автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Оптимизация технологических решений в условиях реконструкции литейных цехов

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Р Г б О ДПОНОМАРЕНКО ОЛЬГА ИВАНОВНА

2 2 СЕН т

УДК 621.74(083.3):681.32.06

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ РЕКОНСТРУКЦИИ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев-1998

На правах рукописи

Работа выполнена в Харьковском государственном политехническом университете и Физико-технологическом институте металлов и сплавов в Национальной академии наук Украинк

Научный консультант доктор технических наук, профессор, академик HAH Украины

Найдек Владимир Леонтьевич,

Физико-технологический институт металлов и сплавов, директор.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Матвесшсо Иван Владимирович,

Московский государственный индустриальный университет, заведующий кафедрой "Литейное производство";

Доктор технических наук, профессор Кукуй Давид Михайлович,

Белорусская политехническая академия, заведующий кафедрой "Машины и технологии литейного производства";

Доктор технических наук, профессор Становский Александр Леонидович, Одесский государственный политехнический университет, заведующий кафедрой "Химическое машиностроение".

Ведущее предприятие Запорожский государственный технический университет.

Защита состоится '¿Ч" -¿Ol 998 г. в ю часов на заседании специализированного ученого совета Д26.232.01 Физико-технологического института металлов и сплавов HAH Украии по адресу: 252680, г.Киев-ГСП 142, пр.Вернадского, 34.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технологического института металло] и сплавов HAH Украины.

Автореферат разослан "Д" оч 1998 г,

Ученый секретарь специализированного ученого совета Д2б,232,01, доктор технических наук, профессор А.В.Черновол

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Литейное производство является основной заготовительной ба->й машиностроения, так как в нем доля литых заготовок по массе составляет 50-70%, а их качест-) оказывает большое влияние на эксплуатационны е характеристики, металлоемкость и надеж-эсть машин и механизмов.

Украина обладает развитым универсальным литейным производством, которое способно к лтуску сложных отливок любой массы из всех применяемых в машиностроении сплавов. Дампирующим технологических процессом является изготовление отливок в разовых песчаных фор« ах, в которых получают 65-70% заготовок. Он реализуется в крупносерийном и массовом произ-адстве с помощью комплексов автоматизированного и роботизированного оборудования.

Формирование структуры и основных параметров производственного процесса литейного ;ха происходит на стадии проектирования его, при этом принципиальная перестройка может ать осуществлена только в период реконструкции цеха. Поэтому эффективность работы литей-эго цеха в значительной степени определяется качеством и обоснованностью проектных реше-«й.

Проблема реконструкции старых литейных цехов уже является актуальной и станет особо :трой в ближайшие годы, поскольку технический уровень основных фондов литейного производ-гва Украины не соответствует современным требованиям. Производство отливок в стране сосрс-зточено в 1340 цехах. Значительное число литейных цехов строилось в довоенное время, а спе-иализированные литейные завода, которым принадлежит значительная доля в выпуске отливок, жже нуждаются в реконструкции в связи с новым экономическим положением Украины.

К сожалению, в практике проектирования и реконструкции литейных цехов распространен «лирический подход, при котором принятие технических и организационных решений основыва-гся на нормативных данных и профессиональном опыте проектировщиков и производственников, то же время, опыт их эксплуатации показывает, что оценка вариантов структуры и параметров роизводственного комплекса на основе знания характеристик отдельных агрегатов без достаточ-ого количественного анализа их взаимодействий и учета отдельных факторов на динамику функ-нонирования оборудования может привести к грубым просчетам, Так, из-за наличия простоев по-жциальные возможности автоматических формовочных линий реализуются в среднем на 409%. Поэтому вопросы синхронизации работы подсистем литейного цеха, а также обеспечения адежности их работы необходимо решать уже га стадии проектирования.

Повышение эффективности работы подразделений литейного цеха является одной из акту-чышк научных и практических задач лилейного производства, так как их функционирование 1 онечном счете определяет производительность цеха и уровень качества отливок.

Исследования в области проектирования, реконструкции и повышения эффективности { боты литейных цехов соответствуют направленности тематики Государственной научи Технической программы 06.03 «Создание конкурентоспособных способов имитационного модел рования сложных систем, повышения их надежности и эффективности» Министерства Украи по вопросам науки и технологий и использованы при выполнении проекта 4/006 К-95 «Страте! ческие направления энерго- и ресурсосбережения в металлургии и литейном производстве» ' приоритетного направления Миннауки Украины "Экологически чистая энергетика и рссурсосб ругающие технологии".

.-.,.; . Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является поиск и Di работка направлений оптимизации технологических решений в условиях реконструкции литейш цехов с использованием математического и имитационного методов моделирования .сложных тс ническихсистем. .

Для этого разработаны принципы и методы реконструкции и повышения эффективное эксплуатирующихся объектов литейного производства на основе использования методологии си темного анализа, математических методов исследования сложных систем, теории структурной параметрической надежности систем, а также выработаны на их базе новые технические решен: В области технологии и оборудования литейного производства, обеспечивающие выпуск заданн го количества качественных отливок с оптимальными затратами ресурсов.

, , Для достижения этой цели необходимо было решить следующие научно-технические зар чн: -

■ - выполнить анализ структур цехов и их подразделений на основе использования теор] графов;

- обосновать и выбрать математический аппарат для описания работы литейных цехог целом и их подсистем;

- разработать общие математические модели, компьютерные программы для их реалиэ ции, описывающие динамику функционирования систем и подсистем литейных цехов;

- на базе результатов экспериментальных исследований работы основных, агрегатов с» темы определить влияние полученных параметров на основные показатели работы л тейного цеха;

- разработать и внедрить мероприятия по повышению эффективности работы литейш цехов и подразделений на стадии их эксплуатации и реконструкции.

Объекты исследования - литейные цехи массового и крупносерийного производства для mi товления отливок в разовых песчаных формах и литьем под давлением.

Научная новизна

1. Сформулированы общие направления использования методологии системного анализа, а также аппарата математического и имитационного моделирования для решения комплекса теоретических, вычислительных и прикладных задач оптимизации технологических решений при эксплуатации и реконструкции технических систем литейного цеха.

2. Установлено, что качество проектных решений при эксплуатации и реконструкции литейных цехов определяется помимо основных факторов также динамикой изменения во времени надежности оборудования, используемой технологией и ее математической моделью, наличием программного обеспечения, что позволяет свести задачу оптимального решения к поиску наилучшего значения целевой функции в условиях ограничений, накладываемых на отдельные переменные.

3. На основе сравнительной оценки различных математических моделей предложена такая, которая впервые в практике литейного производства позволяет увязать параметры надежности работы оборудования с используемой технологией.

4. Впервые разработана с использованием иерархических структур теории графов, аппарата вероятностных автомагов и метода имитационного моделирования система математических моделей, адекватно описывающая работу основных подразделений литейных цехов. Такие модели представляют собой научную базу дои анализа при проектировании и реконструкции литейного производства.

5. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов, приводящих к возникновению внезапных и постепенных отказов литейного оборудования, сформулированы методы управления надежностью подсистем в процессе их эксплуатации.

6. На базе разработанной методики структурной оптимизации подсистем литейного цеха заложены основные принципы оптимального их проектирования.

7. Предложена и проверена методика расчета состава оборудования литейного цеха на основе вероятностно-автоматного подхода с использованием экономического критерия по минимуму приведенных затрат.

8. На основе полученных кинетических кривых и уравнений процесса графитизации, а также параметрического метода распознавания образов создана и проверена методика прогнозирования длительности модифицирующего эффекта при использовании модификаторов различных топов для обработки серого чугуна.

9. Применительно к методу литья под давлением разработана имитационно-вероятностная модель, с помощью которой решаются оптимизационные задачи работы таких цехов.

Достоверность основных результатов обусловлена использованием фундаментальных юложений системного анализа, определяется экспериментальными исследованиями и промыш-

ленными экспериментами, совпадением результатов, полученных различными численными и ан , лигическими методами, и данными производства, а также эффективностью использования пол чешшх практических рекомендаций при реконструкции литейных цехов и усовершенствован) технологии изготовления отливок.

Теоретическая ценность. Определены основные закономерности управления эффективн стью работы литейного цеха и уровнем качества отливок в условиях существующих производств

Математические модели, программное обеспечение и результаты исследований ммут бы использованы:

- дня оценки эффективности работы существующих литейных цехов и их подршделекш

- для выбора оптимальных условий производства отливок, получаемых по различны технологическим схемам;

- при разработке новых литейных технологий;

. - при реконструкции литейных цехов с различной номенкалатурой и серийностью прои водства;

- в базе данных экспертных систем;

- в системах автоматизированного проектирования и управления технологическими пр цессами, структурными подразделениями и цехом в целом;

. - в системе обучения студентов литейных специальностей.

