Адаптивные материалы и интеллектуальные агрегаты

08.06.2016

Термины «адаптивный» (от англ. to adapt - приспосабливаться) и «интеллектуальный» стали очень популярными в различных областях: в материаловедении - адаптивные материалы и интеллектуальные композиты, в конструкциях машин - интеллектуальные агрегаты и адаптерные системы для быстрой смены рабочего оборудования, в приводах машин - интеллектуальная гидравлика и интеллектуальная электроника, в технологии - интеллектуальное управление рабочим процессом, интеллектуальное уплотнение и т.п.
Адаптивными (адаптирующимися, интеллектуальными, умными) называют материалы, которые обладают способностью самопроизвольно приспосабливаться ( адаптироваться) к воздействиям внешней среды.
По существу адаптивные материалы (AM) - это системы, способные оценивать внешние воздействия и реагировать на них.
Различают три основных вида AM:
1) пассивные, в которые вводят детекторы (в виде волокон, пленок и других элементов), изменяющие свои характеристики при внешних воздействиях;
2) реактивные, которые сами реагируют на внешние воздействия;
3) интеллектуальные, которые не только реагируют на внешние воздействия, но и сами обеспечивают устранение их последствий, т. е. самовосстанавливаются.
Материалы первой группы (пассивные) используют для диагностики конструкций из полимерных композитов, армированных волокнистыми наполнителями. Они работают на принципе самоконтроля состояния изделий с помощью встроенных в их структуру датчиков. Характерным признаком этих материалов является появление сигнала датчика о возникших в материале изменениях при внешних воздействиях. Наибольшее развитие получили волоконно-оптические датчики, которые идеально подходят к структуре и технологии получения полимерных волокнистых композитов. Они представляют собой кремниевые волокна, заключенные в защитную оболочку. Эти волокна вводят в композит на стадии его формования, а затем уже в готовом изделии через волокна пропускают световой сигнал и регистрируют изменения его оптических характеристик (амплитуды, фазы и др.) под влиянием изменений, происходящих в окружающем оптическое волокно материале. Любые деформации и напряжения в композите вызывают соответствующие колебания характеристик светового сигнала. Поэтому оптические волокна, введенные в полимерный композит, могут отслеживать при эксплуатации вибрации и деформации, разрушения и износ материала.
Материалы второй группы (реактивные) представляют собой АМ, которые самопроизвольно реагируют на внешние механические, термические, физические и другие воздействия, изменяя собственные структуру и характеристики (геометрические, механические, физические и др.) или свойства сопряженных материалов.
Реактивные материалы и конструкции имеют различные типы реагирования на изменения окружающей среды. К самым простым системам можно отнести конструкции рабочих органов машин для земляных работ, которые изменяют свою структуру или форму при механических воздействиях. К ним относятся самозатачивающиеся зубья, ножи и режущие кромки элементов рабочего оборудования. Они имеют двухслойную структуру из разнородных материалов, отличающихся различной износостойкостью. При контакте с грунтом материал нижнего слоя изнашивается быстрее материала верхнего слоя, что обеспечивает постоянную острую кромку режущего элемента при эксплуатации. К этой же категории можно отнести отвалы и ковши с изменяемой формой. В зависимости от категории трудности разработки грунта они могут изменять свою форму благодаря демпферам (механическим или гидравлическим), обеспечивая оптимальную энергоемкость процесса резания или копания грунта.
К более сложным системам второй группы относятся материалы, которые обладают «эффектом памяти» формы. Этот эффект заключается в восстановлении первоначальной формы пластически деформированного материала, которое происходит после его нагрева до определенной температуры. Из нужного материала изготавливают изделие заданной формы, затем его подвергают пластическому деформированию (как правило, для уменьшения габаритных размеров) и в таком виде устанавливают в необходимом месте. После этого его подвергают термообработке, в результате которой изделие приобретает первоначальные размеры и форму.
