Исследования системы применения смазочно-охлаждающих жидкостей

Эффективность применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в механообрабатывающих производствах определяется не только оптимальным компонентным составом СОЖ, но и рациональной организацией систем ее эксплуатации вспомогательными службами цехов и заводов машиностроительных отраслей. Ни одно машиностроительное предприятие не обходится без службы СОЖ, выполняющей соответствующие процессно-аппаратурные функции приготовления и активации рабочих растворов, подготовки оборудования, систем циркуляции, транспортирования, очистки, регенерации, утилизации и обезвреживания отработанных жидкостей.

Проектирование службы СОЖ невозможно без научного обоснования процессов, связанных с эксплуатацией жидкости. Однако значение СОЖ и рациональной организации систем их применения до сих пор еще часто недооценивается. В теории резания превалирует механогеометрический подход, поэтому следует развивать физико-химические представления о процессах составляющих резание. В основных отделениях заводской службы по эксплуатации СОЖ осуществляются физико-химические, гидромеханические и массообменные процессы, широко используемые в химической технологии, а аппараты и оборудование, в которых они реализуются, — в химических производствах. Поэтому научное обоснование повышения эффективности систем эксплуатации СОЖ и оптимизации технологических процессов, протекающих в них должно базироваться на системном анализе физико-химических и химико-технологических основ конкретных процессов и аппаратов для функционирования СОЖ, в которых учтена специфика механообрабатывающих производств. Такой подход необходимо использовать при разработке методов и моделей для автоматизированного проектирования систем эксплуатации СОЖ.

Выбор СОЖ и рациональная организация систем их эксплуатации — часть проектирования общей системы резания. Создание гибких автоматизированных производств (ГАП), роботизация и внедрение безлюдной технологии выдвигают новые требования к структуре систем эксплуатации СОЖ и методам их проектирования. Для ускорения проектных работ используют САПР. Использование ЭВМ обусловливает изменение традиционного подхода к процессу проектирования систем эксплуатации СОЖ. Так, необходимо осуществить математическую формулировку задач и построение математических моделей отдельных стадий и процессов эксплуатации СОЖ, а также моделей, описывающих интерактивные взаимодействия между ними. Для автоматизации проектирования службы СОЖ необходима разработка соответствующего программно-математического обеспечения (ПМО), включающего алгоритмы, программы и т. д. Математические модели отдельных стадий и процессов эксплуатации СОЖ являются основой построения САПР-СОЖ. Особенно возрастает роль, САПР-СОЖ при проектировании ГПС, когда необходимо соблюдение принципа системного подхода к проектированию различных подсистем ГПС, в т. ч. и вспомогательных, к которым относится система применения СОЖ. В этом случае САПР-СОЖ является одной из подсистем САПР ГПС.

В этой работе сделана попытка решить проблему проектирования систем применения СОЖ, применив ЭВМ и систему ANSYS, что позволило сократить время расчета систем применения и перебрать большое количество комбинаций, что очень облегчает проектирование систем применения в производстве и позволяет получить зависимость шероховатости изделия от любого параметра системы.

Проведены исследования системы применения СОЖ, с помощью полученных математических моделей. Получены результаты, которые позволяют давать рекомендации при разработке систем применения, а именно какие размеры должны быть у бака, трубопровода, какой насос и фильтр должны находиться в системе, как они должны быть расположены, какой расход СОЖ выбрать, чтобы получить нужную нам шероховатость изделия и чтобы примеси в системе осели в баке, а не в трубопроводе.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ ШЛИФОВАНИЯ

Выбор типа системы эксплуатации СОЖ и ее проектирование зависят от конкретных условий производства и экономических расчетов эффективности применения систем.

Системы применения СОЖ разделяют на индивидуальные, групповые и централизованные. Индивидуальные системы обеспечивают возможность быстрого перехода на эксплуатацию новой СОЖ и перепланировки оборудования. Групповые и централизованные системы эффективны в условиях серийного и массового производства и допускают возможность полной автоматизации и применения безотходной и малоотходной технологии.

Наиболее перспективны групповые и централизованные системы, т. к. именно в них возможна полная автоматизация выполнения основных операций и управления ими. Централизованные системы представляют собой сложные комплексы, обеспечивающие решение всей совокупности задач рациональной эксплуатации СОЖ.

Решение вопроса организации систем применение СОЖ осуществляется в три этапа:

1)выбор номенклатуры и составов СОЖ;

2)проектирование, изготовление и эксплуатация технических средств;

3)организация систем контроля и управления процессом использования СОЖ.

К техническим средствам применения СОЖ относятся устройства для приготовления, очистки, регенерации и обезвреживание отработанных растворов, устройства для подачи СОЖ к оборудованию и в зону резания, насосы, трубопроводы, емкости для хранения и т. д. Проектирование систем применения СОЖ сводится, в основном, к выбору перечисленных технических средств и определению их конструктивных параметров.

При проектировании централизованных систем подачи СОЖ главной задачей является выбор основных параметров: количества циркулирующей СОЖ (производительности системы), сечения трубопроводов, мощности насосов, емкости резервуаров, числа фильтров и т. п. Оценка этих параметров проводится, как правило, по эмпирическим данным.

Для управления смазочным хозяйством, включающим службу СОЖ, рекомендуется использовать ЭВМ.

Следует отметить, что пока еще отсутствуют специализированные предприятия по выпуску оборудования для эксплуатации СОЖ, а в разрабатываемых проектах велик удельный вес нестандартного оборудования. Отсутствуют общие методические подходы к синтезу оптимальной структуры систем применения СОЖ, выбору и компоновке оборудования в автоматизированных комплексных системах, нахождению оптимальных режимов их работы конструкционных параметров. Не разработаны научные основы автоматизированного проектирования систем эксплуатации СОЖ с использованием ЭВМ.

