Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
КОНДРАТЬЕВА НАДЕЖДА НИКОЛАЕВНА
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАССЕТНЫХ ПАТРОННЫХ МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ульяновск, 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Булыжев Евгений Михайлович
Официальные оппоненты:
Бобровский Николай Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры Оборудование и технологии машиностроительных производств ФГБОУ ВПО Тольяттинский государственный университет Гисметулин Альберт Растемович, кандидат технических наук, доцент кафедры Математическое моделирование технических систем ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону).
Защита состоится л25 мая 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.277.03 при ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432700, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32).
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный технический университет.
Автореферат размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии при Минобрнауки России www.ed.gov.ru л апреля 2012 г.
Автореферат разослан л апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Н. И. Веткасов 1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) являются неотъемлемым элементом технологического обеспечения операций механической обработки, эффективность которых в значительной степени определяется составом и чистотой применяемых СОЖ.
Общепризнана необходимость очистки СОЖ от механических примесей, способствующей повышению производительности обработки и стойкости режущих инструментов. Известно множество очистителей СОЖ, однако попрежнему актуальна проблема обеспечения высокого качества и производительности очистки, поскольку эффективность современных технических средств очистки СОЖ от различных загрязнений (примесей), в том числе от ферромагнитных частиц, недостаточна в свете современных требований к технико-экономической эффективности операций механической обработки.
Для очистки водных СОЖ от ферромагнитных частиц предлагается разработать новый вид очистителей - многорядные кассетные патронные магнитные сепараторы (КПМС) и построенные на их основе технологические системы, обеспечивающие необходимое качество очистки СОЖ при минимальной стоимости аппаратов.
В связи с вышеизложенным тема настоящей диссертационной работы, посвященной разработке и исследованию высокоэффективных в технологическом и экономическом отношениях многорядных КПМС для очистки водных СОЖ на операциях механической обработки, является актуальной.
Автор защищает: 1. Комплекс многофакторных математических моделей очистки водных СОЖ в КПМС, обеспечивающих расчет критериев качества очистки СОЖ от ферромагнитных примесей и учитывающих аддитивный и синергетический механизмы осаждения ферромагнитных частиц в магнитном поле, конструктивные параметры КПМС, скорость движения СОЖ при очистке, физико-химические свойства разделяемых при очистке фаз, дисперсность механических примесей и их концентрацию в очищаемой СОЖ.
2. Результаты численных и натурных экспериментальных исследований эффективности очистки водных СОЖ от ферромагнитных частиц в КПМС, выявленные зависимости критериев качества очистки от условий выполнения операций механической обработки и конструктивных параметров КПМС, способность многорядных КПМС адаптироваться к изменению исходных условий, а также к отказам одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов.
3. Результаты экспериментальных исследований технологической эффективности операций круглого наружного шлифования периферией круга с применением СОЖ, очищенной в КПМС: зависимости параметров шероховатости Ra, Rz и Sm, коэффициента шлифования Кш и критической бесприжоговой подачи VSкр от режима очистки и конструктивных параметров сепаратора.
4. Методики расчета, проектирования и оптимизации одно- и многорядных КПМС в зависимости от условий выполнения операций механической обработки.
5. Рекомендации по выбору конструктивных параметров КПМС и скорости движения СОЖ при очистке в зависимости от условий выполнения операций механической обработки.
Цель работы. Повышение эффективности операций механической обработки на основе разработки и применения КПМС для очистки водных СОЖ.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработан комплекс многофакторных математических моделей очистки водных СОЖ в КПМС с учетом его конструктивных параметров, производительности очистки, физико-химических параметров очищаемой СОЖ и удаляемых ферромагнитных примесей.
2. Проведены натурные и численные экспериментальные исследования влияния исходных условий выполнения операций механической обработки на эффективность очистки СОЖ в КПМС (на примере шлифовальных операций).
3. Разработаны методики расчета, проектирования и оптимизации КПМС.
4. Проведены натурные и численные экспериментальные исследования влияния отказов одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов на работоспособность КПМС.
5. Разработаны рекомендации по расчету и проектированию одно- и многорядных КПМС.
6. Опытно-промышленными испытаниями и опытом эксплуатации в промышленности подтверждена эффективность КПМС на операциях механической обработки.
Научная новизна. 1. Разработан комплекс многофакторных математических моделей, обеспечивающих расчет критериев качества очистки водных СОЖ от ферромагнитных примесей в КПМС. Модели учитывают конструктивные параметры КПМС - диаметр магнитных патронов, расстояние между ними и количество рядов патронов; скорость движения СОЖ в рабочем зазоре; коэффициент динамической вязкости и температуру СОЖ; граничную концентрацию механических примесей при аддитивном осаждении; дисперсный состав механических примесей в очищаемой СОЖ.
2. Получены математические модели, характеризующие влияние условий выполнения операций механической обработки на эффективность очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС и длительность непрерывной очистки СОЖ до регенерации КПМС, способность к адаптации многорядных КПМС при изменении исходных условий, а также при отказах одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов.
3. Разработана методика расчета удельных капитальных вложений на единицу производительности КПМС и оптимизации конструкции одно- и многорядных сепараторов.