Практическая значимость работы. Разработан комплекс организационных и технич

ских мероприятий, направленных на решение задачи повышения эффективности функционир

вания литейного цеха, в том числе:

1. Для реализации САПР литейного цеха, предназначенного для производства отливок в тра торном и сельхозмашиностроении, разработано математическое обеспечение этапа реконс рукции литейных цехов. На основе разработанных экономико-математических модел(

- можно осуществить выбор типа и количества основного и вспомогательного оборудовали

- основных параметров технологических транспортных потоков и организовать взаимодейс вие функциональных подразделений литейного цеха.

2. Разработаны и внедрены классификация, система кодирования и учета на ПЭВМ просто оборудования.

3. Разработана и внедрена методика расчета экономической эффективности от сокращен! простоев автомагических литейных линий, смесеприготовительных и плавильных систем.

4. Разработаны технические решения по повышению надежности отдельных узлов и агрегат« систем литейного цеха. На предложенные технические решения получено 4 авторских свид тельства.

5. Разработана и внедрена компьютерная система расчета оптимального графика планово-предупредительного ремонта оборудования литейного цеха.

6. Опробованы и внедрены в производстве пакеты прикладных программ на ПЭВМ для:

- оптимального расчета шихты чугунных и стальных отливок;

- расчета оптимального количества плавильного оборудования литейных цехов массового и крупносерийного производства;

- моделирования работы плавильных, формовочных и смесеприготовительных систем литейного цеха;

- обеспечения металлом комплексов литья под давлением.

7. Применительно к производству отливок из серого чугуна разработан и практически опробован метод прогнозирования продолжительности модифицирующего эффекта, предложены варианты управления «живучестью» модификаторов различных типов.

8. Для оперативного принятия решений на основе результатов промышленных экспериментов разработаны номограммы, позволяющие корректировать технологические параметры процессов смесеприготовления и получения серого чугуна.

С использованием результатов выполненных исследований в Харьковском государствен-том политехническом университете созданы ноше учебные курсы: «Математические модели и иетоды оптимизации в литейном производстве», «САПР технологических процессов литейного фоизводства», «Проектирование автоматических литейных линий». Изданы два учебных пособия > грифом Министерства образования Украины на русском и украинском языках «Выбор и расчет оборудования плавильных отделений литейных цехов» и «Методы расчета шихты для выплавки тигейных сплавов. Системный подход», выполняются курсовые и дипломные проекты.

Результаты работы внедрены на АО «Гипротрактрорсельхозмаш», ОАО «Харьковский гракгорный завод», ОАО "Купянский литейный завод" (КЛЗ), АО "Кременчугский завод дорож-{ых машин" («Кредмаш») г.Кременчуг.

Апробация работы . Материалы диссертационной работы докладывались на Ш съезде ли-гейгциков России (г.Владимир, 1997 г.); Международной научно-технической конференции г.Киев, 1997 г); 11 Всесоюзной конференции (г.Горький, 1989 г.); Всесоюзном семинаре г.Устинов, 1986 г.); Международных научных конференциях (г.Харьков, 1994, 1995,1996, 1997, 1998 г.г.); семинарах Ленинградского Дома научно-технической пропаганды (г.Ленинград, 1989, 1991 г.г.); зональных научно-технических конференциях (г.Андропов, 1993 г.); научно-гехнкческом семинаре на ВДНХ СССР (г.Москва, 1985 г.); Республиканской научно-технической конференции (г.Запорожье, 1994 г.); научно-технических совещаниях (г.Барнаул, 1988 г.); Регно-«альных научно-технических конференциях (г.Челябинск, 1988 г.); научно-технической конфе->енции (г.Минск, 1988 г.); Республиканской конференции (г.Киев, 1990 г.); Республиканских на-

учно-техннчесшх конференциях (г.Одесса, 1990 г., 1995 г.); научных семинарах кафедры «Лите! кое производство» Харьковского государственного политехнического университета. На защиту выносятся:

1. Принципы и методы проектирования, реконструкции и повышения эффективности работ эксплуатирующихся объектов литейного производства на основе использования методол« гии системного анализа, математического и имитационного моделирования сложных лите£

. ных систем.

2. Разработанные методическое, математическое и программное обеспечения задач оптимиз. ции технологических решений в литейном производстве.

3. Разработанные в процессе исследования вероятностно-автоматные модели литейного цеха <зп>. подсистем, позволяющие увязать параметры надежности оборудования с используемо технологией.

¡ о 4. Методы и результаты адаптации существующих математических моделей и компьютерны программ к объектам литейного производства. 5. Полученные в результате методы управления эффективностью работы литейных цехов г - -стадиях их проектирования и эксплуатации. .. 6. Оригинальные методики и способы обработки результатов экспериментальных исследок ;ний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; шести глав, каждая из которых заканчивается выводами; заключения (основные вывода), содержащего наиболее значимые ¡результаты, списка используемой литературы, который содержит 327 наименований работ отечес венных и зарубежных авторов, приложений.

тгл-.. Работа изложена на_____страницах машинописного текста и содержит 79 рисунков, 42 та(

лицы.

Вклад автора в выполненное исследование заключается в том, что являясь инициаторов руководителем или ответственным исполнителем, он принимал непосредственное участие в по; готовке методик, выполнении расчетов и экспериментов, их проведении, анализе и обработке эк нерименгальных данных. Обобщение полученных результатов, написание статей в соавторст! происходило при непосредственном участии автора. Основные научные и теоретические полож ния, представленные в диссертационной работе, разработаны автором лично. Освоение и внедр ние в производство разработанных технологий осуществлялось при участии автора совместно сотрудниками кафедры и соответствующих предприятий.

Личный вклад автора в опубликованных работах, десять из которых без соавторов, состой в следующем:

[1, 8, 9, 13, 24, 26, 33] - разработке общих и локальных математических моделей подсистем штейного цеха, создании вычислительных алгоритмов и разработке программного обеспечения;

[2, 11, 15, 23, 31, 32] - в постановке задач, в разработке методик исследований, обработке и иналгае полученных данных, связанных с модифицированием и легированием серого чугуна;

[3, 7,10, 12, 21, 25] - в постановке задач и экспериментов, создании методик исследования, обработке результатов и разработке рекомендаций по оптимизации решений по проектированию, ^конструкции и эксплуатации литейных цехов.

Хочу выразть искреннюю благодарность сотрудникам кафедры «Литейное производство» Харьковского государственного политехнического университета, Харьковского тракторного и Ку-тянского литейных заводов, АО «Кредмаш» за оказанную помощь в выполнении работы и внедрении ее результатов в производство, а также кт.н., доц.Пелыху С.Г. за многолетнее сотрудниче-:тво и помощь в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новюна и достоверность выполненных в диссертации исследований, сформулированы цели и задачи работы.

Первая глава посвящена анализу материалов литературных источников, связанных с управлением работой литейного цеха на стадиях проектирования, реконструкции и эксплуатации.

Литейный цех массового и крупносерийного производства представляет собой сложную техническую систему, функционирование которой определяется значительным количеством раз-юродных подсистем, элементов и параметров. По мере развития автоматизации и роботизации штейного цеха роль его подсистем в производственном процессе непрерывно возрастает, а нх ;труктура усложняется. Каждая га подсистем современного цеха представляет сложные техниче-жие комплексы, состоящие из большого количества агрегатов технологического и транспортного :арактера. Большая размерность задачи создает значительные трудности для разработки инженерши методик количественного анализа и синтеза таких систем. Основным недостатком сущест-|ующих методик по управлению эффективностью работы литейного цеха является то, что не ушиваются системные эффекты, параметры и взаимодействия, в значительной степени определяю-цие качество функционирования системы. В связи с развитием прикладных математических ме-■одов, вычислительной техники и аппарата системного анализа появилась возможность более эффективного решения научных н практических задач такого типа.

Первые работы в области системного анализа литейных процессов были опубликованы в '0-х годах и были связаны как с разработкой научных основ этого направления, так и с решением ш этой основе прикладных задач литейного производства. Это работы Баландина Г.Ф., Голода

B.M., Шестопала B.M., Беликова О. А., Бречко А. А., Алигваника П.Г., Полякова Ю.Г., Становскм А. Л. и др. 'Тем не менее такие важные мероприятия по повышению эффективности работы лиге! ных цехов на стадиях проектирования, реконструкции и эксплуатации, как выбор рациональны структур подсистем литейного цеха, определение оптимального количества и мощности агрегате литейных цехов, методы модернизации технологии и организация ремонтно-восстановигельны работ, как правило, выполняются без достаточного математического обеспечения. На основани анализа литературных источников, изданных как в нашей стране так и за рубежом, сделан вы во, что до настоящего времени не созданы надежные математические модели, описывающие работ литейного цеха и его подсистем.

Поэтому возникает необходимость разработки общей математической модели, с помощи которой можно определить основные характеристики при проектировании и реконструкции ni тейного цеха, а также оценить их изменения в процессе эксплуатации. С этой целью была pat смотрена применимость современных методов исследования сложных технических систем: тс ори графов, теории множеств, имитационного моделирования, прикладных методов линейной и док кретной математики.

