Моделирование процессов функционирования технологических жидкостей в системе их применения

1.    Моделирование систем примененияСОЖ               


Рациональное использование смазочно-охлаждающих жидкостей(СОЖ) является одним из резервов повышения эффективности эксплуатации режущегоинструмента. Для инструментальной промышленности роль СОЖ особенно возрастает всвязи с появлением и внедрением новых видов инструментальных материалов инеобходимостью усовершенствования действующих. В этом случае использование СОЖможет значительно повысить производительность механообработки и улучшитькачество обработанных поверхностей.  
При применении СОЖ улучшается износостойкость инструмента, шероховатость обрабатываемой поверхности, точность обработки и т.д. СОЖ несет в себе охлаждающие, смазывающие, антикоррозионные, моющие и другие свойства.  При непрерывной эксплуатации СОЖ очень быстропроисходит процесс загрязнения механическими примесями, истощения эмульсии и т.д. Поэтому возникает необходимость впериодической очистки СОЖ в специальных системах очистки. Очистку СОЖ отзагрязнений следует рассматривать как важный фактор обеспечения максимальнойтехнологической эффективности жидкости. При загрязнении СОЖ отходамиобрабатываемого материала и продуктами износа режущего интсрумента уменьшаетсяэффективность жидкости, снижаетсякачество обрабатываемых поверхностей и стойкость режущего инструмента  , уменьшается срок службы СОЖ и возрастает ее расход.
В данной работе рассматривается задача автоматизированногопроектирования систем очистки СОЖ. Т.е. заведомо имея СОЖ с определенными характеристикамизагрязнения (концентрацию механических примесей и их дисперстный состав), строится оптимальная система очистки. Построение включаетв себя подбор технологических и конструктивных параметров каждого элементаочистки и наиболее приемлимая схема их планировки. Которая  состоит из соединенных , определенным образом , между собой отдельных элементов очистки (фильтров). Вработе было полностью спроектированы три фильтра : бак-отстойник, центрифуга, гидроциклон. Проектирование включает в себя построения модели в Ansys5.5 (создание программного кода) и создание гибкого программногосредства , цель которогообеспечить эффективный интерфейс между пользователем и закодированными данными(в виде программы для Ansys).
     

1.1           Системы применения СОЖ


          Системыстабилизации свойств технологических жидкостей по количеству обслуживаемогооборудования классифицированы на три группы: индивидуальные (ИС), групповые(ГС) и централизованные (ЦС). Индивидуальные применяют для обслуживания одногостанка, групповые — для групп отдельно работающих или для автоматической линиив цехе, централизованные — для основного количества металлорежущегооборудования в цехе или цехах. Емкость для СОЖ и основные элементы ИС и ГСрасположены непосредственно рядом с обслуживаемым оборудованием,централизованные системы — в специально отведенных помещениях в цехах или внецеха.

1.1.1    Функционирование СОЖ
После приготовления, СОЖ собирается в специальныеемкости для хранения. После этого по трубопроводам передается к станкам иподается в зону резания, где сразу осуществляется сбор отработанной жидкости и передача ее всистему очистки , где одновременно осуществляется контроль дисперстногосостава , концентрации примесей, температуры и другиххарактерристик.
          Как правило, индивидуальные системы оснащаются устройствами сепарации,термостабилизаторами, устройствами отделения и удаления шлама. Наряду суказанными элементами могут применятся системы бактериальной защиты, устройстваавтоматического обезвоживания и удаления шлама, поддержания объемов СОЖ,концентрации компонентов и бактерицидных присадок, подготовки и обработкисистем перед заливкой СОЖ, контрольно-измерительную аппаратуру и др.