Практическая ценность и реализация работы. Разработан программноинформационный комплекс для исследования технологической эффективности операций механической обработки, выполняемых с применением водных СОЖ, очищенных в одно- и многорядных КПМС.
Разработаны алгоритмы расчета и методики проектирования одно- и многорядных КПМС, а также рекомендации по выбору конструктивных параметров КПМС и режима очистки.
Разработаны новые схемотехнические решения и конструкции высокоэффективных и экономичных КПМС и систем очистки водных СОЖ от ферромагнитных примесей (патенты № 2317130, 23171131, 2351384, 55299, 55362, 55629, 57269, 63356). Новые конструкции КПМС внедрены в производство ЗАО Кардан (г. Сызрань), ОАО НЛМК (г. Липецк), ОАО ВАЗ (г. Тольятти), ЗАО Орский завод компрессоров (г. Орск). Суммарный годовой экономический эффект от внедрения систем очистки СОЖ составил 20 030 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях УГТУ в 2004 - 2008, 2011 гг., на VI и VII Конгрессах прокатчиков в 2005 и 2007 гг., на всероссийской научно-технической конференции Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки (Ростов-на-Дону, 2008), на научно-техническом семинаре кафедр Технология машиностроения и Металлорежущие станки и инструменты УГТУ в 2007, 2010 и 2011 гг., а также на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УГТУ в 2012 году. Разработки удостоены серебряной медали на международной выставке изобретений, технологий и продукции в г. Женеве в 2006 году, экспонировались на выставках Металлообработка2006, Металлообработка-2007 в г. Москве.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе одна монография и 4 публикации в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, получены 3 патента на изобретения и 5 патентов на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (188 наименований) и 7 приложений, включает 206 страниц машинописного текста, в том числе 24 таблицы и 100 рисунков.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе показано, что технико-экономическая эффективность современных средств очистки СОЖ от различных загрязнений (примесей), в том числе от ферромагнитных частиц, недостаточна для обеспечения требований, предъявляемых к операциям механической обработки, прежде всего в связи с необходимостью высокопроизводительной очистки больших объемов и расходов СОЖ.
Выполнена многофакторная оценка эффективности известных средств очистки СОЖ на операциях механической обработки, в том числе на операциях шлифования, от тонких частиц. В результате этой оценки наиболее эффективными очистителями СОЖ от ферромагнитных примесей признаны КПМС. Стоимость магнитной сепарации можно уменьшить путем оптимизации КПМС, для чего необходимо разработать специальное научное, в том числе программное, обеспечение с целью проведения системного параметрического синтеза оптимальных конструкций. Разрабатываемый аппарат научного обеспечения должен способствовать выявлению оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих необходимое качество очистки требуемых объемов СОЖ при минимальной стоимости аппаратов.
В заключение сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.
Во второй главе представлен комплекс математических моделей, обеспечивающих расчет параметров качества очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС, исследования численными методами влияния условий выполнения опера ций механической обработки на эффективность КПМС, а также наследования характеристик дисперсности механических примесей при очистке водных СОЖ.
Эффективность очистки СОЖ от ферромагнитных примесей в магнитных полях КПМС зависит от конструкции зоны сепарации, напряженности магнитного поля Н, скорости движения V очищаемой жидкости через зазор между магнитными патронами, исходной концентрации механических примесей в жидкости Cи, относительной массы Cф ферромагнитных примесей в общей массе примесей, магнитной восприимчивости частиц или агрегатов в механических примесях , параметров, характеризующих гранулометрический состав примесей. При рассмотрении процесса осаждения примесей в магнитном поле приняли ламинарный режим течения жидкости. Схема моделируемого КПМС, установленного на емкость 1, показана на рис. 1. Поток СОЖ омывает патроны 2, и магнитные примеси притягиваются к их рабочим поверхностям.
Рис. 1. Схема КПМС: 1 - емкость;
2 - магнитный патрон; 3 - кассета магнитных патронов; 4 - портал;
стрелками показано направление движения потока жидкости Согласно закону движения частиц в магнитном поле, скорость оседания и вероятность задержания магнитной частицы диаметра d, находящейся в СОЖ, пропорциональна ее кубу, т.е.
= R d, (1) где R - единый обобщенный параметр влияния среды и режимов очистки; d - размер комплекса твердая частица - гидратная оболочка, оседающего в СОЖ, м:
d = dч+ 2hг, где dч - эквивалентный размер частицы, м; hг - размер гидратной оболочки, м.
Величина единого обобщенного параметра R определяется из выражения R = RK RР RФ RА, где RК, RР, RФ, RА - частные обобщенные параметры, характеризующие соответственно конструктивные особенности КПМС, режимы очистки, физические свойства СОЖ и твердых частиц, концентрацию механических примесей в СОЖ.
Обобщенный параметр 0,5(2 D + A) RК=, A где D - диаметр магнитного патрона, м; A - расстояние между патронами в ряду, м.
-= A Cф (18)-RР = H V ; RФ ; RА=СиСд-, A где - коэффициент пропорциональности, учитывающий зависимость магнитной восприимчивости частиц от их размера; СФ - относительное содержание магнитной фракции в оседающей гидратированной частице; - динамическая вязкость жидкости, Паc, Си - исходная концентрация механических примесей в СОЖ, г/л;
Сд - максимальная концентрация механических примесей в СОЖ, при которой не наблюдается коагуляция (концентрация одиночного осаждения частиц), г/л.