Анализ работы отечественных и зарубежных авторов показывает, что использование ЭВ1 на всех этапах подготовки и организации производства является одним из главных направлени • развития литейного производства в ближайшем будущем. Использование возможностей вычисли тельной техники для решения практических задач литейного производства позволяет повысш производительность литейных цехов на 10-15% в мелкосерийном производстве и на 10-25% крупносерийном и массовом производстве, снизить брак отливок с 5-10% до 0,5-1,0%, снимп массу отливок на 15-20%, уменьшить расход электроэнергии и вспомогательных материалов на i 10%.

Вторая глава посвящена разработке основ общей математической модели литейного цел и созданию компьютерной системы для анализа процессов, происходящих при ее функциониров; пин. Такая модель, построенная с учетом качественных параметров системы, позволяет использ< вать количественные методы для рационального проектирования и реконструкции литейных ц< хов, а также для эффективного управления производством.

Использование теории графов позволяет применять формальные методы анализа систем, и зависящие от их сложности и физической сущности. Модели, основанные на теории конечных ориентированных графов, обладают иерархическим свойством. Это дает возможность последовательно расчленить ее на ряд локальных моделей с различной степенью подробностей, соответствующих уровню модели. По мере повышения уровня моделей в них используется все более обобщенная информация.

Разработка общей математической модели включает следующие этапы:

- создание структурной модели литейного цеха;

- обоснование и выбор математического аппарата для описания элементов системы;

- создание локальных математических моделей;

- разработка общей математической модели литейного цеха.

Ввиду большого количества подсистем, машин и механизмов литейного цеха, его структуру целесообразно представить в иерархическом виде с пятью ступенями иерархии. Наибольший интерес представляют собой литейные системы следующих уровней:

- I- литейный цех, как единое целое.

- П - подсистемы литейного цеха: смесеприготовигельная, плавильная, стержневая, формовочная, финишных операций;

- Ш - комплекс технологического оборудования, имеющий общее назначение;

- IV - плавильная печь, формовочный автомат, т.е. единица литейного оборудования;

- V- отдельная деталь, узел, агрегат.

Общая структурная схема литейного цеха представлена на рисунке 1.

Эыергаг

Отгадай

Рисунок 1 - Общая структурная схема литейного цеха (сечение графа прадерева по I уровню)

Таким образом, литейный цех является множеством Е, состоящим из пяти пересекающих^ подмножеств, соответствующих смесеприготовительной А, плавильной В, стержневой С, формо вочной Д подсистемам и подсистемы финишных операций V, т.е.

Е = АиВиС^Д<^Р. (1;

Взаимодействие между структурными элементами осуществляется согласно направлении стрелок, приведенных на структурной схеме, а системные характеристики подсистем определяются как результат взаимодействия между отдельными структурными составляющими. Структурны« схемы являются исходной информацией для создания математических моделей элементов литейных систем.

Следовательно, одной из важных задач теории сложных систем является поиск математических схем, достаточно адекватно отражающих специфику работы элементов сложных систем Элементы сложных систем могут описываться разнообразными математическими схемами, однакс единое математическое описание получают только те системы, элементы которых в результат! формализации описываются одинаково. Поэтому в данном исследовании необходимо введение унифицированной абстрактной схемы, позволяющей единообразно описать все элементы системь (дискретные, непрерывные, детерминированные, стохастические). Это имеет существенное значение, т.к. она должна содержать в себе все математические модели, как частные случаи.

С этой целью были изучены следующие математические схемы: дифференциальные и разностные уравнения; общие динамические системы, а именно: конечные автоматы, вероятностны« автоматы, системы массового обслуживания; марковские и кусочно-линейные (линейчатые) процессы. Для моделирования разнородных процессов, протекающих в рамках литейного цеха, в наибольшей степени подходит аппарат вероятностных автоматов (В А).

Вероятностный автомат представляет собой абстрактный преобразователь информации, в» или часть характеристик которого имеют вероятностный характер. При использовании вероятно стных автоматов необходим следующий минимальный набор характеристик:

- входной (X) и выходной (У) алфавит;

- функция, описывающая внутреннее состояние агрегата;

- функция перехода (р(т), описывающая изменение внутреннего состояния автомата с течением времени т;

- функция выхода у (т), определяющая выходной сигнал, в зависимости от входного алфавита и состояния автомата на данный момент времени.

функционирование автомата сводится к тому, что на его вход в дискретные моменты времени поступают сигналы, составляющие входной алфавит, при этом автомат в зависимости от по

¡тупившего входного сигнала и своего внутреннего состояния вырабатывает по правилам алфавит, определенный функцией выхода. Функция перехода представляет собой правило перехода ВА из одного состояния в другое в процессе функционирования.

Функционирование ВА сводится к преобразованию:

У(т) = ц> [Х(т), Дт)1 (2)

1 изменение внутреннего состояния с течением времени описывается формулой:

2 СО ~ ф [И(т), В(т), т ], (3)

где В(т) - вектор параметров, самопроизвольно изменяющийся во времени вследствие происходящих процессов старения и износа;

Щт) - вектор управляющих параметров, определяемый интенсивностью проведения планово-предупредительных ремонтов.

Для технических устройств, объединенных в систему литейного технологического оборудования, в качестве функции внутреннего состояния целесообразно принять вероятность безотказной работы Р(т).

Вероятностно-автоматные модели подсистем литейного цеха приведены в таблице 1.

Дня ВА, моделирующего работу подсистем литейного цеха:

X, У- входной и выходной алфавиты, с соответствующими индексами, подсистем литейного цеха;

х; - независимые переменные, представляющие количество вводимых и качество исходных [пихтовых, формовочных и стержневых материалов;

ккц. к,'(2).....кад - множество концентраций ¡-элемента в каждом из компонентов шихты;

Ч - количество металла, смеси, стержней, отливок, литниковых систем и отработанной сме-:и, с соответствующими индексами, на выходе из подсистем;

М^ждо.Т - численные значения качества приготовленного сплава: химический состав и температура;

а, Г, - численные значения качества формовочной смеси: прочность иа сжатие в сырок юстоянии, газопроницаемость, влажность;

- численные значения качества отливок.

Таким образом, процесс функционирования литейного цеха представлен в виде взаимодей-гтвукнцих вероятностных автоматов, а динамика изменения основных характеристик воспроизведена на ПЭВМ на основе использования комбинации аналитических и имитационных моделей. Это позволило осуществить принципиальный переход от эмпирических методов решения научно-технических задач в области литейного производства к машинному поиску оптимальных решений с использованием современных математических методов.

Таблица 1 - Характеристика вероятностно-автоматных моделей литейного цеха

Вероятностный автомат Входной алфавит Выходной алфавит Функция внутреннего состояния Функция выхода

2. Плавильная подсистема Х«={ХьХг. ..^„К^К^ь.. ..Кад} Уме=(чме'М^.т| Чме =' Т=^т); п ^х^свероятн. РМет(т) 3=1 0, с вероят.1 - РмеТ (т) М« ч

1.Смесеприго- товигельная подсистема Хспс-{Х1,Хг,... ,хт ,Хщ+1,. ..,хв} Успс={Чспс,а, Г,\У,} РссСО Чего = а = £(х ш У*;, сверояш.РспсСг) ¿=1 0, с вероятнЛ - Рс!ю (т) ,т);Г = Г(х,т);\У = «х,т)

3. Стержневая подсистема Хст~{Х1,Х2,.. .,Хщ ,Хщ+ь ■ • «»Хц} Р«(т) Чет =' П1 У х1, с вероятн. Рст (1) 1=1 0, с вероягн.1 - Рст (т)

4.Формовочная подсистема Хфс= ^с„с,о,Г,\У,сь,е, М^.ТЛс} ч Рфс(т) [Чы^свероягнРфсСт) Чотл ~|о,свероятн.1-Рфс(1)

5. Подсистема финишных операций РфоМ Мотл - Л; Чотл-Чло>свеР°;т!-Рфо(т) 0, с вероятя. 1 - Р ф0 (т)

При разработке общей математической модели литейного цеха учитывали, что ВА выдают мгновенные значения работы подсистем, а конечным результатом моделирования является определение средних характеристик работы литейного цеха на заданном отрезке времени [0,тц].

Общая математическая модель литейного цеха описывается следующим образом:

Y = H[Xl,X2,X3,B,U,Tl (4)

где Y - вектор, характеризующий количество и качество отливок;

Х1,Х2,ХЗ - векторы, характеризующие количество и качество сплава, формовочной смеси, стержней;

Н - общий оператор системы.

Эффективность работы литейного цеха оценивается количеством и качеством произведенных отливок. Общая металлоемкость отливок на выходе из литейного цеха М„я (т), имеющего п-автоматических или поточных линий, производительностью рассчитана по формуле:

М|А/отл(т)]= — 2Q; /?(г)Рфе (t)dü ' (5)

Tu i=i о

где М - символ математического ожидании;

S (т) - средняя вероятность безотказной работы подсистем литейного цеха на интервале времени [0, т ц] ; .

