Газоаналитическое отображение явлений в производственных процессах

Москва
ИНФРА-М
2019

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОЕ 
ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКОЕ 
ОТОБРАЖЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ
ОТОБРАЖЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ
В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 
В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 

ПРОЦЕССАХ
ПРОЦЕССАХ

ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß

 Í.Â. ÄÀÐÀÑÅËÈß
È.Â. ØÂÅÖÎÂ

Дараселия Н.В.
Газоаналитическое отображение явлений в производственных 
процессах : монография / Н.В. Дараселия, И.В. Швецов. — М. : 
ИНФРА-М, 2019. – 92 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-006213-6 (print)
ISBN 978-5-16-104008-9 (online)

В работе представлены методы оценки производственных процессов 
на основе регистрации в исследуемой воздушной зоне. Представлены 
физические модели, отражающие физические и химические изменения, 
проходящие в технологических системах, при высоких температурах, термодинамическое преобразование энергии, диффузии и газообразования; 
представлены исследования, которые содержат общее описание методики 
и изложение результатов работы, а также их интерпретацию. Данная монография представлена как «единописание», которая раскрывает несколько 
взаимосвязанных научных тем. 
Издание предназначено для аспирантов, студентов, магистрантов 
и научных работников энергетического машиностроения и теплоэнергетики.

УДК 338(075.4)
ББК 30.607

УДК 338(075.4)
ББК 30.607
 
Д20

© Дараселия Н.В., Швецов И.В., 2013
ISBN 978-5-16-006213-6 (print)
ISBN 978-5-16-104008-9 (online)

Д20

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Н.М. Андрианов;
доктор технических наук, профессор П.А. Кругликов

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ВВЕДЕНИЕ

Рост автоматизации в энергетике и машиностроении, как и в любых

других отраслях, предъявляет высокие требования к средствам мониторинга для оперативного контроля за состоянием оборудования, обнаружения и локализации неисправностей, аварий, прогнозирования работоспособности систем и т.д. Одним из актуальных вопросов повышения 
надежности промышленного оборудования и его работоспособности 
является диагностирование и оперативное обнаружение поломок.

На промышленных предприятиях используют различные методы 

контроля процессов, служащие для оперативного контроля состояния 
оборудования, обнаружения неисправностей и т.д. Обеспечение качества работы оборудования возможно при эффективном контроле, в процессе которого встает задача выявления дефектов, которые имеют место.

У методов контроля производственных процессов проблемой остает
ся анализ широкого круга физико-химических явлений и получение 
необходимых сведений в условиях неполной информации об объекте и 
внешнем воздействии.

Известные методы оценки процессов, основанные на различных яв
лениях, таких как измерение виброакустической эмиссии, термо-ЭДС и 
других, не дают полной информации или не в полной мере раскрывают 
свои потенциальные возможности, поэтому их применение в системах 
управления и мониторинга ограничено. 

Средства диагностики требуют постоянного развития и совершенст
вования с целью повышения их разрешающей способности, что невозможно без дальнейшего исследования процессов и установления взаимосвязи физико-химических и других явлений. Поэтому исследование 
этих явлений, разработка на этой основе новых эффективных методов 
диагностирования являются актуальными.

Анализ большого числа работ, посвященных методам контроля, а 

также информационно-измерительным системам, показывает, что в них 
большое внимание уделяется вопросам обеспечения заданной или оптимальной достоверности контроля, а также точности измерений.

В последние годы ХХ века получило развитие новое направле
ние, в основу которого положены исследование и разработка методов контроля процессов на основе анализа диффузионных процессов 
и газообразования в зоне механической обработки материалов. Однако анализ выполненных работ показал, что многие теоретические 
и практические вопросы в этом направлении требуют дальнейших 
решений. Именно на их основе возможно создание новых научно
обоснованных надежных методов и средств контроля. В связи с этим 

исследование диффузии и газообразования, разработка математических моделей, отражающих многообразие процессов и технических
средств контроля, являются актуальной задачей.

Комплексный подход к процессу контроля позволяет определить це
лесообразные методы и средства мониторинга, оптимальное размещение измерительных средств и приборов. 

Использование подобных систем в автоматизированном производст
ве позволяет:

– повысить точность обработки благодаря вводу коррекции поло
жения исполнительного органа оборудования;

– предохранить механизмы и узлы оборудования от поломок и

преждевременной потери точности.

Основная проблема, которой посвящена работа, – описание взаимо
связей между физико-химическими и термодеформационными процессами с параметрами газообразования. В настоящее время проводятся
исследования, направленные на разработку и создание методов и
средств диагностики оборудования, которые требуют постоянного развития и совершенствования. Это невозможно без дальнейшего исследования процессов и установления взаимосвязи явлений, которые возникают. Поэтому исследование фактических явлений, возникающих при
различных процессах, разработка на этой основе новых эффективных
методов диагностирования оборудования также вызывают интерес. 

