автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы регулирования молекулярного состава циркулирующей масляной смазочно-охлаждающей жидкости с целью повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления

На правах рукописи

Аунг Кхаинг Пьо

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА ЦИРКУЛИРУЮЩЕЙ МАСЛЯНОЙ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧНОСТИ и БЕЗОПАСНОСТИ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОГО СВЕРЛЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2015

005570231

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель : Голубков Юрий Васильевич,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры

«Композиционные материалы», ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Официальные оппоненты: Веселое Олег Вениаминович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Мехатроника и электронные системы автомобилей», ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Богатых Николай Эрнстович,

кандидат технических наук, начальник отдела поставок продукции для перспективной техники ОАО «Машиностроительное производственное объединение имени И. Румянцева», г. Москва.

Ведущая организация : Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-производственное

объединение «Техномаш» (г. Москва)

Защита состоится «<5£r> 2015 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом универсистете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» www.stankin.ru.

Автореферат разослан « 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.03

к.т.н., доц. . л Семячкова Елена Геннадьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Машиностроение лидирует среди других отраслей промышленности в использовании высоких технологий. Именно машиностроению принадлежит ключевая роль в распространении передовых машин, оборудования и производственных процессов в других отраслях экономики.

Обеспечение и повышение качества продукции машиностроения является многоплановой задачей. Это задача решается путем улучшения конструкции машин и деталей, использования новых материалов, совершенствования способов нанесения защитных покрытий, автоматизации производственных процессов и т.д.

Оценка качественного уровня продукции ведется по группам индикаторов, характеризующих конкретные свойства продукции. Выделяют следующие группы показателей качества: назначения, эстетические, надежности, экономного использования ресурсов, безопасности, патентно-правовые, транспортабельности, эргономические, технологичности, стандартизации и унификации, экологические, стойкости к внешним воздействиям, экономические.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) составляют подавляющее большинство смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), которые являются неотъемлемыми элементами технологических процессов в современных металлообрабатывающих производствах. СОЖ используют для снижения трения при обработке металлов резанием и давлением, уменьшения износа и охлаждения режущего инструмента, и.т.д. При удачном выборе СОЖ ее эффективность во многом зависит от правильного приготовления рабочих эмульсий, использования биоцидов, пеногасителей и реагентов для утилизации, от метода очистки, способа подачи и дальнейшего качественного контроля.

Индустриальные масла используют как рабочие жидкости для гидравлических систем станков, прессов, для смазки средне- и легконагруженных зубчатых передач, направляющих качения и скольжения станков. Самая широкая сфера применения масла И-20А — это гидравлические системы индустриального оборудования, смазка строительных машин, эксплуатирующихся на открытом воздухе.

В работе Г.Т. Малиновского приведен молекулярный состав некоторых масляных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). Входящие в них полициклические арены обладают потенциальной канцерогенной активностью и могут накапливаться в организме работников и загрязнять окружающую среду.

Выбор метода очистки смазочно-охлаждающей жидкости от полициклических аренов зависит от ее состава, качества, условий обработки и характера загрязнений. Разработаны методы очистки СОЖ на масляной основе от полициклических аренов.

Для повышения качества процесса целесообразно использовать системы с циркулирующей масляной СОЖ. Возросшие требования к экологической чистоте машиностроительных производств обусловили ряд новых требований к составам СОЖ, без которых многие технологические процессы обработки металлических заготовок резанием невозможны. Современные технологии позволяют проводить контроль состава СОЖ с большей эффективностью, например, используя автоматизированные системы анализа и управления.

Поэтому тема диссертационной работы, посвященной разработке автоматизированной системы регулирования молекулярного состава циркулирующей масляной СО Ж с целью повышения экологичности и безопасности технологического процесса глубокого сверления, является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение показателей качества процесса глубокого сверления, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека, путем разработки автоматизированной системы регулирования молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

• определить молекулярный состав СОЖ и индустриальных масел с целью нахождения отдельных соединений, негативно воздействующих на окружающую среду и человека.

• исследовать изменение молекулярного состава СОЖ при разных температурах в ходе реализации процесса.

• разработать способ регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава СОЖ.

• разработать состав и элементы системы автоматического управления процессом глубокого сверления с целью повышения экологичности и безопасности.

Методы исследования

При исследовании применялись положения теорий автоматического управления, обработки металлов резанием, термодинамики, аналитической химии. При экспериментальном исследовании использовались автоматизированные методы газохроматографического анализа с масс-спектрометрическим детектором.