РфС (т) - вероятность безотказной работы формовочной подсистемы.

S (X) = Риет(т) • РЖ(Х) • Рсг(х) • Рфо(т) , (6)

где Рисг (t) , Рспс(х) , Рст (т) ,Рфо(х) - средние вероятности безотказной работы плавильной, смесеприготовительной, стержневой подсистем и подсистемы финишных операций.

Контролируемые параметры качества отливок определяются назначением отливок. Качество отливок также определяется параметрами качества формовочной смеси, стержней и металла, полученных на основе надежных математических зависимостей в результате расчетных методов или на основе проведения активных промышленных экспериментов.

Для исследования работы литейного цеха и его подразделений на основе объектно-ориентированного подхода с использованием операционной системы «Windows-95» на языке Delphi создан структурно-программный комплекс, приведенный на рисунке 2. Основными исходными данными является информация, полученная при исследовании функциональных подразделений цеха. Структурно-программный комплекс состоит из двух частей: системной, независимой от предметной области, и прикладной, представляющей конкретную предметную область. Вид математических моделей элементов и процессов литейного цеха, а также схем сопряжения, обеспечивая возможность построения универсальных программ имитации процесса функционирования

Управляющая — Справочная

программа подсистема

Б.Д. сплавы

Б.Д.

шихта

В.Д. отливки

Инициализация системы (цех, подсистема, агрегат)

Составление заказа на формирование модели

Составление структурной схемы изучаемой системы

Т

Компоновщик моделей

Задание шага, особого состояния

Задание начального состояния, время работы

ВА-модели. Банк данных

Плавильная система

хгз

Б.Д. формов. смеси

Б.Д. оборудования

,Формовочная система

Система финишных] операций I

•Смесепригото-вительная система

Т

Заказ на проведение эксперимента ,

X

Библиотека модулей

Имитатор

Расчет шихты

Функции изменения Ме во времени

библиотека моделей

Операт. планирова ние выпуска отливок

Модели формовочных смесей

Результаты моделирования

Зависимости параметров смеси от времени

Модели отказов оборудования

Рисунок 2 - Структурно-программный комплекс по моделированию работы литейного цеха

системы, дают возможность получать единую форму результатов моделирования. Струк-1урно-программныЙ комплекс работает в диалоговом режиме.

Третья глава посвящена исследованию плавильных подсистем литейного цеха.

Общая структурная схема плавильной подсистемы представляет II уровень иерархии литейного цеха. Она строится на основе анализа функционирования плавильных отделений литейных цехов.

Структуры плавильных подсистем становятся различимыми, начиная с Ш уровня иерархии. Эни отличаются между собой количеством плавильных агрегатов, миксеров, раздаточных ковшей, видом транспортных средств для перемещения жидкого металла и т.д.

На рисунке 3 приведена структурная схема плавильной подсистемы сталелитейного цеха марганцовистая группа) Харьковского тракторного завода. Для каждого элемента плавильной тодсистемы разработаны вероятностно-автоматные модели.

Подсистемы (III уровень иерархии): В1 с их элементами В1 (I) = Вц: В1 - подачи шихтовых материалов и флюсов; В2(1)^ =1,2 - дозирования; В4(1),1 =1,2 - загрузки шихты; В5(1),1 =1,9 -триготовление сплава; Вб(1)Д =1,3 - подачи сплава в стендовые ковши; В' 6(1), I =1,3 - раздачи ;плава по разливочным ковшам, В7(1), Д =1,4 - заливки форы (АЛЛ).

Рисунок 3 - Структурная схема плавильной подсистемы СЛЦ ХТЗ

Качество металла в ВА - моделях определяется его химическим составом и температурой В связи с необходимостью гфедставлення данных по химическому составу сплава в В А моделях 1 программном виде задача расчета оптимальной шихты на ПЭВМ была решена методом линейноп программирования модифицированным симплекс-методом. Комплекс программ по расчету шихта применялся и самостоятельно в технологических бюро литейных цехов. Его использование позво лило уменьшить стоимость шихты на 2-3%.

Для решения задачи оптимальной корректировки химического состава по ходу плавки фер росплавами и модификаторами, такими как ферромарганец, феррохром, ферросилиций, в качеств! критерия оптимизации был выбран предел прочности на растяжение о„ а также возможность ус тойчивого получения заданной марки СЧ с пластинчатым графитом. Результаты промышленные экспериментов обрабатывали методом наименьших квадратов. Для нахождения экстремума реали зован метод Бокса-Уилсона. По результатам исследования поверхности отклика методом гребне вого анализа по Херлю построены номограммы, позволяющие находить требуемое для получение чугунов СЧ 20 и СЧ25 оптимальное содержание в зависимости от концентрации С и параметр, (0,4 в +0,33 Р) при фиксированных наборах (С» Сг) субоптимальных точек и концешрации Мп I прогнозирующей способностью 92,2%.

Для расчета количества и емкости плавильного оборудования предложена методика его оп тимального расчета с учетом экономического критерия - минимума приведенных затрат. Разрабо танная компьютерная программа позволяет рассчитать на ПЭВМ количество (Н) и емкость раз личного плавильного оборудования (вагранок, электродуговых и индукционных печей) для плави чугуна и стали с учетом следующих факторов: общей годовой программы; количества автомата ческих литейных линий и их цикловой производительности Ц; металлоемкости форм М^ коэф фициента использования линии К,;; который зависит от размера партий металлоемких отливок коэффициента, учитывающего неравномерность металлоемкости форм К„; коэффициента, учиты вающего максимальное допустимое время разбора металла из стендового ковша или миксера Кс коэффициента резерва на непредвиденные потери К^; оптимального времени плавки Т„; типа фу теровки печи. Так, например, количество элекгродуговых печей первоначально рассчитывается п< формуле:

п

кш мср1 км Тп Кс Кр

Н = Ь1- -, (7

а затем уточняется с помощью экономического критерия. Расчеты показывают, что при коэффициенте использования К,=0,8 и часовой потребности в металле менее 20 т/ч и более 35 т/ч из просчитанных вариантов целесообразно использовать электродуговые печи большой емкости, при часовой потребности в металле 20 т/Ч < П„<35 т/ч - печи меньшей емкости. Для печей с основной футеровкой всегда лучше использовать печи большей емкости.

Окончательное решение по выбору количества и емкости плавильных агрегатов целесообразно принимать, используя результаты моделирования работы плавильной подсистемы литейного цеха. Подход, который разработан и использован для расчета количества и емкости плавильных агрегатов является достаточно универсальным и может быть использован для расчета любого технологического оборудования литейного цеха.

Как известно, в современной практике литейного производства все более важное место занимает внепечная обработка металлических расплавов. Это вносит в разрабатываемые математические модели определенные особенности, которые необходимо учитывать.

Такой вариант построения математической модели цеха рассмотрен на примере АО "Кред-маш", где в ходе экспериментов расплав серого чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412-85 с целью повышения его качества обрабатывали при температуре 1330-1340 °С различными модификаторами в 2-х тонных ковшах, как показано в таблице 2. Усредненный химический состав чугуна следующий: С=3,2-3,5%; 81=1,5-1,8%; Мп=0,2-0,6%; Сг=0,15-0,3%; N1=0,11-0,13%; 8=0,05-0,12%; Р-не более 0,2%; Т1=0,03-0,06%; Си=0,1-0,3%.

После проведения операции модифицирования во время слива металла то миксера ДЧМ-10 было проведено измерение температуры при выстаивании его в раздаточных ковшах в течете 15 минут, а также взяты необходимые пробы металла. Результаты металлографического анализа по определению количества свободного графита в структуре чугуна обработали интерполяционным полиномом Ньютона и построили кинетические кривые графитизации, представленные на рисунке 4. В качестве выходных характеристик использовались: Сф - количество графита в чугуне после модифицирования (%), НВ - твердость чугуна (ед); Угр - скорость графитизации (%-мин'1).

Закон изменения температуры во времени получен на основе обработки результатов экспериментов методом наименьших квадратов и выглядит так:

/лТ = 7,194 - 2,098 10"Ч (8)

где Т - температура расплава; I - время (мин).

