10716

Целью данной работы является разработка и изготовление цифровой микропроцессорной системы импульсно-фазового управления, объединяющей в себе достоинства многоканальных (высокое быстродействие) и одноканальных СИФУ (высокая симметрия импульсов).

Для выполнения поставленной задачи была разработана функциональная и принципиальная схема устройства, управляющая программа, изготовлена печатная плата.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства

На принципиальной схеме устройства (рис. 1) предусмотрены:

-элементы управления;

-индикация;

-выводы для подключения диодов оптотиристоров;

-блок синхронизации.

Как видно, синхронизация осуществляется по одной фазе напряжения сети. Следует отметить, что в данной системе реализована стабилизация по току нагрузки, для чего преобразователь был охвачен обратной связью.

Для большинства одноканальных систем имеет место существенный недостаток, заключающийся в снижении динамических показателей СИФУ и ВП в целом, по той причине, что все последующие импульсы управления, начиная с базового, формируются в параметрическом режиме, а не являются результатом активного сравнения опорного сигнала и сигнала управления. Как следствие использование подобных систем грозит

200

ухудшением быстродействия вентильного преобразователя и объекта регулирования в целом.

Особенностью разработанного алгоритма работы является отсутствие вышеуказанного недостатка.

На рис.2 представлена диаграмма работы системы управления преобразователем при постоянном угле управления. В процессе работы микроконтроллер замеряет период питающей электросети, используя выходной сигнал блока синхронизации Uсинхр. После наступления фронта сигнала синхронизации, контроллер, используя таймер (OCR1A – регистр сравнения, OCF1A – флаг таймера), отсчитывает время до первого в очереди импульса управления (Ugvs1 на рис.2) в соответствии с текущим углом управления.

После наступления импульса управления таймер (в случае, если угол управления не меняется) отсчитывает время, соответствующее 60 электрическим градусам. При этом управляющая программа с заданным интервалом пересчитывает выходное значение регулятора тока, каждый раз вычисляя новый угол управления.

Рис. 2. Диаграмма работы СИФУ при постоянном угле управления

Если текущий угол управления изменился относительно предыдущего, в задержку вносится коррекция в соответствии с полученной разницей. При этом соблюдается требуемая последовательность импульсов (например, в случае, если угол управления уменьшится больше, чем на 60 градусов). На рис.3 вверху показано

201

изменение ошибки по току I, которое по завершении пересчета выходного значения регулятора тока (логический ноль программной переменной flagCacl указывает на завершение процесса расчета регулятора) вызывает изменение угла управления с α на α`. Это изменение инициирует запись в регистр сравнения OCR1A нового значения, соответствующего 60+(α`- α) электрических градусов.

Рис. 3. Диаграмма работы СИФУ при изменении угла управления

Таким образом, максимальное время реакции на изменение угла управления уменьшается с 20мс (время периода сети, за которым следует обновление угла управления одноканальных систем управления) до

3,33мс.

Таким образом, в ходе данной работы была спроектирована система импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем. Тестовые запуски показали исправность и работоспособность описанного выше алгоритма работы, а также системы в целом. При построении соответствующих контуров регулирования, данная СИФУ может быть включена в состав стабилизированных быстродействующих тиристорных источников тока, напряжения, многоконтурных систем электропривода.

Литература

1. 8-bit AVR Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash. Документация на микроконтроллер. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.atmel.com/images/doc2502.pdf

202

2.Характеристики силового модуля МТОТО-80 (5П103ТТ-80) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.proton-impuls.ru/apindex.php?mod=main&task=view&taskid=181

3.Преобразовательная техника: учебное пособие / М.В. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 425 с.

Оскирко А.А., Кондрашкин О.Б., Мыльников В.В.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

ВЛИЯНИЕ ВИДА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ

В современном материаловедении изучение природы усталостного разрушения материалов является одной из приоритетных задач, вследствие того, что от сопротивления усталости металлических материалов во многом зависит прочность и долговечность конструкций и изделий в машиностроении, авиастроении и других видах промышленности. Многократные случаи усталостного разрушения свидетельствуют о недостаточной изученности характера этого явления, который обуславливается многовариантностью процессов, протекающих в материалах под воздействием переменных нагрузок. В настоящее время механическое оборудование работает в широком диапазоне напряжений и долговечности от области малоциклового нагружения до базового числа циклов усталости. Фиксированная величина, предел выносливости не соответствует надежной оценке сопротивления усталости деталей машин и конструкций. Чтобы указанная оценка была более надежной, должны фигурировать две величины: напряжение (ограниченный предел выносливости σ) и долговечность (количество циклов до разрушения N). Тогда следует ввести показатель, выражаемый отношением приращения напряжения dσ к приращению долговечности dN. Таким образом, получаем тангенс угла наклона касательной к кривой усталости и соответственно к оси N. Сравнение поведения разных металлов по