Научная новизна и теоретическая значимость полученных результатов заключается в:

• установлении качественных и количественных взаимосвязей между молекулярным составом СОЖ и показателями качества процесса глубокого сверления, характеризующими их воздействие на окружающую среду и человека;

• получении экспериментальных данных о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел, указывающем на присутствие в них вредных и особо опасных компонентов, негативно воздействующих на окружающую среду и человека;

• разработке алгоритма оценки молекулярного состава СОЖ для регулирования температурного интервала в ходе реализации технологического процесса;

• разработке структуры автоматизированной системы регулирования молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для повышения показателей качества технологического процесса.

Практическая значимость заключается в:

разработке методики реализации автоматической системы выбора температурного интервала циркулирующей СОЖ на масляной основе в зависимости от содержания в ней вредных компонентов и исключающей возможность её использования при нахождении в ней особо опасных химических веществ.

Степень разработанности проблемы

В известном справочнике Л.В. Худобина приведены данные о 30 органических веществах - токсичных компонентах СОЖ и продуктах их термоокислительной деструкции, среди которых находится и канцерогенный 3,4-бензпирен. В СОЖ на масляной основе и индустриальных маслах как продуктах нефтепереработки находится на несколько порядков больше вредных компонентов, среди которых могут находиться и особо опасные.

Однако известна только работа Н.В. Ермолаевой, посвященная исследованию вопроса повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления с использованием СОЖ марок МР-ЗК, МР-3, СП-4, содержащих вредные химические вещества. В этих СОЖ особо опасные компоненты, в том числе 3,4-бензпирен, не были обнаружены.

Таким образом, степень разработки данной темы низкая. Поэтому настоящая работа обусловлена необходимостью дальнейшего развития вопросов

обеспечения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления.

На защиту выносятся следующие положения:

алгоритм оценки молекулярного состава СОЖ для регулирования температурного интервала, построенный с учетом полученных экспериментальных данных о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел, а также структура автоматизированной системы управления с разработанным устройством регулирования скорости вращения компрессора.

Достоверность результатов обеспечивается:

- использованием хромато-масс-спектрометрического метода анализа, позволяющего определить концентрации вредных и особо опасных компонентов в диапазоне 2 нг/г...100 мкг/г, а также тем, что полученные данные по зависимости содержания вредных веществ в СОЖ совпали с литературными и расширили температурный интервал (от 20 до 94 °С). При этом рабочая область регулирования температурного интервала (25-50 °С) находится в средней части изученного диапазона температур, что соответствует теоретическим положениям метрологии.

Определение температурной зависимости содержания вредных химических веществ в СОЖ на масляной основе проводили на современном приборе - роторно-пленочном испарителе, позволяющем поддерживать заданную температуру с отклонением ±0,2°С.

Реализация работы

Результаты работы использованы в учебном процессе в МГТУ «СТАНКИН» по направлениям 220700 «Автоматизация технологических

процессов и производств» и 280700 «Техносферная безопасность» в лекциях и

*

на семинарских занятиях как примеры решения экологических проблем средствами автоматизации.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях:

• VIII Международной научно-технической конференции «Дни науки -

2012» (г. Прага);

• XII Международной научно-практической конференции «Экология и

безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2012 г.);

• Международной научно-технической конференции «Наука, Техника,

Инновации 2014» (г. Брянск).

• XXVII заочной научной конференции Research Journal of International

Studies (Екатеринбург, 2014 г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 - в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы (102 наименования) и 3 приложений; изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены предмет и объекты исследований, дана характеристика диссертационной работы.

В первой главе проведён аналитический обзор предметной области, которую составляют общие сведения об обработке глубоких отверстий, инструментах для сверления и основных способах подачи СОЖ в зону резания, а также рассмотрены тепловые явления при резании металлов.

Технология обработки глубоких отверстий является сложной технологической задачей. При производстве таких деталей, как цилиндры глубинных насосов, трубы спецсистем, трубы радиаторов охлаждения и т. п.,

временные затраты при их изготовлении, в основном, определяются временем операций по обработке глубоких отверстий.

Специфика операций глубокого сверления состоит в том, что при осуществлении процесса в зону резания к инструменту-сверлу подается смазочно-охлаждающая жидкость под большим давлениям и с большими расходами, существенно отличающимися по величине от обеспечиваемых насосными системами обычного металлорежущего оборудования.

Важными факторами повышения производительности и качества обработки отверстий является применение высокоэффективных СОЖ и выбор рациональных параметров их подвода в зону резания. При выборе СОЖ для глубокого сверления необходимо учитывать ее влияние на стойкость режущего инструмента, качество обработанной поверхности, а также на надежность удаления стружки из зоны резания по каналу сверла потоком циркулирующей жидкости, охрану окружающей среды и безопасность труда.