Экспериментально-теоретические исследования диффузии и законо
мерности образования различных газообразных соединений, методы
контроля процессов, основанные на регистрации концентрации одного
или нескольких газов, раскрывают многообразие каждого из процессов
и явлений в производстве. 

Комплексные исследования диффузии примесей, образования газов

и их массоперенос в газовоздушном пространстве зоны механической
обработки и сгорания топлива характеризуют изменения состояния
процессов. Одним из направлений научного исследования является разработка методов и средств контроля процессов на основе разработанных
физических и математических моделей, в которых учитывается влияние
структурных и энергетических превращений, влияние их на интенсивность протекания физико-химических процессов.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

1.1.
Современные методы исследований физико-химических

процессов и явлений при изменении температуры

Подход к изучению физических явлений, сопровождающих процес
сы при внешнем воздействии, отличается от подхода при изучении деформирования твердого тела, деформационных процессов, при которых 
происходят релаксационные процессы.

Методики исследования процессов, позволяющие фиксировать струк
турные изменения, еще весьма не совершенны, а с точки зрения протекания 
различных процессов отсутствуют. Поэтому различные стороны явлений 
взаимодействия вещества с тепловыми полями, деформированием и разрушением материала недостаточно понятны из-за отсутствия полных теоретических и экспериментальных данных об изменении состояния вещества и на 
атомарном уровнях. Недостаточно исследованы процессы распада пересыщенных твердых растворов, упорядочение и разупорядочение сплавов, 
диффузия, самодиффузия и массоперенос вещества, исследования по выбору и рекристаллизации деформируемых макро- и микрообъектов металла. 
Изучение этих процессов должно позволить эффективнее использовать 
контроль процессов, комплексные методы, а также полученные знания о 
физических явлениях.

Исследование и описание основных закономерностей протекания 

всевозможных процессов позволяет подойти к объяснению массопереноса, сформулировать основные принципы интенсификации различных 
процессов. Исследование процессов деформирования и разрушения 
материалов, с одной стороны, позволяет судить о динамике изменения 
состояния вещества на субструктурном и атомарном уровнях по характеру протекания процессов, а с другой стороны, разработать качественно новые физические принципы интенсификации методов, контроль 
процесса и диагностирования оборудования. На основе всестороннего 
изучения взаимосвязи деформационных, последеформационных процессов и процессов разрушения материалов, структурных изменений возможен научно обоснованный подход к использованию полученных результатов при создании новых методов контроля.

Деформирование, сдвиг и разрушение кристаллической решетки ма
териалов сопровождается образованием субструктуры с большой концентрацией дефектов, возникает проблема термической и временной 
устойчивости
дефектных структур. Такая устойчивость структуры 

должна быть гарантией сохранения свойств изделий, особенно это каса

ется их работы в течение всего периода эксплуатации в реальных условиях.

Несмотря на различие в технологических решениях, все методы 

имеют общие черты, отличающие их от статической или низкоскоростной деформации и разгружения. 

Важнейшие из них следующие: высокий градиент напряжений между 

деформируемым и недеформируемым материалом в небольшом объеме 
переходной зоны, кратковременность воздействия внешних сил, образование субструктуры с высокой плотностью дефектов кристаллической 
решетки, в ряде случаев отсутствие значительной макроскопической деформации.

В условиях деформирования материала имеет место адиабатический 

сдвиг [25, 29, 30, 33, 77] – образование локальных зон повышенной 
пластической деформации, энергия которой преобразуется в тепловую, 
что снижает предел текучести при повышении температуры. При выделении тепла оно концентрируется вблизи полос или плоскостей скольжения, что приводит к возникновению так называемых адиабатических 
полос сдвига. При сдвиговой деформации переход от однородного деформирования к адиабатическому сдвигу определяется величиной и 
скоростью деформации. Температура в области адиабатического сдвига 
зависит от величины и скорости деформации и теплофизических характеристик материала. Образование адиабатических полос сдвига может 
привести к катастрофическому разрушению по этим полосам, что подтверждается исследованиями, проведенными В.К. Старковым [66]. 
В области высоких температур может протекать полиморфное превращение или образование зоны интенсивного сдвига [77].

