автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса погружной очистки деталей при ремонте лесных машин

санкт-петербургская лесотехническая акадршя

На правах рукописи

ШИРЯЕВ Алексей Михайлович

'ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПОГРУЖНОЙ ОЧИСТКИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ- РЕМОНТЕ ЖСШХ НАШИ

05.21.01 - Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.Петербург - 1992

Работа выполнена на кафедре технологии лесного машиностроения и ремонта Санкт-Петербургской лесотехнической академии .

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор АНДРЕЕВ В.К.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЗУЕВ A.A.

- кандидат технических наук, доцент РШАНЕНКО В.И.

Ведущая организация - ВГ1НТИ "Лесмаш".

Защита диссертации состоится " 30 " июня 1992 г. в 11 часов на заседании специализированного Совета Д 063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии (главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан » 29 " мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Г.М.Анисимов

с

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение в лесном хозяйстве и на лесозаготовках новой энергонасмценной и конструктивно сложной техники требует качественного ее обслуживания, применения прогрессивных технологий ремонта, создания соответствующей ре-монтно-обслуживающей базы, оснащенной специальна оборудованием. Одной из наиболее ответственных технологических операций при ремонте машин является операция очистки деталей. От качества работ по очистке зависит культура производства и производительность труда рабочих-ремонтников, качество восстановления и процент повторного использования деталей, надежность и долговечность отремонтированных машин. Ежегодные объемы моечных работ на ремонтных предприятиях значительны и измеряются миллионами тонн. Затраты энергии из-за несовершенства конструкции моечных машин велики и неоправданы.

В настоящей работе представлены научно-обоснованные рекомендации по проектированию оборудования и процесса погружной очистки деталей лесных машин, имеющие важное значение не только для ремонтных предприятий лесного комплекса, но и для ремонтно-обслуживающих предприятий других отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства Российской Федерации.

Цель работы. Повышение эффективности очистки деталей лесных машин на основе методов оптимального проектирования (ОП) процесса и оборудования.

Научная новизна. Предложена постановка задачи ОП процесса очистки, позволяющая представить двухуровневую структуру системы техпроцесса как одноуровневую, где в качестве переменных фигурируют как технологические параметры процесса, не зависящие от конструктивных параметров оборудования, так и сами конструктивные параметры. Составлена и апробирована математическая модель ОП процесса очистки затопленной струей, включающая целевую функцию, отражающую аналитическую зависимость себестоимости работ от управляющих параметров процесса (диаметра и угловой скорости лопастного винта активатора, температуры и концентрации моющего раствора), и уравнение ограничений, отражающее эмпирическую зависимость продолжительности качественной очистки от тех же управляющих параметров. На основании экспери-

ментальных исследований установлены зависимости критериальных безразмерных коэффициентов мощности и напора от безразмерных симплексов подобия моечной установки. Определены оптимальные значения управляющих параметров процесса погружной очистки затопленной струей.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- возможность свертывания двухуровневой иерархической структуры технологического процесса в одноуровневую за счет наличия связей между параметрами технологического процесса и характеристиками оборудования;

- аналитические и эмпирические зависимости себестоимости и продолжительности работ по очистке деталей от управляющих параметров процесса, математическая модель (Ж очистки затопленной струей;

- эмпирические критериальные уравнения, описывающие зависимость безразмерных комплексов (коэффициент мощности активации моющего раствора, коэффициент напора затопленной струи) от симплексов подобия моечной установки, эмпирические зависимости гидравлической мощиоотн активации и скоростного напора затопленной струи от управляющих параметров процесса очистки;

- численное решение задачи ОП методами штрафных функций и модифицированной функции Лагранжа.