Недостаточно широкое распространение автоматизированных систем эксплуатации СОЖ объясняется отсутствием соответствующего серийного оборудования, а также использованием традиционных, ручных методов проектирования, позволяющих выбирать лишь ограниченное число вариантов схем и оборудования.

Расширение выпуска гибких производственных модулей (ГПМ) и систем (ГПС), работающих в условиях ГАП и безлюдной технологии, выдвигает новые требования к решению вопросов проектирования систем эксплуатации СОЖ, в частности автоматизации процессов проектирования и эксплуатации СОЖ.

1.1 Методические подходы для автоматизированного проектирования систем применения СОЖ

В настоящее время наблюдается сближение процессов проектирования и производства различных изделий на базе создания единой интегрированной системы, предусматривающей автоматизацию процессов проектирования и производства и получившей название системы CAD/CАM. В таких системах осуществляется интеграция автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), проектирования (САПР), технологической подготовки производства (АСТПП), контроля (САК), управления (АСУ), производства (ГАП) на основе единой информационной базы данных (БД).

В интегрированной системе, описанной в работе, выбор системы СОЖ и ее проектирование осуществляются с помощью АСНИ и САПР путем предоставления необходимой информации из БД.

1.2 Основы проектирования систем применения СОЖ с помощью ЭВМ

Проектирование системы эксплуатации СОЖ начинается с выбора номенклатуры и состава жидкостей и проведения теоретических и экспериментальных исследований особенностей технологических процессов их эксплуатации.

Процесс проектирования включает две взаимосвязанные стадии — технологическое и конструкционное проектирование. Цель технологического (функционального) проектирования — разработка оптимальной технологической схемы функционирования СОЖ, определение оптимальных технологических параметров оборудования и технических средств применения СОЖ, a также выбор оптимальных технологических режимов, обеспечивающих повышение эффективности системы эксплуатации СОЖ. Кроме того, на стадии технологического проектирования разрабатываются принципы автоматизированной информационно-измерительной системы управления и аналитического контроля эксплуатации СОЖ.

Основные задачи конструкционного проектирования системы эксплуатации СОЖ: выбор оптимального объемно-планировочного решения (компоновки); выбор технологического оборудования; разработка технологических трубопроводов для подачи СОЖ в зону резания, удаления отработанных составов и циркуляции в остальном оборудовании.

При переходе к процессу автоматизированного проектирования систем эксплуатации СОЖ решение перечисленных задач осуществляется с помощью ЭВМ. При этом процесс проектирования рассматривается в виде системы сбора и переработки входной научно-технической информации в выходную информацию на основании математических моделей в виде проекта системы эксплуатации СОЖ.

Автоматизация проектирования включает полную формализацию и алгоритмизацию всех этапов технологического и конструкционного проектирования.

Теоретическую основу автоматизированного проектирования систем эксплуатации СОЖ составляет системный анализ, а его основной метод — математическое моделирование. Модель системы эксплуатации СОЖ является общим инструментом проектирования, который воспринимает на входе данные, необходимые для выбора номенклатуры СОЖ, технические, требования к оборудованию и средствам эксплуатации. Выходные данные такой модели должны содержать сведения о технологической схеме, рекомендации по режимам эксплуатации и данные по оборудованию, требующемуся для обеспечения технических требований.

Основные задачи автоматизированного проектирования систем применения СОЖ с использованием САПР-СОЖ:

разработка методов автоматизированного прогнозирования свойств СОЖ и выбора ее состава;

анализ иерархической структуры технологических схем и процессов применения СОЖ на основе методов математического моделирования;

формирование цели проектирования и синтез технологических систем применения СОЖ в соответствии с выбранным критерием эффективности и принятой математической моделью;

разработка структуры САПРСОЖ и ее программно-математического обеспечения (ПМО).

Один из основных этапов организации систем применения СОЖ — выбор номенклатуры и составов СОЖ. Для создания САПР-СОЖ этот этап также необходимо автоматизировать с помощью ЭВМ.

Процесс автоматизированного выбора составов СОЖ включает: автоматизированный поиск и выдача рекомендаций по выбору универсальной или нескольких совместимых марок СОЖ из имеющегося товарного ассортимента по информации, хранящейся в БД.

Автоматизации процесса проектирования системы применения СОЖ должны предшествовать анализ структуры технологической схемы и процессов применения СОЖ и разработки модели системы, отражающей иерархическую структуру связей между отдельными стадиями к процессами, основанную на блочном принципе.

Один из возможных способов построения обобщенной модели системы применения СОЖ — установление отношений соподчиненности (иерархии) структуры подсистем и процессов функционирования СОЖ.

Система применения СОЖ рассматривается как специализированное подразделение, представляющее собой отдельную замкнутую подсистему, входящую наряду с другими службами в общую структуру завода. При этом система применения СОЖ содержит различные взаимосвязанные подсистемы, имеющие иерархическую структуру. Отдельные подсистемы выполняют подготовку СОЖ (приготовление и активацию рабочих растворов), подготовку систем станков и оборудования к эксплуатации (промывку, очистку и дезинфекцию), транспортирование СОЖ и ее восстановление (очистку и регенерацию), стабилизацию технологических параметров, удаление, обезвреживание, утилизацию (включая рекуперацию) отработанных растворов.

Подсистемы, относящиеся к более низкой ступени иерархии и действующие совместно, выполняют все функции подсистемы, принадлежащей к высшей ступени иерархии. Каждая подсистема представляет собой совокупность типовых процессов и системы автоматического управления (АСУ ТП), действующих как одно целое. Первую, низшую ступень иерархической структуры системы применения СОЖ образуют типовые технологические процессы в определенном аппаратурном оформлении и локальные системы управления ими.

