура и ее принципы по
строения позволяют в реальном времени измерять характеризующие мик
роплазменный процесс ток и напряжение в широком динамическом диапа
зоне с адаптивным высоким разрешением (до 50 мВ в диапазоне от 0 до 3

кВ при скорости изменения напряжения до 10 В/с).

6. Предложенные технические решения для создания источников импульс
ных энергетических воздействий напряжением от 100 В до 1000 В с дли
тельностью фронта не менее 10 мкс и регулируемой формой импульса по
зволяют формировать покрытия с заданными свойствами и оценивать их
качество.

Практическая значимость результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволяют создавать измерительное оборудование позволяющее изучать кинетику и механизм процессов формирования покрытия в зависимости от режимов локализации энергии высокой плотности, природы и состава фаз. Результаты идентификации микроплазменных процессов в растворах по вольтамперным характеристикам отражены в отчете АВЦП по гранту 2.1.2.5273 и в отчете по научно-исследовательской работе на тему «Исследование возможности разработки высоковольтного высокочастотного измерителя формы сигнала» выполненного по х/д № 1-82/02 для ООО «Техника и технологии электрохимии».

Полученные в работе результаты полезны разработчикам систем контроля и измерения формы токов и напряжения сложной формы в силовых установках различного назначения, например в электроэнергетике, в сварочной технике, в электрохимических технологиях и т.д., в получении интегральных характеристик объекта исследования и принятии эффективных решений управления технологическими процессами.

Результаты работы могут также способствовать созданию и совершенствованию методов и средств метрологического обеспечения систем измерений больших импульсных токов и напряжений и могут использоваться при разработке методик выполнения измерений в испытательных лабораториях силового оборудования, а также в процедурах аккредитации и подтверждения компетенции этих лабораторий.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований по теме диссертации использованы при выполнении под руководством и при непосредственном участии автора следующих хоздоговорных и госбюджетных НИР:

Разработка компьютерной системы измерения параметров фронта высоковольтных импульсов по заказу ООО "Техника и технология электрохимии", г. Томск, 2002 г., х/д № 1-82/02.

Разработка установки «Корунд» по нанесению кальцийфосфатных покрытий, содержащих гидроксиапатит, на титановые имплантаты методом микродугового оксидирования по заказу Института физики прочности и материалове-

дения СО РАН, г. Томск, 2004 г., контракт 01KR/03/RU с университетом Да-еджин (Южная Корея).

Разработка компьютерной системы измерения больших токов по заказу ОАО "Новосибирский завод химконцентратов", г. Новосибирск, 2004-2005 гг., х/д № 1-27/04у.

Разработка измерительного интегрирующего преобразователя «Квант-2» по заказу Сибирского государственного научно-исследовательского института метрологии, г. Новосибирск, 2006 г.

Разработка линии нанесения функциональных и декоративных керамических покрытий в рамках программы британо-российского партнерства "Атомные города" по заказу ООО «Русский профиль», г. Красноярск, 2005-2006 гг., х/д №52.

Разработка компьютерной системы измерения и управления для малогабаритного бетатрона на энергию до 4 МЭВ по заказу научно-исследовательского института интроскопии, г. Томск, 2005, х/д № 1-166/05у.

Грант 2.1.2.5273 «Параметрическая идентификация микроплазменных процессов в растворах по вольтамперным характеристикам», АВЦП Рособразо-вания "Развитие научного потенциала высшей школы", 2006-2007 гг.

Разработка и создание программируемого генератора напряжения по заказу НИИ автоматики и электромеханики, г. Томск, 2007 г., х/д 1-10/07.

Разработка источника питания для нанесения покрытий методом микроплазменного оксидирования «CORUND Ml» по заказу ООО «Сибспарк», г. Томск, 2009 г.

Разработка линии по нанесению наноструктурных неметаллических неорганических покрытий «АШпе-4» в рамках программы ОАО «РОСНАНО» по направлению «Машиностроение и металлообработка» по заказу ООО «МА-НЭЛ», 2010-2011 гг., х/д № УОЗ/01-10 и № У06/03-11.

Изготовление и поставка автоматизированного измерительного комплекса по заказу ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений, п. Менделееве Московской области, 2010 г., х/д 1-76/10у.

Грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характеристиками», 2010-2012 гг., госконтракт 1.387С.2010.

Грант по постановлению Правительства РФ № 218 на тему «Разработка унифицированного ряда электронных модулей на основе технологии "система-на-кристалле" для систем управления и электропитания космических аппаратов (КА) связи, навигации и дистанционного зондирования Земли с длительным сроком активного существования», направление 3.2 - разработка технологии формирования слоистых наноструктурных неметаллических неорганических покрытий и материалов, пригодных для изготовления функциональных изделий по договору от 7 сентября 2010 г. № 13.G25.31.0017 между ОАО "ИСС" и Минобрнауки России.

Поддержка работ Российским фондом фундаментальных исследований в 2006 г. (РФФИ № 06-08-07073-3).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на отечественных и международных конференциях: Региональной научно-практической конференции "Радиотехнические и информационные системы и устройства" (Томск, 1994); Ш-й Международной конференции "Измерения, контроль, автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1994); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Проблемы сертификации и управления качеством" (Красноярск, 1997); Международной научно-практической конференции "Качество-стратегия 21 века" (Томск, 1998, 1999, 2005); 4-ом Корейско-Российском международном симпозиуме по науке и технике "КОРУС 2000" (Томск, 2000); 2-й и 3-й Международных научно-технических конференциях "Измерение, контроль, автоматизация" (Барнаул, 2001, 2002); 7-й и 9-й Международных конференциях по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками (Томск, 2004, 2008); IX Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах" (Кемерово, 2004); Международном научно-практическом семинаре "Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике" (Киев, Украина, 2005); 51-ом и 52-ом Международных научных коллоквиумах (IWK) "Информационные технологии и электротехника - устройства и системы, материалы и технологии для будущего" (Ильменау, Германия, 2006, 2007); XVIII-om Всемирном Конгрессе IMEKO "Метрология для устойчивого развития" (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2006); Международных сибирских конференциях IEEE (SIBCON) по управлению и связи (Томск, Россия, 2007, 2009); 9-ом Международном симпозиуме ИМЕКО ТК 14 (ISMQC) "Измерения и контроль качества" (Мадрас, Индия, 2007); 16-ом Международном симпозиуме IMEKO ТК 4 "Перспективы развития приборов и методов для электрических и электронных измерений" (Флоренция, Италия, 2008); 17-м симпозиуме IMEKO ТК4 "Измерительные приборы эры информационных и коммуникационных технологий" (Кошице, Словакия, 2010).

Разработанный с участием автора информационно-измерительный комплекс для технологических линий нанесения наноструктурных покрытий в номинации «Новые высокотехнологичные разработки оборудования и наукоемкие технологии» удостоен диплома I степени с вручением Золотой медали на XVII международной выставке-конгрессе "Высокие технологии. Инновации. Инвестиции" (Hi-Tech'2011), проходившей с 15 по 17 марта 2011 г. в г. Санкт-Петербурге.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной точностью расчетных данных с вольт-амперными характеристиками, полученными при проведении экспериментов во время нанесения покрытий при энергетическом воздействии в растворах на изделиях из титана, алюминия и магния. Достоверность научных положений и

выводов также основана на корректном использовании общепризнанных законов и положений электрохимии и электротехники.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, из них: 1 монография, 4 патента Российской Федерации и 22 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 214 наименований и приложения. Общий объем работы - 302 страницы, включая 109 рисунков и 18 таблиц.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net