Поскольку процесс глубокого сверления протекает при повышенных температурах, возможно образование продуктов термоокислительной деструкции СОЖ и других опасных для здоровья работников и окружающей среды компонентов. Поэтому необходимо иметь сведения о СОЖ и ее составе.

Во второй главе проведен анализ состава, экологических свойств и функций, выполняемых СОЖ на масляной основе и индустриальных масел, предъявляемых к ним требований. Установлено, что наиболее вредными их компонентами являются полициклические арены, фенолы, хлорированные углеводороды.

Учитывая возросшие требования к экологичности и безопасности технологического процесса, присутствие в СОЖ особо опасных канцерогенных полициклических аренов, например,3,4-бензпирена, признано недопустимым.

Обнаружение в СОЖ хлорсодержащих органических соединений будет говорить о невозможности ее использовании при сверлении глубоких отверстий в изделиях атомного машиностроения из-за вероятности коррозии. Поэтому важным фактором является знание молекулярного состава используемых СОЖ.

В третьей главе установлены качественные и количественные взаимосвязи между молекулярным составом СОЖ и показателями качества процесса глубокого сверления, характеризующими их воздействие на окружающую среду и человека. Разработан алгоритм изменения молекулярного состава СОЖ на основе температурного интервала в ходе реализации технологического процесса. Приведены экспериментальные данные о молекулярном составе индустриального масла марок И-20А и И-40А (по два обраца каждого) - основы для изготовления масляных СОЖ.

Молекулярный состав масляных СОЖ и индустриальных масел определяли хромато-масс-спектрометрическим методом на газовом хроматографе Agilent 6850 (Agilent Technologies, США).

Подробная методика хромато-масс-спектрометрического анализа масляных СОЖ и индустриальных масел изложена в публикациях автора из перечня ВАК.

Результаты исследований представлены в виде таблиц физических и физико-химических свойств идентифицированных компонентов для каждого из исследованных образцов.

Определение молекулярного состава индустриальных масел необходимо для нахождения отдельных соединений, приносящих вред окружающей среде и здоровью человека, в том числе и особо опасных химических веществ. Одним из них является канцерогенный полициклический арен - 3,4,-бензпирен, обнаруженный ранее в СОЖ марок «Сульфофрезол», МР-1у и МР-7.

В данной работе исследован молекулярный состав индустриального масла марки И-20А двух партий, одна из которых произведена на ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсинтез» (образец 1), а вторая - на ОАО НТК «Славнефть» (образец 2), а также марки И-40А двух партий, одна из которых произведена на Новоуфимском НПЗ (образец 3), а вторая - на ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсинтез» (образец 4).

В исследованных образцах обнаружено более 200 токсичных веществ, в

том числе 5 особо опасных. Они присутствуют, в основном, в количестве 0,12 .... 40 мкг/г. Их физические и физико-химические свойства представлены в табл. 1.

Идентифицированной среди азотсодержащих пятичленных гетероциклических соединений индометацин обладает тератогенным и мутагенным эффектом.

Среди кислородсодержащих органических соединений особенно опасны 2 вещества. Одним из них является меркаптофенол, являющийся одновременно и фенолом, и меркаптаном. Особенно сильно страдают от загрязнения фенолами обитатели водной среды и растительность. Данные вещества обладают синергизмом, т. е. совместное токсическое действие нескольких веществ превышает сумму эффектов отдельных соединений.

Обнаруженный в образце 3 местанолон является канцерогеном.

Кроме того, обнаружено 2 фосфорорганических веществ: 0,0,0,0-тетрапропилдитиодифосфат (аспон) и лептофос. Эти особо опасные вещества крайне токсичны для водных организмов и могут быть причиной долговременных неблагоприятных условий в водной среде.

Более подробные сведения об этих веществах, в том числе и их структурные формулы, приведены в диссертации.

Из представленных данных следует, что образцы одного и того же индустриального масла, изготовленного на разных предприятиях, кардинальным образом различаются по содержанию особо опасных компонентов.

Присутствие указанных компонентов в СОЖ, изготовленных из индустриальных масел, с точки зрения экологичности и безопасности технологического процесса недопустимо.

Кроме того, нами обнаружено более 200 вредных веществ, содержание которых должно находиться в некотором диапазоне концентраций. В качестве примера в табл. 2. приведены физические и физико-химические свойства азотсодержащих органических соединений.