В подсистеме очистки и регенерации СОЖ протекают процессы ее отстаивания, фильтрации, разделения твердой и жидкой фаз в поле центробежных сил. Это либо регенерация эмульсии, не полностью отработавшей свой ресурс (сюда входит очистка от посторонних примесей, восстановление и стабилизация всех параметров СОЖ), либо регенерация СОЖ, полностью исчерпавшей свой ресурс. В последнем случае, а также при регенерации масел и эмульсоров используют следующие процессы: сорбционно-мембранные, адсорбционные, селективную очистку (экстракцию), выпаривание, дистилляцию, центрифугирование, седиментацию. Некоторые из этих процессов используют и для утилизации и обезвреживания отработанных эмульсионных СОЖ в подсистеме АСУО-СОЖ. Большинство из перечисленных процессов относится к типовым процессам химической технологии, а их математическое описание основывается на типовых моделях.

Чтобы при осуществлении перечисленных процессов выходные переменные, описывающие свойства СОЖ соответствовали заданным значениям и не отклонялись от них под влиянием возмущающих факторов, на процесс необходимо воздействовать с помощью управляющих переменных. Это означает, что на нижней ступени иерархии задача управления подсистемами применения СОЖ сводится к локальной стабилизации технологических параметров типовых процессов путем создания систем автоматического регулирования (CAP).

1.3 Выбор критериев эффективности систем применения СОЖ

Ключевым вопросом синтеза систем применения СОЖ при автоматизированном проектировании является выбор критерия эффективности функционирования их технологических схем.

В соответствии с иерархической структурой системы применения СОЖ каждая иерархическая ступень характеризуется отдельным показателем эффективности. Нижние ступени иерархии (отдельные процессы или стадии функционирования СОЖ) оцениваются с помощью технологических критериев, более высокие — с помощью экономических или обобщенных критериев.

В качестве технологических критериев принимают расход СОЖ в системе, удельные площадь и энергоемкость системы и срок службы СОЖ. В качестве экономических критериев используют относительную себестоимость обработки и приведенные затраты при эксплуатации оборудования.

Для отдельных процессов системы применения СОЖ могут быть выбраны следующие частные критерии :

затраты на проектируемое оборудование (стоимость отдельного аппарата на i-й стадии системы применения СОЖ);

расходные нормы по входным потокам СОЖ и энергии на преобразование потоков в отдельном аппарате;

степень однородности или дисперсности СОЖ;

степень отделения примесей в системах очистки СОЖ;

термодинамические параметры отдельных процессов.

Обобщенный критерий вычисляется на основании принятой функциональной зависимости от выбранных частных критериев.

Расчет системы эксплуатации СОЖ сводился к определению характеристик гидроциклонов, фильтров, теплообменников, а также емкостей в зависимости от объемов расходуемых СОЖ.

Выбор критерия эффективности системы применения СОЖ — заключительная стадия формулирования целей ее функционирования. В данной работе в качестве критерия эффективности выбрана шероховатость изготавливаемой детали, ее значение можно вычислить по формуле

(1.1),

где С_ПР — концентрация механических примесей, С_ЭМ— концентрация эмульсола (2−10% или 20−100 г/л), Т-температура СОЖ (10−30С), d_ЭФ— размер частиц эмульсионной фазы (0,7−1 мкм), С_ИС— истощение эмульсии, С_ИС=0,001.

Формулирование задачи проектирования и синтеза технологической системы применения СОЖ на основе выбранного критерия эффективности позволяет перейти к разработке структуры САПР-СОЖ.

1.4 Разработка структуры САПР-СОЖ

Структуру САПР-СОЖ необходимо рассматривать в рамках общей структуры системы проектирования операционных технологических процессов механической обработки. Использование методов подготовки производства с независимым проектированием станка, приспособлений, процесса резания, инструментов резко снижает качество производственных процессов и недопустимо для создания перспективных производственных систем. Для создания автоматизированных производств с использованием ГПМ и ГПС, для которых функции отдельных подсистем практически неразделимы, необходимо использование обобщенных методик проектирования. Выбор СОЖ и проектирование систем их применения также должны учитываться в данных методиках как одна из подсистем общей системы проектирования. К задачам, решаемым в САПР ГПС, наряду с определением рациональной структуры станочной и транспортно-накопительной систем, материальных потоков, относится и задача построения вспомогательных служб, в т. ч. службы эксплуатации СОЖ .

Функциональная структура САПР-СОЖ (см. рисунок 1.1) представляет собой иерархию целей, ориентированных на решение задач конкретного уровня, и включает следующие специализированные автоматизированные подсистемы:

выбора состава СОЖ к прогнозирования их свойств;

технологического проектирования отдельных процессов применения СОЖ;

конструкционного проектирования оборудования и технических средств применения СОЖ;

синтеза (компоновки) схем применения СОЖ;

проектирования систем управления, диагностики и контроля СОЖ;

расчета технико-экономических показателей.

Функционирование данных специализированных подсистем в САПР-СОЖ обеспечивается наличием подсистем методического, информационного, математического, программного и технического обеспечения. Взаимодействие между подсистемами должно удовлетворять общим принципам, положенным в основу, при разработке САПР: относительная независимость подсистем, эволюционность подсистем и всей САПР-СОЖ в целом, минимальное взаимодействие с внешней средой, универсальность для групп родственных технологических объектов.

К методическому обеспечению САПР-СОЖ следует отнести документацию по выбору и правилам эксплуатация средств обеспечения автоматизированного проектирования.