1.1.2    Состав систем применения


В систему применения СОЖ входятследующие элементы:
·       устройства дляприготовления
·       оборудованиедля оценки качества
·       оборудованиедля транспортировки и хранения
·       оборудованиедля очистки
·       оборудованиедля регенерации и обезвреживания отработанных СОЖ
В данной работе рассматривается оборудование для очисткиСОЖ как элемент системы применения.
 В современном машиностроениидля очистки и фильтрования СОЖ применяются следующие устройства :
·       баки-отстойники
·       флотаторы
·       магнитные сепараторы и транспортеры
·       гидроциклоны
·       фильтры транспортеры
·       центрифуги
·       фильтры ленточные, работающие под давлением(ипод вакуумом)
·       фильтры намывные, сетчатые, пластинчатые, щелевые, тканиевыеи др.
Простейшимиочистителями являются баки-отстойники, на дно которых твердые частицыосаждаются под действием силы тяжести. Эффективность осаждения примесей зависитот величины поверхности осаждения, расхода, вязкости, длиныпути жидкости, а также конструктивных особенностей. Емкость бакадолжна превышать минутный расход жидкости не менее чем в 10-15 раз.
Недостатки : малаяскорость процесса очистки жидкости, необходимость увеличенияразмеров отстойников для повышения эффективности очистки. Баки-отстойники частоиспользуют в сочетании с другими устройствами очистки СОЖ.
Принципфлотационной очистки заключается в следующем :в бак-отстойник снизуподается воздух, пузырьки которого поднимаются к поверхности жидкости, образуетпену и уносят с собой мелкие частицы загрязнений, которые в отстойнике неосаждаются. Пена с поверхности жидкости удаляется. Флотационные способы очисткиобеспечивают хорошую очистку водных СОЖ.
В магнитныхсепараторах ферромагнитные частицы притягиваются г магнитному ротору и затемудаляются латунным скребком .
достоинства : сравнительноневысокая стоимость, непрерывность работы, простота обслуживания, небольшиеразмеры .
недостатки : невозможностьиспользования их при обработке немагнитных материалов и недостаточная длячистовых и отделочных операций степень очистки СОЖ.
Гидроциклон (ГЦ) являетсяболее универсальным очистителем. Принцип отделения примесей основан навращательном движении потоков жидкости внутри ГЦ. Жидкость подается в ГЦ тангенциальнои по спирали движется вниз до шламового отверстия затем основной потокподнимается снова по спирали вверх  квыходному потрубку. В результате какого движения жидкости возникают  значительные центробежные силы , под действием которыхтяжелые частицы отбрасываются к стенкам . Основными преимуществами ГЦ является отсутствие вращательныхчастей и следовательно простота конструкции , непрерывное удаление шлама, возможность очищать и от магнитных и не от магнитных частиц.      На ряду с гидроциклонами используютмагнитные гидроциклоны. Они снабжены электромагнитами в конусной частиположение которых можно регулировать. Это улучшает степень очистки засчет болееинтенсивного притягивания  ферромагнитныхчастиц к стенкам ГЦ.
Принцип действия центрифуг основанна отделении инородных примесей под действием центробежных сил в жидкости привращении ее в барабане.
Центрифугипроизводят тонкую очистку водных и масленых СОЖ от магнитных и немагнитныхчастиц, причем ихпропускная способность по мере накопления шлама практически не изменяется. Наоперациях лезвийной обработки с целью повышения качества очистки СОЖрекомендуется применять в сочетании с баком-отстойником магнитные сепараторы итранспортеры, напорныефильтры, центрифуги, гидроциклоны.
            Системы стабилизации свойствтехнологических жидкостей по количеству обслуживаемого оборудованияклассифицированы на три группы: индивидуальные (ИС), групповые (ГС) ицентрализованные (ЦС). Индивидуальные применяют для обслуживания одногостанка, групповые — для групп отдельно работающих или для автоматической линиив цехе, централизованные — для основного количества металлорежущегооборудования в цехе или цехах. Емкость для СОЖ и основные элементы ИС и ГСрасположены непосредственно рядом с обслуживаемым оборудованием,централизованные системы — в специально отведенных помещениях в цехах или внецеха.
          Какпоказали исследования и анализ научно-технической информации, наиболее перспективнымипри прочих равных условиях в сравнении с индивидуальными являются групповые и централизованныесистемы с учетом следующих технико-экономических факторов:
n можно использовать полныйкомплекс методов и средств стабилизации свойств СОЖ (очистки,термостабилизации, обезвоживания и удаления шлама, и др.);
n можно использовать наиболеевысокоэффективные и производительные методы и средства стабилизации свойствтехнологических жидкостей (очистители, термостабилизаторы, системыобезвоживания шлама, биозащиты, и др.);
n целесообразно применениемногоступенчатых систем с различным сочетанием элементов и устройств очистки истабилизации свойств СОЖ;
n возможно применениемодульных многоступенчатых систем без промежуточных емкостей для размещенияСОЖ;
n сравнительно легкоавтоматизируются процессы контроля качества СОЖ, удаления, утилизации итранспортирования шламов, поддержания постоянных объемов, требуемойконцентрации и соотношения фаз СОЖ, обработки и подготовки систем к заливкевновь приготовленных СОЖ;
n меньшая энергоемкость;
n меньшие занимаемые площади.