тангенсу угла наклона, записанному в виде отношения является

сложным, так как в каждый последующий момент описанная функция насыщается. Таким образом, обычные координаты σ – N не являются удобными. Удобными координатами являются логарифмические. Они удобны тем, что кривые усталости, в сущности, превращаются в прямые.

203

проводить обобщения широкой гаммы материалов и условий их испытания. Наклон tg αw зависит от ряда различных факторов. Факторы, определяющие природу усталости, так или иначе влияют на положение кривой в координатах lg σ – lg N, поэтому наклон tg αw может выступать как характеристика, отображающая физические явления, происходящие в образцах (деталях), а точнее, в их поверхностных слоях, которые имеют свойства, отличные от свойств глубинных слоев материала. В материале этих слоев при деформации деталей происходят физические процессы повреждаемости.

Цель работы - оценка циклической работоспособности стали 60С2А по повреждению поверхностных слоев материала при разной термической обработке, испытанных по различным схемами нагружения.

Методика эксперимента Исследовали конструкционную рессорно-пружинную сталь марки

60С2А. Данная сталь применяется для изготовления тяжелонагруженных пружин, торсионных валов, пружинные кольца, цанги, фрикционные диски, шайбы Гровера и др.

Повреждение поверхности оценивалось по изменению микроструктуры материала под действием циклических напряжений. В качестве оценочной характеристики служат полосы скольжения, возникающие на шлифе образца, изготовленного в зоне наибольших напряжений. Испытания осуществлялись по схеме консольного изгиба с вращением и схеме циклического кручения цилиндрических образцов диаметром 5 мм с десятикратной длиной.

Испытания образцов обрабатывались методом математической статистики с построением «спрямленных» кривых усталости по уравнению:

lg σ = (lg σ)0 – tg αw lg N,

при удовлетворительном коэффициенте корреляции (Ккор). где σ – напряжение соответствующее долговечности N; σ0 – напряжение отсекаемое кривой усталости при N=1; tg αw – наклон левой ветви кривой усталости; N - количество циклов до разрушения или долговечность;

Результаты и их обсуждение Сталь марки 60С2А, испытанная в состоянии поставки и

термообработки, показывает среднюю величину наклона левой ветви кривой усталости - tg αw (рис. 1). Исследование структуры позволило установить, что на поверхности образцов возникают глубокие, извилистые полосы скольжения, расположенные на большом расстоянии друг от друга (рис. 2). Растровый электронный микроскоп позволяет видеть глубокие полосы скольжения с рваными краями (рис. 3). Повреждаемость поверхности также близка к средней величине. Вид испытания и

204

термическая обработка значительно сказывается на показателях сопротивления усталости. Закалка образцов на категорию прочности HRC = 52 и по схеме консольного изгиба с вращением, и при циклическом кручении приводит к существенному увеличению предела выносливости σ

-1.

Рис. 1. Кривые усталости стали 60С2А при температуре испытаний

20ºС:

1,3 – термообработка на HRC = 52; 2,4 – состояние поставки; 1,2 – вращение изогнутого образца; 3,4 – циклическое кручение

образца Ккор – коэффициент корреляции, показывает степень сходимости

построенной кривой усталости с результатами эксперимента.

Рис. 2. Полосы скольжения на поверхности образца диаметром 5 мм из стали марки 60С2А, закаленного на HRC = 52, испытанного при

вращении изогнутого образца до разрушения при температуре 20ºС; (х 440); σ = 416 МПа; N = 9,21·104 циклов; шлиф не травлен: а) и б) разные места на шлифе образца

205

При испытании образцов в состоянии поставки более сильно увеличивается tg αw, чем у закаленных. По сравнению с закаленными образцами предел выносливости при изменении вида испытания изменяется менее существенно. Следует отметить, что при испытании серии образцов (рис. 1, кривая усталости 3) наблюдается существенный разброс экспериментальных данных, о чем свидетельствует низкое значение коэффициента корреляции Ккор = 0,7747.