Практическая значимость. Предложенное решение задачи ОП очистки затопленной струей позволяет снизить затраты на выполнение работ в производственных условиях конкретного ремонтного предприятия, в частности, в условиях Ленинградского РЮ, путем выбора оптимальных режимов для имеющегося оборудования. Метод выбора оптимальных управляющих параметров процесса очистки рекомендуется использовать при разработке конструктивно-унифицированного параметрического ряда погружных машин с активацией моющего раствора лопастньии винтами. Основные положения постановки и решения задачи СП очистки затопленной струей могут быть использованы при ОП иных способов очистки.

Реализация результатов. Результаты работы в виде "Рекомендаций по организации технологического процесса очистки при ремонте" использованы при проектировании ремонгно-обслуживащих предприятий лесной промилленности в 1Ш по проектированию лесо-

заготовительных, лесосплавных, деревообрабатываюздах предприятий и путей транспорта (Гипролестране).

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ЛТА им.С;М.Кирова (1576-1991 гг.), ЩИШЭ (1975, 1977, 1986 гг.),'всесоюзной конференции "Пути совершенствования технологии . и оборудования" для очистки машин, агрегатов и узлов на ремонтно-обслуживающих предприятиях" (г.Москва, 1980г.) и др.

Публикации. Основное" содержание диссертации изложено в 8 печатных работах и 4-отчетах по НИР ЛТА им. С.М.Кирова, имеющих номер государственной,регистрации, общим объемом 15 печатных листов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка ли, тературы и приложений, содержит 188 стр.машинописного текста, . 17 рисунков, ЧЧ таблиц и список литературы, включающий 130 ' наименований. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении, обосновывается актуальность темы диссертации, изложена цель исследований, определены научные положения, выносимые на защиту, раскрывается новизна работы и научные результаты. Содержатся сведения о значимости результатов исследований для науки и практики, апробации работы, внедрении научных' результатов, публикациях автора, приводится общая характеристика работы.

В первом разделе рассмотрены вопросы, характеризующие роль и состояние операций очистки при ремонте лесных машин. На основе анализа оборудования и способов очистки, применяемых на ремонтных предприятиях отрасли, литературных источников, технологической документации, исследований научно-исследовательских - институтов и вузов выявлена и обоснована необходимость внедрения при ремонте лесных машин способа очистки деталей затопленной струей водных растворов синтетических моющих средств (CMC) с активацией очищающей среды лопастными винтами.

Отличия в структурном составе асфальто-смолистых отложений трелевочных тракторов, связанные с условиями их эксплуатации, требуют установления соответствия режимов их очистки

б

рекомендациям, разработанньм для очистки сельхозмашин.

Применение для оценки эффективности процессов очистки и конструкций моечного оборудования критериев пригодности и превосходства привело к созданию значительного числа машин одного назначения, различной конструкции, с низким уровнем унификации, имеющих большой разброс одноименных показателей. Анализ литературных источников, посвященных методам проектных исследований показал, что создание экономически эффективных технических систем при ограниченных ресурсах, имеющих различный физический смысл, возможно на основе их оптимального проектирования.

На основании вышеизложенного и поставленной цели определены следующие основные задачи исследований:

- сформулировать общую задачу ОП процесса очистки затопленной струей на основе системной модели процесса очистки;

- составить математическую модель процесса очистки затопленной струей, выбрать и обосновать критерий эффективности процесса;

- исследовать влияние конструктивных параметров моечного оборудования на гидродинамические параметры процесса очистки, установить существующие эмпирические зависимости;

- исследовать влияние режимных параметров процесса на продолжительность качественной очистки, установить существующие эмпирические зависимости;

- формализовать задачу ОП процесса очистки затопленной струей, выбрать математический метод для решения задачи и программу для реализации метода;

- определить оптимальные значения управляющих параметров процесса очистки затопленной струей, проверить эффективность полученного решения.

Второй раздел диссертационной работы посвящен постановке задачи ОП процесса очистки деталей затопленной струей водньк растворов CMC.