Физические и физико-химические свойства особо опасных компонентов индустриальных масел

Таблица 1

Название Молярная масса, г/моль Плотность, г/см3 при 20°С (или при 0 Температура, 'С Растворимость в воде, г/100г (при 0 Марка масла

плавления кипения (при Р, кПа) И-20А И-40А

1 2 3 4

Азотсолепжашие органические соединения

Индометацин 357,80 1,327 160 499,4 3,11-Ю"4 - - + -

Кислородсодержащие органические соединения

Меркаптофенол 126,18 1,256 - 223,7 0,47 + - - -

Местанолон 304,48 1,064 191 416,1 0,00369 - - + -

Фосфорорганические соединения

О,О,О,О -Тетрапропил-дитиодифосфат 378,43 1,174 - 381,6 3,49-10"6 - - + -

Лептофос 412,07 1,66 71 73 444,4 1,05-10'6 - - + -

ы

Более подробные сведения о других вредных химических веществах приведены в диссертации. В частности, установлено, что в маслах отсутствуют полициклические арены, зато обнаружены пергидрополициклические арены. Возможные причины этого рассмотрены в диссертации.

Полученные экспериментальные данные о молекулярном составе индустриальных масел И-20А и И-40А, произведенных на разных предприятиях, представляют научный интерес еще по следующей причине.

Индустриальные масла составляют до 30% от общего количества нефтяных масел и используются для смазки различных промышленных механизмов. При этом различают легкие, средние и тяжелые масла. Средние масла марок И-20А, И-30А, И-40А и И-50А вязкостью от 15-Ю"6 до 50-Ю"6 м2/с -дистиллятные масла или смесь дистиллятного с остаточным маслом из малосернистых и сернистых нефтей селективной очистки. Они применяются в качестве рабочих жидкостей в гидравлических системах станочного оборудования, для смазывания средне- и легконагруженных зубчатых передач, направляющих скольжения и качения станков, где не требуются специальные масла, и других механизмов.

При работе таких механизмов под влиянием сил трения индустриальные масла нагреваются, выделяя в воздушную среду цеха особо опасные и вредные химические вещества.

При глубоком сверлении область оптимальных температур циркулирующей смазочно-охлаждающей жидкости находится в интервале от 30 до 50 °С. По данным Н.Ф. Уткина, отвод тепла в процессе обработки глубокого

сверления при помощи СОЖ решается попутно, наряду с ее главным

*

назначением - отводом стружки.

В литературе известны результаты исследования температурной зависимости концентрации нескольких предельных углеводородов с изопреноидным скелетом (2,6,10,14-тетраметилпентадикана и других), одного непредельного углеводорода с двойной связью - г/ис-2-тетрадецена - и нескольких полициклических аренов, в том числе 9-метилантрацена в СОЖ на

Таблица 2

Физические и физико-химические свойства вредных азотсодержащих органических компонентов индустриальных масел

Название Молярная масса, г/моль Плотность, г/см3 при 20°С (или при 0 Температура, 'С Растворимость в воде, г/100г (при 1) Марка масла

плавления кипения (при Р, Па) И-20А И-40А

1 1 2 3 I 4

Гетероциклические соединения

4,6 -11 и р и м иди иди о л 112,09 - - - - + - -

1-Азациклононан -2-он 141,21 0,928 - 267,7 Нерастворимый - - +

4,6-Бис(этиламино)- 1,3,5-триазин-2-( 1 Н)-он 183,21 1,349 - 263,8 Нерастворимый - - +

2-(2-Фторфенил)-2Н-1,2,3-триазол-4-карбальдегид 191,17 1,357 - 360,4 Нерастворимый - - - +

Цимегидин 252,34 1,273 141 488 0,743 - - + -

1-(1-оксо-10-октадеценил)пирролидин 337,59 ■ - - - - - + -

1-(3,7,11,15-Тетраметилгексадецил)-2-пирролидон 365,65 - - - - + + - -

2,4,6-Три(пентафторэтил)-1,3,5-триазин 435,05 1,727 - 197,2 3,13*10б - + - -

Тиопроперазин 446,64 1,238 - 612,2 2,29* 10"4 + - - -

Нитрилы

Нонандинитрил 150,23 0,917 - 318,8 0,11 - - + -

Тетрадеканнитрил 209,39 0,8281(19) 19 169(1,73) Нерастворимый - - + -

Пенгадеканнитрил 223,41 - - - - - - + -

Гексадеканншрил 237,43 0,8160(40) 31 251,5(13,3) Нерастворимый - + + -

Гегггадеканнитрил 251,46 1,4448(25) 34.....35,5 208(1,33) Нерастворимый - + + -

Нитросоелииения

6-Нитроундец-5-ен 199,30 - - - - - - - +

2-Н1про-2-бромпропан-1,3-диол (бронопол) 199,99 2,019 - 358,0 Нерастворимый - - + -

л-Нигрофенилнониловый эфир 265,36 1,029(25) - 380,7 8,46 »10'6 - - + -

Амины

Тетрадецил анилин 289,51 - - - - - + - -

Каптодиамин 359,60 1,084 - 466,1 3,89* 10"5 - - + -

Три-4-бромфениламин 482,02 - - - - + - - -

масляной основе марки МР-ЗК. Исследования были проведены на роторно-пленочном испарителе в водяной бане при поддерживаемых контактным термометром температурах от 20 до 80°С.

