Дисертації та автореферати кафедри прикладної механіки та інженерії матеріалів

Permanent URI for this collectionhttp://er.nau.edu.ua/handle/NAU/35003

Browse

Browsing Дисертації та автореферати кафедри прикладної механіки та інженерії матеріалів by Author "Цибрій, Юрій Олександрович"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 2 of 2
  • Thumbnail Image
    Item
    Механотронна система керування виплавкою титану
    (Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2018-04-17) Цибрій, Юрій Олександрович
    Цибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 – Машинознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2018. Дисертація присвячена підвищенню ефективності процесу виготовлення титанових зливків при електронно-променевій плавці, що забезпечує збільшення продуктивності виплавки, покращення якісних характеристик зливків за рахунок узгодження взаємодії виконавчих пристроїв шляхом створення механотронної системи керування виплавкою титану зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі. Розроблено нестаціонарну тривимірну математичну модель процесу в проміжній ємності електронно-променевої установки, в якій враховано зміну джерела нагріву та швидкості течії розплаву. Досліджено вплив швидкості течії розплаву, потужності обігріву та коефіцієнту розподілу по поверхні проміжної ємності на середню температуру розплавленого титану. За результатами моделювання запропоновано метод керування траєкторією руху електронного променю зі зворотним зв’язком по температурі розплаву, що забезпечує зменшення часу виплавки титанового зливку. Розроблено спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на зливок за допомогою гідравлічного мембранного виконавчого механізму. Досліджено вплив значень геометричних параметрів сталевої мембрани виконавчого механізму на її напружено-деформований стан та ресурс спрацювання. Отримано аналітичну залежність максимального напруження в сталевій мембрані від її геометрії в процесі подачі коливань. Запропоновано інженерну методику вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму. Використання запропонованої механотронної системи зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності і по рівню розплаву в кристалізаторі, у порівнянні з аналогічними показниками установки типу ВМО, дозволяє зменшити на 14% енерговитрати та підвищити продуктивність виплавки на 16%, а із врахуванням зменшення втрат на обробку титанового зливку підвищити загальну продуктивність процесу на 18%.
  • Thumbnail Image
    Item
    Механотронна система керування виплавкою титану
    (Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2018-04-17) Цибрій, Юрій Олександрович
    Цибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі розробки механотронної системи керування виплавкою титанових зливків електронно-променевою плавкою, яка забезпечує підвищення ефективності роботи електронно-променевої установки завдяки ресурсо- та енергозбереженню при високій якості готових титанових зливків. В Україні промислове виробництво високоякісних титанових зливків пов’язане з вакуумно-дуговою, електрошлаковою, плазмовою та електронно-променевою плавкою. Остання вважається найбільш прогресивною технологією, завдяки високій степені очищення зливку від домішок, відсутності жорстких вимог по хімічному та фізичному складу шихтового матеріалу та можливість активного втручання в технологічний процес. Однак електронно-променева плавка має недостатньо високу продуктивність та є однією з найбільш енергозатратних. Через відсутність вимірювання температури титанового розплаву в проміжній ємності процес плавки суттєво залежить від вибору режиму обігріву оператором. Крім того, при витягуванні зливку з кристалізатора на його поверхні утворюються різноманітні дефекти, для усунення яких при обробці зливку втрачається до 10% його маси. Загальною причиною вищевказаних недоліків є неузгодженість керування процесом плавки, витягування зливку та подачі шихти в зону плавки. Тому розробка механотронної системи керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці, яка узгоджує керування процесами виготовлення титанових зливків та підвищує їх ефективність шляхом зниження питомих енерговитрат та збільшення продуктивності виплавки, визначає мету дисертаційної роботи. Згідно поставленої мети при розробці механотронної системи для моделювання процесів в проміжній ємності електронно-променевої установки та напружено-деформованого стану мембран гідравлічного виконавчого мембранного механізму застосовано методи скінчених різниць та скінченних елементів. При моделюванні процесів в проміжній ємності використано метод дробових кроків рішення багатовимірних задач. При створенні алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю в проміжній ємності та алгоритму витягування зливку з кристалізатора застосовані методи теорії автоматичного керування. Наукова новизна роботи дисертаційної роботи полягає в наступних положеннях: - вперше на основі розробленої нестаціонарної тривимірної математичної моделі тепло-масообміну в проміжній ємності при електронно-променевій плавці науково обґрунтовано застосування механотронної системи керування виплавкою титану, яка дозволяє обирати раціональні тепло-енергетичні характеристики процесу плавки титану з урахуванням подачі шихти та динаміки наплавлення зливку в кристалізаторі; - вперше на основі дослідження процесу плавки титану розроблено метод раціонального розподілу потужності обігріву розплаву в проміжній ємності електронно-променевої установки, за рахунок керування траєкторією руху електронного променю із зворотним зв’язком по температурі розплаву та положенню нерозплавленої шихти відносно зливного носка; - отримано залежності для вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму для подачі коливань на зливок в межах заданого ресурсу роботи, які враховують напружено-деформований стан сталевих мембран. Адекватність розробленої математичної моделі процесу в проміжній ємності, розрахунків напружено-деформованого стану мембрани, роботи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю та механотронної системи керування виплавкою титану вцілому підтверджена результатами моделювання, які були проведені за допомогою програмного пакету MATLAB, програмних пакетів інженерних розрахунків Ansys Mechanical APDL, Ansys Fluent та COMSOL Multiphysics. Розроблені комп’ютерні моделі можуть також бути використані для перевірки правильності вибору технологічних параметрів чи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю при плавці титанового розплаву в проміжній ємності, при виборі раціональних геометричних параметрів мембрани гідравлічного мембранного виконавчого механізму для забезпечення його необхідного ресурсу роботи. Практична цінність одержаних результатів полягає в наступному: - запропоновано механотронну систему керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі, яка дозволяє, у порівнянні з ручним керуванням, підвищити на 18% ефективність роботи, у тому числі зменшити на 14% енергоспоживання, збільшити на 16% продуктивність виплавки та знизити втрати маси зливку при обробці поверхні до 7%; - розроблено алгоритм керування траєкторією руху електронного променю в ПЄ зі зворотним зв’язком по температурі за допомогою тепловізора, який дозволяє отримати однорідні температурні поля в діапазоні 1950…2200 К, розрахувати швидкість подачі шихти в зону плавки, і як результат – отримати зливок з необхідним хімічним складом; - запропоновано спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на нього (патент № 91877 України), який дозволяє за допомогою гвинтової передачі та гідравлічного мембранного виконавчого механізму здійснювати грубе та точне регулювання рівня розплаву в кристалізаторі, завдяки чому зменшується вірогідність розриву поверхні та отримання гофрів на готових зливках і знижуються втрати матеріалу при подальшій обробці зливків; - розроблено та запатентована конструкцію гідравлічного мембранного виконавчого механізму (патент № 91889 України) і запропоновано інженерну методику вибору його раціональних геометричних параметрів на основі розрахунку напружено-деформованого стану мембрани. Використання запропонованого способу керування траєкторією руху електронним променем при одночасні роботі декількох електронно-променевих гармат в процесі обігріву в проміжній ємності забезпечує підвищення витрати титанового розплаву в необхідному температурному діапазоні в кристалізатор, що дозволяє скоротити час на наплавлення зливку. Одержані в роботі практичні результати прийняті до впровадження на підприємствах ДП НВЦ «Титан» ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України (Київ) та ТОВ «Стратегія БМ» (Київ). Запропонована інженерна методика вибору раціональних геометричних параметрів, яка дозволяє оцінити довговічність існуючих і підвищити довговічність нових приводів подачі коливань, прийнята до впровадження на підприємстві ДНВК «КІА» (Київ). Новизну результатів дослідження захищено 2-ма патентами України на корисні моделі, зокрема системи витягування зливку з кристалізатору (Патент № 91877 України), а також конструкції гідравлічного мембранного виконавчого механізму двосторонньої дії (Патент № 91889 України). Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес: кафедри прикладної механіки та машин Київського національного університету технології та дизайну при викладанні курсу «Мехатроніка в галузевому машинобудуванні» та «САМ-технології комп’ютерно-інтегрованого обладнання»; кафедри машинознавства Національного авіаційного університету при викладанні курсу «Details of Machines» та «Основи конструювання»; кафедри прикладної гідроаеромеханіки та механотроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» при викладанні лекційного курсу «Особливості проектування систем гідроавтоматики» та в курсі лабораторних робіт з дисципліни «Мікропроцесорне управління мехатронних модулів та систем».