В условиях высокоэнергетического воздействия одно из возможных 

объяснений поведения материалов дано В.Е. Паниным с коллегами на 
основе представлений о возникновении «сильно возбужденных состояний» в кристаллах [51, 77]. В этих условиях поведение материала становится нелинейным, возможны гидродинамический характер пластического течения, появление метастабильной структуры и фазы. В соответствии с этой теорией сильно возбужденный кристалл становится, по 
существу, суперпозицией нескольких структур, а число разрушенных 
структурных состояний значительно превосходит число атомов, это 
состояние вещества названо атом-вакансионным [51]. В экстремальных 
условиях, когда происходит процесс стружкообразования, установление 
динамического равновесия между кристаллической и аморфной фазами 
еще более вероятно. Возникновение в этих условиях аномально интенсивных потоков дефектов обусловливает значительно большие скорости 
переноса вещества.

В общем виде концепция структурных превращений в условиях высоко
энергетического воздействия формулируется следующим образом: в кристалл «вносится энергия, аккумуляторная в виде возбужденных атом-вакансионных состояний, которая затем высвобождается в виде потоков дефектов, имеющих стандартную или импульсную природу» [51].

В настоящее время не имеется сведений об экспериментальных ме
тодах, позволяющих непосредственно наблюдать изменения структуры 
вещества при пластическом деформировании и разрушении материала. 
Поэтому микроскопическое исследование поведения вещества может 
быть выполнено лишь на основе моделирования методом молекулярной 
динамики процессов [4, 44]. Однако, несмотря на достаточно большое 
количество работ, выполненных методами молекулярной динамики, 
прямого подтверждения изменения структуры материала в условиях 
высокой динамики процессов не получено.

Для описания поля внешнего воздействия может быть использован 

известный механизм размножения самой дислокации, когда последняя 
является источником новых дислокаций по механизму, отличающемуся 
от механизма Франка–Рида [77]. Пусть атомные связи примесей и их 
соединений в виде карбидов и сульфидов железа в сталях и чугунах, в 
известной мере, условны, поскольку они не намного слабее взаимодействия в относительно правильном кристалле. В результате действия 
касательных напряжений в плоскости скольжения дислокации происходит разрыв связей с образованием новых связей, что приводит к перемещению дислокации на одно межатомное расстояние [41]. Критическое напряжение, необходимое для осуществления смещения атомов в 
ядре дислокации, значительно под действием внешних сил и должно 
быть больше стартового напряжения, поэтому данный процесс начинается со скольжения, а затем образуются две парные дислокации [41].

Далее этот процесс в результате действия сжимающих сил, дейст
вующих на элементарный объем снимаемой стружки, приводит к образованию противоположных дислокаций, так как конфигурация с 
двойным вектором Бюргерса является неустойчивой. Поэтому в результате динамического нагружения образуются две новые дислокации противоположных знаков, каждая из которых может, в свою очередь, являться источником зарождения новой пары дислокаций [41]. 
Описанный процесс разложения дислокаций характеризует увеличение плотности дислокаций в динамически деформируемой кристаллической решетке. Это частично объясняет процесс развития микротрещин и полос скольжения, структурных изменений в материале и скачкообразный массоперенос вещества в условиях механической обработки, хотя не дает точных количественных моделей на современном 
этапе. Поэтому следует либо постулировать необходимые закономер

ности, либо использовать соотношения, полученные известными методами в условиях обычной квазистатической деформации. 

Для этого рассмотрим процесс стружкообразования при резании ме
таллов, сопровождающийся отделением срезаемого слоя, развитием 
микротрещин и полос скольжения, структурными изменениями под 
влиянием силового и температурного полей в процессе пластичной деформации, нарушением элементарных связей между молекулами и атомами в поликристалле и т.д. [66].

Строение кристаллической решетки сталей и чугунов обусловлено 

их химическим составом, наличием примесей и их соединений, которые 
в различной степени оказывают влияние на пластическое деформирование и разрушение срезаемого слоя при превращении его в стружку. 
Образование микротрещин в карбидных соединениях, действующих в 
ферритной матрице сталей и ряде чугунов как мощный концентратор 
напряжений, создает зародыши уже при 1% деформации, что намного 
меньше, чем при пластическом деформировании и разрушении снимаемой стружки. В сплаве металла сера в виде вредной примеси в соединении FeS практически не растворима в железе в твердом состоянии и 
образует с железом легкоплавкую эвтектику, располагающуюся по границам зерен.

При повышении температуры прокатки, ковки, резания (1000–1200 °C) и 

т.д. эвтектика расплавляется и разрушается связь между зернами металла, что приводит вследствие деформации в местах расположения эвтектики к надрывам и трещинам [41, 77]. Присутствие в стали марганца, 
обладающего большим сродством к сере, чем железо, а также образующего с серой тугоплавкое соединение MnS, исключает явление красноломкости. Кроме этого, в затвердевшей стали частицы MnS расположены в виде отдельных включений в объемах зерен.

