автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Очистка смазочно-охлаждающих технологических сред тонкослойным центрифугированием в условиях машиностроительного производства

на правах рукописи

ЗАХАРОВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ОЧИСТКА СМАЗОЧНО - ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ТОНКОСЛОЙНЫМ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕМ В УСЛОВИЯХ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.03.01

Технологии и оборудование механической и физикотехнической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Микипорис Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ Коваленко Всеволод Павлович

- кандидат технических наук, доцент Петухов Евгений Николаевич

Ведущая организация: ОАО «ЗИД», г. Ковров

Защита состоится 25 декабря 2006 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.025.03 Владимирского государственного университета по адресу: 600000,г.Владимир, ул. Горького д. 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Владимирского государственного университета.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного Совета

Автореферат диссертации разослан 23 ноября 2006 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д212.025.03 доктор технических наук, профессор

.А. Кобзев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Применение смазочно-охлаждающих технологических сред - СОТС, как элементов машиностроения, связано с дорогостоящими процессами их хранения, приготовления, подачи в зону резания и утилизации, что приносит множество проблем, как экономических, так и экологических. В последние годы в России и за рубежом разработаны законодательные документы, а также правила и нормы по обслуживанию СОТС. Это обусловлено не только экологическими проблемами, но еще и тем, что количество СОТС, потребляемых в развитых промышленных странах при обработке резанием, остается, по - прежнему, весьма большим и составляет более 5% от общего мирового рынка смазочных материалов; годовая же потребность СОТС, например, во Франции составляет около 70 млн. л., в США — порядка 230 млн. л. Отечественные СОТС представляют практически все классы сред, как по физико-химическим признакам, так и по назначению и области применения.

В этой связи как никогда приобретает первостепенное значение (с точки зрения экономии дорогостоящих жидкостей и повышения эффективности процессов резания) качественная очистка СОТС от механических примесей. Решение этой задачи по удалению твердых абразивных частиц и стружки из стыка между деталью и инструментом повышает чистоту поверхности и продлевает сроки эксплуатации режущего инструмента и СОТС. Поэтому разработка и исследование эффективных средств и методов очистки СОТС является актуальной научной задачей.

Это обстоятельство часто недооценивают, полагая, что тщательная очистка СОТС необходима только на операциях абразивной обработки, являющихся, как правило, заключительными в технологическом процессе механической обработки заготовок и формирующими выходные характеристики качества деталей. В работе приняты:

объект исследования - центробежный очиститель смазочно -охлаждающей технологической среды;

предмет исследования - процесс тонкослойного центрифугирования СОТС в условиях машиностроительного производства деталей резанием;

границы исследования - изменение показателей СОТС на нефтяной основе (И-20А) - в пределах отклонений, допускаемых соответствующими ГОСТами на операциях механической обработки деталей.

Целью работы является повышение качества центробежной очистки СОТС за счет организации тонкослойного потока и трибоэлектризации очищаемой жидкости.

Научная задача: теоретически обосновать и экспериментально подтвердить эффективность тонкослойного центрифугирования СОТС.

Задачи исследования, полученные в результате анализа научной и специальной литературы, рассматривающей вопросы очистки СОТС :

1. Исследовать фактическое состояние СОТС в условиях машиностроительного производства.

2. Теоретически обосновать схему тонкослойного центрифугирования.

3. Экспериментально подтвердить гипотезу исследования и теоретические предпосылки с использованием метода математического планирования опытов.

4. Разработать опытный образец центрифуги и техпроцесс центрифугирования с их эксплутационной проверкой на ОАО «КМЗ»,

В работе использовались методы: математическое моделирование; теория планирования и проведения экспериментов; системный анализ и математическая статистика.

Научная новизна исследования:

1. Обоснована целесообразность тонкослойной очистки СОТС от твердых механических частиц загрязнения.

2. Уточнена физико-математическая модель и получены уравнения основных параметров тонкослойного центрифугирования, позволяющие проводить расчеты центрифуг.

3. Получено уравнение регрессии, позволяющее обеспечить рациональный выбор режимов центрифугирования при одновременном варьировании переменными факторами и минимизации общего числа опытов. Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойного центрифугирования соответствовал коэффициент эффективности, равный 90 %.

4. Научно обоснована и решена задача по удержанию твердых частиц загрязнения на стенке ротора за счет их предварительной трибоэлектризации.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета тонкослойной центрифуги, позволившая обеспечить эффективность очистки СОТС от вредных твердых механических частиц размером до 20мкм при расходах до 0,8 • 10"3 м3/с.

2. На базе тонкослойной центрифуги разработана установка для заправки станков СОТС, позволившая за счет повторного использования очищенной дорогостоящей СОТС сократить её расходы на 37%.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивались достаточным объемом экспериментов, а также выполнением рекомендаций соответствующих стандартов на испытания и анализы, корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения, выводы и практические рекомендации обоснованы результатами аналитических и экспериментальных исследований, полученными в ходе выполнения данной работы.

Реализация работы:

1.Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также конструктивные решения реализованы в установке для очистки СОТС в производстве ОАО «КМЗ».

2.Результаты исследования (регрессионная модель) и конструкция центробежного очистителя использованы в ООО «БУТТ» (Бузулукское управление технологического транспорта) и позволяют улучшить состояние смазочно - охлаждающих систем.

3.Математическая модель тонкослойного центрифугирования используется при чтении курса «Эксплуатационные материалы» на МТФ КГТА.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях КГТА и ВАИ (г. Рязань), в апреле и феврале 2006г, на 49-ой Международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», прошедшей в МГТУ «МАМИ» (г. Москва) 23-24 марта 2005г, а также на расширенном заседании кафедры ТиКМ КГТА 15 сентября 2006г.

Публикации. По результатам диссертационной работы автором лично и в соавторстве опубликованы 7 статей, в том числе 5 - в издательствах, рекомендованных ВАК, а также получены 2 патента (на изобретение и полезную модель). Общий объем материалов публикаций - 3,0 п.л., в том числе авторский вклад составляет 1,7 п.л.

Структура и объем работы: диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 29 рисунков и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 88 наименований и 26 приложений.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое и экспериментальное подтверждение целесообразности тонкой очистки СОТС.

2. Уточненная математическая модель процесса тонкослойного центрифугирования и трибоэлектризации СОТС.

3. Регрессионная модель тонкослойного центрифугирования СОТС.

4. Результаты экспериментальной и производственной проверок гипотезы (принятой при проведении исследования) и теоретических предпосылок. 5. Технология и установка для тонкослойной центробежной очистки СОТС в условиях машиностроительного производства.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы и приведены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, апробация и сведения о публикациях результатов исследования.

В первой главе приведен обзор исследований, направленных на обоснование актуальности работы по определению путей и возможностей повышения качества СОТС. С этой целью выполнен анализ фактического расхода масла на содержание оборудования, ремонтно-эксплутационные нужды и на охлаждение при механической обработке деталей; выявлены причины перерасхода масла, основной из которых является отсутствие эффективных методов по отделению масла от стружки и абразива.

Анализ научно-исследовательских работ, выполненных в ведущих организациях страны (МГТУ «Станкин», МГТУ «МАМИ», УлГТУ, ИвГТУ, НнГТУ, ВлГУ и других), подтверждает тот факт, что отечественные СОТС представляют практически все классы сред, как по физико-химическим признакам, так и по назначению и области применения.

Многочисленные исследования Худобина JI.B., Коваленко В.П., Бердичевского Е.Г., Клушина М.И., Латышева В.Н., Тихонова В.М., Верещака A.C., Кабалдина Ю.Г., Богданова В.В., Обшивалкина М.Ю., Муслиной Г.Р., Теплова В.В., Трощий А.Р., Туромша В.И., Ефимова В.В., Маркова В.В., Кареева Е.А., Бушева А.Е., Гусева В.Г., Минеева Л.И., Наумова А.Г., Ромашкина В.Г. и других свидетельствуют о взаимодействии СОТС с отложениями на поверхностях промышленного оборудования, инструмента с окружающей средой.

Следствием этого является снижение качества как самих СОТС, так и технологии процесса обработки деталей резан нем (увеличивается шероховатость и наблюдается преждевременный выход из строя режущего инструмента из-за ускоренного износа).