Так как теоретическое распределение частиц при дроблении подчиняется логарифмически-нормальному закону с асимметричной плотностью распределения, то рассмотрели аппроксимирующий его произвольный треугольный закон распределения на отрезке [a,b] со следующей плотностью распределения вероятностей (точка c - мода):
(x - a), при x[a,c] ;
(b - a)(c - a) p(x) = p(x,a,b,c) = - (x -b), при x[c,b] ;
(b - a)(b -c) 0, иначе 0, при x [a, b].
;
Модифицируем формулу (1) с учетом распределения магнитных частиц:
+ = (R,a,b,c) = min (Rx3,1) p(x,a,b,c)dx. (2) Вычислив интеграл (2) для асимметричного треугольного распределения, получили общее выражение для расчета эффективности процесса очистки, выявляющее существенно нелинейную зависимость средней степени очистки от единого обобщенного параметра R:
R ;
10 (a3 + b3 + c3 + a2b + a2c + b2a + b2c + c2a + c2b + abc), при 3 R b 1 - R a4 + a3c + a2c2 + ac3 + c4b + 6R3 +10Rb2 -15bR3, при c 31 < b ;
10 b - a (b - a)(b - c) 10R(b - a)(b - c) R = (3) 2 R2a5 +15R3a - 6R3 bc - ac - ab +, при a < с ;
10R(b - a)(c - a) (b - a)(c - a) R .
1, при < a R В случае логарифмически-нормального распределения частиц удается получить в явном виде лишь общую формулу, являющуюся аналогом первого выражения в формуле (3) (для малых степеней очистки).
С целью достижения наибольшей общности методики расчета критериев технологической эффективности, с точки зрения используемого распределения частиц и дальнейшей реализации численного метода расчета на ЭВМ, разрабо тана следующая дискретная математическая модель расчета степени очистки СОЖ в КПМС, где индекс i указывает на принадлежность соответствующего параметра i-й фракции частиц:
l 0,5(2 D+ A) H AСФi Cиdi=1-Си- 1 (1- ). (4) Сиi l i 18 AV Cд Степень очистки i-й фракции частиц j-го ряда патронов КПМС l 0,5(2D+ Aj )H A CФi Cиj dij ij =, (5) l 18 Aj V Cд где Аj - расстояние между магнитами в j-м ряду патронов КПМС, м; Hj - напряженность магнитного поля в j-м ряду патронов КПМС, А/м; Сиj - исходная концентрация механических примесей в СОЖ в j-м ряду, г/л.
Степень очистки СОЖ во всем многорядном очистителе l n m 0,5(2 D + Aj) H ACФi Cиj di3 j m =1- 1-. (6) fi 1 l 18 Aj V Cд i=1 j= Концентрация магнитных примесей в очищенной СОЖ после ее очистки в многорядном КПМС l n m 0,5(2 D+ Aj) H A CФi Cиj di3 j Cо = Cи 1. (7) fi 1 l 18 Aj V Cд i= j= Средний размер частиц d и частость fоi частиц i-й фракции механичеo ских примесей в очищенной СОЖ Coi d = d foi o i i ; fоi = n. (8) Coi i=d50 = f (i) - определяется графическим путем непосредственно на графике функции i (di) или из выражения.
d50 0,5 R-Среднее квадратическое отклонение от среднего арифметического размера частиц механических примесей = (di - di )2 fi. (9) i Время непрерывной очистки СОЖ в многорядном КПМС до его регенерации [(D + 2[hос])2 - D2]kз ос tнj =, (10) 43600V АCи kф где ос - плотность осадка, кг/м3; kз - коэффициент заполнения осадком поверхности магнита; [hос] - предельная толщина слоя осадка, м; kф - коэффициент, оценивающий содержание ферромагнитной компоненты в осадке.
Приведенный в табл. 1 пример расчета параметров однорядного КПМС выполнен по разработанной программе с помощью моделей (4), (7) - (10).
1. Пример расчета параметров однорядного КПМС Исходные условия: Со = 20 мг/дм3; Си = 100 мг/дм3; d = 5 мкм; = 1,66 мкм; Q = 100 м3/ч;
Т = 20 С; = 0,001 Пас; А = 500 кПа/(Ам); См = 100 %; Cд = 10 мг/ дм3;
khг = 0,6; А = 0,014 м; D = 0,032 м; V = 0,02 м/с, Н = 80 кА/м.