В соответствии с использованной методикой от 40 до 90 г СОЖ в течение 1,5 часов перемешивали на водяной бане при скорости вращения роторно-пленочного испарителя 2 об/сек.

Как было показано в литературе, при повышении температуры концентрация указанных химических веществ в СОЖ на масляной основе снижается на 15-20%, следовательно, они загрязняют воздух в зоне пребывания работников.

С целью уточнения полученных ранее данных и расширения интервала температур, нами были проведены испытания того же образца СОЖ марки МР-ЗК на том же оборудовании и по той же методике. Эксперименты были проведены при температуре 20°С и практически максимально возможной при работе на водяной бане температуре 94°С.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 1.

Как видно из полученных результатов, наши данные идеально совпадают с литературными при 20°С и согласуются с результатами, полученными при температурах 40, 60 и 80°С.

Приведенные данные показывают, что при увеличении температуры от 20 до 94°С содержание вредных химических веществ, в частности, цпс-2-тетрадецена в СОЖ на масляной основе снижается на 17 - 28%, следовательно они загрязняют воздух в зоне пребывания работников и, в конечном итоге, окружающую среду.

В связи с этим для минимизации воздействия содержащихся в СОЖ вредных химических веществ на работников предприятия и окружающую природную среду необходимо как можно больше уменьшить температурный интервал масляной СОЖ. На основе проведенных исследований рассмотрим ход технологического процесса глубокого сверления.

14 12

со Ю мкг/r

8 6 4 2 0

О 20 40 60 80 100

Температура (°С)

Рис. 1. Температурная зависимость содержания некоторых непредельных углеводородов с двойной связью и предельных углеводородов с изопреноидным скелетом (со, мкг/г) СОЖ марки МР-ЗК:

1 - цис-2-тетрадецен; 2 — 2,6,10-триметилпентадекан;

3 - 2,6,10,14-тетраметилпентадекен; 4 - 2,6,10,14-тетраметилгексадекан о - наши данные; • - литературные данные

Поставляемая на машиностроительной завод масляная СОЖ подвергается хромато-масс-спектрометрическому анализу на содержание в ней, во-первых, особо опасных и, во-вторых, вредных компонентов. Если она содержит особо опасные вещества (концентрация Соп > 0), то такую СОЖ необходимо подвергнуть дополнительной очистке на заводе-изготовителе СОЖ. Подробнее о методах очистки конкретных веществ говорится в диссертации.

При отсутствии таких веществ ( Соп = 0, точнее, фоновому значению Соп = Сф0„) ход технологического процесса зависит от концентрации в масляной СОЖ вредных компонентов. Предположим, что концентрация вредного химического вещества может изменяться в диапазоне от CBpi до Свр2 (Свр2> Свр1).

Рис. 2. Алгоритм оценки молекулярного состава масляной СОЖ для регулирования температурного интервала: Соп — концентрация особо опасного компонента; Свр — концентрация вредного компонента в данной момент времени; Свр1 - концентрация вредного компонента масляной СОЖ до поступления в технологический процесс; Свр2 — пороговое значение концентрации вредного компонента (в данном случае максимально допустимое)

При концентрации Свр1 температура циркулирующей масляной СОЖ в процессе глубокого сверления может поддерживаться при любом значении в пределах рекомендуемого Уткиным интервала (30 — 50°С). Если содержание вредного химического вещества равно Свр2, то СОЖ должна быть очищена от вредных компонентов на ее заводе-изготовителе. Если Свр1 < С,,, < Свр2, то температурный интервал должен уменьшаться по мере роста концентрации вредного компонента Свр. По результатам хроматографического анализа с масс-спектрометрическим детектором и дается заданное значение содержания вредной примеси Свр.

Алгоритм оценки молекулярного состава масляной СОЖ для регулирования температурного интервала в ходе реализации технологического процесса глубокого сверления, разработанный на основе результатов проведенных исследований, представлен на рисунке 2. Данный алгоритм, оптимизированный для технологического процесса глубокого сверления, является основой для разработки структуры автоматизированной системы регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ с учетом возможного нахождения в ней особо опасных компонентов для повышения показателей качества технологического процесса, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека.

В четвертой главе рассмотрены автоматизация обеспечения показателей качества и принципиальная схема подвода-отвода масляной СОЖ при обработке глубоких отверстий.

Решение задачи минимизации воздействия на человека и окружающую среду машиностроительных технологий формообразования часто приводит к изменению, а иногда и к улучшению других показателей качества технологических процессов. В большинстве случаев они оказываются взаимосвязанными.

Схема выбранной для проведения исследований системы наружного подвода масляной смазочно-охлаждающие жидкости и внутреннего отвода

стружки и СОЖ изображена на рисунке 3. При этом СОЖ поступает в зону резания по кольцевому зазору между инструментом 2 и стенками отверстия в заготовке 1 при помощи маслоприемника 3. СОЖ вместе со стружкой выводится из зоны резания по центральному отверстию в инструменте 2, после чего по лотку, перетекает в стружко-приемную тележку 5, перемещающуюся вместе с кареткой и имеющую устройство для сцепления с ней. В сетчатом дне тележки оседает большая часть стружки, а освобожденная от нее СОЖ стекает по имеющему небольшой уклон в сторону слива корыту 6 во вспомогательную емкость 7.

Рис. 3. Схема системы наружного подвода масляной смазочно-охлаждающей жидкости и внутреннего отвода стружки и СОЖ при глубоком сверлении

Для окончательной очистки СОЖ от стружки служит магнитный сепаратор 8. Излишки СОЖ в случае переполнения вспомогательной емкости 7 по трубе попадают в основную емкость 9, в которой находятся три блока шестеренных насосов 11. Очищенная фильтрами 10 СОЖ под давлением до 6 МПа через обратные клапаны поступает в коллектор 12 и затем к маслоприемнику 3 при помощи гибкого шланга. Предохранительный клапан с переливным золотником 13 обеспечивает необходимое давление в коллекторе

|

13

(около 6 МПа). При помощи манометра 4, имеющего реле для отключения станка при чрезмерном изменении необходимого давления, проводится контроль последнего. Расход СОЖ зависит от глубины и диаметра отверстия и меняется ступенчато в интервале (1,66 ... 6,3) • 10"3 м3/с.

Признано целесообразным контролировать концентрации особо опасных и вредных компонентов циркулирующей масляной СОЖ в течение всего процесса глубокого сверления.

В петой главе для повышения показателей качества технологического процесса, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека, разработана структура автоматизированной системы регулирования молекулярного состава циркулирующей СОЖ на масляной основе с учетом возможного нахождения в ней особо опасных компонентов, например, канцерогенного 3,4-бензпирена. Рассмотрены особенности указанной автоматизированной системы.

Неотъемлемой частью автоматической системы является холодильная установка с температурным детектором. Между указанными составными частями должна существовать обратная связь.

Автоматическая система регулирования температуры СОЖ включает в свой состав: датчик температуры, модуль преобразования непрерывного сигнала в дискретный, модуль сравнения, модуль заданных значений, модуль формирования управляющего сигнала и исполнительный механизм.

Датчик температуры установлен непосредственно на технологическом узле установки в трубе отводного канала с диапазоном измерения -30...+180 °С. Аналоговый сигнал, выходящий с датчика температуры, поступает в модуль преобразования непрерывного сигнала в дискретный (цифровой сигнал).

В модуле сравнения осуществляется сравнение с заданным значением температуры, которое устанавливается экспериментальным путем и хранится в базе данных. В случае отклонения измеряемой температуры от диапазона заданного значения формируется сигнал управления исполнительным механизмом.

Исполнительный механизм предназначен для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств.

Рис. 4. Состав системы автоматического регулирования температуры СОЖ на

масляной основе

После поступления сигнала от управляемого устройства (в том случае, от модуля формирования управляющего сигнала) этот сигнал преобразуется во вращательное движение выходного вала, в соответствии с которым исполнительный механизм включает в работу фреоновую холодильную установку 14, которая состоит из компрессора, фильтра, терморегулирующего вентиля и испарителя. При этом температура СОЖ снижается до требуемой величины, что приводит к минимизации загрязнения рабочей зоны и окружающей среды.

При температуре СОЖ ниже заданного значения вырабатывается команда для выключения холодильной установки исполнительным механизмом с целью снижения стоимости производства и поддержания оптимальной температуры для обработки резанием. Разработанная схема позволяет осуществлять

постоянный контроль соответствия температуры СОЖ заданному значению, а также обеспечивает более устойчивую и надежную работу устройства и не требует ручной настройки. Предполагаемая система автоматического регулирования температуры СОЖ имеет децентрализованную структуру и возможность встраивания в общую систему управления технологическим оборудованием.

На основе проведенных исследований разработана представленная на рисунке 5 схема автоматизированной системы регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ при обработке глубоких отверстий, которая позволяет повысить показатели качества технологического процесса, характеризующие их воздействие на окружающую среду и человека. Она включает в себя как автоматический хромато-масс-спектрометрический молекулярный анализ содержащихся в циркулирующей масляной СОЖ особо опасных и вредных компонентов, так и автоматизированный блок регулирования её температуры в зависимости от концентрации указанных компонентов.

При сверлении уделяется большее значение эвакуации стружки, поскольку обработка в ограниченном пространстве отверстия накладывает определенные требования в отношении контроля за стружкообразованием. Высокое качество фильтрации является необходимым условием для небольших сверл и отверстий с высокими требованиями к качеству обработанной поверхности. Поэтому отработанные СОЖ должны быть очищены с помощью комбинации различных фильтров или эффективной системой фильтрации для более качественной её очистки, а также повторного пользования.

Эффективная система очистки создает более благоприятные условия и для технологического процесса, и для работы хроматографа.

Пробы отбираются из основной емкости 9(представлена на рисунке 3), куда собирается очищенная от механических примесей СОЖ. При обнаружении в СОЖ особо опасных компонентов технологический процесс останавливается,

а СОЖ возвращается на завод-изготовитель для дополнительной очистки. При увеличении содержания вредных химических веществ охлаждающий контур будет уменьшать температурный интервал СОЖ, а также при условии превышения их концентрации до максимально-допустимых, технологический процесс будет прекращен для предотвращения загрязнения окружающей среды и негативного воздействия на здоровье человека.

С помощью контура охлаждения и хладагентов, температура СОЖ, отводящейся из зоны резания, снижается до требуемого интервала для минимизации загрязнения окружающей среды и повышения эффективности производства.

Следует заметить, что количество теплоты, выделяемое из СОЖ в единицу времени, меняется в зависимости от температурного интервала между нагретой и требуемой величиной, мощности и производительности охлаждающего контура, а также в зависимости от условий и режимов резания, требуемой СОЖ, способов ее подачи и других факторов; расход СОЖ и ее плотность тоже меняются. Поэтому при установлении охлаждающего контура, необходимо учитывать эти факторы с целью обеспечения требуемой производительности охлаждающего контура в данный момент времени.

Для того, чтобы обеспечить постоянный расход СОЖ в данный момент времени, необходимо регулировать холодопроизводительность охлаждающего контура. В этом случае, холодопроизводительность должна быть равна количеству теплоты СОЖ, которое необходимо отнимать за данный момент времени. Холодопроизводительность можно рассчитать по формуле:

<2х = тд,

где С?х - холодопроизводительность; q - удельная массовая холодопроизводительность; ш - массовый расход хладагента.

Массовый расход хладагента может регулироваться путем повышения или снижения скорости вращения компрессора по формуле:

(.NVJn

где Vx - объем, описанный поршнем компрессора (м3); N - частота вращения коленчатого вала (об/с); vx — удельный объем хладагента (м3/кг); т| - объёмный КПД.

При = g«

<Зсож=®-Ч ............................(<2х=т<7)

vx

с -V ■ п • At■ Т = {NV*)n- а-Т

ссож усож Нсож Ul 1 ,, Ч 1 *

v\

откуда, N = . At =КАХ

' Vx-ri-q

где Qi - теплота СОЖ, кДж; с - теплоемкость СОЖ, ^^ ; V - расход циркулирующей СОЖ, м3/с; р - плотность СОЖ, кг/м3; Т - время, с; At - температурный интервал, °С; К - коэффициент пропорционального регулирования скорости вращения компрессора по изменению температуры.

В данной автоматизированной системе пропорциональный регулятор (П- регулятор) позволяет котролировать холодопроизводительность охлаждающего контура путем регулирования скорости вращения компрессора. При поступлении сигнала с задатчика состава вредных, охлаждающий контур начинает работать для того, чтобы соответствовать определенной холодопроизводительности путем регулирования скорости вращения компрессора с помощью пропорционального регулятора.

При условии ДТ <0, частота вращения компрессора соответствует режиму холостого хода даже при наличии вредных веществ в СОЖ. Рабочая точка нелинейного элемента находится в области А.

При ДТ>0 рабочая точка смещается в область В, и при замыкании ключа(КлО сигнал разности температур поступает на пропорциональный регулятор.

Зона обработки

Аппараты для очистки ГОЖ

Исполнительный механизм

ъ

Задатчпк состава вредных

Усилитель сигнала

хромато-масс-спектрометр

А А

-о-

Теплообменник

о-.

Задатчпк состава особо опасных

П-регулятор

Компрессор

N.