Следует отметить, что в современных условиях рыночного производства некоторые страны стремятся: отказаться от традиционных методов охлаждения. В частности разрабатываются технологии «сухого» охлаждения, т.е. без СОТС, например, с использованием ионизированного воздуха, подаваемого в зону резания и т.п. Однако анализ многочисленных исследований показывает, что современные режущие инструменты более эффективно работают при минимальном количестве СОТС, чем при обработке без них. В этом случае как никогда приобретает первостепенное значение качественная очистка СОТС от механических примесей, в частности от стружки и абразива.

Наиболее твердыми, а значит и опасными загрязнителями, являются кварцевые частицы, а также имеющиеся в пыли в незначительных количествах частицы окислов алюминия и железа. ТЕ1ердость кварцевых зерен около 1100—1200 кг/мм; количество же абразива в СОТС (при различной культуре производства), по данным автора, составляет до 20 % (рис.1) от общего количества загрязнения в баках отстойниках станков. При этом средний размер частиц - 110 мкм и концентрация от 0,3 до 1,2 г/дм3 (от 0,08 до 0,3% по массе), что превышает допустимое содержание по ГОСТ 6370 - 83. Анализ вязкостной характеристики СОТС (И-20А) показал, что изменение вязкости (в соответствии с ГОСТ 5055 8-93) и наличие воды незначительны. Автором делается попытка численно подтвердить влияние частиц загрязнения СОТС на силы трения в зоне резания (рис.2). в% 100

абр азив ор г ани че скл е о ст г лш о е

Рисунок '. Диа рамма загрязнения СОТС (в баках - отстойниках токарного полуав I омата ».

соте

Рисунок 2. Влияние загрязнения СОТС на силы трения в зоне резания.

Через зазор И (между инструментом и деталью) под действием напора Н протекает охлаждающая жидкость с плотностью - рж и динамической вязкостью 7]. Сила Р, затягивающая частицу в зазор, образована двумя составляющими: динамической силой замедления частицы Бд = ш • а и силой давления

Рс^чРжЕН,

где: f4.n1, а - соответственно, площадь, масса и ускорение частицы.

Расход жидкости через зазор определим по формуле Гагена - Пуазейля

(ЬИ)Ь2ржёН -.

12 7//

где Ь - ширина зазора; / - путь частицы в зазоре до остановки.

Ь4Рж282Н2 Ь4РЖЕН

Тогда Р = ш-+ Ър*8Н = р^Н(- +ГЧ)

288 Т]213 288 7/2/3

Анализ применимости полученной формулы показал, что максимальную величину силы трения, вызванную загрязнением СОТС, можно определять по формуле: Ртах= (7 -10) Б рж где Б - эффективная площадь сечения зазора. В связи с тем, что силы трения существенно влияют на тепловыделение в зоне контакта, необходима качественная очистка СОТС от механических примесей.

Сравнительный анализ показал, что для очистки СОТС от механических примесей в условиях машиностроительного производства, целесообразно использовать центрифуги, исследованию работы которых посвящены работы Белянина П.Н., Соколова В.Н., Коваленко В.П., Бербера В.А., Гольдина Е.М., Грачева К.А., Григорьева М.А., Михлина Е.Л., Забелина В.В., Лукьяненко В.М., Романкова П.Г., Седлухи Г.А., Кареева Е.А., Шарифова А.Р., Смирнова Г.А., Шкоропада Д.Е., Юткевича Р.М. и др. Однако работа центрифуг не эффективна из-за малоэффективной организации потока очищаемой жидкости, а также из-за недостаточных теоретических и экспериментальных исследований, всесторонне охватывающих условия применения центрифуг.

В связи с вышеизложенным, гипотеза, используемая при проведении исследования, такова: «если в роторе центрифуги дополнительно раскрутить поток жидкости до тонкого слоя с помощью, например, лопастного диска и провести трибоэлектризацию твердых частиц загрязнения, то это позволит осадить и удержать на стенке ротора частицы (в том числе неметаллические) меньшего диаметра и, как следствие, повысить качество очистки и ресурс СОТС.

Во второй главе автором теоретически исследованы основные параметры тонкослойной центрифуги: производительности, тонкости очистки, длины, диаметра и окружной скорости вращения ротора, толщины слоя и критической скорости жидкости в роторе.

Проведенный анализ полученных уравнений показал, что для повышения эффективности работы центрифуги легче всего идти по пути увеличения длины ротора - Ьр. Однако нужно отметить, что удлинение ротора ограничивается в то же время конструктивными соображениями, например, устройством опор. Главным же препятствием при этом является сложность динамической балансировки ротора. Поэтому длину ротора современных промышленных центрифуг обычно принимают в пределах от 0,5 до 0,85 диаметра ротора - Б.

В связи с этим определено влияние производительности <3 и толщины слоя жидкости 111 в роторе на тонкость очистки с! при условии не уноса частиц, осевших на стенке ротора, и с учетом гидравлических потерь в центрифуге. Принято, что скорость твердой частицы V в продольном направлении совпадает со скоростью жидкости.

Тогда частице, расположенной в начале слоя в наихудших условиях (на расстоянии от стенки ротора), необходимо время, чтобы пройти в продольном направлении путь равный Ц:

Ьр 71 Ьр Ь} (Б - Ъ\)

г =----(1)

V О

С другой стороны эта же частица в поперечном направлении движется с

йг

переменной скоростью: Vr = ——, (2)

ш

где г - расстояние от оси вращения до частицы.

Для осаждения на стенки ротора частицы потребуется время:

£_

Л" (3)

--П\

2 1

Тогда достаточным условием осаждения частицы будет равенство:

Для определения величины Уг - радиальной составляющей скорости частицы загрязнения, запишем уравнение движения частицы в роторе центрифуги:

т

с12г Л 2

= Р - г- Г > (4)

где т - масса частицы; Рп~- центробежная сила; - сила гидравлического сопротивления по Стоксу; .Ра - архимедова сила от центробежной составляющей.

Пренебрегая (из-за малости в тонком слое) силой тяжести частицы и с учетом общеизвестных формул получим:

-Т1Г— ' (5)

где рч - плотность частицы; V - кинематический коэффициент вязкости.

Тогда выражение (3) запишется:

р 2

г Ж

После интегрирования (6) и при I = ^ получим выражение для определения тонкости очистки за один проход жидкости через ротор:

180и1п—

=_1-2*1 (7)

Рж

Из выражения (7) получается формула для определения предельно допустимого потока жидкости в центрифуге:

А, (1 - А, )£>3с/2 (А. _ 1)

(8)

18и1п- 1

1-Л,

Для определения критической скорости потока жидкости в роторе, соответствующей началу уноса частиц, воспользуемся известной формулой В.И. Соколова и, учитывая, что коэффициент трения твердой шарообразной частицы по ложу ротора в наших условиях равен 0,34, а

я п

частота вращения со =- , получим:

30

2 у I

=1,66.10"4(^-1 )±-ф7„2В (9)

" и а

Если величина продольной (поступательной) скорости, вычисленная по формуле (1), превышает величину критической скорости, вычисленную по формуле (9), то следует изменить один из исходных параметров (в частности, величину АД

Исследования эффективности центробежной очистки при традиционном многофакторном подходе к эксперименту требуют значительного числа продолжительных опытов, что связано с большими трудозатратами, а также длительностью испытаний.

Одним из путей повышения эффективности исследований является математическое (экстремальное) планирование экспериментов. С учетом ранее полученного автором выражения (8) коэффициент эффективности работы центрифуги - £ равен:

<3Д 16,2-103-и • Qa In 1/1-2hj

- =- , (Ю)

QT n3n2d2Lh!(1 -h!)D3(p4/ рж-1)

где: QT и Qa — соответственно, расчетная и действительная производительность центрифуги.

В общем виде уравнение (10) Можно рассматривать как функциональную зависимость вида: ^ = у = f (х -хб), где £ = у -параметр оптимизации; Xi - х6 - переменные факторы, в том числе: Xj(n) -число оборотов ротора центрифуги; х2(Укр) - скорость течения жидкости на стенке ротора; x3(me) - начальная весовая концентрация загрязнения; x4(d) - степень дисперсности частиц; x5(t°) - температура жидкости; х6(Д) - разность плотностей частицы и жидкости.