К информационному обеспечению САПР-СОЖ, базирующемуся на централизованной БД, относятся следующие массивы информации:

физико-химических, теплофизических, функциональных, основных технологических и сопутствующих свойств СОЖ;

Рис 1.1 Функциональная структура САПР применения СОЖ[6]

присадок к СОЖ с характеристиками их химической структуры и спектром активностей (основными и побочными типами функциональных свойств);

товарных марок СОЖ базового ассортимента;

типовых процессов и технологических схем в системах применения СОЖ;

технологических маршрутов операций, процессов и стадий по применению СОЖ;

типовых схем управления и диагностики;

средств автоматизации контроля качества СОЖ на всех этапах функционирования; средств регулирования и датчиков информации о состоянии СОЖ;

рекомендации по применению СОЖ для основных операций обработки металлов резанием;

каталоги оборудования для технических средств применения СОЖ;

технико-экономические параметры оборудования для применения СОЖ и нормативы его эксплуатации и обслуживания.

Для пополнения информационной базы САПР-СОЖ имеются два источника — экспериментальные и расчетные данные. Экспериментальное определение свойств СОЖ, приведение испытаний по оценке их эффективности и рациональным областям применения, определение оптимальных характеристик и режимов работы оборудования для эксплуатации СОЖ должны проводиться на единой научной и методологической основе с использованием средств и методов автоматизации эксперимента. Однако при внедрении новых СОЖ в процессе проектирования систем их применения всегда имеются недостающие данные, которые могут восполняться за счет расчетных методов. В последнее время появляется все большее число методов и систем машинного расчета свойств веществ, в т. ч. и для расчета свойств СОЖ на ЭВМ.

К математическому обеспечению САПР-СОЖ относят совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, необходимых для осуществления автоматизированного проектирования. Известны следующие типы моделей, используемых для САПР ГПС: модульные, сетевые, со специальными языками программирования, эмуляционные.

Модели в САПР-СОЖ используются для выбора составов СОЖ, прогнозирования их свойств, расчета технологических процессов в системе применения СОЖ, расчета аппаратурного оформления их использования. Моделирование позволяет выбрать оптимальный вариант компоновки системы применения СОЖ, т. е. осуществить синтез оптимальной технологической схемы и разработать алгоритмы управления. Для каждого варианта технологической схемы применения СОЖ составляется математическое описание отдельных технологических процессов. При этом наряду со стандартизацией оборудования необходима стандартизация и его математического описания. Большинство моделей отдельных процессов применения СОЖ при автоматизированном проектировании используются в качестве проверочных вариантов, т. е. их применение при проектировании связано с изменением входных параметров процесса и последующем расчете. Поэтому создание моделей в проектной постановке требует коррекции принимаемых допущений и ограничений.

К программному обеспечению САПР-СОЖ относят совокупность машинных программ, ориентированных на определенный класс ЭВМ и необходимых для автоматизированного проектирования.

Техническое обеспечение САПР-СОЖ включает совокупность взаимосвязанных технических средств для автоматизированного проектирования, например, автоматизированного рабочего места на основе ЭВМ.

Работа САПР-СОЖ может быть организована следующим образом.

В технологическом блоке анализируется входная информация о процессах механической обработки и на основании банка данных осуществляется выбор составов и номенклатуры СОЖ. Далее вводится и анализируется информация об отдельных процессах, реализуемых в системе применения СОЖ, оцениваются режимы протекания процессов и входные параметры. На основании математических моделей отдельных процессов осуществляется проектный расчет выходных параметров (заданных локальных критериев). В конструкционном (компоновочном) блоке решаются задачи, связанные с выбором оборудования, и синтезом проектируемой системы применения СОЖ. Анализируются различные варианты состава аппаратуры и технических средств, пригодных для выполнения отдельных технологических процессов. В результате анализа определяется оптимальный состав оборудования и соответствующая оптимальная технологическая схема применения СОЖ.

В блоке управления решаются задачи автоматизированного регулирования и управления отдельными процессами и аппаратами и всей системой применения СОЖ в целом. Для управления служат типовые схемы диагностики и регулирования параметрами СОЖ. На основе анализа входной информации выбираются оптимальные схемы управления, номенклатура средств диагностики, регулирования. Кроме того, в блоке управления осуществляются синтез автоматизированной системы управления последовательностью работы аппаратуры и технических средств применения СОЖ, а также синтез схем диагностики и адаптивного регулирования параметров СОЖ. Предлагаемая структура САПР систем применения СОЖ основана на математическом моделировании и описании процессов и оборудования для эксплуатации СОЖ и предназначена как отдельная подсистема для технологической подготовки проектирования всей технологической операционной системы механической обработки.

1.5 Выводы

На основе анализа существующей информации по вопросам дипломной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработка САПР-СОЖ является актуальной и очень важной задачей на этапе проектирования систем применения СОЖ

2. На данный момент нет определенного математического алгоритма проектирования систем применения СОЖ с использованием ЭВМ.

3. Отсутствует строгая методика разработки САПР-СОЖ, что создает необходимость создания такого метода (п.4).

4. Возникает необходимость создания САПР-СОЖ.

Таким образом, целью настоящей дипломной работы является создание и разработка САПР систем применения на операциях шлифования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выбор и разработка математических моделей зоны резания, насоса, фильтра, трубопровода, бака-отстойника.

2. Разработка и обоснование схемы применения и расчетной схемы.

3. Разработка методов исследования и расчетов.

4. Разработка алгоритма и написание ПМО.

5. Анализ результатов. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ПРИМЕНЕНИЯ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ ШЛИФОВАНИЯ

Важнейшим компонентом САПР-СОЖ является математическое моделирование. В математических моделях находят отражение особенности отельных процессов и стадий применения СОЖ. С позиции системного подхода технологические процессы функционирования СОЖ представляют собой сложные физико-химические системы (ФХС), являющиеся комбинацией гидромеханических, химических и массообменных процессов. Многие из них являются нестандартными, что осложняет разработку их математического описания. Поэтому при создании математических моделей отдельных операций и оборудования для применения СОЖ необходимо ее сочетание детерминированных методов с информационно-логическими и статистическими подходами.

Под математической моделью технологического процесса в САПР-СОЖ принимают систему математических соотношений, описывающих зависимость выходных переменных процесса от входных параметров.

Модели отдельных процессов применения СОЖ являются исходной базой создания общей модели системы применения СОЖ. Функционирование СОЖ представляют в виде взаимодействия отдельных технологических операторов (модулей), описываемых на начальных этапах проектирования, более простыми математическими моделями. На завершающих этапах проектирования необходимо использовать более точные и сложные математические модели. Совокупность математических моделей процессов применения СОЖ, и алгоритмов для их использования в проектных и расчетах составляет основу для создания ПМО САПР-СОЖ.

2.1 Математические модели зоны резания и насоса

В данной работе зона резания была рассмотрена как элемент, влияющий только на концентрацию (С_i i=1,2.5) и дисперсный состав (d_i i=1,2.5) примесей. Все примеси можно разделить на 5 групп по дисперсному составу (см таблицу 2.1).

Таблица 2.1 Дисперсный состав примесей в СОЖ

Зона резания имеет постоянное воздействие C_Ci на C_i и d_i, которое можно вычислить по формуле

(2.1)

Воздействие C_Ci зависит от способа подачи СОЖ в зону резания, предполагается, что эта зависимость будет рассмотрена в последующих работах. Можно воспользоваться данными из для получения плотности распределения C_ci в зависимости от d_i (см. Рис. 2.1).

При обработке деталей абразивным инструментом могут использоваться следующие способы подачи СОЖ: полив свободнопадающей струей, подача напором струи, в виде струи воздушно-жидкостной смеси, через поры круга, струйно-напорный внезонный способ, с одновременным наложением ультразвуковых колебаний, контактный, гидроаэродинамический, шлифование в ванне СОЖ, а также комбинированные способы.

Рис 2.1 Плотность распределения C_ci при шлифовании кругом 24А16С17К5

В данной работе насос, как и зона резания, был рассмотрен как элемент, влияющий только расход (Q) СОЖ в системе. Зависимость Q от типа насоса приведена в таблице 1 (см. приложение 1). Предполагается что эта модель будет рассмотрена в последующих работах более подробно.

2.2 Математическая модель процесса очистки СОЖ от механических примесей в фильтрах и баках-отстойниках

Загрязнение СОЖ механическими примесями в процессе эксплуатации приводит к сокращению срока ее службы, ухудшению технологических и сопутствующих свойств СОЖ, снижению работоспособности оборудования. Особенно высокие требования к чистоте СОЖ предъявляются при использовании автоматизированного оборудования. Очистка СОЖ способствует восстановлению показателей процесса резания как при абразивной, так и при лезвийной обработке. Эффективность процесса очистки СОЖ от механических примесей характеризуется степенью и тонкостью очистки. Степень очистки—процент механических примесей, задержанных фильтровальным устройством. Тонкость очистки—максимальный размер частиц, не задержанных фильтровальным устройством.

Наиболее распространенные способы очистки СОЖ от механических примесей следующие:

осаждение механических загрязнений под действием силы тяжести (седиментация);

очистка в магнитном поле (только для ферромагнитных примесей) ;

очистка в центробежном поле;

фильтрование СОЖ через пористые или щелевые фильтрующие элементы.

Выбор технологической схемы очистки определяется прежде всего системой использования СОЖ (централизованной или индивидуальной, видом СОЖ и требованиями к качеству очистки).

Устройства, применяемые для очистки и фильтрования СОЖ:

Для очистки СОЖ используются следующие устройства: баки-отстойники, флотаторы, магнитные сепараторы и транспортеры, гидроциклоны, центрифуги, различные фильтры.

Простейшими очистителями являются гравитационные баки-отстойники, осаждение твердых частичек в которых происходит под действием силы тяжести. Эффективность очистки определяется вязкостью СОЖ, длиной пути осаждения, конструкцией бака и другими показателями. Баки-отстойники могут быть использованы для очистки СОЖ как на масляной, так и на водной основе, в основном, после чистовой обработки. Но очистка баков-отстойников от осевшего на дно шлама и стружки занимает много времени, поэтому в централизованных системах подачи СОЖ удаление загрязнений происходит с помощью скребковых транспортеров. Баки-отстойники используют в сочетании с другими устройствами очистки СОЖ (магнитными сепараторами, фильтрами-транспортерами и др.)

Баки-отстойники могут использоваться и для осуществления флотационного способа очистки. Для этого снизу в бак подают воздух, пузырьки которого, поднимаясь вверх, образуют пену и уносят с собой мелкие частицы загрязнений. Флотационный способ пригоден для очистки эмульсионных и синтетических СОЖ.

Широкое распространение получили магнитные сепараторы. Они служат для удаления ферромагнитных частиц. Преимущество их обусловлено небольшими габаритными размерами, невысокой стоимостью, непрерывностью действия и простотой обслуживания. Магнитные сепараторы пригодны для очистки СОЖ любого типа. Недостатки—невозможность использовать при обработке немагнитных материалов, низкая степень очистки СОЖ для чистовых операций.

Более высокой производительностью и степенью очистки отличаются электромагнитные сепараторы.