На основе анализа критериев эффективности, применяемых для оценки процессов очистки, установлено, что критериями, позволяющими соизмерять затраты ресурсов, имеющих разных физический смысл, и удовлетворяющими требованиям оптимальности являются экономические критерии, в том числе себестоимость годового объема работ по очистке. Поликритериальность выбранного показателя

эффективности, обусловленная необходимостью учета качества очистки и нормы времени,необходимого для достижения приемлемой чистоты поверхности и достаточного для полной загрузки оборудования, преодолевается по методу "главной компоненты", состо-яцему в том, что в качестве основного критерия принимается себестоимость работ, а на качество и время очистки накладываются ограничения, вытекающие из технологии и организации конкретного производства.

Задача оптимального технологического проектирования процесса очистки, в общем случае, требует двухуровневого иерархического представления структуры системы, где верхним уровнем было бы формализованное описание параметров процесса, а нияним - зависимость этих параметров от конструктивных параметров оборудования. Однако, предположение о наличии в явном виде количественных зависимостей параметров процесса от конструктивных параметров оборудования, позволяет провести условное свертывание модели к одноуровневой структуре, где в качестве переменных фигурируют как параметры процесса, независящие от конструктивных параметров, так и сами конструктивные параметры. В этом случае, задача ОП процесса очистки формулируется следующим образом: пусть имеется вектор управляющих параметров включающий компоненты

(т) -(Х<гп,>, X&> (I)

где Л^п, j - вектор управляющих параметров процесса, независящих от конструктивных параметров оборудования;

ГЮ

X (гц) - вектор управляющих параметров процесса, функционально связанных с конструктивньми параметрами оборудования.

-^[N1 " область допустимых значений компонентов векто-

р°в X2L- х<(к)

СП (mi

Хй»>0 (2)

Ф1(х^)>0

<WcS)>o

<!№,> Л <ПО

Зная количественные зависимости между технологическими параметрами процесса и конструктивным параметрами оборудования, можно представить функциональную связь между себестоимостью качественной очистки за установленное время и управляющими параметрами процесса в виде целевой функции.

raC-f(x2*.X&.Ag> А«,)

где д1'' , д(К) - векторы фиксированных технологических и конструктивных параметров.

Таким образом, задача оптимизации ставится в следующем виде: найти компоненты вектора X ^ • доставляющие минимум функции С » то есть

С*(х£, ,a£i>>aJJ)) ==nun G(X<|>,А<5д>) (4)

X<2>£Q[n]

Опираясь на системный подход, в качестве управляющих параметров процесса погружной очистки с активацией очищающей среды лопастньм винтом выделены: диаметр винта активатора -d. , угловая скорость винта - ГГ. , концентрация CMC в моющем растворе - Кнор , температура моющего раствора - Тр .

Составленная математическая модель ОП очистки затопленной струей включает целевую функцию, отражающую аналитическую зависимость себестоимости от управляющих параметров, функционг-льное ограничение, представленное эмпирической зависимостью продолжительности качественной очистки от управляющих параметров и гипероктантные (областные) ограничения управляющих параметров.

В третьем разделе изложены основные методические положения и результаты экспериментальных исследований очистки деталей затопленной струей. Целью исследований является определение эмпирических зависимостей, используемых при составлении целевой функции и уравнения ограничений математической модели задачи 00.

Эксперименты проводились на лабораторной установке с объемом рабочей зоны 0,4 м.куб., разработанной автором. Активатором мовщего раствора в установке служит лопастной винт диаметром 120 мм, помещенный в цилиндрический насадок, снабженный решеткой спрямляющих лопаток. '

Исследования зависимости мощности активации мощего раствора и скоростного напора затопленной струи проводились в два-этапа. На первом этапе проведены однофакторные эксперименты, . характеризующие зависимость мощности и напора от конструктивных параметров установки. Мощность привода винта измерялась' образцовые ваттметром Д 575/1 с точностью - б Вт и основной погрешностью не более £ 0,2/5. Измерение скоростного напора проводилось с помощью поворотной трубки полного напора (трубки Пито) по показаниям пьезометра с точностью + 1 мм. Измерения угловой скорости винта осуществлялось цифровым тахометром ТЦ-ЗМ с погрешностью + 2 об/мин. Анализ результатов исследований показал, что наибольшее влияний на мощность привода оказывает шаг винта, и степень этого влияния возрастает с увеличением угловой скорости винта. Исследования заеисимости скоростного напора от конструктивных параметров установки также выявили доминирующее влияние шага винта (рис.Х): увеличение шагового отношения винта с = 0,5 до ид =1,5 приводит к возрастанию