Исходя из теоретических соображений, а также данных предварительных опытов, для планируемых экспериментов был установлен оптимальный диапазон изменения переменных факторов. Проведение опытов планировалось методом использования дробной реплики от полного факторного рандомизированного эксперимента типа 26"1. Для оценки значимости коэффициентов регрессии и проверки неадекватности действительного процесса и его математической модели, провели дисперсионный анализ с использованием критерия Фишера.

Процесс центрифугирования математически отображается поверхностью отклика в виде уравнения регрессии (полином I степени):

? = 69,33 + 3,44х! - 1,06x2 - 0,31х3 - 0,19x4 - 5,51 х3 + 1,31 х6 - 1,19х1)2 -

- 0,69x1,3 +1,061>4 + 0,69x1,5 - 0,31х1(б + 0,56x2,4 +2,44х2>5 - 0,31х2>6 -

- 0,31 х3,4 - 1,31 х3,5 - 0,43х3>6 + 2,44x4,5 +0,31 х4>6 +1,19х5,б.

Окончательный вид уравнения регрессии, являющегося удовлетворительным приближением, на котором проводился эксперимент:

у = 4 = 69,33 + 17,19 (п - 2425) - 0,27 (t °-30) + 0,40 (Д - 3,6) --0,79 (V - 30) • (Д - 3,6) - 1,31 (me - 0,055) • (t °-30>--2,5(шв - 0,055) • (Д - 3,6) +0,007 (d -29,5) • (t °-30).

Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойного центрифугирования СОТС соответствует 4 = (80 - 90%). Для исключения скольжения жидкости по стенке ротора предложено использовать диск, снабженный специальными лопатками, раскручивающий жидкость до угловой скорости ротора и распределяющий ее по нему тонким слоем.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования, целью которого явилась проверка теоретических предпосылок, способствующих выбору основных параметров тонкослойного центрифугирования СОТС в зависимости от условий обработки материалов резанием в машиностроительном производстве.

На основании полученных результатов теоретического исследования разработана центрифуга с автоматической разгрузкой осадка загрязнения для очистки СОТС от механических примесей (рис.3). С целью уменьшения мощности привода при неизменном эффекте раскручивания жидкости в роторе провели серию экспериментов по испытанию центрифуги, имеющей направляющий диск с разным числом и формой лопаток (рис.4).

Рисунок.З. Схема центрифуги с автоматической разгрузкой осадка: 1 - приемная труба; 2 - диск; 3 - ротор; 4 - кожух; 5 - сливной патрубок; 6 -нож; 7 винт; 8 - грязелоток; 9 - грязеприемник.

При проведении экспериментов в качестве загрязнителей СОТС (масло на нефтяной основе - И-20А) использовались: алюминиево-магниевый порошок ПАМ-3, электрокорунд белый, карбид кремнтя зеленый, металлическая стружка и песок с соответствующими плотностями 2,7; 2,4; 2,1; 7,8 и 2,6 г/см3. Загрязнители разделяли по фракциям в следующих интервалах: 0-10 мкм; 10 - 25 мкм; 25 - 50 мкм; 50 - 100 мкм; 100 - 160 мкм; 160 - 200 мкм; 200 мкм и более.

Рисунок 4. Форма лопаток: 1,2 - лопатки с прямолинейным профилем; 3-е усеченным профилем; 4-е усеченным профилем и отогнутыми на угол р против направления вращения ротора.

Необходимое количество проб (при их большом количестве) определяли по формуле:

Я =

1С г

где К и - вариационный коэффициент изменчивости изучаемого свойства, %.

При заданной точности экспериментов Кт = 5%, табличное значение коэффициента достоверности Кд = 1,96. Коэффициент изменчивости изучаемого свойства определили из выражения:

* X

где С - среднеквадратичное отклонение; X - среднее арифметическое значение результатов наблюдений. Определение весового содержания загрязнения проводили по ГОСТ6370-83 и ГОСТ 50558-93, а гранулометрического - по ГОСТ 17216-71 с использованием прибора ПКЖ-902.

В настоящей работе результаты экспериментальных исследований получены в виде табличных зависимостей одной величины от другой. Табличная зависимость между рядом значении аргументов X], Л.7,... Хп и рядом значений функции Уь У2,... К„. представлена в виде полинома степени к: У = Я(Х) = ао + а!Х+а2Х2+.. .+ак X ..

Для нахождения аппроксимирующей функции применяли метод наименьших квадратов. Затем определяли среднюю погрешность найденной функции. Неизвестные коэффициенты аппроксимирующих функций и средние погрешности вычисляли на ЭВМ.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие функциональные зависимости: (1=Г(<2), т=Г((2), т=Г(1Ч), Укр=Г((2), С=Г(Ьр), где с! - тонкость очистки, - расход жидкости через центрифугу, ш - концентрация загрязнения, Укр - критическая скорость жидкости в роторе, в - масса осадка загрязнения, Ьр - длина ротора.

Оказалось, что угловая скорость вращения ротора уменьшается по мере увеличения числа лопаток с прямолинейным профилем (тип 1 и 2). Тонкость очистки при увеличении числа лопаток улучшается (тип 3 и 4), что можно объяснить более эффективным раскручиванием жидкости в роторе. Для дальнейших экспериментов принят направляющий диск с лопатками 4-го типа. На диске имеется шестнадцать лопаток усеченного профиля; восемь из них располагаются по периферии диска. Также для уменьшения гидравлических потерь на выходе жидкости с направляющего диска, лопатки выполнены загнутыми назад под углом 45°.

По результатам опытов был определен коэффициент корреляции равный 1,44 и скорректирована формула (7). Для экспериментального определения критической скорости жидкости на стенку ротора осадили слой искусственного загрязнителя (ПАМ-3). Периодически брали пробы жидкости на входе и на сливе из центрифуги с одновременным измерением расхода. В момент начала уноса частиц потоком жидкости заметно возрастала концентрация загрязнителя в пробах жидкости. В результате десятикратного повторения опыта оказалось, что унос частиц начинался при расходе 0,416-10"3 м3/с. Интенсивный же унос частиц происходил при расходе 1,66-10"3 м3/с.

Низкое сцепление частиц загрязнения со стенкой ротора и как следствие - их смыв со стенок ротора и унос, а также невозможность удержания в центробежном поле ротора частиц, имеющих меньшую (по сравнению с жидкостью) плотность, снижают эффективность очистки СОТС. Поэтому следующей задачей явилось - повышение эффективности очистки жидкости от частиц загрязнения, в том числе имеющих меньшую (по сравнению с жидкостью) плотность. Неполярным жидким диэлектрикам, к которым относятся СОТС на нефтяной основе, а также частицам загрязнения свойственна трибоэлектризация при их движении, т.е. приобретение электростатического заряда.

Следует отметить что, чем больше скорость раскручивания жидкости на лопатках, тем больше величина электростатических зарядов, т.к. при движении жидкости с большей скоростью, соответственно, большее количество ионов участвует в электролитическом механизме образования электростатического заряда (концентрация же ионов в определенном объеме жидкости всегда одинакова). Поэтому наличие взаимодействующих с жидкостью лопаток, выполненных из материала с противоположной поляризационной ориентацией (в сравнении с материалом ротора), способствует переносу электростатических зарядов в жидкости путем диффузии, проводимости, конвекции и преимущественной адсорбции. При этом ионы одного знака образуются на стенках ротора, а другого - в жидкости и на частицах загрязнения, которые независимо от их плотности притягиваются к стенкам ротора и оседают на нем с большим сцеплением (рис.5).

ч

О

1о

> .•.••'•л.;. •

У Г Га

ФУ

МГц

Рисунок 5. Расчетная схема удержания частицы на стенке ротора с учетом трибоэлектризации.