Таблица 2 - Условия и уравнения модифицирования для различных модификаторов

Тип модификатора Фрак ция, мм Кол-во от массы металла, % Уравнение модифицирования Способ введения

1. Ферросилиций ФС75 ГОСТ 1415-78 1-10 0,3 Сф= 521,01 - 119,51 (С +0,3 £й) НВ = 1294,85 - 542 (С + 0,3 ЭО + 66,29 (С + 0,3 5,69 + 0,19 С, На желоб эл.печи

2.Силикованадиевая лигатура ФС40Вд7 ТУ 14-5-177-87 1-10 0,45 Сф = - 319,6 + 82,41 (С + 0,3 ЭО НВ = 453,36 - 59,98 (С + 0,3 80 V,,, = - 1,11 + 5,73-Ю"2 Сгр На желоб эл.печи

3. Силикостронций ФС65БаКСт2 ТУ414-5-176-86 1-10 0,3 Сге = 138,74 - 26,3 (С + 0,330 - 2,5М0'5 (С + 0,3 й)2 НВ = 171,4 + 7,07 (С + 0,3 ЭО У,р=- 3,65 +0,123 0* На желоб эл.печи

4. Смесь: ФС75 + сажа в соотношении по массе 70% + 30% 1-10 0,3 Сф= - 202,92 + 53,43 (С + 0,3 НВ = 215,62 - 3,72 (С + 0,3 - 0,44 (С + 0,3 эо2 Угр = - 0,71 + 2,31-Ю"2 С„, На дно ковша перед заливкой

5. Отсев колотой чугунной дроби 0,82,2 0,6 С,р = -427,5 + 105,36 (С + 0,ЗБ1) . НВ = 823 - 148,9 (С + О,ЗБ0 Уго=-2,99 + 9,9810-2Сп, На желоб эл.печи

т-

5 -10 15

Рисунок 4 - Кинетические кривые графипоации чугуна

I, МИН

1-ФС75;

2 - чугунная дробь;

3 - смесь ФС75 + сажа;

4 - ФС65БаКСт2;

5 - ФС40Вд7.

Кинетические кривые графигазации чугуна: да ФС75 С,р= 24,0 + 6,7331-9,4 -ío't* + 3,067-10"lt3;

ФС40ВД7 Сгр~ 23,5 -0,10t + 0,12t2 - 8,010'3t3;

ФС65БаКСг2 25,7 + 2,321- 3,72 -10"'t2 + 1,3610"V;

ФС75 + сажа Crp = 25,0 + 3,077t - 3,12 • ИГ112 + 5,73-10313;

дооби Crp = 25,0 + 4,643 t-6,54 -lO^t2 + 2,267-10"zt3.

Длительность модифицирующего эффекта в зависимости от типа используемого модифи-атора равна: дм ФС75 -11,4 мин, ФС40Вд7 - 14,2 мин, для ФС65БаКСт2 - 10,0 мин, смесь: >С75+сажа - 13 минут, чугунная дробь - 12,5 мин.

Основные уравнения модифицирования, приведенные в таблице 2 и описывающие зависи-юстъ количества графита и твердости чугуна от химического состава и типа применяемого моди-япсатора, получены обработкой экспериментальных данных методом наименьших квадратов, комбинируя уравнения зависимости количества графета от химического состава чугуна для любо-о типа модификатора и кинетические кривые графштоацин можно получить зависимости скоро-ти графигизации (полученные дифференцированием кинетических уравнений) от количества рафига в чугуне и его химического состава, а также типа применяемого модификатора.

Закон изменения температуры и длительность модифицирующего эффекта определяют па-аметры качества сплава при вероятностно-автоматной моделировании плавильной подсистемы. Математические модели, адекватно описывающие зависимость свойств чутунов от химического остава и типа модификатора, могут служить основой для получения чугуна с заданными свойст-ами.

Кроме того, по предложенной методике можно моделировать не только свойства и струк-уру чугуна, но и кинетические параметры графигизации, что позволяет решить задачу управле-ия длительностью модифицирующего эффекта с целью получения качественных отливок без рака по отбелу. При этом очевидно, что для каждого типа модификатора длительность модифи-¡ирующего эффекта зависит от скорости графитга ации и от химического состава исходного чугу-ia. Для решения задачи управления длительностью модифицирующего эффекта применен пара-гетрический метод распознавания образов, согласно которому элементы (объектах обладающие [ужным свойством, будут группироваться в одной области многомерного пространства признала, а элементы, не обладающие этим свойством, будут образовывать кластеры в другой области шогомерного пространства. Для этого рассчитаны параметры распределения плотностей вероятностей для объектов класса А (процесс накопления графита, Vrp>0) и объектов класса В (процесс ясходования графита, V^O) в пространстве факторов.

Классифицирующее правило имеет вид:

-43,7б59[с]-17Д048{&]>-191,0526 X* е А(У1р>0) -43,7659[С]-17Д048[81]<-191,0526 X1 е В(Угр<0)

Задавшись количеством углерода в чугуне, по системе (9) можно определить содержание кремния в модифицируемом чугуне, обеспечивающее огтпшальную скорость графитизации, а следовательно, и длительность модифицирующего эффекта.

Временные параметры существования эффекта модифицирования в значительной степей определяют работу всей плавильной системы и качество выпускаемой продукции. Во избежали« демодифицирования чугуна, используя выполненные разработки, возможно правильно рассчитан время транспортировки металла от места ввода модификатора, емкость используемых раздаточ ных и разливочных ковшей, время заливки и затвердевания металла с учетом металлоемкость форм.

В третьей главе также рассмотрены примеры моделирования плавильных подсистем СЖ ХТЗ и ЧЛЦ АО «Кредмаш». Процесс моделирования включал в себя этапы от загрузки шихты ] печь до заливки металла в формы на линиях. В качестве управляемых параметров имитационной модели выбирали: потребность в жидком металле в единицу времени; количество и емкость пла вильных агрегатов; время плавки, структуру плавильной системы; коэффициент использован» автоматической литейной линии; металлоемкость формы; наработку на отказ и время восстанов ления элементов плавильной подсистемы.

Изменяя интенсивность входного потока, цикл работы линии, металлоемкость форм, соста оборудования (вводя дополнительны элементы) и его рабочие характеристики и просчитывая : ходе моделирования соответствующие изменения в производственном процессе, получали инфор мацию о функциональных возможностях всей подсистемы и отдельных ее элементов. В процесс моделирования фиксировали следующие показатели: общее время работы системы и каждой еда ницы оборудования (процесса) в отдельности; количество сплава залитого в формы; количеств! сплава, слитого в изложницы, или возвращенного в систему по различным причинам; время про стоев каждой единицы оборудования с указанием причин.

Для наглядности все данные представляли в виде графиков, диаграмм, гистограмм. Внеш ний вид комплекса программ по моделированию плавильной системы приведен на рисунке 5. Мс делирование может производиться как в режиме реального времени, так и с любым временны) масштабом. Технологический процесс можно остановить или продолжить в любой временна точке.

Моделирование работы плавильной подсистемы литейного цеха СЛЦ ХТЗ(марганцовиста группа) при решении организационно-экономической задачи по минимуму потерь позволило ог ределить ее оптимальную мощность, равную 60,0 тыс.т годного литья в год.

Рисунок 5 - Внешний вид комплекса программ по моделированию плавильной подсистемы литейного цеха

При моделировании работы плавильной подсистемы ЧЛЦ АО «Кредмаш» с целью отработки технологии установлено, что было значительное количество металлического расплава, утра-гившего свои свойства из-за потери эффекта модифицирования и залитого в формы, что приводи-ю к снижению качества отливок. При изменении места ввода для всех типов модификаторов времени стало достаточно для заливки чугуна в формы без потери модифицирующего эффекта. Для »того была повышена температура выпускаемого металла из печи ДЧМ-10, что привело к возмож-тости увеличения времени разливки ковша емкостью 2 тонны в среднем га 2 минуты. Однако это сомпенсируется отсутствием брака по отбелу.

Разработанный комплекс программ по моделированию работы плавильных отделений по-(воляет производить проверку правильности расчета плавильного и вспомогательного оборудования , а также рациональной организации их работы, выявлять "узкие" места, простои и т.д.

Четвертая глава посвящена созданию имитационно-вероятностной модели смесепригото-вительной подсистемы (СПС) литейного цеха, которая является структурной составляющей комплекса программ по моделированию литейного цеха, как единого целого.

Общая математическая модель СПС и вероятностно-автоматные модели разрабатываются по аналогии с плавильной подсистемой.

Одним из направлений повышения качества отливок и снижения их брака является стабилизация свойств формовочных смесей. Решение задачи стабилизации свойств смеси получено на основе перехода к гибкой системе управления выходными свойствами формовочной смеси, обладающей способностью адаптации к колебаниям характеристик исходных материалов и параметров приготовления смеси. Для повышения уровня стабильности свойств смеси были проанализированы существующие данные по рассеянию характеристик исходных материалов и физико-механических параметров. Анализ производственных данкых предприятий показал, что существует значительный разброс этих параметров, превышающий диапазон, допустимый техническими условиями. Это является одной из основных причин возникновения литейных дефектов.

В этих условиях для стабилизации свойств необходимо использовать надежные математические модели процесса смесепригоговления. Зависимости, описывающие формирование свойств смеси от количества и качества исходных компонентов, технического состояния смесителя, времени перемешивания были получены методом активного промышленного эксперимента в условиях КЛЗ. Анализ этих зависимостей показал, что эксплуатационные параметры смешивающих агрегатов (величина зазора между плужками и корпусом каткового смесителя, а также наличие или отсутствие вращения катков) существенно влияют на технологические свойства смеси. Используя математические модели формирования технологических свойств смеси, разработали номограммы для оперативного управления ими путем корректировки параметров процесса смесеприготовле-ния, таких как количество бентонита, воды, времени перемешивания.