и

^е&Лтыв /едиц» г/%

Рис.1. Эпюра скоростного напора струи (А= 120 мм, П = 41.7С-1, Lt = 2.0., Lg = 0,4)

П = 41.7С-1

iO

максимального значения напора в 5,7 раза.

На втором этапе исследований проведен Д'ЗЭ 27-4 с целью оценки совокупного влияния конструктивных параметров на мощность активации моющего раствора и скоростной напор струи. При определении коэффициентов уравнения регрессии использована процедура последовательного исключения незначащих факторов по критерию Стьюдента. В соответствии с теорией подобия исследуемые зависимости представлены в виде критериальных уравнений адекватно описываемых уравнениями регрессии:

Kn=Q.158 Q651 Lg0-588 (5); Кн=Q050 l°s932lj716 (6)

- безразмерный коэффициент мощности;

- безразмерный коэффициент напора;

- гидравлическая мощность активации моющего раствора, Вт;

- скоростной напор затопленной струи, м.вод.ст.;

- плотность моющего раствора, кг/м8:

- ускорение свободного падения, м/с ;

- безразмерные симплексы подобия шага винта, дискового отношения винта, длины трубы насадка.

исследование влияния управляющих параметров процесса на продолжительность качественной очистки проводилось водньми растворами CMC Лабомид-203 и MC-I5. Объектами очистки служили стальные образцы с шероховатостью поверхности Ra. 1,25...2,5 с нанесенными на них слоем толщиной 0,6 мм отложениями из ротора масляной центрифуги двигателей СЗД-14Б трактора ТДТ-55, разведенными в керосине в оотношении 1:2.

Для измерения продолжительности качественной очистки образцов использован электрохимический метод. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе определялось раздельное влияние скоростного напора струи - Н , температуры моющего раствора - Тр , концентрации CMC в моющем растворе -КНОр на время качественной очистки - "Ь . Результаты, полученные для CMC Лабомид-203, приведены на рис.2.

где

к --¡¡Ь.

к —Ж_

Nr U

•'S.L-e.^fc

Р 9

Рис.2. Зависимость времени качественной очистки СМС Лабомид-203 от управляющих параметров

Для исследования совокупного влияния режимных параметров на продолжительность качественной очистки проведен ПФЭ типа 23. Полученные зависимости адекватно описываются уравнениями регрессии.

1 =118ЧбЦ-и1,гТ^"а822 С67г,С для Лабомид-203 (7)

t = 1223Ч6Ч т; "^КЙ^с «ля ыс-15 (8)

Проверка результатов эксперимента проводилась путем очистки группы деталей двигателя СЦД-14Б, загрязненных асфальто-смолистьми отложениями. При этом установлено, что продолжительность качественной очистки деталей соответствует времени вычисленному по полученньм формулам.

Четвертый раздел диссертации посвящен численному решению задачи ОП процесса очистки затопленной струей. Для формализации задачи с целью поиска оптимальных решений в условиях конкретного проектирования наряду с установленными эксперименталь-

- ' 12 зависимостями использованы данные, характеризующие условия работы Ленинградского РМЗ в 1991 г. Для сокращения трудоемкости вычислений исходные данные и расчетные зависимости представлены в виде электронной таблицы.