Допустимые значения степени очистки [] 0,Результаты расчета Последовательность действий, Зависимости размер- значение параметр расчетные ность параметра Рассчитываются (по программе на ЭВМ):
- концентрация частиц механических примесей i-й фракции в исходной мг/дм3 Сиi (di) Сиi = Си fi СОЖ Сиi 1/м3 Ri - обобщенный параметр Ri Ri = RК RР RФi RА RК= 0,5(2 D+ A)/A - 8, - параметр RК -RР= H V Ас/м2 41 - параметр RР -RФi = (AСФi ) (18) (Асм)-1 Rфi (di) - параметр RФi RА =(Си)(Сд)-1 - (100/10)Ц1 = - параметр RА - степень очистки от механических - i (di) i = Ri diпримесей i-й фракции - тонкость очистки по параметру d50 мкм 6,d50 0,5 R- - концентрация частиц механических примесей i-й фракции в очищенной мг/дм3 Соi (di) Соi = (1 - i) Сиi СОЖ Соi - суммарная концентрация механичемг/дм3 Со = Соi ских примесей Со - степень очистки в КПМС = 1- (Со)(Си)-1 0,Сравниваем рассчитанное значение 0,78 < 0,9; не [] - с допустимым [] соответствует Осуществляется повторный расчет и сравнивается (по программе) расчет- 0,905 0,9;
[] - ное значение при Rк = 1 с допусти- удовлетворяет мым [] Рассчитывается время tн работы -tн = hос Vh ч КПМС до регенерации Сущность численного эксперимента по исследованию эффективности очистки СОЖ в КПМС заключается в проведении вычислений с помощью моделей (4) - (10) показателей эффективности очистки , d50 и d100, рекомендуемых ГОСТ 52237, а также значений Со и dо. Исследования проводили однофакторными планами с охватом параметров H, А, V, Cи, A, D, dи, , что позволило сформировать в дальнейшем необходимый информационный массив данных, апробировать разрабатываемые модели и программные продукты при синтезе многорядных КПМС.
Одной из важнейших характеристик любого очистителя является взаимосвязь его эффективности с производительноа) стью, определяемой площадью рабочего сечения очистителя (его габаритами и стоимостью) и скоростью движения очищаемой б) жидкости V в рабочем зазоре.
Фрагмент результатов исследования зависимости (V) при изв) менении параметров H, Cи, A, dи и А представлен на рис. 2.
Зависимость (V) имеет вид гиперболы, вырождаясь на некоторых кадрах в линейную завиРис. 2. Фрагмент функционала (V, H, A, Cи,, А) dи симость, близкую, как правило, к однорядного КПМС:
ординате = 1. На кривой можно 1, 2, 3 - Н соответственно 20, 60, 80 кА/м; = 2,5 мкм;
dи выделить 3 участка: а) участок а, б, в - Си соответственно 10, 200, 500 мг/дм3;
быстрого уменьшения значения исходные условия: А = 0,014 м; = 0,001 Пас;
с возрастанием V; б) переходТ = 20 С; Сд = 10 мг/дмный участок; в) участок с медленным уменьшением величины даже при значительном возрастании V.
С возрастанием Н, вследствие усиления магнитного потенциала патронов, эффекты очистки усиливаются. Такой характер (H) проявляется на всем пространстве рассматриваемого функционала, что хорошо видно при анализе всех кадров.
С увеличением A эффекты очистки СОЖ от феррочастиц в КПМС возрастают во всем пространстве функционала. С увеличением Си возрастает степень очистки , что объясняется усилением магнитной коагуляции, играющей важную роль при очистке СОЖ от тонких ферромагнитных частиц.
С увеличением скорости потока V снижается качество очистки СОЖ в КПМС ( уменьшается, d и Со возрастают, о и о сначала уменьшаются, а заo тем, начиная с V = 0,001 м/с, возрастают). Степень снижения зависит от количества рядов патронов (рис. 3). Сложность зависимостей о(V) объясняется синергетическим характером осаждения (магнитной коагуляцией) частиц на поверхность магнитного патрона. Например, при очистке СОЖ в трехрядном КПМС увеличение V с 0,001 до 0,05 м/с привело к снижению с 0,99 до 0,37 по сравнению со снижением с 0,99 до 0,15 в однорядном сепараторе. Установлено, что многорядный КПМС обеспечивает бо льшую стабильность процесса очистки СОЖ по сравнению с однорядным КПМС.
Длительность tн непрерывной очистки СОЖ в одно- (1), двух- (2), трех- (3) и четырехрядном (4) КПМС с повышением скорости V движения СОЖ уменьшается (рис. 4, а), так как с увеличением V растет расход СОЖ через КПМС, в результате чего масса задерживаемых частиц возрастает (см. рис. 4, б).
мкм мкм мг/дм мкм мкм мг/дм мкм мкм мг/дм м/с м/с м/с м/с V102 V102 V102 V1Рис. 3. Эффективность очистки СОЖ в одно-, двух- и трехрядном КПМС:
1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий ряд патронов; 5 - КПМС в целом;
исходные условия: D = 0,032 м; Н = 40 кА/м; А = 0,014 м; А = 250 кАм/Па; dи = 5 мкм;
= 0,001 Пас; Т = 20 С; Си = 80 мг/дм3; Сд = 10 мг/дм[G] tн V102 V1а) б) Рис. 4. Зависимость длительности непрерывной очистки СОЖ в КПМС tн (а) и допустимой массы шлама [G] (б) от скорости движения СОЖ V: 1, 2, 3, 4 - соответственно одно-, двух-, трех- и четырехрядный КПМС; исходные условия: Н = 40 кА/м; А = 0,014 м; = 0,001 Пас; Т = 20 С Например, при V = 0,01 м/с значение tн в одно-, двух-, трех- и четырехрядном КПМС составляют соответственно 0,12; 0,25; 0,35; 0,5 ч. Таким образом, длительность непрерывной очистки СОЖ в четырехрядном КПМС в 4,2 раза превышает длительность непрерывной очистки СОЖ в однорядном сепараторе.