Как правило, сплавы, обладающие памятью формы, целесообразно использовать в таких областях техники, где другие материалы применить невозможно. Например, их используют как материалы для саморасклепывающихся заклепок в труднодоступных местах машин, для самосрабатывающих соединительных муфт трубопроводных коммуникаций, а также в качестве материалов различных клапанов и рычагов, которые многократно изменяют свою форму в процессе эксплуатации при нагреве и охлаждении
Группу реактивных материалов дополняют материалы, изменяющие свои физические характеристики при внешнем воздействии. Имеется ряд материалов, которые при механических воздействиях генерируют различные поля - электрические, магнитные, акустические и др. Это явление, известное как эмиссия, используют для оценки дефектности структуры и прочностных свойств материалов. Регистрируя характеристики сигналов этих полей, можно определить предельные нагрузки и ресурс работы изделий из анализируемых материалов в условиях статических и динамических нагрузок.
Различают физически и химически активируемые материалы. К физически активируемым относятся следующие материалы:
- электрическиактивируемые (пьезоэлектрические);
- магтттоактивируемые (магнитореологические жидкости и магнито-стрикционные вещества).
Из электрическиактивируемых (пьезоэлектрических) материалов наиболее распространены поликристаллические керамические и полимерные материалы. Напомним, что пьезоэлектрическим эффектом называют способность некоторых материалов создавать электрическое поле в ответ на прилагаемое механическое усилие. Пьезоэлектрические материалы используют в датчиках различных физических величин (сил, давлений, ускорений, ударов), а также в ультразвуковых, сейсмических и других датчиках.
К магнитоактивируемым материалам относятся магнитореологические жидкости. Их вязкость резко увеличивается при наложении магнитного поля и мгновенно (в течение 6,5 мс) возвращается в исходное состояние после снятия поля. Типичная магнитореологическая жидкость представляет собой суспензию микрочастиц (размером 3-8 мкм) ферромагнетиков в жидкости (минеральном или синтетическом масле, воде и др.). Такие жидкости находят все более широкое применение в различных демпфирующих системах и устройствах, например, в системах амортизации тяжелых машин, в регулируемых амортизаторах автотранспортных средств и др.
К магнитноактивируемым материалам также относятся магнитострикционные вещества, т.е. материалы, способные изменять свою форму при наложении магнитного поля. Эту способность используют в различных датчиках (деформации, положения, движения, силы, давления).
Весьма солидные перспективы имеют химическиактивируемые материалы. Одним из направлений их использования является химическая активация полимеров при контакте с жидкостями, вызывающими их контролируемое набухание. В частности, этот эффект был использован в самозатягивающихся топливных баках, которые изготавливают из двух слоев резины: наружный - из вулканизированной резины, а внутренний - из невулканизированной, набухающей при контакте с нефтепродуктами. При этом внутренний слой покрывают топливонепроницаемой пленкой. При нарушении герметичности бака топливо контактирует с невулканизированной резиной, которая набухает и изолирует дефект.
К третьей группе «интеллектуальных» материалов относятся системы, которые обладают способностью не только производить самодиагностику, но и осуществлять самовосстановление. В частности, имеются сведения о разработке конструкционных материалов на основе полимерных композитов, которые, диагностируя наличие повреждений (например, микротрещин) одним из упомянутых ранее методов, реализуют механизм самовосстановления путем перераспределения материалов. Для залечивания микротрещин пытаются использовать комплексы наночастиц, которые должны обладать достаточной подвижностью, чтобы устранить дефекты структуры.
Примером могут служить самозалечивающиеся полимеры, в объеме которых равномерно распределены микроконтейнеры (микрокапсулы или полые микроволокна) с залечивающим веществом. Как правило, в микроконтейнеры вводят неотвержденный полимер (олигомер). При нарушении сплошности или другом повреждении основного материала микроконтейнеры разрушаются и высвобождают залечивающий олигомер, который проникает в зону повреждения и полимеризуется, устраняя повреждение.
Можно предположить, что в недалекой перспективе материалы этой группы будут отслеживать в процессе эксплуатации деформации, вибрации, износ и другие негативные явления, происходящие с элементами конструкции, агрегатами и узлами машины. И, не доводя конструкцию до разрушения (т. е. до образования трещин и других макродефектов), компенсировать влияние окружающей среды заданным изменением соответствующих характеристик (строения, структуры, свойств) интеллектуального материала.
В будущем адаптивные материалы могут стать основными функциональными материалами для ответственных узлов и конструкций машиностроительной продукции. Их способность «чувствовать» собственное состояние и влияние внешнего воздействия, направленно реагировать на него изменением структуры и свойств позволяет надеяться на кардинальное решение проблемы надежности машин в целом.