В результате вычислений задача ОП процесса очистки затопленной струей, формализованная для условий Ленинградского РМЗ, примет вид: Минимизировать

С - 1G9B8.48 +^15^9.61с13КНОр+ 2.12.КН0Р+ 32..76 n.Jd.5 + + 545f.fl8Tpd.ä+ 13.19Тр+1Т6Ш 60 d.2'2-48883A^rsf W

при ограничениях

1)23861 (Г1"84 амвч Тр-°'822 к ;°ОРбП-1.0 > 0 Моми3-203) 20б7819(1-г-чма-г-420 Тр"1,716 Кн'Г8-1.0 > 0 (мочь)(10)

2) 0.18 < а< Q.28 ; Ц) 60 < Т р 4 90 ; ( )

3) io«ru 50 ; 5) 20 <КНОР<30;

Решение задачи ОП осуществлено при помощи пакета программ ДИСО/ПК НЛГ1 методами нелинейного программирования. Анализ процедуры и результатов вычислений показал, что наибольшей точностью- вычислений (минимум ограничения равенства) при наименьшем числе итераций условной минимизации обладают прямой метод штрафных функций и прямой метод модифицированной функции Лаг-ранжа.

Результаты вычислений показали, что наименьшие затраты на выполнение годового объема работ для CMC Лабомид-203 и ' MC-15 практически равны и составляют 19399.81 руб/го.д и

• 19403.46 руб/год соответственно, что достигается при следующем '; значении управляющих параметров: Л = 0,18 м, IX = ЗЗС~Л

( ~2000 об/мин), Кнор = 20 г/л, Тр = 80°С.

'Наряду с задачей ОП, содержащей ограничения (IT), выпол-

* нена оптимизация моделей, имеющих отличные от представленных . ' , областные ограничения параметров концентрации и температуры:

50<Тр <90 ю « КН0РЧ< 30

.вост^до

'25 4КнаР<35

'1О<Кнор0О

Во всех вариантах решения задачи ОП минимум затрат обеспечивается при увеличении (относительно минимального значения) угловой скорости винта при неизменном (минимально допустимом) значении диаметра винта и температуры моющего раствора.

Сравнение оптимального проектного варианта с аналогичной по конструкции погружной моечной машиной ОМ-14251 показало, что при уровне цен 1991 г. расчетный экономический эффект от использования в условиях Ленинградского РМЗ моечной машины с оптимальным параметрами составляет 6595.48 руб/год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ литературных источников по вопросам очистки изделий при ремонте показал, что одним из наиболее эффективных способов является погружная очистка турбулизованной затопленной струей водных растворов (Ж, генерируемой лопастньм винтом, центробежными насосами, ротором-активатором. Качество и эффективность очистки возрастают при этом за счет высокой скорости направленного потока очащающей среды, что способствует удалению загрязнений не только с наружных и внутренних поверхностей изделий, но и из различных "карманов" и углублений.

2. Разработка конструкций моечного оборудования и выбор параметров процессов очистки производится на основе эмпирических зависимостей, учитывающих в явном виде, как правило, только физико-механические характеристики процесса, что приводит к неэффективны! технологическим и конструктивные решениям, влекущим за собой неоправданные материальные затраты.

3. Повышение эффективности процесса очистки, снижение затрат при одновременном удовлетворении требований к качеству, может быть достигнуто на основе методов ОП.

4. Особенностью задачи ОП процесса очистки является необходимость взаимоувязанного определения оптимальных параыет-

ров процесса и параметров оборудования. Оптимизация параметров такой двухуровневой структуры может быть выполнена на основе методов свертывания за счет получения в явном виде количественных зависимостей параметров процесса от конструктивных параметров.

Решение поликритериал^ной задачи Oil в данном случае может быть сведено к однокритериалькой с помощью метода "главной компоненты". При этом глапной компонентой является себестоимость работ по очистке с заданнш качеством за установленное время, а управляющими параметрами процесса могут быть принять: диаметр лопастного винта, угловая скорость винта, температура моющего раствора, концентрация CMC в моющем растворе.

5. В результате экспериментальных исследований очистки затопленной струей возбучдаемой лопасткьм винтом установлены количественные связи гидродинамических параметров процесса с основными конструктивными параметрами оборудования. При этом целесообразньм является использование критериальных уравнений, представляющих зависимости безразмерных комплексов-коэффициентов мощности и напора от симплексов подобия конструктивных показателей моечной установки.

6. Экспериментально установлено, что продолжительность очистки асфальто-смолистых отложений трелевочных тракторов затопленной струей раствора ПС-15 с параметрами Н = 0,15...О,17 м.вод.ст., Тр= 85...90°3, Кнор= 25...30 г/л на 10...iS& ниже, чем раствором Лабомид-203. Эффективность использования Лабомид-203 выше, чем МС-15 при низких (50...70°С) температурах моющего раствора и малых (5...15 г/л) концентрациях CMC в растворе.

7. Учитывая особенности математической модели ОП процесса очистки, наиболее рациональным методом отыскания оптимальных параметров является прямой метод штрафных функций и прямой метод модифицированной функции Лагранжа. Реализация поиска может быть осуществлена на основе использования пакета программ

даоо/пк-нлл.

8. На основе проведенной оптимизации установлено, что наименьшие затраты на выполнение годового объема работ по очистке деталей в условиях Ленинградского РМЗ для 3.1 С Лабомид-

203 и MC-I5 практически равны и составляют 19399,01 руб/год и 19403,46 руб/год соответственно, что достигается при значении управляющих параметров & = 0,18 м, П. = ЗЗСГ* (^2000 об/мин), Кнор= 20 г/л, Тр = 60°С.

9. Сравнительный анализ использования в производственных условиях Ленинградского РМЗ процесса очистки с оптимальными управляющими параметрами и погружной моечной машины 0M-I425I показал эффективность применения оптимального проектного варианта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ширяев A.M. Исследование факторов, влияющих на эффективность технологического процесса очистки при ремонте машин.// Тезисы докладов У1 научно-технической конференции аспирантов, соискателей и молодых специалистов лесной и деревообрабатывающей промышленности. - Химки: Изд. ЦНИИЫЭ, 1977, С.83-84.

2. Ширяев A.M., Крупанин A.A. Выбор оптимального типажа моечного оборудования для ремонтных предприятий различной производственной мощности. И.: БНИГШЗДлеспром, 1977, 16 с.

3. Ширяев A.M., Садовский АЛ. Унификация моечных машин для очистки агрегатов сборочных; единиц и деталей. М.: ВНИШЕИ-леспроы, 1983. - 22 с.

4. Установка для погружной очистки деталей. Информационный листок.',« 39-88. - ЛенЩга, 1988.

5. Балтии В.В., Чернышев Г.А., Чугунов A.B., Корыхалов В.А., Лебедев В.Д., Ширяев A.M. Ремонт лесозаготовительного оборудования. - Л.: ЛТА, 1990. - 45 с.

6. Ширяев A.M. Экономико-математическое моделирование процессов струйной очистки при ремонте машин. Ы.: ВНИПИЗИлеспром, 1990. - 28 с.

7. Ширяев A.M. Экспериментальное исследование гидродинамических параметров очистки затопленной струей. М.: ВНИПИЭДлес-пром, 1990. - 37 с.

8. 1Шряев A.M. Экспериментальное исследование влияния режимных параметров на продолжительность очистки затопленной струей. П.: ВНИПИЗИлеспром, 1990. - II с.

9. Исследование и разработка рекомендаций по унификации и агрегатированию моечного оборудования для ремонтных предприятий параметрического ряда. Л.: ЛТА, 1980. -190 с.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу: 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, ученый Совет.

Подписано в печать с оригинал-макета 26.05.92. Формат 60x90 I/I6. Бумага оберточная. Печать офсетная. Изд. № 23. Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Тираж 100 зкз. Заказ № 57. С 23.

Редакционно-издательский отдел ЛТА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА I940I8. Санкт-Петербург, Институтский пер., 3.