В результате увеличения V стабильно увеличивается объем осадка на поверхности патрона (рис. 4, б). Следовательно, многорядные КПМС позволяют не только повышать качество и производительность очистки, но также способны многократно увеличивать время непрерывной очистки СОЖ между последовательными очистками магнитных патронов.
В третьей главе представлены методики и результаты натурных экспериментальных исследований, выполненных для оценки технологической эффективности КПМС на шлифовальных операциях и подтверждения адекватности математических моделей (4) - (10). Экспериментальная установка была собрана на базе круглошлифовального станка 3Б161 (рис. 5): загрязненная СОЖ со станка попадает в модуль доочистки 3, где очищается до Со = 10 мг/дм3; затем насосом 4 подается в емкость модуля очистки, где в нее с помощью дозатора 6 вводятся ферромагнитные примеси. Загрязненная СОЖ очищается в КПМС 7 и подается в зону шлифования.
1 2 3 4 5 6 7 Рис. 5. Схема установки для исследования эффективнос ти КПМС на операциях шлифования:
1 - станок 3Б161; 2, 5 - емкость; 3 - модуль очистки; 4, 8 - насос; 6 - дозатор; 7 - КПМС Эффективность одно- и многорядных КПМС при шлифовании оценивали по коэффициенту шлифования, критической (бесприжоговой) скорости подачи круга VSкр и критериям шероховатости обработанных поверхностей Rа, Rz, Sm. Со съемом припуска 0,5 мм на сторону шлифовали заготовки из сталей 45, HRC 45...48 и ШХ15, HRC 62...64. Исследования выполнены при шлифовании электрокорундовыми кругами 24А16НС17К5 1 - 600x63x305 на керамической связке. Окружные скорости круга и заготовки - соответственно 35 и 50 м/с и 35 м/мин. Диапазон поперечных подач VS = 0,1Е0,5 мм/мин. Использовали два состава водных СОЖ: синтетическая СОЖ-1 представляет собой водный раствор 1Е1,2 % кальцинированной соды и 0,2Е0,3 % нитрита натрия; СОЖ-2 - 3 % -я полусинтетическая жидкость на основе продукта АРС-21. Обработку экспериментальных данных и построение графиков производили с помощью программы Microsoft Excel на ПЭВМ.
При исследовании эффективности многорядного КПМС варьировали числом рядов магнитных патронов в КПМС N. С увеличением N параметры шероховатости Ra и Sm уменьшаются, так как при этом увеличивается , уменьшаются остаточная концентрация механических примесей в очищенной СОЖ Со и крупность частиц механических примесей d, что и предопределяет уменьшение знаo чений параметров шероховатости Ra и Sm. При VS = 0,1 мм/мин обеспечивается Ra = 0,25Е0,32 мкм (рис. 6, а), что соответствует ГОСТ Р 50815. При этом Sm не выходит из интервала 10Е20 мкм (рис. 6, б).
Аналогичные эффекты отмечены при скоростном шлифовании (Vк = 50 м/с) с применением СОЖ-2. Благодаря увеличению окружной скорости круга с 35 до 50 м/с значения параметров шероховатости поверхности заготовки снизились на 20Е30 % по сравнению с обычным шлифованием. Значения Кш при этом выросли на 10Е15 %.
Качественная очистка СОЖ от механических примесей позволила предотвратить появление прижогов на шлифуемой поверхности заготовки и увеличить производительность обработки. При шлифовании заготовок из стали ШХ15 на скорости Vк = 35 м/с в результате уменьшения содержания в очищенной СОЖ механических примесей с 2 до 0,2 г/дм3 скорость критической бесприжоговой подачи VSкр увеличилась с 0,3 до 0,4 мм/мин; при скоростном шлифовании (Vк = 50 м/с ) VSкр возросла с 0,4 до 0,5 мм/мин.
1,5 1,мкм мкм 0,99 1,42,0,84 0,0,9 0,71 Ra Sm 0,0,57 26 0,6 22,0,31 0,11,4 17,7 15,0,28 0,0,3 9,0 Vs = 0,1 0,3 0,5 Vs = 0,1 0,3 0,5 мм/мин а) б) КПМС:
4, - четырехрядный; - трехрядный;
3, - двухрядный; - однорядный 3,2,2,2,Рис. 6. Эффективность КПМС на операциях 2,Kш 2 2 1,круглого наружного шлифования:
1,5 1,а, б, в - соответственно Rа (VS), Sm (VS), Kш (VS);
1,исходные условия: станок 3Б161; круг 24А16НСТ17К5;
А = 0,014 м; Н = 40 кА/м; Т = 20 С; = 0,001 Пас;
материал заготовки - сталь 45, HRC 40Е45; V = 0,03 м/с;
Vк = 35 м/с; Vз = 35 м/мин; CОЖ-2; Си = 1 г/дмVs = 0,1 0,3 0,5 мм/мин в) Натурными экспериментальными исследованиями эффективности КПМС подтверждена адекватность математических моделей (4) - (10). Сущность экспериментов заключалась в проведении процесса очистки СОЖ, загрязненных механическими примесями, и сравнительной оценке экспериментальных и расчетных значений критериев эффективности , d50, Co, d и о.