Хром, кремний, фосфор и т.д. в сплавах железа содержатся также в 

виде примесей, которые оказывают различное влияние на физикомеханические свойства материала. При этом наибольший интерес при 
исследовании термодеформационных и физико-химических процессов 
представляют углерод и сера, образующие летучие газообразные соединения с кислородом воздуха при выгорании из внутренних объемов стружки, которые легко фиксируются с применением средств 
оперативного контроля.

Миграция примесей в материале возрастает, когда происходит разви
тие наибольшей температуры в зоне контакта в результате его деформирования, трения контактирующих поверхностей и действия сжимающих 
сил. 

При исследовании тепловых процессов используют зависимости, по
лученные путем схематизации и упрощения действительных процессов 
теплового распределения. 

Эти упрощения в основном сводятся к следующему: 
–
источники теплоты считают либо сосредоточенными, либо рас
пределенными по соответствующему закону, который позволяет достаточно просто описать процесс распространения теплоты; 

–
формы тела или составляющих элементов системы упрощены;

–
теплофизические величины (коэффициент теплопроводности λ, 

коэффициент температуропроводности ω, удельная теплоемкость Сρ и 
коэффициент линейного расширения α) принимают в ряде случаев не 
зависящими от температуры, что несколько искажает действительный 
процесс, но значительно упрощает математические выражения.

Данные упрощения позволяют получить наглядное представление о 

распределении температуры в теле при нагреве и изложить математическое описание явлений для технологических процессов.

Проведенные исследования, обзор и обобщение литературных ис
точников по теории резания металлов, диффузии примесей, формированию газовых сред, методов контроля газов и газовоздушных смесей в 
технологических процессах позволяют констатировать следующее:

– на диффузию примесей в металле оказывают влияние деформиро
вание и разрушение кристаллической решетки при одновременном образовании высоких температур трения и деформирования;

– фактическая зависимость интенсивности диффузии или концентра
ции диффундирующих примесей не закреплена соответствующими расчетами и математическими моделями;

– формирование газовоздушной среды в зоне исследования происхо
дит как вследствие взаимодействия диффундирующих примесей с составляющими атмосферного воздуха, так и взаимодействием его компонентов на границе раздела гетерогенных фаз;

– расчетные формулы и известные эмпирические зависимости не 

всегда отражают реальность процессов и явлений, а также затрудняют 
их использование в системах контроля и управления процессами;

– одноуровневый анализ процессов ограничивает возможность ис
следования явлений, отражающих их многообразие и взаимосвязь;

– широкое применение газового анализа в различных отраслях про
мышленности не учитывает специфику образования газов и общих требований, предъявляемых к методике исследования.

Указанные особенности диффузии примесей в металле, формирова
ние и контроль газовоздушной среды в зоне обработки позволяют отнести их к сложным объектам исследования. 

Специфика разработки методов и средств контроля процессов состо
ит в следующем:

– не все цели выбора решений и условия, влияющие на этот выбор, 

могут быть достаточно точно выражены в количественных отношениях;

– модели диффузии и определения концентрации исследуемых газов 

характеризуются неполной информацией об объекте исследования, что 
может быть объективным на основании полученных статистических 
данных или субъективным на основании знаний специалистов, имеющих опыт объектов контроля.

1.2.
Современные методы контроля

в производственных процессах

Изучение методов контроля на основе соответствующих достижений 

механики твердого тела, физики металлов, теплотехники и т.д. систематически осуществляется с ХХ века. Значительный вклад в науку и практику при исследовании физико-химических процессов внесен отечественными и зарубежными учеными.

Одной из важнейших задач в любой области развития современной 

промышленности является повышение надежности и долговечности 
машин, так как с каждым годом растет производительность труда, применяются все более напряженные режимы работы при высоких температурах, что ведет к ограничению срока службы деталей механизмов, 
используют различные методы, например метод подобия. Тепловые 
возмущения оказывают влияние на параметрическую надежность оборудования [26, 35, 39, 40, 42, 46].

На основании анализа литературных источников по диффузии, мас
сопереносу примесей и термодеформационным процессам составлено 
представление об образовании летучих газообразных химических соединений в зоне резания при обработке поверхностей изделий. Известные способы контроля технологических объектов основаны на использовании прямых и косвенных методов измерения [47, 48, 49, 50, 80, 81,
82, 85, 86]. При использовании прямых методов измерения контролируется непосредственно определяемая величина [54, 57, 62, 74, 75]. Для 
такого дискретного контроля могут быть использованы, например, датчики касания [8, 78], позволяющие измерить контролируемые размеры с 
погрешностью до одного микрометра.

Дискретный контроль определяемой величины также может произво
диться с помощью лазерных [61, 65], ультразвуковых [70], пневматических [56, 77], акустических [3, 9, 32, 34, 36, 64, 68, 69, 72, 108] и других 
измерительных устройств [24, 31, 52, 67, 77, 88, 89, 95, 96, 97, 98].