о-

Кл1

А В

Рис. 5. Функциональная схема автоматизированной системы регулирования температуры в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ при обработке глубоких отверстий: N3 = Заданная частота вращения; Ыр = Реальная частота вращения; Т] — Температура СОЖ, отводимой из зоны резания; Ттре - Требуемая температура

Для успешного решения проблемы требуется тесное взаимодействие технологов-разработчиков, конструкторов, технологов машиностроительного предприятия и завода-изготовителя СОЖ, экологов и специалистов по токсикологии.

Внедрение предложенной автоматизированной системы имеет большое практическое значение, поскольку она повышает показатели качества технологического процесса, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека за счет: 1) исключения воздействия на них особо опасных и 2) минимизации воздействия вредных компонентов СОЖ. Кроме того, повышение экологичности и безопасности технологического процесса в значительной степени повышает конкурентность машиностроительного производства.

Изображенную на рис. 5 схему автоматизированной системы рекомендовано применять в машиностроении при использовании системы циркулирующей СОЖ на масляной основе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены новые научно обоснованные технические разработки по повышению экологичности и безопасности как показателей качества процесса глубокого сверления, имеющие существенное значение для развития страны.

2. Установлены качественные и количественные взаимосвязи между молекулярным составом СОЖ и показателями качества процесса глубокого сверления, характеризующими их воздействие на окружающую среду и человека.

3. Получены экспериментальные данные о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел, указывающем на присутствие в них вредных и особо опасных компонентов, негативно воздействующих на окружающую среду и человека.

4. Показано, что особо опасными компонентами индустриального масла марок И-20А и И-40А, присутствие которых недопустимо с точки зрения экологичности и безопасности технологического процесса, являются местанолон, индометацин, меркагггофенол, 0,0,0,0-тетрапропилдитиодифосфат и лептофос. Даны рекомендации по методам очистки масел от указанных веществ.

5. Разработан алгоритм оценки молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для регулирования температурного интервата в ходе реализации технологического процесса.

6. Разработана структура автоматизированной системы регулирования температуры в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для повышения показателей качества технологического процесса, включающая в себя газовый хроматограф с масс-спектрометрическим детектором. На основе анализа сигналов детектора в случае необходимости изменения температурного интервала СОЖ производится замыкание контура регулирования холодопроизводительности компрессора или остановки технологического процесса при обнаружении в ней особо опасных компонентов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК

1. Голубков Ю.В. Определение молекулярного состава индустриального масла И-20А / Ю.В. Голубков, Н.В. Ермолаева, Аунг Кхаинг Пьо // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. - 2012. - №6. -С. 11 -15.

2. Ермолаева Н.В. Сравнительная характеристика молекулярного состава индустриального масла марки И-20А разных партий / Н.В. Ермолаева, Ю.В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса.-2013.-№1.-С. 28-31.

3. Ермолаева H.B. Минимизация воздействия масляных смазочно-охлаждающих жидкостей на окружающую среду и человека средствами автоматизации / Н.В. Ермолаева, Ю.В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Вестник МГТУ «Станкин». - 2013. - №1(24). - С. 70 - 75.

Публикации в других изданиях

4. Ермолаева Н.В. Минимизация воздействия масляных смазочно-охлаждающих жидкостей на здоровье человека / Н.В. Ермолаева, Ю.В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Materialy VIII mezinarodni vedecko-prakticka konference " Dny vedy - 2012. Dil 70/ Lekarstvi, Ekologie. - Praha: Publishing House «Education and science» s.r.o., 2012. - Str. 80 - 82.

5. Ермолаева Н.В. Загрязнение окружающей среды компонентами индустриальных масел / Н.В. Ермолаева, Ю.В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Экология и безопасность жизнедеятельности: Сборник статей XII международной конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2012. - С. 50 - 53.

6. Ермолаева Н.В. Повышение безопасности труда в машиностроении при работе с индустриальными маслами / Н.В. Ермолаева, Аунг Кхаинг Пьо, Ю.В. Голубков // Наука, Техника, Инновации 2014: Сборник статей Международной научно-технической конференции (25 - 27 марта 2014 г., г. Брянск) / Под общей редакцией A. JI. Сафонова. - Брянск: НДМ, 2014. - С. 474 - 477.

7. Ермолаева Н.В. Влияние температурного градиента на изменение качественного состава масляных смазочно-охлаждающих жидкостей / Н.В. Ермолаева, Ю.В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Международной научно-исследовательский журнал. - 2014. - №5 (24), часть - 3. - С. 56 - 57.

Заказ № 7238. Тираж 100 экз. Подписано в печать: 27.02.2015 Формат: А4. Бумага 80 гр/м2. Отпечатано: в ООО «РВК.ру» 127055, г. Москва, ул. Бутырский вал, д. 48, тел.: 8 (499) 250-85-61