о На рис. 7 приведен фрагмент результатов экспериментальных и теоретических исследований зависимости (V), и сопоставлены значения степени очистки Э со значениями Р, полученными численными методами.
Значения :
- экспериментальные; - расчетные Рис. 7. Зависимость степени очистки СОЖ в КПМС от скорости V движения жидкости:
1, 2, 3, 4 - V = 0,0025; 0,005; 0,0075; 0,010 м/с соответственно;
исходные условия: Н = 40 кА/м; = 5 мкм; = 1,66 мкм;
d Си = 200 мг/дм3; А = 0,016 м; Т = 20 С; Сд = 10 мг/дм3;
= 0,001 Пас 1 2 3 Расхождения между расчетными и экспериментальными значениями не превышают 10 %. Адекватность результатов численных исследований натурным экспериментам оценивали также по критерию Фишера: во всех проверяемых точках расчетные дисперсионные отношения критерия Фишера F не превышают табличные значения.
В четвертой главе представлены разработанные методики автоматизированного расчета, проектирования и оптимизации одно- и многорядных КПМС.
На основе математических моделей (4) - (10) разработан алгоритм расчета однорядного КПМС: последовательно вычисляются параметры RK, RP, RФi, RА, степень очистки СОЖ от механических примесей i-й фракции i, частости i-й фракции механических примесей в СОЖ после очистки foi, d и o, а также o отношение d /o. После этого определяются искомые значения , tн..
o При расчете многорядного КПМС несколько раз (по числу рядов) повторяется расчет однорядного сепаратора. На основе автоматизированного расчета по разработанным алгоритмам формируется массив данных, позволяющих с использованием параметрической компьютерной модели КПМС получать всю необходимую для его изготовления проектно-сметную и технологическую документацию.
Критерием оптимизации КПМС по разработанной методике послужила величина удельных капитальных вложений на единицу производительности КQ при внедрении КПМС, ограничениями служили требуемые степень очистки [] и производительность [Q] очистителя.
В общем случае рассматривается следующая система условий, которые должны выполняться при решении задачи оптимизации очистителя:
КQ (, Q) min; [], Q [Q]. (11) В связи с отсутствием явных функциональных зависимостей КQ, и Q от параметров, входящих в искомую совокупность, принадлежащую оптимальному КПМС, поставленная задача практически неразрешима детерминированными методами оптимизации. Поэтому перспективным здесь является применение стохастических методов, когда в процесс оптимизации намеренно вводится элемент случайности.
При численном исследовании системы соотношений (11) для КПМС учитывали, что критерий оптимизации КQ, ограниченные степень очистки и производительность Q зависят при прочих равных исходных условиях от конструктивных параметров КПМС (расстояния между патронами А и числа рядов N патронов), режима очистки (скорости V движения СОЖ и напряженности магнитного поля H):
КQ = f1(А, H, V, N) min; (12) Q = f2 (А, H, V, N) = []; (13) Q = f3 (А,V) = [Q]. (14) Рассмотрена видоизмененная постановка задачи оптимизации разработанной математической модели КПМС, которая позволила применить современные стохастические методы оптимизации. Вектор управляемых параметров, подлежащих переводу в оптимальное состояние, обозначили через X = (А, H, V, N).
В качестве целевого функционала, на основании соотношений (12) - (14) взяли следующий обобщенный функционал:
F(X) = f1(А, H, V, N) + 2| f2 (А, H, V, N) - []|+ 3| f3 (А,V) - [Q]| min, (15) Q где 1, 2, 3 - положительные весовые коэффициенты, равные суммарно 1.
Использовали алгоритм случайного поиска с линейной тактикой:
, при Fi 0 ;
Xi+1 = Xi+Xi+1;
Xi+1 = ,, при Fi < Xi где - случайный оператор из класса допустимых.
В дальнейших расчетах проводили оценку направления спуска методом статистического градиента:
m Y = -dir F(X + gi ) - F(X - gi ), [ ] i i=Z где dirZ = - единичный вектор; i = ((1), (2), Е, (4)) - случайные векторы, || Z || ||i|| = 1, равномерно распределенные по всем направлениям пространства оптимизируемых параметров; g - величина пробного шага.
В качестве основного алгоритма спуска Xi+1= Xi+Xi+1 использовали так называемый независимый спуск:
aY, при F(Xi + gY ) - F(Xi - gY ) < ;
Xi+1 = + gY ) - F(Xi - gY ) 0, 0, при F(Xi где X1 = aY; g - величина пробного шага; а - величина рабочего шага.
При решении методом случайного поиска оптимизационной задачи (15) получены значения совокупности множества параметров А, H, V, N, соответствующие оптимальным КПМС, при этом выполняется условие (11) - = [], Q = [Q].
В результате системного анализа данных численного эксперимента разработали математическую модель для оценки взаимосвязи KQ - Q - .