Для изучения эксплуатационной надежности, как важнейшей системной характеристики подсистем литейного цеха, были исследованы процессы, приводящие к возникновению отказов оборудования. С этой целью для всего оборудования литейного цеха разработана и внедрена система классификации, кодирования и учета на ПЭВМ простоев литейного оборудования. Полученные данные стали основой для разработки математических моделей отказов оборудовался литейного цеха, которые используются для расчета внутреннего состояния ВА-моделей, описывающих динамику изменения надежности подсистем. В связи с тем, что оборудование подсистемы смесепригоговления работает в более тяжелых условиях, чем в друшх подсистемах, было целесообразно изучать параметры надежности именно на СПС.

Выход из строя деталей и узлов литейного оборудования происходит в основном по причинам износа, внезапных отказов, образования и роста усталостных трещин. В результате изученш

троизводственных данных было принято, что вероятность безотказной работы оборудования лилейных систем определяется язносовыми и внезапными отказами основных узлов агрегатов, а -акже фоновой вероятностью безотказной работы вспомогательных механизмов. Действие этих факторов проявляется независимо друг от друга.

Наиболее сложными с точки зрения изучения закономерностей их возникновения являются внезапные отказы. Статистические исследования внезапных отказов проводились в производст-юнных условиях одновременно на автоматических формовочных линиях и смесеприготовитель-их системах ввиду их тесной функциональной взаимосвязи. Анализ производственных данных юказал, чго основная доля внезапных отказов (около 85%) связана с попаданием металлического крапа в. агрегаты и их узлы.

Интенсивность возникновения внезапных отказов имеет равную вероятность за одинако-¡ый промежуток времени в период нормальной эксплуатации и описывается экспоненциальным аконои. В условиях цехов массового и крупносерийного производства были определены основ-ше параметры внезапных отказов. Определили общее количество металлических включений в гтработанной смеси и их распределение по источникам образования. Методом экспертных оценок определены величины коэффициентов опасности для каждой группы включений, представляющие обой относительную оценку вероятности возникновения внезапных отказов. Определено, чго '0% включений по массе являются потенциальными источниками возникновения отказов. Таким 'бразом, интенсивность возникновения внезапных отказов определяется четырьмя параметрами: шичеством, массой, размером включений и коэффициентом опасности. В таблице 3 приведены араметры внезапных отказов: Я-ингенсивность появления отказов, г) - коэффициент аварийности, 1авный отношению времени восстановления т, к средней наработке на отказ т0. Анализ данных [оказывает, что эти значения близки у всех агрегатов, кроме кантователя опок, где они значитель-ю выше. Отсюда следует, что для снижения А, возможны два подхода: уменьшение числа метал-ических включений в формовочной смеси и разработка мероприятий и устройств, предотвращающих попадание частиц скрапа в узлы и агрегаты линий и СПС. Например: установка электро-[агнитных сепараторов, на участке охлаждения линий формовки, превращение немагнитного крапа в магнитный и последующее его удаление и др.

Износовые отказы оборудования играют значительную роль в формировании уровня экс-[луатационной надежности подсистем литейного цеха. Износовые отказы возникают из-за изме-ения геометрических размеров деталей, ухудшающих начальные параметры изделия. Так как от-азы этого типа имеют доминирующее значение и могут быть спрогнозированы, на их предупреждаю направлены основные усилия ремонтных служб литейных цехов.

Таблица 3 - Параметры внезапных отказов для агрегатов литейных линий и смесеприготовител! ных систем.

Параметр Отказы агрегатов линий Отказы аг] регатов СПС

формовочного агрегата межагрегатного транспорта кантователя опок поломки смесителей порезы лент

катков стоек плужков отработанной смеси готовой смеси питателей бункеров

то,4 483,6 2360,8 1,23 980,3 403,2 202,1 1472,8 5873,2 3010,4

Я, отказ/ч 2,07103 4,24-10"4 0,813 1,02-10"3 2,48-10'3 4,96-10"3 6,79-Ю"* 1,70-10"4 3,3210ц

3,24 32,1 0,13 7,96 2,37 1,22 8,21 4,32 3,98

Л 6,7- ю-3 1,36-10* 1,05. ю-1 8,12103 5,88-10"3 6,04-10'3 5,57- ю-3 7,3610" 1,32103

Для построения математических моделей износовых отказов изучен процесс измененн геометрических характеристик основных узлов и деталей литейного оборудования в процессе экс плуатации. При ее создании учитывался вероятностный характер процесса изнашивания, обусло! ленный колебаниями физико-механических свойств взаимодействующих материалов, рабочих нг грузок и условий трения. Это вызвано тем, что момент наступления износофого отказа являете функцией двух случайных величин: начальной величины изучаемого параметра и скорости износ:

При расчете износовых отказов был принят линейный закон изменения начального пар; метра с течением времени. Вычисленное значение параметра принималось в качестве математич< ского ожидания отказа, а рассеяние его значений описывалось с помощью одного из следующи законов распределения: нормального, логарифмически-нормального или Вейбудла. Разброс н; чального значения изучаемого параметра учитывался методом имитационного моделирования.

Разработана программа на ПЭВМ, описывающая кинетику износового отказа и учитывал щая вероятности появления внезапных отказов, на основании которой были вычислены вероятие сти безотказной работы основных агрегатов литейного оборудования, как функции времени. Эт данные использовались для прогнозировании и предупреждения появления отказов в производи венных условиях, в частости для оптимизации графика планово-предупредительного ремою оборудования. С этой целью была создана методика и комплекс программ для разработки опп мального графика ППР оборудования литейного цеха. Критерий оптимизации представляет собо математическое ожидание среднего риска затрат, связанных с затратами труда на проведение р<

монга и заменой деталей, не полностью выработавших свой ресурс, а также убытками от простоев оборудования при аварийных ремонтах. Оптимизация трафика ППР литейного оборудования, обеспечивающего повышение его надежности, осуществляется за счет изменения сроков ремонтов, некоторого увеличения расхода запасных частей и трудоемкости ремонтов. При этом вероятность безотказной работы оборудования в межремонтный период, как правило, выше показателя 0,5.

Одним из эффективных методов повышения надежности литейных систем на стадиях проектирования и реконструкции является их структурная оптимизация. Дня решения задачи был предложен критерий оптимизации, отражающий баланс затрат, связанных с увеличением выпуска продукции, с одной стороны, и затратами на резервирование, с другой. Структурная оптимизация позволяет повысить надежность подсистем до ее экономически целесообразного уровня.

Методика структурной оптимизации служит основой САПР литейных систем с заданными характеристиками, которая принята к использованию в Типротракгоросельхозмаш". Для повышения эксплуатационной надежности агрегатов литейных систем предложен ряд технических решений, защищенных 4 авторскими свидетельствами.

В пятой главе рассмотрены вопросы работы формовочного отделения, которое является центральным отделением литейного цеха, так как в нем происходит пересечение потоков материалов, необходимых для изготовления отливки, а также ее непосредственное изготовление. Линии формовки, заливки, выбивки являются основными технологическими комплексами современных формовочных систем.

При исследовании конкретных линий формовки (Щ уровень ) ее элементы представляли на уровне агрегатов (машин и механизмов), которые выполняют законченные технологические операции. Для исследования их работы использовали замкнутые ориентированные графы, при помощи которых определялось качество компоновочных решений линий и которые стали основой моделирования их работы. Для определения отдельных ВА-моделей формовочных линий выполнили зяд лабораторных и промышленных экспериментов по оценке влияния надежности оборудования на физико-механические свойства смеси и качество отливок. В результате была установлена количественная зависимость между временем простоя оборудования и браком отливок и показано, что величина простоев влияет на качество отливок не в меньшей степени, чем физико-механические ;войства смеси и параметры ее приготовления.

Разработанные имитационные модели линий применили дня решения следующих задач:

- формулирование заявок плавильной подсистемы на металл и смесеприготовигельной подметены на формовочную смесь, при этом в модели учитывали только простои по техническим причинам;

- синхронизации работы всех подразделений литейного цеха;

- внедрения и отладки новых технологических процессов и оборудования;

- выявления "узких" мест в технологической цепочке линий, оценке влияния случайны факторов на процесс выхода оборудования из строя и др.

Для оценки экономической эффективности применения имитационных моделей линий бы выработан специальный критерий оптимизации и разработана методика расчета экономическог эффекта от сокращения простоев литейных линий. Применение имитационного моделировани позволило разработать ряд технических и организационных мероприятий, внедрение которых и ЬСЛЗ позволило получить экономический эффект 141,4 тыс.руб. в ценах 1990 года.

Шестая глава посвящена разработке и внедрению методики и компьютерной программ] для моделирования работы цехов литья под давлением. По выработанным рекомендациям пре; ложена реконструкция литейного цеха ХЭЛЗ, изменена структура производства отливок из алк миниевых сплавов, вследствие чего исключены простои из-за нехватки металла в системе. Кроя того в производство внедрено динамическое программирование оптимальной загрузки машин лг тья под давлением.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Эффективность работы литейного цеха в значительной степени определяется качество) и обоснованностью проектных решений, так как формирование структуры и основных его парг метров производится на стадиях проектирования, а принципиальная перестройка может быт осуществлена при его реконструкции.