В гидроциклонах удаление твердых частиц осуществляется под действием центробежных сил при вращательном движения струи СОЖ. В гидроциклонах отсутствуют вращающиеся части, шлам удаляется непрерывно, можно удалять магнитные и немагнитные частицы. Гидроциклоны пригодны для очистки синтетических и эмульсионных СОЖ после чистовой и черновой и обработки.

Повышение тонкости очистки может быть достигнуто путем объединения гидроциклонов в батареи. Число гидэоаиклонов в батарее может достигать 22.

Центрифуги предназначены для тонкой очистки СОЖ. Принцип действия основан на отделении инородных примесей под воздействием центробежных сил при вращении жидкости в барабане. Центрифуги позволяют удалять магнитные и немагнитные частицы из синтетических, эмульсионных и масляных СОЖ. Используются только при индивидуальной подачи СОЖ к станку ввиду низкой производительности.

Фильтры различной конструкции сочетают в себе возможность получения высокой производительности, высокого качества очистки и высокой степени автоматизации.

Для особенно загрязненных СОЖ применяют гильзовые фильтры, в которых фильтровальная бумага размещена внутри сетчатого металлического баллона.

Тонкую очистку (при хонинговании, суперфинишировании) позволяют производить намывные фильтры, обеспечивающие тонкость очистки до 0,5 мкм и меньше. Разработаны намывные фильтры, обеспечивающие степень очистки 99% при тонкости 3 мкм.

На операциях, сопровождающихся большим съемом металла, применяют мешочные фильтры. Тонкость очистки в мешочных фильтрах достигает 5 мкм.

Современная технология очистки должна обеспечивать очистку СОЖ от частичек загрязнения размером от 10 до 0,2 мкм при степени очистки 0,95. Обеспечить такие жесткие требования можно только путем применения многоступенчатой очистки. На первой ступени отделяются частицы размером до 100 мкм (баки-отстойники, магнитные сепараторы, сетчатые фильтры и др.); на второй ступени удаляются частицы с размером 20—100 мкм (батареи гидроциклонов, ленточные фильтры, магнитные сепараторы). Затем отделяются частицы размером 20—0,2 мкм (центрифуги, фильтры с намывными слоями, флотаторы).

Многоступенчатый цикл очистки целесообразно использовать как при централизованной, так и при индивидуальной подаче СОЖ к станку.

Фильтр представлен как элемент, влияющий только на концентрацию (С_i i=1,2.5) и дисперсный состав (d_i i=1,2.5) примесей. Каждый фильтр имеет постоянный параметр C_Фi, концентрацию примесей после прохождения фильтра можно вычислить по формуле

(2.2)

Параметр C_Фi зависит от типа фильтра. Характеристики фильтров приведены в таблице 2 (см. приложение 1).

При выборе типа очистителя, системы очистителей или схем очистки учитывается ряд факторов, определяющих возможность и технико-экономический уровень их использования: качество очистки, производительность, универсальность, надежность, стоимость и затраты на эксплуатацию. В индивидуальных (ИС) и централизованных (ЦС) системах подачи СОЖ нашли применение очистители различных типов, которые классифицируют на две группы: силовые очистители и очистители с пористой или щелевой перегородками.

Коэффициент очистки К оценивает степень приближения качества очистки жидкости к допустимому значению загрязненности СОЖ механическими примесями [Со].

При нормальном функционировании системы или элемента К < 1. Индекс можно заменить численным значением допустимого содержания механических примесей в очищенной СОЖ в %.

Связь между (степень очистки) и К выражается зависимостью

где С_И — исходная загрязненность СОЖ.

Параметр К в отличие от дает абсолютную оценку эффективности работы каждого очистного устройства или всей системы.

Для вычисления начальных размеров бака отстойника воспользуемся приведенными ниже формулами (в дальнейшем эти размеры будут корректироваться в зависимости от конкретных условий, с помощью программного продукта и расчетов, проведенных в ANSYS).

Длина L (м) может быть определена по формуле

(2.3)

где v_P— средняя расчетная скорость жидкости в проточной части отстойника в горизонтальном направлении, см/с (принимается равной 0,5−2 см/с), W_S^cp-средневзвешенная гидравлическая крупность твердых частиц (принимается равной 40 см/с), Н — высота проточной части отстойника (от границы нейтрального слоя до верхнего уровня СОЖ, м принимается равной 1−3 м в зависимости от производительности системы).

Найденное значение длины бака проверяется по соотношению

. (2.4)

При малом L, найденном по формуле, его значение увеличивают до L=3H, что повышает надежность системы.

Общая высота бака-отстойника может быть найдена по формуле

H_O=H_H +H +H_Б, (2.5)

где H_H -высота нейтрального слоя (оси всасывания) до дна бака; принимается равной 0,2−0,3 м; H_Б -высота борта отстойника над поверхностью СОЖ, принимается равной 0,3 м.

Фактическую горизонтальную скорость движения v_Ф (см/с) жидкости в сторону всасывания определяют по формуле

(2.6)

где Qрасчетный расход СОЖ в системе, м³/ч; Bширина отстойника, м; принимается из соотношения B=(1,5−5)Н.

Если, то система будет работать надежно; если, то необходимо увеличить значения В или Н.

Рассмотрим более подробно как ведет себя СОЖ в баках-отстойниках. Для этого рассмотрим турбулентное движение жидкости.

2.3 Исследование движения жидкости и механических примесей в ней методом конечных элементов

Движение жидкости будет турбулентным. Турбулентные движения характеризуются тем, что поле истинных скоростей частиц жидкости, которая рассматривается как сплошная среда-континуум, имеет нерегулярный пульсационный характер, является неустановившимся и напоминает хаотическое поле скоростей отдельных молекул, из которых состоят тела. Траектории частиц жидкости при турбулентном движении в высшей степени извилисты. Точные измерения указывают на то, что изменения всех параметров течения при турбулентном движении во времени имеют вид, изображенный на рисунке 2.1, где для примера дано характерное для турбулентных течений изменение плотности в данной точке пространства с течением времени t.

Рис 2.2 Плотность турбулентного течения

На основное изменение плотности (на рисунке— плавная пунктирная линия) накладываются нерегулярные пульсации большой частоты.

Во многих вопросах турбулентные течения жидкости целесообразно изучать только в среднем. При исследовании турбулентных течений обычно вводят средние значения компонент скорости, давления, плотности, температуры и других характеристик движения (черточки над буквами здесь и далее обозначают осреднение). Для определения средних характеристик движения можно ставить и решать математические задачи.

Таким образом, в случае турбулентных течений сложное движение жидкости осредняется и при этом возникают проблемы составления полной системы уравнений для определения средних характеристик движения и проблемы изыскания способов экспериментального измерения осредненных характеристик движения.

Практика построения моделей для изучения турбулентных движений показывает, что способы введения средних характеристик движения, вообще говоря, несущественны для составления полной системы уравнений теорий турбулентности, но они являются главной основой для разработки методов экспериментальных измерений различных средних величин, проведение которых необходимо для сравнения результатов предложенной теории турбулентности с опытными данными.

Укажем некоторые возможные способы осреднения истинных характеристик движения. Пусть А (х, у, z, t) — некоторая истинная характеристика турбулентного движения. В любой фиксированной точке пространства можно провести осреднение, А по времени t. Тогда среднее значение, А будет равно

где промежуток времени Т достаточно велик по отношению ко времени отдельных пульсации и мал по отношению ко времени заметного изменения средних характеристик (осредненное движение может быть нестационарным).

С другой стороны, в определенный момент времени t осреднение, А можно провести по объему; тогда

причем объем V должен удовлетворять условиям, аналогичным условиям, наложенным на промежуток времени Т. Можно провести осреднение по времени и по объему V одновременно.

Указанные выше осреднения по времени и по объему возможно проводить с весом, когда среднее значение, А определяется, например, следующим образом:

где g (t) — некоторая заданная функция. В различных задачах при выборе V и Т можно руководствоваться различными соображениями, но в имеющихся приложениях результат осреднения рассматривается как не зависящий от V и T.

В ряде случаев используются вероятностные способы осреднения, и среднее значение A часто определяется как математическое ожидание A.

После введения среднего значения A истинное значение A представляется в виде

A=+A',

где A'—пульсация A; среднее значение пульсации равно нулю, ' = 0.

Потребуем, чтобы операции осреднения во всех случаях обладали следующими свойствами:

Среднее значение суммы равняется сумме средних значений:

=+.

Среднее значение производной от истинной характеристики турбулентного движения равняется производной от среднего значения:

.

Среднее значение произведения двух сомножителей, из которых только один испытывает турбулентные пульсации, равно произведению средних. В частности, =0. Среднее значение произведения двух пульсирующих величин не равняется произведению средних:

,

а равняется сумме произведения средних величин и среднего значения произведений пульсации этих величин:

.

Заметим, что при определении средних значений с помощью интегрирования по времени или по пространству перечисленные здесь свойства осреднения выполняются лишь приближенно. Пусть проведено осреднение скорости u=+u'. Среднее значение u² не равняется квадрату среднего значения u:

=²+.

Можно назвать средним значением u² макроскопическую величину, введенную, например, по формуле

=².

Для истинных значений u² в этом случае можно написать

,

причем, но .

Если в механике жидкости для величин ввести средние одинаковым способом, то характеристики движения таким образом осредненного континуума не будут удовлетворять основным законам сохранения и уравнениям состояния, удовлетворяющимся для истинных движений.

В различных теориях турбулентности для определенного набора основных величин осреднения вводятся некоторым одинаковым способом, а способы осреднения других величин вводятся по соглашению так, чтобы удовлетворялись основные законы физики, как и при обычном определении этих величин для истинных движений.

Рассмотрим турбулентные движения несжимаемой вязкой жидкости. Полная система уравнении движения в этом случае, как известно, состоит из уравнения неразрывности и уравнений импульса, которые в декартовой системе координат имеют вид

,(2.7)

, (2.8)

где— компоненты тензора вязких напряжений. Для вязкой жидкости зависят от, для изотропной линейной вязкой несжимаемой жидкости по закону Навье — Стокса

,. (2.9)

Для дальнейшего мы не будем фиксировать закон зависимости от, заметим только, что в общем случае могут зависеть от производных. Используя уравнение неразрывности (2.7) и условие, легко показать, что левую часть уравнений Навье — Стокса можно написать в виде

. (2.10)

При многих теоретических исследованиях турбулентных движений исходят из предпосылки о справедливости уравнений (2.7),(2.8) для истинного неустановившегося пульсирующего движения. Однако ввиду крайней запутанности, извилистости и сложности траекторий частиц жидкости при турбулентном движении получение решений этих уравнений для турбулентных движений представляет собой громоздкую и сложную задачу. Ставится задача о разыскании функциональных соотношений между средними величинами. Уравнения движения для средних, величин получаются путем осреднения уравнений движения (2.7),(2.8) для величин, описывающих мгновенное состояние движения.

Осреднив уравнение неразрывности (2.7), на основании свойств операции осреднения легко получим уравнение неразрывности для осредненных величин

;(2.11)

оно имеет тот же вид, что и для истинных скоростей (2.7).

Осредним уравнения импульса, левую часть которых предварительно запишем в виде (2.10). Так как

, (2.12)

(плотность считается постоянной, одинаковой во всех точках), то, получим следующие уравнения:

(i=1,2,3), (2.13)

которые называются уравнениями Рейнольдса.

Если связь и (и, возможно, производных) линейная и = const, то выражаются через так же, как через. Поэтому, уравнения Рейнольдса (2.13) отличаются от уравнений импульса (2.8) для истинных движений только за счет членов вида

Шесть различных величин

,

вошедших в уравнения Рейнольдса, называются турбулентными напряжениями. Вид зависимости турбулентных напряжений от средних характеристик течения в различных классах задач может быть различным.

Таким образом, ввиду нелинейности уравнений истинных движений, после их осреднения получается большее, чем число уравнений, число неизвестных. Следовательно, для математического изучения осредненных турбулентных движений одних уравнений гидромеханики, достаточных для изучения истинных движений, недостаточно. Поэтому полное теоретическое исследование осредненных турбулентных движений возможно только на основании некоторых дополнительных законов или гипотез, справедливость которых может быть в конечном счете установлена только на опыте.

Содержание многих работ по исследованию турбулентных движений [2,10,11,12,13] сводится к изучению справедливости различных простых и естественных гипотез о зависимости турбулентных напряжений от средних скоростей и их градиентов, которые позволяют поставить и решить теоретически основные частные задачи о турбулентном движении. В настоящее время не существует общей математической постановки задачи о произвольных осредненных турбулентных движениях и вообще не выяснена возможность такой формулировки задачи.

Иногда по аналогии с законом Навье — Стокса (2.9) полагают, что

(2.14)

где M₁=+M, М — коэффициент турбулентной вязкости, который в противоположность коэффициенту молекулярной вязкости, зависит от переменных кинематических характеристик осредненного движения жидкости. Согласно [14], выдвинем гипотезу

(2.15)

где с=[0,1:0,2], xшаг сетки (при вычислении методом конечных элементов).

Найдем

(2.16)

(2.17)

т.к. по свойствам осредненной функции скорости и учитывая уравнение неразрывности (2.11)

(2.18)

подставим (2.17) и (2.18) в (2.16), получим

(2.19)

подставим (2.19) в (2.13), получим замкнутую систему уравнений

(2.20)

(i, k, m, n=1,2,3) (2.21)

Осталось только добавить начальные и граничные условия

(i=1,2,3)

Решить эту систему в общем случае аналитически нельзя, она решается численными методами, например методом конечных элементов. Вычисления проводились в системе ANSYS, картину распределения поля скоростей и давления можно увидеть на рис 2.3 и рис 2.4.

Рис 2.3 Поле распределения скоростей в баке (v₀=2,358 м/с) Рис 2.4 Поле распределения давления в баке Рис 2.5 Поле распределения скоростей в трубопроводе (v₀=3,537 м/с) Начальное значение скорости вычисляется исходя из расхода жидкости

(2.22)

где Q — расход жидкости (м³/с), d — диаметр трубопровода (м).

Теперь рассмотрим турбулентное движение жидкости с примесями. Предположим, что движение жидкости не зависит от присутствующих в ней примесей, т.к. дисперсный состав и концентрация примесей очень малы. Считаем частичку примеси шаром радиуса R, тогда, можно рассмотреть силы, действующие со стороны жидкости на эту частицу: F_A — выталкивающая сила (Архимедова), P — сила давления, F — сила сопротивления, mg — сила тяжести, U — скорость движения частицы. Считаем, что жидкость линейно-вязкая, т. е. представляет собой сплошную среду, в которой сопротивление сдвигу пропорционально скорости движения.

где V — объем частицы примеси, — вектор осредненной скорости жидкости, S — площадь поверхности частицы примеси, (x, y, z) — давление со стороны жидкости в точке (x, y, z) направленное по нормали к поверхности шара, — коэффициент вязкости жидкости, — плотность жидкости, — вектор скорости движения частицы.

Движение частицы будет выражаться следующим уравнением

(2.23)

где m — масса частицы (кг).

Добавим начальные и граничные условия

Уравнения (2.20), (2.21) и (2.23) позволяют определить характер движения жидкости с примесями. Данные системы решаются с помощью метода конечных элементов. Пример распределения примесей в баке можно видеть на рис 2.7

Рис 2.6 Распределение примесей в баке (v₀=2,358 м/с)

Идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину, такую, как температура, давление и перемещение, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей. Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области.

В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна и нужно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель, однако, очень легко построить, если с начало предположить, что числовые значения этой величины в каждой внутренней точке области известны. После этого можно перейти к более общему случаю. Итак, при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом [7]:

в рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами.

значения непрерывной величины в каждой узловой точке считается переменной, которая должна быть определена.

область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точек в совокупности аппроксимируют области.

непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений этой величины. Для каждого элемента определяется свой полином, но полиномы подбираются таким образом, чтобы сохранялась непрерывность величины вдоль границ элемента (этот полином называется функцией элемента).

Рассмотрим трехмерный элемент, представляющий собой параллелограм. Он имеет четыре узла. Обозначим их индексами i, j, k, l, причем обход узлов в том порядке, как они написаны, осуществляется против часовой стрелки. Интерполяционный многочлен имеет вид:

или в матричном виде:

Коэффициенты (t=1.4) можно определить, используя четыре условия в узлах

где вектор — является вектором значений скалярной функции в соответствующих узлах элемента, то есть — являются числами.

Мы получили систему уравнений 4×4. Запишем эту системы в матричной форме:

где — столбец (4×1), [C] - матрица (4×4), — столбец коэффициентов.

Матрица [C] строится для каждого элемента (то есть у каждого элемента своя и зависит от координат узлов конкретного элемента). Запишем матрицу [C]: