1.2. Индукционный нагрев в установках утилизации боеприпасов

1.2.1. Установки периодического действия для выплавки тротила из корпусов артиллерийских снарядов

В оборонной промышленности в рамках конверсии разработан и внедрен с участием автора новый метод утилизации различных видов боеприпасов, использующий индукционный нагрев как наиболее эффективный и экологически чистый способ выплавки взрывчатого вещества из корпусов снарядов, обеспечивающий возможность его повторного использования в строительстве, горнодобывающей и других отраслях производства. В этой новой, весьма специфической, области применения индукционного нагрева преимущества последнего позволяют создать конкурентоспособные установки стационарного и передвижного типа для утилизации артиллерийских снарядов. При индукционном нагреве передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое изделие позволяет осуществить прямой глубинный нагрев корпуса, тем самым значительно увеличив производительность по сравнению с другими способами расснаряжения, например, вымывание паром или расплавленным парафином. Положительным фактором предлагаемого метода является бесконтактный способ передачи энергии непосредственно в изделие, что повышает безопасность и надежность процесса выплавки, упрощает конструкцию нагревателя и позволяет полностью автоматизировать процесс выплавки от загрузки снарядов до выгрузки корпусов и тротила. Кроме того, этот метод гарантирует чистоту выплавляемого продукта, что исключает необходимость очистки полученного продукта от посторонних примесей перед брикетированием.

Широкая номенклатура расснаряжаемых изделий с различной геометрией корпусов и схемой расположения взрывчатого вещества обусловила необходимость применения различных математических моделей для адекватного описания процессов формирования температурных полей в изделии при индукционном нагреве. Качественное управление процессом выплавки возможно лишь при наличии полной информации о процессе нагрева с учетом разной физической структуры нагреваемых материалов, реальной и обычно сложной геометрии нагреваемых изделий, наличия различных внешних возмущений. Однако получить столь подробную и точную информацию не представляется возможным.

На практике часто вполне достаточно иметь некоторое приближенное описание технологического процесса, которое с определенной степенью точности, приемлемой для решения задач управления, позволяет обеспечить требуемые показатели качества синтезируемой системы автоматического управления.

Схема выплавки в установке периодического действия представлена на рис.1.2. Корпус 1 изделия, нагреваясь в электромагнитном поле индуктора 2, передает тепло выплавляемому продукту 3. Целью нагрева является создание в приграничной зоне слоя расплавленного тротила, благодаря чему шашка тротила «сползает» под действием собственного веса в приемный бункер 4. Толщина расплавленного слоя должна быть минимальной и составляет 3–10 мм в зависимости от типогабарита и формы корпуса изделия. Учитывая специфику процесса, обусловленную свойствами выплавляемого продукта, к параметрам режима предъявляются жесткие требования по уровню температур на поверхности корпуса изделия и в плоскости сопряжения.

Схема выплавки взрывчатых веществ

Рисунок 1.2

Динамика температурного поля объекта в первом приближении описывается системой линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка вида (1.1), (1.2) при V=0:

,

; (1.4)

,

, (1.5)

с условиями сопряжения, аналогичными (1.3).

В рассматриваемом примере задача управления может быть разбита на две, имеющие самостоятельное значение: задачу пространственного управления, определяющего конфигурацию магнитного поля, соответствующего требуемому распределению температуры по объему изделия за счет конструктивных параметров индуктора и величины заглубления изделия, и задачу интенсификации процесса выплавки при наличии энергетических и технологических ограничений. Первая задача решается на стадии проектирования индукционной установки. Параметрами оптимизации в этом случае служат: размеры индуктора, число секций, слоев и витков в каждом слое, шаг витков и величина заглубления изделия в индуктор.

После решения задачи оптимизации конструкции индуктора, обеспечивающего равномерный нагрев корпуса изделия, ставится задача оптимального управления, минимизирующего заданный функционал качества.

Процесс выплавки тротила включает два интервала. На первом интервале происходит нагрев корпуса снаряда до предельно допустимой температуры, которая определяется технологическими ограничениями, обусловленными свойствами тротила. Второй интервал – собственно выплавка – происходит при постоянной температуре корпуса, поддерживаемой на предельно допустимом уровне. Снаряд в индукторе располагается вертикально оживальной частью вниз и по мере расплавления пограничного слоя тротил в виде цилиндрической шашки выходит из корпуса под собственной тяжестью. Таким образом, задача оптимального управления процессом выплавки может быть сформулирована как задача оптимального по быстродействию управления процессом нагрева для двумерной модели (1.4) – (1.5) объекта в следующем виде: для объекта управления (1.4) – (1.5) при наложенных на процесс энергетических и технологических ограничениях найти такую программу изменения во времени мощности источников внутреннего тепловыделения, которая обеспечит за минимально возможное время переход из начального состояния с температурой в конечное, определяемое предельно допустимой температурой в произвольной точке корпуса с последующей стабилизацией температуры этой точки на предельно допустимом уровне.

В реальной ситуации координата точки корпуса изделия, которая первой достигает предельной температуры, находится в оживальной части корпуса, что автоматически определяет место установки датчика температуры для контроля и регулирования.