Пренебрегая (из-за малости размеров частиц) силой тяжести условие удержания частицы на стенке ротора запишем как:

Р^д,,, (И)

где Рдв- движущая сила от потока жидкости на стенке ротора; - сила трения:

Р-тр = ктр (Рц + Рэ - Р А )>

где к-гр - коэффициент трения; Рц - центробежная сила, действующая на частицу; Рца - сила Архимеда, противодействующая удержанию частицы, возникающая за счет центробежной силы; Рэ- сила трибоэлектрического притяжения, равная <?ЕХ, где: q - заряд частицы, Кл.; Ех - напряженность электростатического поля, В/м.

71 сРч

Тогда уравнение (11) примет вид: Р^ £ ктр [-с?у (рч цЕх ].

6

Эффективность удержания частицы на стенке ротора центрифуги за счет дополнительного действия силы трибоэлектрического притяжения определили сравнением тр - скорости начального уноса загрязнения и ^кр. тр _ скорости интенсивного уноса загрязнения, полученной с использованием эффекта трибоэлектризации и без него (рис.6).

начало интенсивный

уноса унос

Рисунок 6. Влияние расхода жидкости на унос частиц: твх -концентрация загрязнения на входе; шсл - концентрация загрязнения на сливе.

На ОАО «КМЗ» были проведены сравнительные испытания предложенного варианта центрифуги с использованием эффекта трибоэлектризации и полученные результаты представлены на рисунке 6.

Анализ опытов показывает, что за счет дополнительного действия силы трибоэлектрического притяжения смыв и унос (ранее осевших на стенке ротора) частиц, происходит при больших скоростях. Вследствие этого в теоретическую формулу (9) введен коэффициент пропорциональности = 1,87, т.е. эффективность удержания частицы на стенке ротора центрифуги за счет дополнительного действия силы трибоэлектрического притяжения составила в среднем на 15,1%.

В четвертой главе приведены основные результаты производственной проверки теоретического и экспериментального исследований, на основании которых в 12 производстве ОАО «КМЗ» был спроектирован и изготовлен опытный образец установки для очистки СОТС - масел И-20А. Эффективность очистки проверяли применительно к производству изделия «В» - крышка, где основными операциями являются: токарная обработка и сверление.

Исследования проводили при обработке отверстий в образцах, изготовленных из стали 60 (170-Н90НВ). В каждом образце последовательно обрабатывали сверлением одно сквозное отверстие диаметром 35 мм и длиной 20,8 мм.

Результаты испытаний показали, что функции изменения износа режущего инструмента, макро- и микрогеометрии обработанного лезвийным инструментом отверстия не имеют экстремальных точек и носят монотонно возрастающий или убывающий характер. Следовательно, проведение экспериментов многофакторным планом, при котором решается задача нахождения экстремума функции, нецелесообразно. При исследовании варьировали концентрацией механических примесей от 0 до 4 г/л.

Эффективность операций точения исследовали методом пассивного наблюдения (в условиях действующего производства) следующим образом: в течение смены обрабатывали партию заготовок на токарном полуавтомате 1Б 265 МП — 6к по заводской технологии с подачей И-20А поливом с суммарным расходом 110 л/мин. Через каждый час измеряли износ резца и сверла, концентрацию механических примесей в СОТС и среднее арифметическое отклонение профиля Ка обработанных поверхностей.

Анализ результатов испытаний показал, что при сверлении отверстий снижение концентрации загрязнения от 4 до 0,01 г/л приводит к уменьшению отклонения от округлости на 22% и повышению качества обработанных поверхностей изделия типа «В» - крышка на 21-28%, а ширина площадки износа по задней поверхности Ь3 = 06 ■*■ 0.8 мм. При

применении очищенной жидкости Ь3 = 0,2 -*- 0,3 мм.

Экономический эффект от внедрения разработанной установки и технологии очистки и заправки СОТС за счет вторичного использования составил 2 765 руб. в год на изделие типа «крышка».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по разработке эффективного метода очистки СОТС тонкослойным центрифугированием в условиях машиностроительного производства.

Проведенный анализ научной и специальной литературы, способов и методов очистки СОТС, а также полученные результаты теоретического, расчетно-аналитического исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Применение СОТС в настоящее время связано с дорогостоящими процессами их хранения, приготовления, подачи в зону резания и утилизации, что приносит множество проблем, как экономических, так и экологических. В этих случаях как никогда приобретает первостепенное значение качественная очистка СОТС от механических примесей. Комплексное исследование фактической загрязненности СОТС (И-20А) в станках показало, что содержание механических примесей достигает высокого уровня и находится в пределах от 0,08 % до 0,30 % масс. В то время как вязкость изменяется в пределах, допустимых по ГОСТ 50558-93, а наличие воды незначительно.

2. Впервые численно подтверждено влияние частиц загрязнения СОТС на силы трения в зоне резания, что соответственно вызывает дополнительный нагрев режущего инструмента и поверхности детали.

3. Применяемые методы и средства очистки СОТС, в том числе центрифугирование, не обеспечивают их качество из-за

малоэффективной организации потока очищаемой жидкости в роторе центрифуги. Исследования показали, что повысить качество очистки СОТС можно за счет организации тонкослойного потока с помощью раскручивающего устройства - лопастного диска, а также удержанием осевших на стенке ротора частиц за счет их предварительной трибоэлектризации.

4. В результате анализа уравнений гидродинамики были получены зависимости, позволяющие определить основные расчетные параметры горизонтальной тонкослойной центрифуги, снабженной раскручивающим лопастным диском. Теоретически исследовано влияние расхода жидкости на толщину слоя жидкости, на тонкость очистки, а также определена критическая скорость жидкости на стенке ротора.

5. При математическом планировании экспериментов в качестве главного фактора планирования принят коэффициент эффективности работы центрифуги и получено уравнение регрессии, позволяющее обеспечить рациональный выбор режимов центрифугирования при одновременном варьировании переменными факторами и минимизации общего числа опытов. Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойного центрифугирования соответствовал коэффициент эффективности, равный 90%.

Экспериментально проверены теоретические предпосылки и после экстраполяции полученных зависимостей выявлены следующие основные результаты:

1. Тонкость очистки СОТС составила 20 мкм при расходе до 1,66-10"3м3/с. При этом выбран раскручивающий диск с усеченными лопатками, загнутыми назад на 45° с целью обеспечения безударного входа жидкости.

2. Унос осевших на стенки частиц начинается при расходе жидкости 0,416 -10-3м3/с.

3. За счет предварительной трибоэлектризации жидкости и частиц загрязнения эффективность их удержания на стенках ротора центрифуги повысилась на 15,1 %.

4. Результатом инженерных исследований автора явилась конструкция тонкослойной центрифуги с автоматической разгрузкой осадка загрязнения, спроектированная на основе проведенных теоретических и экспериментальных изысканий.

5. Разработана технология заправки станков от специальной установки, основным элементом которой является центрифуга для тонкой очистки СОТС. Производственная проверка эффективности тонкослойного центрифугирования СОТС показала, что снижение концентрации загрязнения приводит к увеличению точности обработки отверстий, повышению качества обработанных поверхностей изделия и снижению износа режущих кромок инструмента. Предложенная технология реализована в машиностроительном производстве ОАО «КМЗ».

6. С использованием тонкослойной центрифуги также разработан техпроцесс подачи в зону резания СОТС, с очисткой ее от механических примесей и (в зависимости от скорости резания) аэрацией (поданы две заявки на предполагаемые изобретения). Особенно это важно при обработке глубоких отверстий, где условия работы режущего инструмента усложнены вследствие плохого отвода тепла и стружки.

7.Полученные результаты позволяют рекомендовать для использования в условиях машиностроительного производства разработанный метод тонкослойного центрифугирования с целью повышения качества очистки СОТС от механических примесей, что способствует снижению расходов дорогостоящих жидкостей за счет их вторичного использования.

Направления дальнейших исследований:

1. Экспериментальная и теоретическая проверка метода и технологии подачи СОТС в зону Глубокого сверления с использованием тонкослойного центрифугирования, аэрации и озвучивания (диспергирования).

2. Применение тонкослойного центрифугирования для очистки СОЖ на водной основе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Исследование параметров центробежных аппаратов // Известия вузов. Машиностроение.- 2005, № б. С.41-47.

2. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Состояние СОТС и пути улучшения их свойств в условиях машиностроительного производства // Проблемы машиностроения и надежности машин.- 2005, № 6. С. 90-93.

3. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Состояние СОТС в условиях изготовления центрифуг привода. В сб. научных трудов «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» В 2 т. Т 1.- Ковров: КГТА, 2006. С. 275-282.

4. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Обеспечение чистоты технологических жидкостей в транспортном машиностроении. Сборник избранных докладов МГТУ «МАМИ». 2006. С. 250 - 254.

5. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Материалы первой научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. Ковров, КГТА, 2006. С 48-55.

6. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Повышение качества смазочных и охлаждающих технологических сред в процессе центрифугирования // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006, № 9. С.

7. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Очистка смазочно - охлаждающих технологических сред в машиностроительном производстве // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006, №11. С.

8. Патент на полезную модель № 57183. Устройство для подвода смазочно-охлаждающей жидкости. Авторы: Захаров А.Е., Захаров P.A., Ковальчук М.Н., Микипорис Ю.А. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10 октября 2006 года.

9. Положительное решение о выдаче патента на изобретение. Заявка

№ 2005118901/11(021429) Подача заявки 17.06.2005. Название изобретения: Центрифуга для очистки жидкости. Авторы: Галактионов Е.И., Захаров А.Е., Микипорис Ю.А.

Подписано в печать 22.11.06. Формат А5. Бумага для множительной техники. Гарнитура Times. Тираж - 100 экз. Отпечатано в печатном цехе ОАО «ЗиД».

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1.Анализ современного состояния смазочно-охлаждающих технологических сред в условиях металлообрабатывающего производства.

1.1.1 .Анализ расхода смазочно-охлаждающих технолог ических сред.

1.1.2.3агрязнение смазочно-охлаждающих технологических сред.

1.1.3. Влияние чистоты смазочно-охлаждающих технолог ических сред на эффективность обработки деталей резанием.

1.2. Сравнительный анализ существующих технологий и методов очистки смазочно-охлаждающих технологических сред.

1.2.1. Анализ методов и технологического оборудования для очистки СОТС от механических примесей.

1.3 Выводы по главе 1, гипотеза, цель и задачи исследования.

Глава 2. Теоретическое исследование тонкослойного центрифугирования смазочно - охлаждающих технологических сред.

2.1 .Теоретическое обоснование параметров тонкослойного центрифугирования.

2.2. Математическое планирование экспериментальной проверки расчетных параметров тонкослойного центрифугирования.

2.3. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальное исследование тонкослойного центрифуг ирования смазочно-охлаждающих технологических сред.

3.1. Центрифуга с автоматической разгрузкой осадка.

3.2. Методика проведения экспериментального исследования.

1 3.2.1. Методика определения загрязненности СОТС.

3.3. Результаты экспериментального исследования.

3.3.1. Повышение качества очистки СОТС трибоэлектризацией.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Производственная проверка эффективности тонкослойного центрифугирования СОТС.

4.1. Установка для очистки и заправки СОТС - масел И-20А.

4.2. Методика испытаний.

4.3.Результаты производственных испытаний.

4.4. Техноло1 ический процесс центрифугирования при заправке станков и подводе СОТС в зону резания.

4.5. Технико-экономическое обоснование принятых решений по активации смазочно-охлаждающих технологических сред тонкослойным центрифугированием.

4.6. Выводы по главе 4.

Применение смазочно-охлаждающих технологических сред - СОТС, как элементов машиностроения, связано с дорогостоящими процессами их хранения, приготовления, подачи в зону резания и утилизации, что приносит множество проблем, как экономических, так и экологических.

Обзор отечественной и зарубежной литературы свидетельствует о том, что в современных условиях рыночного производства некоторые страны стремятся отказаться от традиционных методов охлаждения. В частности разрабатываются технологии «сухого» охлаждения, т.е. без СОТС, например, с использованием ионизированного воздуха, подаваемою в зону резания и т.п.

Однако анализ исследований показывает, что современные режущие инструменты более эффективно работают при минимальном количестве СОТС, чем при обработке без них, т.е. при «сухом» охлаждении. В связи с этим новые технологии предусматривают применение универсальных высококачественных СОТС.

В последние годы в России и за рубежом разработаны законодательные документы, а также правила и нормы по обслуживанию

СОТС. Это обусловлено не только экологическими проблемами, но еще и тем, что количество СОТС, потребляемых в развитых промышленных странах при обработке резанием, остается, по - прежнему, весьма большим и составляет более 5% от общего мирового рынка смазочных материалов; годовая же потребность СОТС, например, во Франции составляет около 70 млн. л., в США — порядка 230 млн. л.

Анализ научно-исследовательских работ, выполненных в ведущих организациях страны (МГТУ «Станкин», МГТУ «МАМИ», УлГТУ, ИвГГУ, НнГТУ и других), подтверждает тот факт, что отечественные СОТС представляют практически все классы сред, как по физико-химическим признакам, так и по назначению и области применения.

Многочисленные исследования Худобина JI.B., Коваленко В.П., Бердичевского ИГ., Клушина М.И., Латышева В.II., Тихонова В.М., Гусева В.Г., Верещака A.C., Кабалдина Ю.Г., Богданова В.В., Обшивалкина М.Ю., Муслиной Г.Р., Теилова В.В. , Трощий А.Р., Туромша В.И., Нфимова В.В., Маркова В.В., Кареева П.А., Бушева А.Е., Минеева Л.И., Наумова А.Г., Ромашкина В.Г. и других, свидетельствуют о взаимодействии СОТС с отложениями на поверхностях промышленного оборудования, инструмента, с окружающей средой. Следствием этою является снижение качества как самих СОТС, так и технологического процесса обработки деталей резанием: увеличивается шероховатость; наблюдается преждевременный выход из строя режущего инструмента из-за ускоренного износа. Кроме того, водосодержащие СОТС способствуют коррозии деталей, что вызывает повреждение узлов станков.

В этих случаях как никогда приобретает первостепенное значение (с точки зрения экономии дорогостоящих СОТС и повышения эффективности процессов резания) качественная очистка СОТС от механических примесей, в частности от стружки гг абразива.

Анализ научно-технической информации свидетельствует о скудности данных, характеризующих изменение показателей эффективности обработки заготовок резанием в зависимости от чистоты СОТС. Поэтому важным является выявление загрязнителей, наиболее влияющих на срок службы СОТС и качество обработки резанием.

Общеизвестно, что твердость некоторых компонентов загрязнения значительно превосходит твердость материалов, применяемых доя изготовления обрабатываемых деталей и режущего инструмента. Так, наиболее твердыми, а значит и опасными, загрязнителями являются кварцевые частицы (твердость кварцевых зерен около 1100 — 1200 кг/мм, а количество кварца в СОТС при различной культуре производства составляет до 20% от общего количества загрязнителей), а также частицы окислов алюминия и железа.

Значительное влияние на процесс резания также оказывает процентное содержание частиц различного размера. Следует помнить, что чем больше в загрязнителе мелких частиц, тем труднее задержать их фильтрами, а значит, они в большем количестве проникают в СОТС и затем в зону резания.

Удаление твердых абразивных частиц и стружки из стыка между деталью и инструментом предотвращает повреждение обрабатываемой детали и образование нароста на режущей кромке инструмента, тем самым, повышая чистоту поверхности и продлевая сроки эксплуатации режущего инструмента.

Для получения этого крайне актуальным является необходимое качественное обслуживание СОТС с сохранением их смазочных и охлаждающих свойств.

Это обстоятельство часто недооценивают, полагая, что тщательная очистка СОТС необходима только на операциях абразивной обработки, являющихся, как правило, заключительными в технологическом процессе механической обработки заготовок и формирующими выходные характеристики качества деталей.

Существующие методы очистки СОТС весьма энергоемки, требуют сложных установок, снабженных мощными электродвигателями, редукторами, нагрузочными устройствами, а также в них затруднена автоматизация процессов, в частности разгрузка осадка загрязнения.

Наиболее приемлемым является центрифугирование СОТС, недостатки которого - низкое качество очистки от малых (20мкм и менее) ферромагнитных и неметаллических частиц из-за недостаточной организации потока очищаемой жидкости внутри ротора - вполне устранимы дополнительными исследованиями.