2. Проблема реконструкции старых литейных цехов уже является актуальной и станет осс бо острой в ближайшие годы, поскольку технический уровень основных фондов литейного прок водства Украины не соответствует современным требованиям.

3. Литейные цеха представляют собой сложные технические системы, количественные зг кономерности работы которых, как единых целостных объектов, изучены недостаточно. При ис пользовании существующих методик выбора структуры и параметров литейного цеха без учет системных эффектов и взаимодействий имеют место значительные материальные убытки. Глас ной причиной их являются простои литейных линий, продолжительность которых в условия крупносерийного и массового производства составляет 30-60% от времени работы.

4. Использование прикладных математических методов, вычислительной техники и аппарг та системного анализа позволяет более эффективно решать научные и практические задачи литей ного производства, связанные с оптимизацией технологических решений в условиях реконструк ции литейных цехов. Здесь главным этапом является создание математической модели изучаемо системы и использование ее как инструмента для решения оптимизационных задач на ЭВМ.

, 5. Литейные цеха мотут быть рассмотрены как системы с иерархической структурой, шекяцей пять ступеней иерархии, каждая из которых описывается с помощью математических моделей высокой степени общности - вероятностно-автоматных моделей. В рамках этих моделей 1роцесс функционирования системы во времени определяется динамикой изменения ее основных ¡аракгеристик и может быть воспроизведен на ЭВМ путем комбинирования локальных аналиги-геских и имитационных моделей.

6. Разработаны и проверит общие математические модели подсистем литейного цеха, шисыванпцие зависимости основных показателей эффективности системы от параметров техно-югии и состояния агрегатов и их узлов.

7. Разработана методика и компьютерная программа расчета оптимального количества >борудования, в которой в качестве критерия оптимизации применен минимум приведенных за-рат. На примере плавильных отделений показана возможность использования этих разработок да проектирования и реконструкции любого оборудования литейных цехов.

8. Разработан комплекс программ определения оптимального (по стоимости) состава ших-ы, который использован при расчете плавки черных металлов. Математическое обеспечение ревизовано на языке Фортран 77 (пакет автоматгаашошго-линейных моделей MINOS, разработка £к,Мургафа) и CLIPPER SUMMER'87 (поддержка встроенной базы данных).

9. Для условий внепечного модифицирования получены кинетические кривые графитша-(ин серого чугуна и с помощью параметрического метода распознавания образов определены об-гасти оптимального модифицирующего эффекта для модификаторов различных типов. Предооже-га и проверена методика прогнозирования структуры и свойств чугуна, а также длительности мо-(ифицирукяцего эффекта.

10. Разработана система классификации, кодирования и учета на ПЭВМ простоев оборудо-;ания. Полученная информация является основой для выработки организационно-технических тероприятий по повышению эксплуатационной надежности узлов и агрегатов литейных систем.

11. Определение надежности, как важнейшей системной характеристики литейных цехов, ¡ыло проведено путем теоретического и экспериментального исследования частоты появления и [родолжигельности износовых и внезапных отказов их узлов и агрегатов. На основе полученных 1атемашческих моделей износовых отказов создана методика и компьютерная система с исполь-ованием СУБД CLIPPER по формированию оптимального графика планово-предупредительных teMOHTOB, позволяющая значительно увеличить коэффициент готовности оборудования. Для поношения эксплуатационной надежности агрегатов литейных систем предложены технические рс-цения, защищенные 4 авторскими свидетельствами.

12. Разработаны математические модели технологических свойств формовочной смеси учетом влияния на них параметров смешивающих агрегатов. Полученные модели использован для решения задач стабилизации свойств смеси.

13. Установлена количественная связь между величиной брака отливок и временем проел технологического оборудования. Анализ полученных данных показал, что продолжительное простоев влияет на качество отливок не в меньшей степени, чем физико-механические свойст] смеси, металла, а также параметры их приготовления.

14. С целью повышения эффективности работы литейных подразделений в условиях ир' ектирования и реконструкции литейных цехов, создана методика структурной оптимизации их. 1 базе этой методики показано, что повышение надежности формовочной линии обеспечивается : счет оптимального дублирования отдельных ее агрегатов, а также агрегатов смеселриготовител ной и финишной подсистем. Создана и внедрена методика расчета экономической эффекшвнос1 от сокращения простоев литейного оборудования, позволяющая производить расчет критерия о: тимизации работы литейных систем.

15. Разработаны и внедрены методика и компьютерная программа по моделированию раб< цехов литья под давлением, с помощью которых осуществлена реконструкция цеха.

16. На базе математических моделей подсистем цеха создан комплекс программ, испол зуемый на стадиях проектирования и реконструкции для определения эффективности и синхрон зации работы подразделений, отработки новых технологических решений, выявления "узких" мо в цепочке технологического оборудования, оценки влияния случайных факторов и др. Програ] мирование осуществлено на основе объектно-ориентированного подхода с использованием опер ционной системы Windows-95.

17. Результаты работы внедрены на АО Типротракторосельхозмаш", Харьковском тра торном и Купянском литейном заводах, АО "Кредмаш" г.Кременчут, ХЭМЗ, а также использох ни при подготовке концепции развития литейного производства страны, утвержденной в Ми промполшики Украины. Годовой экономический эффект от внедрения рекомендаций и разраб ток диссертации только в той части, которая поддается количественному учету, в настоящее вре) составил 249618 у.е.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Пелих В.Ф., Пономаренко О.И. Выбор и расчет оборудования плавильных отделений л тейных цехов. - К: ИСИО Украины. - 1993. - 224 с.

2. Пономаренко OJtL, Пелих В.Ф., Никифоров A.B. Методы расчета шихты для выплат литейных сплавов. Системный подход. - К: ИСИО Украины. - 1993. - 74 с.

3. Пелых С.Г., Пономзренко О .И., Литвиненко М.Н. Повышение надежности смесеприго-говительных систем литейного цеха. - М: ВНИИТЭМР. - 1988. - 52с.

4. Пономзренко О Л. Использование вероятностных автоматов для анализа работы литей-шх цехов //Литейное производство. - 1997. - № 3. - С. 29-31.

5. Пономзренко О.И. Повышение эффективности работа литейных технологических сис-:ем //Литейное производство. -1997. - № 4. - С. 50.

6. Пономаренко О.И. Вероятностно-автоматный метод расчета потребности в литейном >борудовании //Процессы литья. - 1998. - Ка 1. - С.81-86.

7. Пономаренко О Л., Тищенко В.В., Литвиненко М.Н. Использование ЭВМ для разработки рафика ремонта литейного оборудования //Литейное производство. - 1991. - № 10. - С.22-23.

. 8. Пелых С.Г., Пономаренко О Л., Литвиненко М.Н. Вероятностные автоматы и их исполь-ювание для моделирования литейных систем //Процессы литья. - 1991. - № 4. - С.82-86.

9. Пономаренко О.И., Пелих В.Ф. Расчет оптимального количества плавильных печей /Литейное производство. - 1997. - № 2. - С.21-23.

10. Пелых С.Г., Пономаренко О.И., Литвиненко М.Н. Внезапные отказы систем литейного >борудования //Литейное производство. - 1987. - № 12. - С. 21-22.

11. Пелих В.Ф., Пономаренко О.И, Демин Д.А. Оптимизация метода корректировки хими-геского состава чугуна с пластинчатым графитом //Литейное производство. - 1995. - № 7-8. -142-43.

12. Пелых С.Г., Пономаренко О.И., Литвиненко М.Н. Внезапные отказы литейного оборудования //Технолопи и оборудование литейного производства. - 1987. - № 2. - С. 15-20

13. Пономаренко О.И., Пелих В.Ф. К расчету потребности в плавильном оборудовании в дехах массового и крупносерийного производства //Процессы литы. -1997. - № 3. - С 76-81.

14. Пономаренко О.И. Структурная оптимизация литейных систем //Литейное производст-ю,-1998.-№4.-0.35-36.

15. Демин ДА., Пелих В.Ф., Пономаренко О.И. Расчет содержания углерода в чугуне, мо-(ифицированном силикованадиевой лигатурой //Литейное производство. - 1998. - № 6. - С.35.

16. Пономаренко О.И. Разработка на ЭВМ оптимальной системы ремонта оборудования /Металлургическая и горнорудная промышленность, -1998. - - С.

17. Пономаренко О.И. Системный анализ процесса изготовления отливок //Межвузовский сборник научных трудов. Вопросы теории и технологии литейных процессов. - Комсомольск-на-\муре: Хабаровск, политехи, ин-т. - 1985. - С. 113-115.

18. Пономаренко О.И. Моделирование свойств формовочной смеси /Вестн-Харьк.полигехн. ин-та. - 1985. - № 225: Прогрессив. технолопи обраб.металлов. - Вып.6. -С. 11-13.

19. Пономаренко О .И. Моделирование литейных систем //Информационные технологи наука, техника, технологи«, образование, здоровье: Труды международн.научн.-техн. конф. (Хар ков, 12-14 мая 1997) В пяти частях. 4.5. - Харьков, Мишкольц, Магдебург: ХГПУ - 1997. - С.19 201.

20. Пономаренко ОН. Надежность транспортной системы приготовления смеси литейно] цеха //Всстн.Харьк.политехн. ин-та. - 1986. - Hi 239: Прогрессив.технология обраб.металлов. Вып. 7. - С.67-69.

21. Пономаренко О Л., Гряник A.B., Цыбулин А.П Внезапные и постепенные отказы см сеприготовигельного оборудования //Вестн.Харьк.полю«хн. ин-ха. - 1987. - Лв 250: Прогресси технология обраб.металлов. - Вып. 8. - С.54-56.

22. Пономаренко О.И. Имитационно-вероятностные модели формовочных систем лигейм го цеха //Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: С научн. трудов ХГПУ.- Вып.6. В четырех частях. 4.2. - Харьков: ХГПУ, 1998. - С.516-519.

23. Демин ДА., Пелих В.Ф., Пономаренко ОЛ Применение параметрических методов ра познавания образцов для исследования длительности модифицирующего эффек //Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Материал мсждунар.научн.-техн. конф. (Харьков, 30-31 мая 1996). - Харьков, Мишкольц, Магдебург: ХГТГ МУ, МГУ.-1996.-С.56.

24. Семченков H.H., Пелих В.Ф., Пономаренко О.И. Оптимизация варианта загрузки маш* лигья под давлением при помощи ЭВМ //Пути повышения качества и экономичности лкгейнь процессов: Сб.докл. - Одесса: Совпин. - 1996. - С124.

25. Пономаренко ОЛ., Литвине!ко М.Н. Оптимизация планового графика ремонта лиге! ного оборудования. //Всстн.Харьк.политсхн. ин-та. - 1988.- № 261: Прогрессив.технология а раб.металлов. - Вып. 9. - С. 64-66.

26. Сержантов Д.В., Пономаренко О.И. Исследование работы автоматических линий i имитационных моделях //Пут повышения качества и экономичности литейных процессе Сб.докл. - Одесса: Совпин. - 1996t - C.92-93.

27. A.C. СССР Да 1438856. Заявка Jfe 4229492 от 17.03.87. Зарешстр. 22,07.88. Барабаннь грохот ЛВ.Ф.Сумцов, О.И.Пономаренко, М.Н.Литвиненко и др.

28. A.C. CCCPJfä 1461709. Заявка № 4191871 at 10.02.87. Зарешстр. 01.10.88. Гибкая рол коопора для ленточного конвейера // Б.П.Коваленко, С.Г.Пелых, О.И.Пономаренко и др.

29. A.C. СССР № 1519839. Заявка Ха 4308813 от 11.08.87. Зарегистр. 08.07.89. Автоматич екая литейная линия //В.Ф.Сумцов, С.ВЛвапов, О.ИПономаренко и др.

30. A.C. СССР № 1770033. Заявка № 4748645 от 02.08.89. Зарешстр. 02.06.91 Надставн, литниковая чаша //Б.П. Коваленко, ОЛ. Пономаренко, С.ГЛелых и др.

31. Пелих В.Ф., Пономаренко О.И., Демин ДА. Изучение влияния "живучести" модификатора на качество отливок из серого чугуна //Оптимизация технологических процессов и управле-ие качеством при производстве фасонным отливок: Тез. докл.научн.-техн.конф. (Рыбинск, 15-17 (екабря 1993) - Рыбинск: РАТИ. - 1993. - С. 56-57.

32 Демин ДА., Пелих В.Ф., Пономаренко О.И. Исследование длительности эффекта модифицирования серого чугуна //Неметаллические включения и газы в литейных отливках: Тез.докл. /П научн.-техн. конф. (Запорожье, 20-22 сентября 1994). - Запорожье: ЗГТУ. -1994. - С.101.

33. Пономаренко О.И., Пелих В.Ф., Семченков Н.Н. Моделирование работы цехов литья юд давлением //Компьютер: наука, техника, технология, образование, здоровье: Гез.докл.меясдународн. научн.-техн. конф. (Харьков, 3-5 мая 1994) - Харьков-Мишкольц: ХПУ, ЛУ - 1994. - С. 134-135.

АННОТАЦИЯ

Пономаренко О.И. Оптимизация технологических решений в условиях реконструкции ли-ейных цехов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 15.16.04 - литейное производство. - Физико-технологический институт металлов и сплавов На-(иональной академии наук Украины, Киев, 1998.

В диссертации предложено новое направление в исследовании эффективности работы, [роектирования и реконструкции литейных цехов и их подсистем, основанное на использовании гетодики системного анализа, теории надежности, иерархических структур теории графов, веро-тносгных автоматов, математического и имитационного моделирования. Впервые в практике ли-ейного производства предложена такая математическая модель, которая позволила увязать пара-1егры надежности работы оборудования с используемой технологией.

В результате решен комплекс теоретических, вычислительных и прикладных задач по оп-имизации технологических решений, таких как структурная оптимизация подсистем, расчет ко-ичества оборудования с использованием экономического критерия приведенных затрат, сформу-{ированы методы управления надежностью подсистем в процессе их эксплуатации.

Разработаны и внедрены мероприятия по повышению эффективности работы литейных (ехов и подразделений на стадиях их эксплуатации и реконструкции.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 29 статьях и защищены 4 ¡вТОрскнми свидетельствами.

Ключевые слова: реконструкция, эксплуатация, математическая модель , вероятностный втомат, оптимизация, имитационное моделирование, надежность, эффективность.

АНОТАЦШ

Пономаренко O.I. ОптнмЬащя технолопчних рццень в умовах реконструкцп ливарю ЦСХ1В. - Рукопис.

Диссртацк на конкурс ученого ступеня доктора техшчних наук за фахом 05.16.04 - ливар! виробницгво. - Фцнко-технолопчннй шститут метал^в i сплдов НацюнальноГ академи наук У] раши, .Кшв, 1998.

У дисер-гаци занропонований новий напрямок у дослщженш ефекшвносп робоги, проект вання i реконструкцп ливарних цехгв i йога гадсистеи, заснований на викорнстанм методики си темного аналиу, теори иадшносп, ¡ерарх!чних структур теорй графив, ймовйрносних автома-п математичного й ¡иттацйного моделювання. Впергае в практику ливарного виробннцгва запроп< нована така математична модель, що дозволила погоджувати параметри надШиосп робота обла, наши з використовуваною технолопею.

У результат! виршюний комплекс теоретичних, обчислювальних i прикладник задач по oi тшшащГ технолопчних рццень, таких як структурна оптимЬацк щдсистем, розрахунок складу у таткування з використаиням економгчного критерию приведет« витрэт , сформульоваш мето/ керування надшшепо пщсистем у процеа ¡хньоГ експлуатацЛ.

Розроблеш i впроваджет заходи щодо тдвшдення ефективносп робота ливарних цех1в щдроздшв па стадшх експлуатаци i реконструкци.

Основш положения дисертацШяо! робот опублшовам в 29 статтях i захищет 4 авторе: шш носщдченнями.

Ключов1 слова: реконструкци, експлуатащя, математична модель, йноЫрносний автома охшиизащя, Ьнтацшне моделювання, надШшсть, ефехтавшеть.

ABSTRACT

Ponomarenko O.I. Optimization of the technological decisions in conditions of the foundry shop; reconstruction. - Manuscript.

The dissertation for defending the degree of Doctor of Technical Science on the speciality -05.16.04 -Foundry. - Phisico-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS Ukraine, Kiev 1998

In thesis it is suggested a new direction in the investigation of work efficiency, projection and reconstruction of foundry shops and their subsystems based on using a system-anatise method, reliabl theory, hierarchical structure theory of the graphs, probabilistic automations, mathematics digital simulator.

For the first time in foundry practice a mathematic model which allows to tie up the reliable parameters of equipment work with technology has been carried out

As the result there has been decided the comlex of theoretical, calculation and practical problems ccording to optimization of technological tasks such as on-line process optimization (structure optimi-ation) of subsystems, the calculation of the quantity of foundry equipment with using economical crite-ion, the methods of controling the subsystem reliable in the exploitation process have been formulated.

The measures on increasing the operation efficiency of the foundry shops and subdivisions during xploatation and reconstruction stages have been developed and used.

The basic issues of the dissertation are published in 29 articles and covered by 4 copyright certifiâtes.

Key words: reconstruction, exploitation, mathematical model, probabistic automaton, optimiza-on, system-level simulator, reliablility, efficiency.

Подписано к печати 2.09.98. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2.0. Тираж 100. Зак. 86-10.

Напечатано на ризографе ХГПУ 310002, г,Харьков,ул. Фрунзе, 21.