Интеллектуальные агрегаты. В последние годы интенсивно развивается ресурсосберегающее направление развития машин, связанное с их «интеллектуализацией», т.е. с оптимизацией режимов эксплуатации машин за счет гибкого автоматизированного управления параметрами технологического процесса с обратной связью.
Интеллектуальным агрегатом (машиной) называют самонастраивающееся устройство, способное анализировать по заданным критериям качество своей работы и корректировать режимы ее выполнения с учетом этого качества. Благодаря наличию комплексной автоматизированной системы управления, контроля и регулирования такие агрегаты обладают способностью перестраивать режимы своего воздействия на окружающую среду (или обрабатываемый материал) на основе получаемой в реальном времени информации об эффективности этого воздействия. Соответственно, электронная система управления интеллектуального агрегата должна обеспечить:
- контроль состояния среды;
- управление воздействием рабочих органов на среду в зависимости от ее состояния;
- управление параметрами двигателя в зависимости от нагрузки;
- контроль состояния самого агрегата, включая самодиагностику его узлов и агрегатов.
Подсистема контроля состояния среды базируется на информации оперативного контроля состояния среды, получаемой от соответствующих датчиков машины.
В подсистеме адаптивного управления параметрами машины основную роль играют алгоритмы управления параметрами рабочих органов на основе заложенных в программу математической модели и информации от упомянутых датчиков обратной связи.
Подсистема адаптивного управления двигателем обеспечивает минимизацию расхода топлива и снижение вредных выбросов продуктов сгорания, а также автоматически изменяет значения мощности двигателя и скорости в зависимости от внешней нагрузки для достижения оптимальной эффективности и экономичности.
Подсистема контроля состояния самой машины, ее агрегатов и узлов повышает их надежность (в том числе ремонтопригодность) за счет применения встроенных диагностических устройств с выводом данных о месте и характере неисправности на приборную панель или дисплей бортового компьютера.
Таким образом, комплексная адаптивная система обеспечивает расширение функциональных возможностей машин и высокое качество работ, снижение энергоемкости и повышение экономичности, увеличение производительности за счет повышения точности рабочих операций. Кроме того, она способствует удовлетворению требований международных стандартов ISO 14000 «Система экологического управления», которые регламентируют условия экологической безопасности машин.
Значительный вклад в повышение эффективности эксплуатации вносят методы управления машиной с применением глобальной системы навигации GPS ( Global Positioning System).
Следует обратить особое внимание на проблему безопасности, поскольку в системе «оператор - машина» довольно часто слабым звеном является человеческий фактор. Интеллектуальный агрегат, оснащенный комплексной автоматизированной системой управления, позволяет минимизировать влияние этого фактора и снизить риски, связанные с ним. Производители одноковшовых экскаваторов еще в прошлом веке начали использовать такие системы управления, поскольку при наличии различных рабочих режимов функционирования силовой установки оператор выбирает, как правило, режим с наибольшей мощностью независимо от условий эксплуатации. Поэтому многие компании («Caterpillar», «Volvo» и др.) отказались от ручного управления, убрав с панели управления выключатели режима работы и мощности двигателя. Таким образом, не оператор выбирает режим работы, а адаптивная бортовая система управления. При копании она управляет рабочими органами и механизмом поворота платформы, выбирая наиболее экономичный режим эксплуатации.
В плане применения интеллектуальных систем управления наиболее показательным примером является вибрационная техника последнего поколения для уплотнения грунтов И дорожно-строительных материалов. Законодатели высокотехнологичных разработок в области дорожной техники (компании «Ammann», «Bomag», «Caterpillar», «Dynapac», «Hamm», «Sakai» и др.) выпускают вибрационные дорожные катки с системой IC (от англ. intellectual compaction - интеллектуальное уплотнение) для земляного полотна, щебеночного покрытия и асфальтобетонной смеси. Их стоимость на 20-30 % выше стоимости обычных катков, однако они имеют ряд значительных достоинств.
Система IC вибрационного катка включает описанные ранее четыре подсистемы и обеспечивает непрерывные измерение и регистрацию жесткости уплотняемого материала, автоматически корректируя процесс уплотнения в режиме реального времени на основе этих измерений. На большинстве катков для измерения положения вибровальца относительно рамы катка используют датчики усилий и перемещений. При этом жесткость уплотняемого материала оценивают по силе реакции вибровальца. Именно этот показатель (величина реакции вибровальца) используют в программном обеспечении бортового компьютера катка для регулирования давления вибровальца на уплотняемый материал.
Поскольку энергия уплотнения корректируется по результатам измерений жесткости, процесс уплотнения ускоряется, что сопровождается снижением числа проходов катка. При уплотнении изменяется несущая способность обрабатываемого материала: на начальной стадии она невелика, а затем по мере уплотнения возрастает. Соответственно, растет давление, которое оказывает вибровалец на материал. Управление этим процессом осуществляют за счет регулирования как статической, так и динамической составляющих давления катка, передаваемого вибровальцом обрабатываемому материалу.
Регулирование статической составляющей давления вибровальца катка осуществляют изменением силы тяжести, приходящейся на него, а также формы и площади контакта вальца с уплотняемой поверхностью.
Регулирование динамической составляющей давления катка достигается управлением вынуждающей силой вибровозбудителя, частотой и характером колебаний, а также изменением вектора направленных колебаний
Система IC позволяет исключить ошибки, связанные с неправильным выбором режимов работы катка и нарушением технологии уплотнения, а также сократить технологические перерывы для контроля плотности уплотняемого материала и исключить повторные и рекламационные работы.
К основным достоинствам катков с системой IС относятся, во-первых, увеличение производительности за счет уменьшения числа проходов, что сопровождается сокращением времени обработки и экономией топлива; во-вторых, повышение качества уплотнения за счет рационального управления технологическим процессом; в-третьих, повышение надежности машины за счет системы контроля параметров агрегатов катка; в-четвертых, увеличение долговечности дорожных покрытий путем повышения однородности уплотняемого материала.
Таким образом, система электронного управления всеми узлами и агрегатами виброкатка обеспечивает способность машины гибко регулировать параметры своего функционирования и воздействия при изменении внешних условий, чтобы получить высокие показатели качества, производительности, ресурсосбережения и экологической безопасности.
Можно сказать, что вибрационные катки стали эффективной базой для дальнейшего освоения высоких технологий в дорожной технике. Вполне очевидно, что достигнутые результаты по интеллектуальному управлению рабочим процессом получат свое дальнейшее развитие в других машинах и технологиях.
Эффективным средством снижения трудоемкости являются адаптерные устройства для быстрой смены рабочего оборудования мобильных машин, оснащенные интеллектуальными системами управления процессом замены. Например, на ряде моделей гидравлических экскаваторов число сменного рабочего оборудования достигает 20 типов, которые позволяют вести земляные (прямыми и обратными лопатами), погрузочно-разгрузочные (погрузочными ковшами и грейферами), монтажно-ремонтные (захватами, фрезами, крюковыми подвесками, ножницами и пилами), а также отделочноремонтные (виброплощадками, трамбовочными плитами, плитоукладчиками) работы. Замена сменного рабочего оборудования традиционными способами с выходом машиниста из кабины управления требует довольно много времени и ручного труда.
Поэтому для ускорения и упрощения переоснащения машины необходимым рабочим оборудованием используют специальные устройства, которые обеспечивают его замену, механическую фиксацию и присоединение необходимых гидролиний для питания различных исполнительных механизмов в автоматизированном режиме. Такое устройство представляет собой монтажную панель - промежуточный элемент между посадочными местами сменного рабочего оборудования и базовой машины. Ее оснащают захватами для размещения в них ответных элементов крепления рабочего оборудования и фиксатором и устанавливают на ведомом звене рабочего оборудования.
Из современных быстросъемных адаптерных систем наиболее перспективной является интеллектуальная система для замены рабочего оборудования компании «Oil Quick». Она имеет автоматизированные подсистемы идентификации и опознания сменных элементов, которые распознают тип рабочего оборудования, его привод и автоматически устанавливают необходимые давление и расход рабочей жидкости, что находит отражение на дисплее оператора в кабине управления.
Развитие быстродействующих устройств с интеллектуальными системами управления может существенно сократить состав типоразмерных рядов дорожно-строительных машин, ограничившись значительно меньшим числом базовых типоразмеров, но оснащенных автоматизированными адаптерными системами и широкой гаммой сменного рабочего оборудования.