В связи с вышеизложенным, сформулирована ппютеза исследования: если в рогоре центрифуги дополнительно раскрутить поток жидкости до тонкого слоя с помощью, например, лопастного диска и провести трибоэлектризацию твердых частиц загрязнения, то это позволит осадить и удержать па стенке ротора частицы (в том числе неметаллические) меньшего диаметра и, как следствие, повысить качество очистки и ресурс СОТС с возможностью их вторичною использования.

В настоящей работе приняты: объект исследовании - центробежный очиститель смазочно-охлаждающих технологических сред. предмет исследования - процесс тонкослойного центрифугирования СОТС в условиях машиностроительною производства деталей резанием;

1рани1(ы исследования - изменение показателей СОТС на нефтяной основе (И-20А) в пределах отклонений, допускаемых соответствующими ГОСТами на операциях механической обработки деталей.

Допущения и шраничения, принятые в работе:

1. Описание физической модели очистки СОТС от загрязнений относится к очистке от твердых механических примесей, в то время как незначительное количество воды и газообразных включений в СОТС принимается за их полное отсутствие.

2. Форма твердых частиц загрязнения принимается шарообразной.

3. Сила тяжести частицы зафязнения (из-за малости ее размеров) при моделировании не учитывается.

Цель работы: повышение качества центробежной очистки СОТС за счет организации тонкослойного потока и трибоэлектризации очищаемой жидкости.

Научная задача: теоретически обосновать и экспериментально подтвердить эффективность тонкослойною центрифу! ирования СОТС.

Зилами исследования, полученные в результате анализа научной и специальной литературы, рассматривающей вопросы очистки СОТС:

1. Исследовать фактическое состояние СОТС в условиях машиностроительного производства.

2. Теоретически обосновать схему тонкослойно1 о центрифуг ирования.

3. Экспериментально подтвердить гипотезу исследования и теоретические предпосылки с использованием метода математическою планирования опытов.

4. Разработать опытный образец центрифуги и провести её эксплутационную проверку на ОАО «КМЗ»

В работе использовались методы: математическое моделирование; теория планирования и проведения экспериментов; системный анализ и математическая статистика.

Научнам новизна исследования:

1. Обоснована целесообразность тонкослойной очистки СОТС от гвердых механических частиц загрязнения.

2. Уточнена физико-математическая модель и получены уравнения основных параметров тонкослойного центрифугирования, позволяющие проводить расчеты центрифуг-.

3. Получено уравнение регрессии, позволяющее обеспечить рациональный выбор режимов центрифугирования при одновременном варьировании переменными факторами и минимизации общего числа опытов. Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойного центрифугирования соответствовал коэффициент эффективности, равный 90%.

4. Научно обоснована и решена задача по удержанию твердых частиц загрязнения на стенке ротора за счет их предварительной трибоэлектризации.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика расчета тонкослойной центрифуги позволила обеспечить эффективность очистки СОТС от вредных твердых механических частиц размером до 20мкм и при расходах до 0,8 • 10'3 м3/с.

2. На базе тонкослойной центрифуги разработана установка для заправки СОТС, позволяющая за счет повторного использования очищенной дорогостоящей СОТС сократить её расходы на 37%.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивались достаточным объемом экспериментов, а также выполнением рекомендаций соответствующих стандартов на испытания и анализы, корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения, выводы и практические рекомендации обоснованы результатами аналитических и экспериментальных исследований полученными в ходе выполнения данной работы.

Реализация работы:

1. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также конструктивные решения реализованы в установке для очистки СОТС в производстве ОАО «КМЗ».

2. Результаты исследования (регрессионная модель) и конструкция центробежного очистителя использованы в ООО «БУТТ» - Бузулукское управление технологического транспорта и позволяют улучшить состояние смазочно - охлаждающих систем.

3.Уточненная математическая модель тонкослойного центрифугирования используется при чтении курса «Эксплуатационные материалы» на МТФ КГГА.

Апробации работы. Основные положения диссертационного исследования доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях КГТА и ВАМ (г. Рязань), в апреле и феврале 2006г. На 49-ой Международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественною автотракторос гроеиия и подготовки инженерных и научных кадров», прошедшей в МГТУ «МАМИ» (г. Москва) 23 -24 марта 2005г, а также на расширенном заседании кафедры ТиКМ КГГА 15 сентября 2006г.

Публикации. По результатам диссертационной работы автором лично и в соавторстве опубликованы 7 статей, в том числе 5 в издательствах, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель, положительное решение на изобретение. Общий объем материалов публикаций - 3,0 п. л., в том числе авторский вклад составляет 1,7 п. л.

На защиту выносятся:

1. Технология и установка для центробежной активации СОТС ог твердых частиц механических примесей.

2. Теоретическое обоснование целесообразности тонкой очистки СО ГС.

3. Уточненная математическая модель процесса тонкослойного центрифугирования и предварительной трибоэлектризации СОТС.

4. Регрессионная модель центрифугирования СОТС.

5. Результаты экспериментальной и производственной проверок гипотезы исследования и теоретических предпосылок.

Структура н объем работы: диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 29 рисунков и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 88 наименований и 26 приложений.

4.6. Выводы по главе 4

Производственная проверка эффективности тонкослойной центробежной очистки СОТС по разработанной методике показала:

1. При сверлении отверстий в изделии «В» - крышка снижение концентрации загрязнения от 4 г/л до 0,01 г/л уменьшает отклонение от округлости на 22%. При этом шаговые параметры микропрофиля обработанных отверстий уменьшаются на 21 - 28 %, а износ сверла снижается с 1,5 до 0,2 мм.

2. Аналогично изменяются параметры при точении - операция подрезания, растачивания; износ резца снижается сЗ,7 до 0,7мм.

3. По результатам испытаний тонкослойной цен грифу! и разработаны: заправочная система и технолошя заправки станочного оборудования, позволяющая выполнить операции откачки, промывки, транспортировки и центробежной очистки СОТС с расходом до 0,44-10"3 м3/с;

- техноло! ический процесс подвода СОТС в зону резания с предварительным тонкослойным центрифу! ированием жидкости и , при необходимости - ее аэрированием.

4. Экономические показатели использования тонкослойного центрифугирования СОТС лучше нормативных. Годовая экономическая эффективность (при изготовлении детали «Крышка») составила 2765 рублей (за счет вторичного использования СОТС).

Заключение

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по разработке эффективной очистки СОТС центрифугированием в условиях машиностроительного производства.

Проведенный анализ научной и специальной литературы, способов и методов очистки СОТС, а также полученные результаты теоретическою, расчетно-аналитическою и экспериментального исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Применение СОТС в настоящее время связано с дорогостоящими процессами их хранения, приготовления, ггодачи в зону резания и утилизации, что приносит множество проблем, как экономических, так и экологических. В этих случаях как никогда приобретает первостепенное значение - качественная очистка от механических примесей. Комплексное исследование фактической загрязненности СОТС в станках показала, что содержание механических примесей достигает высокого уровня и находится в пределах от 0,08 % до 0,30 % масс. В то время как вязкость изменяется в пределах, допустимых по ГОСТ 50558-93.

2. Анализ влияния механических примесей на процесс резания показал, что силы трения, возрастают, что соответственно вызывает дополнительный износ режущего инструмента и снижение качества обрабатываемой поверхности детали. Впервые получена формула для численного анализа сил трения в зоне резания.

3. Применяемые методы и средства активации СОТС, в том числе центрифугирование, не обеспечивают качество СОТС из-за малоэффективной организации потока очищаемой жидкости в роторе центрифуги. Исследования показали, что повысить качество очистки СОТС можно за счет организации тонкослойного потока с помощью раскручивающего устройства - лопастного диска, а также удержанием осевших на стенке ротора частиц за счет их предварительной трибоэлектризации.

4.В результате анализа уравнений гидродинамики Д. Кернулли, Вейсбаха были получены зависимости, позволяющие с большей точностью определить основные расчетные параметры горизонтальной тонкослойной центрифуги, снабженной раскручивающим лопастным диском. Теоретически исследовано влияние расхода жидкости на толщину слоя жидкости, на тонкость очистки, а также определена критическая скорость жидкости на стенке ротора.

5. При математическом планировании экспериментов в качества главного фактора планирования принят коэффициент эффективности работы, центрифуги; получено уравнение регрессии, позволяющее обеспечить рациональный выбор режимов центрифугирования при одновременном варьировании переменными факторами и минимизации общего числа опытов по критерию Фишера. Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойною центрифугирования соответствовал коэффициент эффективности, равный 90 %.

Экспериментально проверены теоретические предпосылки, и после экстраполяции полученных зависимостей выявлены следующие основные результаты:

1. Тонкость очистки СОТС составила 20 мкм при расходе до 1,66 -10'3м3/с. При этом выбран диск с усеченными лопатками, загнутыми назад на 45° с целью обеспечения безударного входа жидкости.

2. Унос осевших на стенки частиц начинается при расходе жидкости 0,416 • 10'3м3/с.

3. За счет предварительной трибоэлектризации жидкости и частиц загрязнения эффективность их удержания на стенках ротора центрифуги повысилась на 15,1%.

4. Результатом инженерных исследований конструкция тонкослойной центрифуги с автоматической разгрузкой осадка загрязнения, спроектированная на основе проведенных теоретических и экспериментальных изысканий.

5. Разработана технолог ия заправки станков от специальной установки, основным элементом которой является центрифуга для тонкой очистки СОТС. 11роизведенная проверка эффективности тонкослойного центрифугирования СОТС показала, что снижение концентрации загрязнения с 4 г/л до 0,01 г/л приводит увеличению точности обработки отверстий на 22% и повышению качества обработанных поверхностей изделия типа «В» - крышка на 21-28%, износ режущего инструмента снизился с 0,6 до 0,2 мм. Предложенная технология реализована в машиностроительном производстве ОАО «КМЗ».

6. С использованием тонкослойной центрифуги также разработан техпроцесс подачи СОТС в зону резанья с очисткой ее от механических примесей и (в зависимости от скорости резанья) аэрацией. (Заявка на изобретение). Особенно это важно при обработке глубоких отверстий, где условия работы режущего инструмента усложнены вследствие плохого отвода тепла и стружки.

7. Экономический эффект от внедрения разработанной установки и техпроцесса очистки СОТС от загрязнения составил 2 765 руб. в год на изделие типа «крышка» (за счет вторичною использования).

8. Дальнейшие направления исследований:

- экспериментальная и теоретическая проверка метода и технологии подачи СОТС в зону глубокого сверления;

- применение тонкослойного центрифугирования для активизации СОЖ на водной основе;

- использование разработанных мероприятий для обслуживания станочных I идроприводов.

1. Акустическая установка для приготовления СОЖ в автоматическом режиме. Информационный лист межотраслевой тематической выставки «Научно-техническая информация в СССР». М.ВДНХ СССР, 1980. 2 с.

2. Белянии H.H., Данилов В. М. Промышленная чистота машин. М.: Машиностроение, 1982.320 с.

3. Белянин H.H., Черненко Ж.С. Авиационные фильтры и очистители гидросистем.- М.: Машиностроение, 1964. 294с.

4. Белянин H.H. Исследование процесса тонкой очистки рабочей жидкости авиационных гидросистем в центробежном силовом иоле. В сб. «Гидропривод и гидроавтоматика в машиностроении». М., 1988. С. 7-17.

5. Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие средства для обработки материалов: Справочник. М.: Машиностроение. 1984. 224 с.

6. Богданов В.В. Влияние механических примесей в СОЖ на процессы абразивной обработки заготовок // СОТС в процессах обработки заготовок резанием.: Сб. научн. работ. УГГУ, Ульяновск, 1996. С 63-70.

7. Булыжев Е.М. Исследование возможности обработки деталей шлифованием путем наложения магнитною поля на СОЖ, загрязненную механическими примесями. Автореф. дис. канд. техн. наук. Ульяновск, 1979. 311 с.

8. Веткасов Н.И. Исследование и разработка технологических основ унификации технологических жидкостей для операций шлифованиястальных заготовок деталей машин.: Автореф. дис. канд. техн. наук. Куйбышев. 1983. 18 с.

9. Влияние механических примесей в СОЖ на процессы абразивной обработки заготовок/В.В. Богданов// СО'ГС в процессах обработки заготовок резанием: Сб. научи, работ. УГТУ, Ульяновск, 1996.С63-70.

10. Гольдин Е.М., Каминский В.С. Влияние основных параметров вибрационной центрифуги на скорость перемещения твердых частиц по ротору. Теория и практика обезвоживания угольной мелочи. «Наука». М., 1986.С.1727.

11. ГОСТ Р 50558-93. Промышленная чистота. Жидкости смазочно-охлаждающие. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов. 1993.14с.

12. Дрейпер М., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Финансы и статистика. 1986.366 с.

13. Евтихин В.Ф., Малахова С. Г. Очистка резервуаров от остатков и отложений нефтепродуктов. М.: 11,11ИИТЭнеф-техим, 1984, 63 с.

14. Ефимов В.В. Об одном методе оценки эффективности подачи смазочно-охлаждающей жидкости при шлифовании.- В кн.: Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. М.: МДНТП, 1978. с. 12-15.

15. Ефимов В.В. Основы повышения технологической эффективности СОЖ на операциях шлифования. Автореф. дис. д-ра техгг. наук. Ульяновск 1989. 451 с.

16. Инструкция но оценке качества рабочих эмульсий и растворов смазочно-охлаждающих жидкостей. Киев: ВНИИПКнефтехим, 1981. 20 с.

17. Кабалдин Ю.Г. О неравномерности изнашивания режущей части инструмента // Вестник машиностроения, № 2, 1997. С. 54-57

18. Кабалдин Ю.Г. Структурная самоорганизация и механизмы безызносного трения при резании // Вестник машиностроения, № 1, 1997. С.51-54.

19. Кареев Е.Л. Исследование возможности повышения эффективности операций шлифования путем гидроциклонной сепарации технологических жидкостей. Лвтореф. дис. канд.техн. наук. Ульяновск. 1981. 281 с.

20. Лукьяненко В.М., Таранец A.B. Промышленные центрифуги. М., «Химия», 1974.375с.

21. Марков В.В. Повышение эффективности и экологической безопасности лезвийною резания путем применения энергетической активации и оптимизации состава присадок СОТС. Авт-т дис. на соиск. уч. степ. канд. техи наук. ИвГУ. Иваново. 2004.36с.

22. Маталин A.A. Точность, производительность и экономичность механической обработки. Л., Машгиз,1963.

23. Методика экономической оценки эффективности технологических процессов на основе единой системы критериев / Л.В.Худобин, Г.Р.Муслина. Е.М.Булыжев и др.// Вестник машиностроения. 1995. № 6 С. 42-45.

24. Захаров А.Е., Микнпорис Ю.А. Исследование параметров центробежных аппаратов // Известия вузов. Машиностроение. 2005. - № 6. С. 41 -47.

25. Захаров А.П., Микипорис Ю.А. Состояние смазочно охлаждающих технологических сред и пути улучшения их свойств в условиях машиностроительного производства // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2005. - № 6. С. 90 - 93.

26. МинеевЛ.И., Латышев В.П., Наумов А.Г. Анализ использования сухого электростатического охлаждения при металлообработке. Иваново. Изд-во ИвГУ, 2003.С.24-27.

27. Михлин Е.Л. Пути развития конструкций осадительных и фильтрующих центрифуг. В кн.: «Центрифугостроение в СССР и за рубежом». М., 1983. С. 131-136.

28. Мозолев Н. И., Бровин И. Л., Кобилинскнй К. И. Область рациональною применения смазочно-охлаждающая технологических сред при обработке металлов резанием.-В кн.1

29. Муслина Г.Р. Обшивалкин М.Ю. Экономический анализтехнологических возможностей производства в механообрабатывающих цехах машиностроительных предприятий // Техника машиностроения. 1994. № 1.С. 51-5345.

30. Налимов В.И. и Чернова A.A. Сташсгические методы планирования экстремальных экспериментов. М., «Наука», 1965.

31. ГОСТ Р 50815-95. Промышленная чистота. Жидкости смазочно-охлаждающие. Требования к чистоте СОЖ на операциях круглого наружного и плоскою шлифования периферией круга. М.: Изд-во стандартов. 1996. 12 с.

32. Оборудование для очистки и приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей. Альбом-каталог А 37.057.005-81. Курган КЭК'ГИ автопром, I981.-C. 72.

33. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: Справочник 2т./ Л.Д. Локтев, И.Ф. Гущин, В.А. Батуев и др. М.: Машиностроение. 1991. Т 1.640 с.

34. Ошер Р.Н. Производство и применение смазочно-охлаждающих жидкостей (для обработки металлов резанием). М. Гостоптехиздат, 1963. 226 с.

35. Паг.2090240, Россия, МКИ В 01Д 33/04. Установка для очистки СОЖ/ В.Ф.Гурьянихин,Ы.М. Мужиков. Опубл. 20.09.97. Бюл.№26

36. Полещук Л.М. Современный уровень и основные направления развития техники центрифугирования. В кн.: «Ценрифугирование в СССР и за рубежом». М., 1983. с.5-67.

37. Полянсков Ю.В. Повышение эффективности операций шлифования путем стабилизации свойств СОЖ. Автореф. дис. доктора техн. наук: Ульяновск. 1983.419 с.

38. Прейскурант № 18-06. Оптовые цены на материалы абразивные, инструмент. М., Прейскурантгиз, 1967.

39. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей для обработки металлов резанием в станкостроительной и инструментальной промышленности. М. НИИ-МАШ, 1971. 176 о.

40. Применение СОЖ при обработке резанием (опыт Волжского автомобильного завода им. 50-легия образования СССР)/Л. А. Иванова, Ю.И. Иванов, М.И. Клушин и др. М.; НИИМАШ. 1975. 87. с.

41. Романенко В.Н. Методы обнаружения бактерий, вызывающих коррозию промышленных материалов. Киев: Вшца школа. 1974. 395 с.

42. Ромашкин В.Г. Исследование возможности повышения качества деталей на операциях круглого наружного шлифования путем тонкой очистки технологических жидкостей. Автореф. дис. канд. техн.наук. Ульяновск. 1982. 277 с.

43. Ромашкин В.Г. Новые ресурсосберегающие системы применения СОЖ // Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов. Тез. докл. международной НТК. Ульяновск. УлПИ. 1993. С. 46-49

44. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента.-М.: Наука, 1973.

45. Румянцева Т. Л., Маскаев Л. К., Коваль Э. 3. О природе пленкообразования в оборудовании при эксплуатации некоторых смазочно-охлаждающих жидкостей. Машиностроитель, 1980, М 12, о. 30-31.

46. Румянцева Т. А., Морозова Л. П., Клавлина В. А. Текущий контроль технологических свойств эмульсионных и синтетических смазочно-охлаждающих средств в их корректировка. Нефтепереработка и нефтехимия, 1979, вып. 17, с. 103-106

47. Смазочно-охлаждающие жидкости для обработки металлов резанием: Рекомендации по применению / Под ред. М. И. Клушина. М.: НИИМАШ, 1979. 96 о.

48. Смазочно-охлаждающие технологические среды. Сб. науч. тр. Мл ЦНИИТЭнефтехим, 1982, в. Ш-128.

49. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник/ Под общ. ред. Г.Энтелиса, Э.М.Берлинера. М.: Машиностроение. 1995.496с.

50. Смышников Р.В., Микипорис Ю.А. Расчет центробежных аппаратов-классификаторов //Известия вузов. Машиностроение. 2003. №12. С.38-44.

51. Соколов В.И. Современные промышленные центрифуги. М.: Машиностроение, 1967.377с.

52. ТепловВ.В. Исследование влияния физико-технологических свойств смазочно-охлаждающих жидкостей на формирование микрорельефа поверхности при шлифовании: Автореф. дис. канд. техн. наук. Саратов. 1978. 19 с.

53. Тротций Л.Р. Повышение эффективности операций шлифования путем очистки СОЖ в патронных магнитных сепараторах. Лвтореф. дис. канд. техн. наук. Ульяновск. 1996. 298 с.

54. Туромша В.И. Исследование влияния гидродинамических и кавитационных явлений на процесс резания и качество обработанной поверхности при тонком шлифовании: Автореф. дис. канд. техн. наук. Минск. 1982.19с.

55. Уорсинг А., Реффнер Д. Методы обработки экспериментов. М.: ИЛ. 1949.

56. Установки для фильтрации СОЖ (США). Vacuum makes old coolant useable again/ Mod. Mach. Shop.2005.77, №11. 183c.

57. Филимонов JI. II. Стойкость шлифовальных кругов. Л.: Машиностроение. 1973. 136 с. 64. Хикс Ч. Основные принципы планирования экспериментов. М.: Мир, 1976.- 167.

58. Худобин Л. В., Берднчевский Е. Г. Техника применения смазочно-охлаждающих средств в металлообработке. М.( Машиностроение, 1977. 189 с.

59. Худобин Л.В., Белов М.А. Шлифование деталей из труднообрабатываемых материалов с применением СОЖ. // Вестник машиностроения, № 3, 1986. С.48-51

60. Худобин Л.В., БеловМ.А. Повышение точности формы деталей в продольном сечении при круглом наружном нглифовании. В кн.: Процессы абразивной обработки в технологии машиностроения. Труды ВНИИАШ. Л.: ВНИИАШ. 1982. с. 62-69.

61. Худобин Л.В., Бердичевский Е.Г. Техника применения смазочно-охлаждаюгцих средств в металлообработке. Справочное пособие. М.: Машиностроение. 1977. 189 с.

62. Худобин J1.B., Обшивалкин М.Ю., МуслинаГ.Р. Влияние чистоты СОЖ на эффективность обработки заготовок лезвийными инструментами // Вестник машиностроения, № 10, 1997.

63. Чистота СОЖ-залог высокого качества обработки. Tooling Production. 2004.V.70.Nr.l2.

64. Шаринов О.А., Власов В.И. Сопротивление изнашиванию режущего инструмента.// Вестник машиностроения, № 7, 1997. С. 52-53

65. Шашин А.Д. Исследование влияния СОЖ на процесс взаимодействия инструмента и заготовки при обработке металлов резанием. Авт-т дис. на соиск. уч. степ. канд. техн наук. МГИУ. М.2003.17с.

66. Шор Я. Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности М,1962.-230с.

67. Электроцентробежный очиститель (патент №2056951, МКИ В 04 В 5/10, от 27.03. 1996г)

68. Смазочно-охлаждающее устройство (патент ФРГ № 3743968 МКИ В 23 Q11/10, БИ№52, 1988)

69. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Обеспечение чистоты технологических жидкостей в транспортном машиностроении. Сборник избранных докладов МГГУ «МАМИ». 2006. С. 250 254

70. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Состояние СОТС в условиях изготовления центрифуг привода. В сб. научных трудов «Гидроииевмоавтоматика и гидропривод», В 2 т. Т 1, Ковров КГТА, 2006. С. 275-281.

71. Коваленко В.П. Загрязнение и очистка нефтяных масел. М.: Химия, 1978.-302с.

72. Рыбаков К.В., Коваленко В.П. Фильтрация авиационных масел и специальных жидкостей.- М.: Транспорт, 1981. 217с.

73. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Повышение качества смазочных и охлаждающих технологических сред в процессе центрифугирования // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. № 9. С.

74. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Очистка смазочно охлаждающих технологических сред в машиностроительном производстве // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006. № 11. С.

75. Захаров А.Е., Микипорис Ю.А. Материалы первой научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. Ковров: КГТА, 2006. С. 48-55.

76. Коваленко B.II. Смазочные материалы и изменения их свойств при эксплуатации. ВИИТиН, Москва, 2003.

77. Feghting dirt in hydraulic systems, «Engineering and Contrast Record vol. 85, №2, 1982/англ/p.69

78. Filtereng Installation more Particularly for Cooling Liquids. Пат. США. кл. 210-196,№3528551.

79. Fordnam Cooper. The electrification of fluids in motion. «Static electrification» London, № 2, 1983.88. installations de filtration d'huile "Sclammfrei. «Energie fiuide et lubrification». 6, № 61, 1997, /фр./.