На рис. 8 показана проекция поверхности KQ - Q - на координатные оси. Например, при заданной степени очистки 0,95 (кривая 2) и производительности 20 м3/ч величина KQ = 50 тыс. руб./(м3/ч). Если требуется повысить качество очистки до 0,97, то удельные капитальные вложения при той же производительности возрастут до 70 тыс. руб./(м3/ч). На основе полученных результатов можно определить при заданных Q и удельные капитальные вложения и стоимость очистителя и в широком диапазоне произвести оценку его эффективности.
На основе технологических рекомендаций и расчетов, проведенных автором, специалистами ЗАО Системы водоочистки (г. Ульяновск) спроектированы новые КПМС, предназначенные для очистки водных СОЖ на операциях механической обработки до степени очистки СОЖ 0,95Е0,99 и тонкости очистки 2Е5 мкм.
Удельные капитальные затраты на очистку СОЖ в КПМС удалось сократить в 5,5 раза по сравнению с барабанными магнитными сепараторами.
Спроектированы установки на основе КПМС для очистки больших объемов технологических жидкостей с расходом (производительностью) до 2000 м3/ч.
В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний систем очистки СОЖ, построенных на основе КПМС, на ОАО НЛМК и ОАО ВАЗ, которые показали высокую технологическую эффективность КПМС при очистке водных СОЖ.
Новые конструкции КПМС внедрены в производстве деталей автомобилей семейства ВАЗ на ЗАО Кардан (г. Сызрань), на операциях шлифования валов прокатных станов в ОАО НЛМК (г. Липецк), при шлифовании заготовок Рис. 8. Зависимость KQ - Q - :
деталей автомобилей на ОАО ВАЗ а - = 1 - = const; б - Q = const; в - KQ = const;
(г. Тольятти), на операциях механи1, 2, 3 - = 0,97; 0,95; 0,7; 4, 5, 6 - Q = 10, 25, 50 м3/ч;
ческой обработки (в том числе 7, 8, 9 - KQ = 50; 60; 80 тыс. руб./(м3/ч) шлифования) заготовок деталей в производстве компрессоров для бытовых холодильников ЗАО Орский завод компрессоров. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения систем очистки СОЖ составил 20 030 тыс. руб.
Приведены расчеты экономического эффекта, достигнутого при внедрении систем очистки СОЖ, включающих КПМС, на ЗАО Кардан и ОАО ВАЗ.
В результате снижения расходов на приготовление и утилизацию СОЖ, затрат на закупку и утилизацию фильтрополотна фактический годовой экономический эффект на ЗАО Кардан составил 2049,59 тыс. руб., доля эффекта, приходящаяся на КПМС - 1882,6 тыс. руб. в год, на ОАО ВАЗ - 1638 тыс. руб.
Приложения включают метрологическую оценку результатов исследований, результаты проверки адекватности разработанных моделей, справки о внедрении и расчеты экономической эффективности от внедрения систем очистки СОЖ, включающих КПМС, на ОАО ВАЗ и ЗАО Кардан.
3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Технико-экономическая эффективность современных средств очистки СОЖ от ферромагнитных частиц не отвечает требованиям, предъявляемым к технологической и экономической эффективности операций механической обработки заготовок деталей машин и приборов. Перспективным решением этой проблемы является разработка одно- и многорядных КПМС.
2. Разработан комплекс многофакторных математических моделей (4) - (10), позволяющих оценить значения критериев качества очистки СОЖ (, d50, d, о, Со) o в одно- и многорядных КПМС. Модели учитывают их конструктивные параметры, режим очистки, физико-химические параметры разделяемых сред, а также концентрацию и дисперсный состав механических примесей в очищаемой СОЖ.
3. Численными исследованиями математических моделей выявлено влияние условий выполнения операций механической обработки на эффективность очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС, способность многорядных КПМС адаптироваться к изменению исходных условий, а также к отказам одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов, определена длительность непрерывной очистки СОЖ до регенерации КПМС.
4. Натурные экспериментальные исследования технологической эффективности КПМС доказали целесообразность их применения на шлифовальных и других операциях механической обработки и подтвердили адекватность математических моделей (4) - (10). Получены зависимости критериев шероховатости обработанных поверхностей Ra, Rz и Sm и коэффициента шлифования Кш от скорости движения СОЖ в однорядном КПМС, а также от количества рядов патронов многорядного сепаратора, которые подтверждают влияние качества очистки СОЖ на качество шлифуемой поверхности. Тонкая очистка СОЖ от ферромагнитных частиц размером менее 5 мкм в КПМС обеспечила Со 0,1 г/дм3, d50 2,5 мкм. Высокое качество очистки СОЖ позволило увеличить скорость критической бесприжоговой врезной подачи круга.
5. Разработаны методики, алгоритмы и программы автоматизированного расчета, проектирования и оптимизации конструктивных параметров и режимов очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС, обеспечивающих заданные значения степени и тонкости очистки. Предложена математическая модель для оценки взаимосвязи удельных капитальных вложений на единицу производительности КQ - производительности очистки Q - степени очистки .
6. На основе результатов выполненных исследований предложены многорядные КПМС, предназначенные для использования в системах с производительностью 30Е2000 м3/ч. Обеспечиваемое с их помощью качество очистки СОЖ (от частиц размером менее 10 мкм) по остаточной концентрации механических примесей не превышает 0,1 г/дм3, самого жесткого требования по ГОСТ Р 50815.