1.2  САПРсистемы применения

Внастоящее время наблюдаетсясближениепроцессов проектирования и производства различных изделийна базе создания единойинтегрированной системы,  предусматривающейавтоматизацию процессовпроектирования и производства и получившей названиесистемыCAD/CАM .В таких системах осуществляетсяинтеграция автоматизированных систем научных исследований (АСНИ),проектирования (САПР), технологическойподготовки производства (АСТПП), контроля (САК), управления (АСУ), производства (ГАП) на основе единой информационной базы данных (БД).
Винтегрированной системе, описанной в работе,выбор системы СОЖ и ее проектирование осуществляются с помощью АСНИ и САПРпутем предоставления необходимой информации из БД.1.2.1  Основы проектирования систем применения СОЖ с помощьюЭВМ
Проектированиесистемы эксплуатации СОЖ начинаетсясвыбора номенклатуры и состава жидкостей ипроведения теорети­ческих и экспериментальных исследований особенностей техноло­гическихпроцессов их эксплуатации.
Процесспроектирования включает две взаимосвязанные ста­дии — технологическое и конструкционное проектирование. Цельтехнологического   (функционального)  проектирования — разра­ботка оптимальнойтехнологической схемы функционирования СОЖ, определение оптимальныхтехнологических параметров оборудования и технических средств применения СОЖ,aтакжевыбор оптимальных технологических режимов, обеспечивающих повышение эффективностисистемы эксплуатации СОЖ. Кроме того, на стадии технологического проектированияразрабатыва­ются принципы автоматизированной информационно-измеритель­нойсистемы управления и аналитического контроля эксплуата­ции СОЖ.
Основныезадачи конструкционного проектирования системы эксплуатации СОЖ:выбор оптимальногообъемно-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 автоматизированногопроектирова­ния систем эксплуатации СОЖ решение перечисленных задачосуществляется с помощью ЭВМ. При этом процесс проектиро­вания рассматриваетсяв виде системы сбора и переработки вход­ной научно-технической информации ввыходную информацию на основании математических моделей в виде проекта системыэксплуатации СОЖ.
Модель  системыэксплуатации СОЖ является общим инструментом проектирования, которыйвоспринимает на входе данные, необхо­димые для выбора номенклатуры СОЖ,технические, требования к оборудованию и средствам эксплуатации. Выходные данныетакой модели должны содержать сведения о технологической схе­ме, рекомендациипо режимам эксплуатации и данные по обору­дованию, требующемуся для обеспечениятехнических требований.
Основныезадачи автоматизированного проектирования систем применения СОЖ с использованиемСАПР-СОЖ:
·разработка методов автоматизированногопрогнозирования свойств СОЖ и выбора ее состава;
·анализ иерархической структурытехнологических схем и процессов применения СОЖ на основе методовматематического  моделирования;
·формирование цели проектирования и синтезтехнологических систем применения СОЖ в соответствии с выбранным критериемэффективности и принятой математической моделью;
·разработка структуры САПР- СОЖ и еепрограммно-математического обеспечения (ПМО).
Процессавтоматизированного выбора составов СОЖ вклю­чает: автоматизированный поиск ивыдача рекоменда­ций по выбору универсальной или нескольких совместимых марокСОЖ из имеющегося товарного ассортимента по информации, хранящейся в БД.
Автоматизациипроцесса проектирования системы применения СОЖ должны предшествовать анализструктуры технологической схемы и процессов применения СОЖ и разработки моделисисте­мы, отражающей иерархическую структуру связей между отдель­ными стадиямик процессами, основанную на блочном прин­ципе.1.2.2  Разработкаструктуры САПР-СОЖ

СтруктуруСАПР-СОЖ необходимо рассматривать в рамках общей структуры системыпроектирования операционных техно­логических процессов механической обработки.Использование ме­тодов подготовки производства с независимым проектированиемстанка, приспособлений, процесса резания, инструментов резко снижает качествопроизводственных процессов и недопустимо для создания перспективныхпроизводственных систем. Для созданияавтоматизированных производств с использованием ГПМ и ГПС, для которых функцииотдельных подсистем практи­чески неразделимы, необходимо использованиеобобщенных ме­тодик проектирования. Выбор СОЖ и проектирование систем их применениятакже должны учитываться в данных методиках как одна из подсистем общей системыпроектирования. К задачам, решаемым в САПР ГПС, наряду с определениемрациональной структуры станочной и транспортно-накопитльной систем, мате­риальныхпотоков, относится и задача построения вспомогатель­ных служб, в т. ч. службыэксплуатации СОЖ.
Функциональная структура САПР-СОЖ (см. рисунок 1.2.2.1)представляет собой иерархию целей, ориентированных на решение задач конкретногоуровня, и включает следующие специализированные автоматизированные подсистемы:
·выбора состава СОЖ кпрогнозирования их свойств;
·технологическогопроектирования отдельных процессов применения СОЖ;
·конструкционногопроектирования оборудования и технических средств применения СОЖ;
·синтеза (компоновки) схемприменения СОЖ;
·проектирования системуправления, диагностики и контроля СОЖ;
·расчетатехнико-экономических показателей.
Функционированиеданных специализированных подсистем в САПР-СОЖ обеспечивается наличиемподсистем методического, информационного, математического, программного итехническо­го обеспечения. Взаимодействие между подсистемамидолжно удовлетворять общим принципам, положенным в основу, при раз­работке САПР: относительная независимость подсистем, эволюционностьподсистем и всей САПР-СОЖ в целом, минимальное взаимодействие с внешней средой,универсальность для групп родственных технологических объектов.
Кметодическому обеспечению САПР-СОЖ следует отнести документацию по выбору иправилам эксплуатация средств обеспечения автоматизированного проектирования.
Кинформационному обеспечению САПР-СОЖ, базирующему­ся на централизованной БД,относятся следующие массивы ин­формации:                                              
·физико-химических,теплофизических, функциональных, основ­ных технологических и сопутствующихсвойств СОЖ;

Информационное обеспечение (централизованная БД)
Программно-математическое обеспечение САПР  системприменения СОЖ
Модели функционирования СОЖ  на операциях шлифования
МоделипрогнозированиясостоянияивыбораСОЖ
Методика построения систем стабилизации
свойств СОЖ
Моделиоборудования
систем применения СОЖ (очистители, трубопроводы, насосы, емкости  и т.д.) в системе ANSIS
Модели синтеза
технологических
схем примененияСОЖ
Блок
управления
Методика выбора значимых 
параметровСОЖ
Модели АСУ
и диагностики  СОЖ

Рис 1.2.2.1Функциональная структура САПР применения СОЖ
·присадок к СОЖ схарактеристиками их химической структу­ры и спектром активностей (основными ипобочными типами функциональных свойств);
·товарных марок СОЖ базовогоассортимента;
·типовых процессов итехнологических схем в системах приме­нения СОЖ;
·технологических маршрутовопераций, процессов и стадий по применению СОЖ;
·типовых схем управления идиагностики;
·средств автоматизацииконтроля качества СОЖ на всех эта­пах функционирования; средств регулирования идатчиков ин­формации о состоянии СОЖ;
·рекомендации по применениюСОЖ для основных операций обработки металлов резанием;
·каталоги оборудования длятехнических средств применения СОЖ;
·технико-экономическиепараметры оборудования для примене­ния СОЖ и нормативы его эксплуатации иобслуживания.

В этомпроекте разрабатывались блоки выделенные на рис.1.2.2.1 двойной линией.
Дляпополнения информационной базы САПР-СОЖ имеются два источника — экспериментальныеи расчетные данные. Экспе­риментальное определение свойств СОЖ, приведениеиспытаний по оценке их эффективности и рациональным областям примене­ния,определение оптимальных характеристик и режимов работы оборудования дляэксплуатации СОЖ должны проводиться на единой научной и методологической основес использованием средств и методов автоматизации эксперимента. Однако при внед­ренииновых СОЖ в процессе проектирования систем их приме­нения всегда имеютсянедостающие данные, которые могут вос­полняться за счет расчетных методов. Впоследнее время появ­ляется все большее число методов и систем машинногорасчета свойств веществ, в т. ч. и для расчета свойств СОЖ на ЭВМ.               
Кматематическому обеспечению САПР-СОЖ относят сово­купность математическихметодов, моделей и алгоритмов, необ­ходимых для осуществления автоматизированногопроектирования. Известны следующие типы моделей, используемых для САПР ГПС:модульные, сетевые, со специальными языками прог­раммирования, эмуляционные.
Модели вСАПР-СОЖ используются для выбора составовСОЖ,прогнозирования их свойств, расчета технологических про­цессов в системеприменения СОЖ, расчета аппаратурного оформления их использования. Моделирование позволяет вы­брать оптимальныйвариант компоновки системы применения СОЖ, т. е. осуществить синтез оптимальнойтехнологической схе­мы и разработать алгоритмы управления. Для каждого вариантатехнологической схемы применения СОЖ составляется математи­ческое описаниеотдельных технологических процессов. При этом наряду со стандартизациейоборудования необходима стандарти­зация и его математического описания.Большинство моделей от­дельных процессов применения СОЖ при автоматизированномпроектировании используются в качестве проверочных вариан­тов, т. е. ихприменение при проектировании связано с изменени­ем входных параметров процессаи последующем расчете. Поэтому создание моделей в проектной постановке тре­буеткоррекции принимаемых допущений и ограничений.
К программному обеспечениюСАПР-СОЖ относят совокуп­ность машинных программ, ориентированных на определенныйкласс ЭВМ и необходимых для автоматизированного проектиро­вания.
Техническое обеспечениеСАПР-СОЖ включает совокупность взаимосвязанных технических средств дляавтоматизированного проектирования, например, автоматизированного рабочегоместа на основе ЭВМ.
РаботаСАПР-СОЖ может быть организована следующим об­разом.
Втехнологическом блоке анализируется входная информация о процессах механическойобработки и на основании банка дан­ных осуществляется выбор составов и номенклатурыСОЖ. Далее вводится и анализируется информация об отдельных процессах, реализуемыхв системе применения СОЖ, оцениваются режимы протекания процессов и входныепараметры. На основании математических моделей отдельных процессов осуществляетсяпроектный расчет выходных параметров (заданных локальных критериев). В кон­струкционном (компоновочном) блокерешаются задачи, связан­ные с выбором оборудования, и синтезом проектируемойсистемы применения СОЖ. Анализируются различные варианты состава аппаратуры итехнических средств, пригодных для выполнения отдельных технологическихпроцессов. В результате анализа определяется оптимальный состав оборудования исоответствую­щая оптимальная технологическая схема применения СОЖ.
В блоке управления решаютсязадачи автоматизированного ре­гулирования и управления отдельными процессами иаппаратами и всей системой применения СОЖ в целом. Для управления слу­жаттиповые схемы диагностики и регулирования параметрами СОЖ. На основе анализавходной информации выбираются оптимальные схемы управления, номенклатурасредств диагностики, регулирования. Кроме того, в блоке управления осуществляютсясинтез автоматизированной системы управления последователь­ностью работы аппаратурыи технических средств применения СОЖ, а также синтез схем диагностики иадаптивного регулирования параметров СОЖ.
Предлагаемаяструктура САПР систем применения СОЖ ос­нована на математическом моделированиии описании процессов и оборудования для эксплуатации СОЖ и предназначена какотдельная подсистема для технологической подготовки проектирования всейтехнологической операционной системы механической обработки.
1.2.3 Выбор очистителей и построение систем очистки СОЖ
(Методическийподход к построению систем очистки.)
Выбор ипостроение систем очистки базируется на анализе причин, определяющихэффективность работы очистителей и всей системы очистки в целом сиспользованием комплекса критериев, характеризующих сложный процесс операцийтехнологических жидкостей от мелкодисперсного шлама .
В этомпроекте рассматриваются два критерия эффективности системы очистки это тонкостьочистки и степень очистки.
Спененьочистки выражается через концентрации примесей следующим образом: , где C0 и Cи это соответственозагрязненность до и после очистки.
Так какни один очиститель не обеспечивает,то по мере увеличения продолжительности эксплуатации технологической жидкости вней накапливается шлам (особенно мелкодисперсный) со всеми вытекающиминегативными последствиями. Увеличение массы частиц происходит значительномедленнее, чем их числа из-за быстрого накопления в очищенной жидкости частиц снезначительной массой. Например, после очистки СОЖ в гидроциклоне обеспечиваетсястепень очистки по массе  составляет всего 60%.
Дляоценки степени приближения качества очистки технологической жидкости ктребуемому (допустимому) содержанию механических примесей предложен коэффициенточистки
*
где  и  может быть использованв отношении как общего числа  и суммарной площадиповерхности частиц
В случае,если очиститель обеспечивает требуемое качество очистки СОЖ, то
Связьмежду  и  выражаетсязависимостью:

Учитывая,что большое влияние на функциональные и эксплуатационные свойства СОЖ, а такжена выходные технологические показатели операций абразивной обработки заготовококазывают характеристики законов распределения шламов, предпочтительно внекоторых случаях (для операций окончательной обработки высокоточных деталей) использоватьзависимость для расчета коэффициента очистки, предложенную Е.А.Каревым:

где
 частиц шламасоответственно в исходной и очищенной СОЖ;
  — средникэквивалентные диаметры частиц шлама соответственно в исходной и очищенной СОЖ;

Величины  и
Оценкаработоспособности очистителя справедлива в данном случае только для начальногомомента функционирования системы  и  коэффициент очистки  и  значение  ( при

Очистительвыбран правильно, если  для момента времени