Рис. 3. Микроструктура стали марки 60С2А (HRC = 52) после деформации изгиба вращающегося образца; (х 1600); σ = 550 МПа; N = 14250 циклов. Снимок получен на растровом электронном микроскопе

Заключение В результате экспериментальных исследований у стали марки 60С2А

выявлена закономерность соответствия показателя сопротивления усталости и повреждаемости материала поверхностных слоев образца. Соблюдается правило: чем больше повреждаемость, тем хуже сопротивляется материал усталости (больше tg αw).

Установлено, что вид испытания (смягчение схемы нагружения - консольный изгиб с вращением) и термическая обработка образцов из стали 60С2А способствуют увеличению предела выносливости и «улучшению» показателей сопротивления усталости.

Литература

1.Мыльников В.В. Прогнозирование прочности и долговечности конструкционных материалов с учетом частоты циклического нагружения: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Нижний Новгород, 2010. – 18 с.

2.Мыльников В. В., Шетулов Д. И., Чернышов Е. А. Об оценочных критериях долговечности углеродистых сталей // Технология металлов. 2010. № 2. С.19-22.

3.Мыльников В. В., Чернышов Е. А., Шетулов Д. И. Влияние частоты циклического нагружения на сопротивление усталости высокопрочных конструкционных материалов // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. №2. С. 33-36.

4.Терентьев В. Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. – М.: Интермет инжиниринг, 2002. – 288 с.

5.Mughrabi H., Christ H. - J. Cyclic deformation and fatigue of selected ferritic and austenitic steels; specific aspects // ISIJ International. 1997. Vol. 37.

№12. P. 1154 - 1169.

206

6.Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Variation in faktors of fatigue resistance for som pure metals as a function of the freguensy of loading sycles // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2010. Vol. 51, No. 3. Р. 237–242.

7.Mylnikov V.V., Shetulov D.I., Chernyshov E.A. Investigation into the Surface Damage of Pure Metals Allowing for the Cyclic Loading Frequency // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2013. Vol. 54, No. 3. Р. 229–233.

8.Мыльников В.В. Прогнозирование прочности и долговечности материалов деталей машин и конструкций с учетом частоты циклического нагружения / Мыльников В.В., Д.И. Шетулов, А.И. Пронин, Е.А. Чернышов // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. №9. С. 32-37.

9.Петрушин М.В., Кондрашкин О.Б., Мыльников В.В. Особенности повреждаемости трубных сталей при знакопеременном нагружении // В сборнике: VI Всероссийский фестиваль науки Сборник докладов в 2-х томах. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. 2016. С. 50-53.

Зубкова В.И.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ БЕРИЛЛИЯ

ВСВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Вданной научной работе ставится задача измерения теплоемкости бериллия в условиях сверхнизких температур посредством метода теплового импульса. В последствии измерений построен график зависимости удельной теплоемкости бериллия от диапазона температур (5- 13 К.), а также приведен сравнительный анализ полученных результатов с известными теоретическими данными.

Применение бериллия в промышленных областях приобретает все большее практическое значение. В настоящее время этот элемент и его соединения активно внедряют в сферу технических разработок авиакосмических моделей. Например, из бериллия сделаны зеркала космического телескопа «Джеймс Уэбб», планирующегося к запуску к 2018 году. Поэтому, появляется интерес к исследованию физических свойств бериллия при характерных для космических приложений сверхнизких температурах.

Рассматривая данную проблему были поставлены следующие задачи:

• Изучить теоретическую методику измерения теплоемкости;

• Собрать экспериментальную установку;

207

•Измерить теплоемкость при сверхнизких (гелиевых) температурах;

•Сравнить с известными теоретическими данными.

Все вычислительные и экспериментальные работы проводились в Центре криогенной наноэлектроники НГТУ.

Измеряемые образцы бериллия представлены на рис. 1. Для измерения теплоемкости был использован образец №9.

Рис. 1. Образцы бериллия

Бериллий для удобства был помещен в держатель, представленный на рисунках 2 и 3:

Держатель: состоит из 2-х металлических пластинок из меди. В каждой из них металлическая обмотка из манганина в качестве резистора. Так, держатель условно разделяется на две части. Между верхней и нижней частью помещен образец бериллия. С двух сторон держателя установлены выводы резистора

208