Проведенные опытно-промышленные испытания разработанных многорядных КПМС, функционирующих в составе централизованных систем очистки СОЖ, обслуживающих поточные линии и участки, подтвердили их высокую эффективность при очистке водоэмульсионных и синтетических СОЖ.
7. Системы очистки СОЖ на основе КПМС внедрены: на операциях механической обработки (в том числе шлифования) заготовок деталей автомобилей семейства ВАЗ - ЗАО Кардан (г. Сызрань), на операциях шлифования валов прокатных станов - ОАО НЛМК (г. Липецк), на участке шлифования заготовок деталей автомобилей ОАО ВАЗ (г. Тольятти), на операциях механической обработки заготовок деталей компрессоров для бытовых холодильников - ЗАО Орский завод компрессоров. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения систем очистки СОЖ составил 20 030 тыс. руб.
Основное содержание диссертации опубликовано в указанных ниже работах.
Монография 1. Новое поколение силовых очистителей водных технологических жидкостей / Е. М. Булыжев, А. Ю. Богданов, Н. Н. Кондратьева [и др.]; под общей редакцией Е. М. Булыжева. - Ульяновск:
УГТУ, 2010. - 419 с.
Публикации в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК, и патенты 2. Булыжев Е. М., Богданов А. Ю., Кондратьева Н. Н. Математическая модель процесса диспергирования материала заготовки с учетом износа и засаливания шлифовального круга // Справочник. Инженерный журнал. - 2008. - № 10. - С. 47Ц50.
3. Булыжев Е. М., Кондратьева Н. Н. Математическая модель процесса очистки СОЖ в патронном магнитном сепараторе // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. - 2008. - № 10. - С. 14Ц18.
4. Булыжев Е. М., Богданов А. Ю., Кондратьева Н. Н. Моделирование тонкой очистки СОЖ в кассетных патронных магнитных сепараторах // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. - 2008. - № 10. - С. 18Ц24.
5. Булыжев Е. М., Кондратьева Н. Н., Сошников В. В. Системное исследование и отображение эффективности очистки СОЖ в однорядном магнитном сепараторе // Справочник. Инженерный журнал. - 2011. - № 3. - С. 48Ц56.
6. Патент 2317130, Россия. МПК В01D 35/06, В03С 1/00. Магнитный сепаратор / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова*. - 2008. - Бюл. № 5.
7. Патент 2317131, Россия. МПК В01D 35/06, В03С 1/00. Магнитный сепаратор / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова. - 2008. - Бюл. № 5.
8. Патент 2351384, Россия. МПК B01D 35/06. Способ и комплекс очистки жидкости от ферромагнитных частиц / Е. М. Булыжев, Н. Н. Наумова. - 2009. - Бюл. № 10.
Публикации в других изданиях и патенты на полезные модели 9. Новая технология и оборудование для очистки воды в оборотном цикле при горячей прокатке / Е. М. Булыжев, В. Г. Ромашкин, Н. Н. Наумова [и др.] // Труды VI Конгресса прокатчиков (Липецк, 17-20 октября, 2005). - М.: МОО Объединение прокатчиков, 2005. - Т. 2. - С.105Ц106.
10. Булыжев Е. М., Краснова М. Е., Наумова Н. Н. Тонкослойный гравитационный очиститель // Вестник УГТУ. - 2006. - № 3. - С. 34Ц35.
11. Наумова Н. Н. Эффективность очистки СОЖ от частиц размером менее 5 мкм в кассетном патронном магнитном сепараторе // Вестник УГТУ. - 2006. - № 4. - С. 49Ц53.
12. Рябов Г. К., Краснова М. Е., Наумова Н. Н. Интегральная технологическая система очистки водных жидкостей от магнитных шламов // Сборник трудов VII Конгресса прокатчиков (Москва, 15 - 28 октября, 2007), том 2. - М.: МОО Объединение прокатчиков, 2007. - С. 533Ц536.
13. Патент на полезную модель № 55299, Россия. МПК В01D 17/035. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова, В. В. Семенов. - 2006. - Бюл. № 22.
14. Патент на полезную модель № 55362, Россия. МПК В01D 17/035. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, Н. Н. Наумова. - 2006. - Бюл. № 22.
15. Патент на полезную модель № 55629, Россия. МПК В01D 17/035. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, Н. Н. Наумова. - 2006. - Бюл. № 22.
16. Патент на полезную модель № 57269, Россия. МПК С02F 1/40. Интегрированный технологический модуль для тонкослойной очистки больших объемов воды от механических примесей / Е. М. Булыжев, В. В. Семенов, Н. Н. Наумова [и др.]. - 2006. - Бюл. № 28.
17. Патент на полезную модель № 63356, Россия. МПК С10М 175/04, В01D 35/06. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова. - 2007. - Бюл. № 15.
* Наумова Н. Н. - девичья фамилия соискателя Кондратьевой Н. Н.
Автореферат КОНДРАТЬЕВА НАДЕЖДА НИКОЛАЕВНА РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАССЕТНЫХ ПАТРОННЫХ МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Подписано в печать_______________. Формат 60x84/16.
Бумага офсетная. печать трафаретная. Усл. печ.л.1,16.
Тираж 100 экз. Заказ _________________ Типография УГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям