автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка и исследование кассетных патронных магнитных сепараторов для очистки водных сож на операциях механической обработки

На правах рукописи

КоНМкаМбе&а

КОНДРАТЬЕВА НАДЕЖДА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАССЕТНЫХ ПАТРОННЫХ МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 6 дпр ті

Ульяновск, 2012

005019442

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет»

Официальные оппоненты:

Бобровский Николай Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Оборудование и технологии машиностроительных производств» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»

Гисметулин Альберт Растемович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Математическое моделирование технических систем» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (г. Ростов-на-Дону).

Защита состоится «25» мая 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.277.03 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432700, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет».

Автореферат размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии при Минобрнауки России www.ed.gov.ru «16» апреля 2012 г.

Автореферат разослан «18» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Булыжев Евгений Михайлович

доктор технических наук

Н. И. Веткасов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) являются неотъемлемым элементом технологического обеспечения операций механической обработки, эффективность которых в значительной степени определяется составом и чистотой применяемых СОЖ.

Общепризнана необходимость очистки СОЖ от механических примесей, способствующей повышению производительности обработки и стойкости режущих инструментов. Известно множество очистителей СОЖ, однако по-прежнему актуальна проблема обеспечения высокого качества и производительности очистки, поскольку эффективность современных технических средств очистки СОЖ от различных загрязнений (примесей), в том числе от ферромагнитных частиц, недостаточна в свете современных требований к технико-экономической эффективности операций механической обработки.

Дня очистки водных СОЖ от ферромагнитных частиц предлагается разработать новый вид очистителей - многорядаые кассетные патронные магнитные сепараторы (КПМС) и построенные на их основе технологические системы, обеспечивающие необходимое качество очистки СОЖ при минимальной стоимости аппаратов.

В связи с вышеизложенным тема настоящей диссертационной работы, посвященной разработке и исследованию высокоэффективных в технологическом и экономическом отношениях многорядных КПМС для очистки водных СОЖ на операциях механической обработки, является актуальной.

Автор защищает-, 1. Комплекс многофакторных математических моделей очистки водных СОЖ в КПМС, обеспечивающих расчет критериев качества очистки СОЖ от ферромагнитных примесей и учитывающих аддитивный и си-нергетический механизмы осаждения ферромагнитных частиц в магнитном поле, конструктивные параметры КПМС, скорость движения СОЖ при очистке, физико-химические свойства разделяемых при очистке фаз, дисперсность механических примесей и их концентрацию в очищаемой СОЖ.

2. Результаты численных и натурных экспериментальных исследований эффективности очистки водных СОЖ от ферромагнитных частиц в КПМС, выявленные зависимости критериев качества очистки от условий выполнения операций механической обработки и конструктивных параметров КПМС, способность многорядных КПМС адаптироваться к изменению исходных условий, а также к отказам одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов.

3. Результаты экспериментальных исследований технологической эффективности операций круглого наружного шлифования периферией круга с применением СОЖ, очищенной в КПМС: зависимости параметров шероховатости Яа, Лг и Бт, коэффициента шлифования Кш и критической бесприжоговой подачи Г^р от режима очистки и конструктивных параметров сепаратора.

4. Методики расчета, проектирования и оптимизации одно- и многорядных КПМС в зависимости от условий выполнения операций механической обработки.

5. Рекомендации по выбору конструктивных параметров КПМС и скорости движения СОЖ при очистке в зависимости от условий выполнения операций механической обработки.

Цель работы. Повышение эффективности операций механической обработки на основе разработки и применения КПМС для очистки водных СОЖ.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработан комплекс многофакторных математических моделей очистки водных СОЖ в КПМС с учетом его конструктивных параметров, производительности очистки, физико-химических параметров очищаемой СОЖ и удаляемых ферромагнитных примесей.

2. Проведены натурные и численные экспериментальные исследования влияния исходных условий выполнения операций механической обработки на эффективность очистки СОЖ в КПМС (на примере шлифовальных операций).

3. Разработаны методики расчета, проектирования и оптимизации КПМС.

4. Проведены натурные и численные экспериментальные исследования влияния отказов одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов на работоспособность КПМС.

5. Разработаны рекомендации по расчету и проектированию одно- и многорядных КПМС.

6. Опытно-промышленными испытаниями и опытом эксплуатации в промышленности подтверждена эффективность КПМС на операциях механической обработки.

Научная новизна. 1. Разработан комплекс многофакторных математических моделей, обеспечивающих расчет критериев качества очистки водных СОЖ от ферромагнитных примесей в КПМС. Модели учитывают конструктивные параметры КПМС - диаметр магнитных патронов, расстояние между ними и количество рядов патронов; скорость движения СОЖ в рабочем зазоре; коэффициент динамической вязкости и температуру СОЖ; граничную концентрацию механических примесей при аддитивном осаждении; дисперсный состав механических примесей в очищаемой СОЖ.

2. Получены математические модели, характеризующие влияние условий выполнения операций механической обработки на эффективность очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС и-длительность непрерывной очистки СОЖ до регенерации КПМС, способность к адаптации многорядных КПМС при изменении исходных условий, а также при отказах одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов.

3. Разработана методика расчета удельных капитальных вложений на единицу производительности КПМС и оптимизации конструкции одно- и многорвдных сепараторов.

Практическая ценность и реализация работы. Разработан программно-информационный комплекс для исследования технологической эффективности операций механической обработки, выполняемых с применением водных СОЖ, очищенных в одно- и многорядных КПМС.

Разработаны алгоритмы расчета и методики проектирования одно- и многорядных КПМС, а также рекомендации по выбору конструктивных параметров КПМС и режима очистки.

Разработаны новые схемотехнические решения и конструкции высокоэффективных и экономичных КПМС и систем очистки водных СОЖ от ферромагнитных примесей (патенты № 2317130, 23171131, 2351384, 55299, 55362, 55629, 57269,

63356). Новые конструкции КПМС внедрены в производство ЗАО «Кардан» (г. Сызрань), ОАО «НЛМК» (г. Липецк), ОАО «ВАЗ» (г. Тольятти), ЗАО «Орский завод компрессоров» (г. Орск). Суммарный годовой экономический эффект от внедрения систем очистки СОЖ составил 20 030 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях УлГТУ в 2004 - 2008,2011 гг., на VI и VII Конгрессах прокатчиков в 2005 и 2007 гг., на всероссийской научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008), на научно-техническом семинаре кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ в 2007, 2010 и 2011 гг., а также на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УлГТУ в 2012 году. Разработки удостоены серебряной медали на международной выставке изобретений, технологий и продукции в г. Женеве в 2006 году, экспонировались на выставках «Металлообработка-2006», «Металлообработка-2007» в г. Москве.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе одна монография и 4 публикации в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, получены 3 патента на изобретения и 5 патентов на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (188 наименований) и 7 приложений, включает 206 страниц машинописного текста, в том числе 24 таблицы и 100 рисунков.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе показано, что технико-экономическая эффективность современных средств очистки СОЖ от различных загрязнений (примесей), в том числе от ферромагнитных частиц, недостаточна для обеспечения требований, предъявляемых к операциям механической обработки, прежде всего в связи с необходимостью высокопроизводительной очистки больших объемов и расходов СОЖ.

Выполнена многофакторная оценка эффективности известных средств очистки СОЖ на операциях механической обработки, в том числе на операциях шлифования, от тонких частиц. В результате этой оценки наиболее эффективными очистителями СОЖ от ферромагнитных примесей признаны КПМС. Стоимость магнитной сепарации можно уменьшить путем оптимизации КПМС, для чего необходимо разработать специальное научное, в том числе программное, обеспечение с целью проведения системного параметрического синтеза оптимальных конструкций. Разрабатываемый аппарат научного обеспечения должен способствовать выявлению оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих необходимое качество очистки требуемых объемов СОЖ при минимальной стоимости аппаратов.

В заключение сформулированы цель и задачи работы, приведенные выше.

Во второй главе представлен комплекс математических моделей, обеспечивающих расчет параметров качества очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС, исследования численными методами влияния условий выполнения опера-

ций механической обработай на эффективность КПМС, а также наследования характеристик дисперсности механических примесей при очистке водных СОЖ.

Эффективность очистки СОЖ от ферромагнитных примесей в магнитных полях КПМС зависит от конструкции зоны сепарации, напряженности магнитного поля Н, скорости движения дочищаемой жидкости через зазор между магнитными патронами, исходной концентрации механических примесей в жидкости Ст относительной массы Сф ферромагнитных примесей в общей массе цримесей, магнитной восприимчивости частиц или агрегатов в механических примесях х, параметров, характеризующих гранулометрический состав примесей. При рассмотрении процесса осаждения примесей в магнитном поле приняли ламинарный режим течения жидкости. Схема моделируемого КПМС, установленного на емкость 1, показана на рис. 1. Поток СОЖ омывает патроны 2, и магнитные примеси притягиваются к их рабочим поверхностям.

(А * А

Загрязненная СОЖ ... 2 —*•*=.

Загрязненная ЄОЖ ~

Уровень < СОЖ

Очшценная СОЖ

Г "к-

<

Рис. 1. Схема КПМС: 1 - емкость; 2 - магнитный патрон; 3 - кассета магнитных патронов; 4 - портал; стрелками показано направление движения потока жидкости

Очищенная СОЖ

Согласно закону движения частиц в магнитном поле, скорость оседания и вероятность є задержания магнитной частицы диаметра сі, находящейся в СОЖ,

пропорциональна ее кубу, т.е.

Е = І? • и ,

(I)

где Я- единый обобщенный параметр влияния среды и режимов очистки; с! - размер комплекса «твердая частица - гидратная оболочка», оседающего в СОЖ, м:

где с!ч - эквивалентный размер частицы, м; Иг - размер гидратной оболочки, м. Величина единого обобщенного параметра Я определяется из выражения

Я = Як • Яр • Лф • /?А,

где ЯР, Яф, ЯА - частные обобщенные параметры, характеризующие соответственно конструктивные особенности КПМС, режимы очистки, физические свойства СОЖ и твердых частиц, концентрацию механических примесей в СОЖ. Обобщенный параметр

Дк=-2-'

где И—диаметр магнитного патрона, м; А - расстояние между патронами в ряду, м.

ЛИЯ-Г-1; Д> = 4-СФ -OSn)"1; Ra= Q-Çf1»

где ^ - коэффициент пропорциональности, учитывающий зависимость магнитной восприимчивости частиц % от их размера; Сф- относительное содержание магнитной фракции в оседающей гидратированной частице; т| - динамическая вязкость жидкости, Па-с, Си - исходная концентрация механических примесей в СОЖ, г/л; Сд - максимальная концентрация механических примесей в СОЖ, при которой не наблюдается коагуляция (концентрация одиночного осаздения часгац), г/л.

Так как теоретическое распределение частиц при дроблении подчиняется логарифмически-нормальному закону с асимметричной плотностью распределения, то рассмотрели аппроксимирующий его произвольный треугольный закон распределения на отрезке [а, 6] со следующей плотностью распределения вероятностей (точка с - мода):

(Ь-а)(с-а)(х-а)> ПрИ*£[а'с]; р(х) = p(x,a,b,c) = - (*-£). при X G [с,Ъ\;

О, при* £ [а, Ъ].

Модифицируем формулу (1) с учетом распределения магнитных частиц:

1+00 *

е = e(R,a,b,c)= | min (Rx,l)-p(x,a,b,c)dx . (2)

о

Вычислив интеграл (2) для асимметричного треугольного распределения, получили общее выражение для расчета эффективности процесса очистки, выявляющее существенно нелинейную зависимость средней степени очистки s от единого обобщенного параметра R:

' R 1

—(аг + Ъ% + с3 + а2Ь + а2 с + Ь2а + Ъ2с + с2а + с2Ъ + abc), при —¡= £ Ь ; 10v î]R

8 =

R( а* +а3с + а2с2+ас1 с4Ь

1 2

10^ Ъ-а (Ь-а)(Ъ-с))

6R3 +lORb2 -150Д3 1

+-, ПрИ С<-7=<0.

\Ш(Ь-а)(Ь-с) v î[R

(3)

2 X

R2a, + í5R3a-6R3 Ьс-ас-аЬ 1 л

-Н--, при а^—т=<с;

10 R{b-a){.c-a) (Ь-а)(с-а) У ЧЯ

1

1, при Щ<а-

В случае логарифмически-нормального распределения частиц удается получить в явном виде лишь общую формулу, являющуюся аналогом первого выражения в формуле (3) (для малых степеней очистки).

С целью достижения наибольшей общности методики расчета критериев технологической эффективности, с точки зрения используемого распределения частиц и дальнейшей реализации численного метода расчета на ЭВМ, разрабо-

(5)

тана следующая дискретная математическая модель расчета степени очистки СОЖ в КПМС, где индекс і указывает на принадлежность соответствующего параметра г-й фракции частиц:

є^І-С-'-ХСигО------х .Фі " ' )■ (4)

Степень очистки 1-й фракции частицу-го ряда патронов КПМС 0,5-я<2.р+Ар-Н^.Сд -С1к]-сі]

18-А.-Г.ц-С1а '

где А] - расстояние между магнитами в у-м ряду патронов КПМС, м; Щ - напряженность магнитного поля в у'-м ряду патронов КПМС, АУм; Сиу - исходная концентрация механических примесей в СОЖ ву'-м ряду, г/л. Степень очистки СОЖ во всем многорядном очистителе

0,5 • я <2 ■ В+Ау) • Н]. А% ■ Сфі ■ С[у ■ сі] 1 г-АуГ-ч-СІ

Концентрация магнитных примесей в очищенной СОЖ после ее очистки в многорядном КПМС

1-П

¡=1 м

(6)

Со - О,

ИЛ 1-П

і I )=\

(7)

18 -АуГ-ц-СЬ

Средний размер частиц ¿о и частость /ш- частиц /-й фракции механических примесей в очищенной СОЖ

"/о,

/о і п

-О/

(8)

§С°<-

<^50 = f (е;) - определяется графическим путем непосредственно на графике функции е; (с/,) или из выражения ¿50 = Щ5-К~1.

Среднее квадратическое отклонение от среднего арифметического размера частиц механических примесей

)*■/,- (9)

Время непрерывной очистки СОЖ в многорядном КПМС до его регенерации

Ц/

где рос - плотность осадка, кг/м3; кг - коэффициент заполнения осадком поверхности магнита; [йос] - предельная толщина слоя осадка, м; — коэффициент, оценивающий содержание ферромагнитной компоненты в осадке.

Приведенный в табл. 1 пример расчета параметров однорядного КПМС выполнен по разработанной программе с помощью моделей (4), (7) - (10).

1. Пример расчета параметров однорядного КПМС

Исходные условия: С0 = 20 мг/дм3; Си = 100 мг/дм3; с! - 5 мкм; о = 1,66 мкм; Q = 100 м3/ч; Г =20 °С;г| = 0,001 Па-с; Ах = 500 кПа/(А-м); С„ - 100 %; Сд = 10 мг/ дм3; кнг=0,6;А = 0,014м; й = 0,032м; К=0,02м/с,Я=80кА/м.

Последовательность действий, параметр Зависимости расчетные Результаты расчета

размерность значение параметра

Рассчитываются (по программе на ЭВМ): - концентрация частиц механических примесей 1-й фракции в исходной СОЖСи, £ її мг/дм3 С„,(4)

- обобщенный параметр Л,- Д^ЛК-ЛР-АМ ДА 1/м3 я,

- параметр Лк КК =0,5'К{2-0+Л)/Л - 8,8

- параметр К? Др = Я-К-1 Ас/м2 4-Ю6

- параметр Я<ы Лф^^-Сф^ХІв-л)-1 (А-с-м)"1 Щ /И)

-параметр Лд йА=(Си)-(СдГ' - (100/10)"1 = 10

- степень очистки от механических примесей 1-й фракции є ,= Я,-<*<3 - 6,(4)

- тонкость очистки по параметру ¿¡о ¿50 = мкм 4,2

—концентрация частиц механических примесей г'-й фракции в очищенной СОЖ Сы Соі=(1-є,) ■ С„ мг/дм3 СыШ

- суммарная концентрация механических примесей Со С0 = 21 Сы мг/дм3 43

- степень очистки в КПМС 6 є =1-(Со)-(01Г1 0,78

Сравниваем рассчитанное значение е с допустимым Ге1 е>[е] - 0,78 < 0,9; не соответствует

Осуществляется повторный расчет е и сравнивается (по программе) расчетное значение е при = 1 с допустимым |е1 в>[в] - 0,905 « 0,9; удовлетворяет

Рассчитывается время /н работы КПМС до регенерации 'н = ^00 ■ ^ ^ ч 3

Сущность численного эксперимента по исследованию эффективности очистки СОЖ в КПМС заключается в проведении вычислений с помощью моделей (4) -(10) показателей эффективности очистки є, ¿50 и ¿що, рекомендуемых ГОСТ 52237, а также значений С0 и сі0. Исследования проводили однофакторными планами с охватом параметров Н, А, V, Си, Ах, Д сіи, г), что позволило сформировать в дальнейшем необходимый информационный массив данных, апробировать разрабатываемые модели и программные продукты при синтезе многорядных КПМС.

10 0 5 10 О V-102, м/с

Рис. 2. Фрагмент функционала е (У, Н,Ар Ст ¡/„,Л)

однорядного КПМС: 1,2,3 -Я соответственно 20,60,80 кА/м; аи 2,5 мкм; а, б, в-Си соответственно 10, 200, 500мг/дм3; исходные условия: А = 0,014 м; т| = 0,001 Па-с; Г =20 °С;СД= 10 мг/дм3

Одной из важнейших характеристик любого очистителя является взаимосвязь его эффективности с производительностью, определяемой площадью рабочего сечения очистителя (его габаритами и стоимостью) и скоростью движения очищаемой жидкости V в рабочем зазоре. Фрагмент результатов исследования зависимости б (V) при изменении параметров Н, Си, А%, и А представлен на рис. 2.

Зависимость е (V) имеет вид гиперболы, вырождаясь на некоторых кадрах в линейную зависимость, близкую, как правило, к ординате е = 1. На кривой можно выделить 3 участка: а) участок быстрого уменьшения значения е с возрастанием V; б) переходный участок; в) участок с мед-

ленным уменьшением величины е даже при значительном возрастании V.

С возрастанием Н, вследствие усиления магнитного потенциала патронов, эффекты очистки усиливаются. Такой характер £(Я) проявляется на всем пространстве рассматриваемого функционала, что хорошо видно при анализе всех кадров.

С увеличением Ау_ эффекты очистки СОЖ от феррочастиц в КПМС возрастают во всем пространстве функционала. С увеличением Си возрастает степень очистки е, что объясняется усилением магнитной коагуляции, играющей важную роль при очистке СОЖ от тонких ферромагнитных частиц.

С увеличением скорости потока V снижается качество очистки СОЖ в КПМС (ё уменьшается, ¿о и С0 возрастают, а0 и у0 сначала уменьшаются, а затем, начиная с К= 0,001 м/с, возрастают). Степень снижения ё зависит от количества рядов патронов (рис. 3). Сложность зависимостей а0(У) объясняется синергетическим характером осаждения (магнитной коагуляцией) частиц на поверхность магнитного патрона. Например, при очистке СОЖ в трехрядном КПМС увеличение Г с 0,001 до 0,05 м/с привело к снижению ё с 0,99 до 0,37 по сравнению со снижением ё с 0,99 до 0,15 в однорядном сепараторе. Установлено, что многорядный КПМС обеспечивает большую стабильность процесса очистки СОЖ по сравнению с однорядным КПМС.

Длительность ;н непрерывной очистки СОЖ в одно- (7), двух- (2), трех- (3) и четырехрядном (4) КПМС с повышением скорости V движения СОЖ уменьшается (рис. 4, а), так как с увеличением К растет расход СОЖ через КПМС, в результате чего масса задерживаемых частиц возрастает (см. рис. 4, б).

и

0,5

2,5 м/с 5

Л «г

(

2,5 м/с5

2,5 М/с 5

2,5 м/с 5

К-102

К-102

И-102

К-10

Рис. 3. Эффективность очистки СОЖ в одно-, двух- и трехрядном КПМС: 1,2,3- соответственно первый, второй и третий ряд патронов; 5 - КПМС в целом; исходные условия: £> = 0,032 м; #= 40 кА/м; А = 0,014 м; Ах = 250 кА-м/Па; ¿„ = 5 мкм; Т1 = 0,001 Па-с; Г = 20 °С; С„ = 80 мг/дм3; Сд - 10 мг/дм3

1

I '

I 0,6

'н • о,4 0,2

12 3 4 ' /

м/с

10

К-10

о)

Рис. 4. Зависимость длительности непрерывной очистки СОЖ в КПМС ґ„ (а) и допустимой массы шлама [С] (б) от скорости движения СОЖ V: 1,2,3, 4-соответственно одно-, двух-, трехи четырехрядный КПМС; исходные условия: Я=40 кА/м; А=0,014 м; т|=0,001 Па-с; Г=20 °С

Например, при Г = 0,01 м/с значение Г„ в одно-, двух-, трех- и четырехрядном КПМС составляют соответственно 0,12; 0,25; 0,35; 0,5 ч. Таким образом, длительность непрерывной очистки СОЖ в четырехрядном КПМС в 4,2 раза превышает длительность непрерывной очистки СОЖ в однорядном сепараторе. В результате увеличения К стабильно увеличивается объем осадка на поверхности патрона (рис. 4, б). Следовательно, многорядные КПМС позволяют не только повышать качество и производительность очистки, но также способны многократно увеличивать время непрерывной очистки СОЖ между последовательными очистками магнитных патронов.

В третьей главе представлены методики и результаты натурных экспериментальных исследований, выполненных для оценки технологической эффективности

КПМС на шлифовальных операциях и подтверждения адекватности математических моделей (4) - (10). Экспериментальная установка была собрана на базе круглошли-фовального станка ЗБ161 (рис. 5): загрязненная СОЖ со станка попадает в модуль доочистки 3, где очищается до С0 = 10 мг/дм3; затем насосом 4 подается в емкость 5 модуля очистки, где в нее с помощью дозатора б вводятся ферромагнитные примеси. Загрязненная СОЖ очищается в КПМС 7 и подается в зону шлифования.

Рис. 5. Схема установки для исследования эффективности КПМС на операциях шлифования:

7-станокЗБ161;2,5-емкость;5-модульочистки;4,8-яасос;6- дозатор; 7-КПМС

Эффективность одно- и многорядных КПМС при шлифовании оценивали по коэффициенту шлифования, критической (бесприжоговой) скорости подачи круга Vsxp и критериям шероховатости обработанных поверхностей Ra, Rz, Sm. Со съемом припуска 0,5 мм на сторону шлифовали заготовки из сталей 45, HRC 45...48 и ШХ15, HRC 62...64. Исследования выполнены при шлифовании элекгрокорундовы-ми кругами 24А16НС17К5 1 - 600x63x305 на керамической связке. Окружные скорости круга и заготовки — соответственно 35 и 50 м/с и 35 м/мин. Диапазон поперечных подач Vs= 0,1...0,5 мм/мин. Использовали два состава водных СОЖ: синтетическая СОЖ-1 представляет собой водный раствор 1...1,2 % кальцинированной соды и 0,2... 0,3 % нитрита натрия; СОЖ-2 - 3 % -я полусинтетическая жидкость на основе продукта АРС-21. Обработку экспериментальных данных и построение графиков производили с помощью программы «Microsoft Excel» на ПЭВМ.

При исследовании эффективности многорядного КПМС варьировали числом рядов магнитных патронов в КПМС N. С увеличением N параметры шероховатости RaviSm уменьшаются, так как при этом увеличивается е, уменьшаются остаточная концентрация механических примесей в очищенной СОЖ С0 и крупность частиц механических примесей do, что и предопределяет уменьшение значений параметров шероховатости Ra и Sm. При Vs = 0,1 мм/мин обеспечивается Ra = 0,25.. .0,32 мкм (рис. 6, а), что соответствует ГОСТ Р 50815. При этом Sm не выходит из интервала 10.. .20 мкм (рис. 6, б).

Аналогичные эффекты отмечены при скоростном шлифовании (VK = 50 м/с) с применением СОЖ-2. Благодаря увеличению окружной скорости круга с 35 до 50 м/с значения параметров шероховатости поверхности заготовки снизились на 20...30 % по сравнению с обычным шлифованием. Значения Кт при этом выросли на 10... 15 %.

Качественная очистка СОЖ от механических примесей позволила предотвратить появление прижогов на шлифуемой поверхности заготовки и увеличить производительность обработки. При шлифовании заготовок из стали ШХ15 на скорости VK = 35 м/с в

результате уменьшения содержания в очищенной СОЖ механических примесей с 2 до 0,2 г/дм3 скорость критической бесприжоговой подачи увеличилась с 0,3 до 0,4 мм/мин; при скоростном шлифовании (Ук = 50 м/с) (^возросла с 0,4 до 0,5 мм/мин.

1,5

Ra

Vs= 0,1

0,3

0,5

V,= 0,1

0,3

0,5 мм/мин

б)

КПМС:

- четырехрядный; Щ - трехрядный; | - двухрядный; Щ - однорядный

Рис. 6. Эффективность КПМС на операциях круглого наружного шлифования:

а, б,в-соответственно Ra (Vs), Sm (ру, Кш (Ks); исходные условия: станок ЗБ161; круг 24А16НСТ17К5;

А = 0,014 м; Н= 40 kAAi; Т- 20 °С; г|=0,001 Пас; материал заготовки-сталь 45, HRC 40. ..45; V- 0,03 м/с;

т, л, .. . Кк=35 м/с; F3 = 35 м/мин; СОЖ-2; Си = 1 г/дм3

Vs = 0,1 0,3 0,5 мм/мин * з

в)

Натурными экспериментальными исследованиями эффективности ЬСПМС подтверждена адекватность математических моделей (4) - (10). Сущность экспериментов заключалась в проведении процесса очистки СОЖ, загрязненных механическими примесями, и сравнительной оценке экспериментальных и расчетных значений критериев эффективности е, й?50, Со, d0И с0.

На рис. 7 приведен фрагмент результатов экспериментальных и теоретических исследований зависимости е (V), и сопоставлены значения степени ОЧИСТКИ Еэ со значениями ер, полученными численными методами.

Значения е:

| | - экспериментальные;

- расчетные

Рис. 7. Зависимость степени очистки СОЖ е в КПМС от скорости И движения жидкости:

1,2,3,4- V= 0,0025; 0,005; 0,0075; 0,010 м/с соответственно; исходные условия: Н= 40 кА/м; d = 5 мкм; а = 1,66 мкм; С„ = 200 мг/дм3; А = 0,016 м; Т = 20 °С; Сд= 10 мг/дм3; г) = 0,001 Па-с

Расхождения между расчетными и экспериментальными значениями е не превышают 10 %, Адекватность результатов численных исследований натурным экспериментам оценивали также по критерию Фишера: во всех проверяемых точках расчетные дисперсионные отношения критерия Фишера F не превышают табличные значения.

В четвертой главе представлены разработанные методики автоматизированного расчета, проектирования и оптимизации одно- и многорядных КПМС.

На основе математических моделей (4) - (10) разработан алгоритм расчета однорядного КПМС: последовательно вычисляются параметры R&, R?, ЯА> степень очистки СОЖ от механических примесей г-й фракции е(> частости г-й фракции механических примесей в СОЖ после очистки foi, d0 и ст0, а также отношение d0 /ст0. После этого определяются искомые значения е, fH-.

При расчете многорядного КПМС несколько раз (по числу рядов) повторяется расчет однорядного сепаратора. На основе автоматизированного расчета по разработанным алгоритмам формируется массив данных, позволяющих с использованием параметрической компьютерной модели КПМС получать всю необходимую для его изготовления проектно-сметную и технологическую документацию.

Критерием оптимизации КПМС по разработанной методике послужила величина удельных капитальных вложений на единицу производительности Kg при внедрении КПМС, ограничениями служили требуемые степень очистки [е] и производительность [Q] очистителя.

В общем случае рассматривается следующая система условий, которые должны выполняться при решении задачи оптимизации очистителя:

Кß(e,ß)-> min-, 8 ä [е], Q > [Q] . (11)

В связи с отсутствием явных функциональных зависимостей Kg, е и g от параметров, входящих в искомую совокупность, принадлежащую оптимальному КПМС, поставленная задача практически неразрешима детерминированными методами оптимизации. Поэтому перспективным здесь является применение стохастических методов, когда в процесс оптимизации намеренно вводится элемент случайности.

При численном исследовании системы соотношений (11) для КПМС учитывали, что критерий оптимизации Kg, ограниченные степень очистки е и производительность Q зависят при прочих равных исходных условиях от конструктивных параметров КПМС (расстояния между патронами А и числа рядов //патронов), режима очистки (скорости V движения СОЖ и напряженности магнитного поля Н):

Kö=£ -f\{A, Н, V, N)—* min; (12)

е=/2(4#, К,Л9 = [Е]; (13)

Q=M.A,V) = [Q]. (14)

Рассмотрена видоизмененная постановка задачи оптимизации разработанной математической модели КПМС, которая позволила применить современные стохастические методы оптимизации. Вектор управляемых параметров, подлежащих переводу в оптимальное состояние, обозначили через X = (А, Н, V, N).

В качестве целевого функционала, на основании соотношений (12) - (14) взяли следующий обобщенный функционал:

Я, У,т + а2\/2 (А, Н,У,Ы)-[г]\+а,\/г (А, V) - тт, (15)

где (XI, аг, аз - положительные весовые коэффициенты, равные суммарно 1. Использовали алгоритм случайного поиска с линейной тактикой:

(ДА";, приД^сО, где Е, - случайный оператор из класса допустимых.

В дальнейших расчетах проводили оценку направления спуска методом статистического градиента:

г=Р(Х -

/=1

7

где <Иг2 ---единичный вектор; = (^(1), ..., - случайные векторы,

11^1

|||(|| = 1, равномерно распределенные по всем направлениям пространства оптимизируемых параметров; величина пробного шага.

В качестве основного алгоритма спуска Х(+1= X 1+^X1+1 использовали так называемый «независимый спуск»:

приОД + 8У)-Р(Х, -8Г)<0;

{ О.приД^+яГЬЯ^-^О . где АХ] = аУ; g - величина пробного шага; а - величина рабочего шага.

При решении методом случайного поиска оптимизационной задачи (15) получены значения совокупности множества параметров А, Н, V, Ы, соответствующие опгамальным КПМС, при этом выполняется условие (11) - е = [е], 0 = [0].

В результате системного анализа данных численного эксперимента разработали математическую модель для оценки взаимосвязи Кд - <2 — На рис. 8 показана проекция поверхности К^- О. - у на координатные оси. Например, при заданной степени очистки 0,95 (кривая 2) и производительности 20 м3/ч величина Кд = 50 тыс. рубУ(м3/ч). Если требуется повысить качество очистки до 0,97, то удельные капитальные вложения при той же производительности возрастут до 70 тыс. руб./(м3/ч). На основе полученных результатов можно определить при заданных () иг удельные капитальные вложения и стоимость очистителя и в широком диапазоне произвести оценку его эффективности.

На основе технологических рекомендаций и расчетов, проведенных автором, специалистами ЗАО «Системы водоочистки» (г. Ульяновск) спроектированы новые КПМС, предназначенные для очистки водных СОЖ на операциях механической обработки до степени очистки СОЖ 0,95...0,99 и тонкости очистки 2...5 мкм. Удельные капитальные затраты на очистку СОЖ в КПМС удалось сократить в 5,5 раза по сравнению с барабанными магнитными сепараторами.

Спроектированы установки на основе КПМС для очистки больших объемов технологических жидкостей с расходом (производительностью) до 2000 м3/ч. В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний систем очистки СОЖ, построенных на основе КПМС, на ОАО «НЛМК» и ОАО «ВАЗ», которые показали высокую технологическую эффективность КПМС при очистке водных СОЖ.

Новые конструкции КПМС внедрены в производстве деталей автомобилей семейства ВАЗ на ЗАО «Кардан» (г. Сызрань), на операциях шлифования валов прокатных станов в ОАО «НЛМК» (г. Липецк), при шлифовании заготовок деталей автомобилей на ОАО «ВАЗ» (г. Тольятти), на операциях механической обработки (в том числе шлифования) заготовок деталей в производстве компрессоров для бытовых холодильников ЗАО «Орский завод компрессоров». Суммарный годовой экономический эффект от внедрения систем очистки СОЖ составил 20 030 тыс. руб.

Приведены расчеты экономического эффекта, достигнутого при внедрении систем очистки СОЖ, включающих КПМС, на ЗАО «Кардан» и ОАО «ВАЗ». В результате снижения расходов на приготовление и утилизацию СОЖ, затрат на закупку и утилизацию фильтрополотна фактический годовой экономический эффект на ЗАО «Кардан» составил 2049,59 тыс. руб., доля эффекта, приходящаяся на КПМС -1882,6 тыс. руб. в год, на ОАО «ВАЗ» -1638 тыс. руб.

Приложения включают метрологическую оценку результатов исследований, результаты проверки адекватности разработанных моделей, справки о внедрении и расчеты экономической эффективности от внедрения систем очистки СОЖ, включающих КПМС, на ОАО «ВАЗ» и ЗАО «Кардан».

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Технико-экономическая эффективность современных средств очистки СОЖ от ферромагнитных частиц не отвечает требованиям, предъявляемым к технологической и экономической эффективности операций механической обработки заготовок деталей машин и приборов. Перспективным решением этой проблемы является разработка одно- и многорядных КПМС.

а) 1 / h б)

J 40 ь 4 -

20 1С 0 —

Q 0,1 0,2 0,3 ЭД 0,2 03 у

7 fs a

<0 1

Рис. 8. Зависимость Kg- Q — е:

а-у = 1 - є = const; б-Q = const; в- Kg = const; 1,2,3- є=0,97;0,95;0,7;4,5,6-Q= 10,25 50м3/^ 7,8,9 - Kq = 50; 60; 80 тыс. руб./(м3/ч)

2. Разработан комплекс многофакторных математических моделей (4) - (10), позволяющих оценить значения критериев качества очистки СОЖ (є, dso, d0, ст0, С0) в одно- и многорядных КПМС. Модели учитывают их конструктивные параметры, режим очистки, физико-химические параметры разделяемых сред, а также концентрацию и дисперсный состав механических примесей в очищаемой СОЖ.

3. Численными исследованиями математических моделей выявлено влияние условий выполнения операций механической обработки на эффективность очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС, способность многорядных КПМС адаптироваться к изменению исходных условий, а также к отказам одного или одновременно нескольких рядов магнитных патронов, определена длительность непрерывной очистки СОЖ до регенерации КПМС.

4. Натурные экспериментальные исследования технологической эффективности КПМС доказали целесообразность их применения на шлифовальных и других операциях механической обработки и подтвердили адекватность математических моделей (4) - (10). Получены зависимости критериев шероховатости обработанных поверхностей Ra, Rz и Sm и коэффициента шлифования Кш от скорости движения СОЖ в однорядном КПМС, а также от количества рядов патронов многорядного сепаратора, которые подтверждают влияние качества очистки СОЖ на качество шлифуемой поверхности. Тонкая очистка СОЖ от ферромагнитных частиц размером менее 5 мкм в КПМС обеспечила С0 < 0,1 г/дм , с?5о< 2,5 мкм. Высокое качество очистки СОЖ позволило увеличить скорость критической бесприжоговой врезной подачи круга.

5. Разработаны методики, алгоритмы и программы автоматизированного расчета, проектирования и оптимизации конструктивных параметров и режимов очистки СОЖ в одно- и многорядных КПМС, обеспечивающих заданные значения степени и тонкости очистки. Предложена математическая модель для оценки взаимосвязи удельных капитальных вложений на единицу производительности Kq - производительности очистки Q - степени очистки Є.

6. На основе результатов выполненных исследований предложены многорядные КПМС, предназначенные для использования в системах с производительностью 30.. .2000 м3/ч. Обеспечиваемое с их помощью качество очистки СОЖ (от частиц размером менее 10 мкм) по остаточной концентрации механических примесей не превышает 0,1 г/дм3, самого жесткого требования по ГОСТ Р 50815. Проведенные опытно-промышленные испытания разработанных многорядных КПМС, функционирующих в составе централизованных систем очистки СОЖ, обслуживающих поточные линии и участки, подтвердили их высокую эффективность при очистке водоэмульсионных и синтетических СОЖ.

7. Системы очистки СОЖ на основе КПМС внедрены: на операциях механической обработки (в том числе шлифования) заготовок деталей автомобилей семейства ВАЗ - ЗАО «Кардан» (г. Сызрань), на операциях шлифования валов прокатных станов - ОАО «HJIMK» (г. Липецк), на участке шлифования заготовок деталей автомобилей ОАО «ВАЗ» (г. Тольятти), на операциях механической обработки заготовок деталей компрессоров для бытовых холодильников -ЗАО «Орский завод компрессоров». Суммарный годовой экономический эффект от внедрения систем очистки СОЖ составил 20 030 тыс. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в указанных ниже работах.

Монография

1. Новое поколение силовых очистителей водных технологических жидкостей / Е. М. Булыжев, А. Ю. Богданов, Н. Н. Кондратьева [и др.]; под общей редакцией Е. М. Булыжева. - Ульяновск: УлГТУ, 2010. - 419 с.

Публикации в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК, и патенты

2. Булыжев Е. М., Богданов А. Ю., Кондратьева Н. Н. Математическая модель процесса диспергирования материала заготовки с учетом износа и засаливания шлифовального круга // Справочник. Инженерный журнал. - 2008. - № 10. - С. 47-50.

3. Булыжев Е. М, Кондратьева Н. Н. Математическая модель процесса очистки СОЖ в патронном магнитном сепараторе // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. -2008. - № 10. - С. 14-18.

4. Булыжев Е М., Богданов А. Ю, Кондратьева Н. Н. Моделирование тонкой очистки СОЖ в кассетных патронных магнитных сепараторах // Справочник. Инженерный журнал. Приложение.-2008, ~№ 10.-С. 18-24.

5. Булыжев Е. М., Кондратьева Н. Н., Сошников В. В. Системное исследование и отображение эффективности очистки СОЖ в однорядном магнитном сепараторе // Справочник. Инженерный журнал.-2011.-J63.- С. 48-56.

6. Патент 2317130, Россия. МПК B01D 35/06, В03С 1/00. Магншный сепаратор / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова'. - 2008. - Бюл. № 5.

7. Патент 2317131, Россия. МПК B01D 35/06, В03С 1/00. Магнитный сепаратор / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова. - 2008. - Бюл. № 5.

8. Патент 2351384, Россия. МПК B01D 35/06. Способ и комплекс очистки жидкости от ферромагнитных частиц/Е. М. Булыжев, Н. Н. Наумова. -2009. - Бюл. № 10.

Публикации в других изданиях и патенты на полезные модели

9. Новая технология и оборудование для очистки воды в оборотном цикле при горячей прокатке / Е. М. Булыжев, В. Г. Ромашкин, Н. Н. Наумова [и др.] // Труды VI Кошресса прокатчиков (Липецк, 17-20 окгебря, 2005). -М.: МОО «Объединение прокатчиков», 2005. -Т. 2. - С.105-106.

10. Булыжев Е. М., Краснова М. Е., Наумова Н. Н. Тонкослойный гравитационный очиститель // Вестник УлГТУ. - 2006. - № 3. - С. 34-35.

11. Наумова Н. Н. Эффективность очистки СОЖ от частиц размером менее 5 мкм в кассетном патронном магнитном сепараторе // Вестник УлГТУ. - 2006. - № 4. - С. 49-53,

12. Рябов Г. К., Краснова М. Е., Наумова Н. Н. Интегральная технологическая система очистки водных жидкостей от магнитных шламов // Сборник трудов VII Кошресса прокатчиков (Москва, 15-28 октября, 2007), том 2. - М.: МОО «Объединение прокатчиков», 2007. - С. 533-536.

13. Патент на полезную модель № 55299, Россия. МПК B01D 17/035. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова, Н. Н. Наумова, В. В. Семенов. - 2006. - Бюл. № 22.

14. Патент на полезную модель № 55362, Россия. МПК B01D 17/035. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М Булыжев, Н. Н. Наумова. - 2006. - Бюл. № 22.

15. Патент на полезную модель № 55629, Россия. МПК B01D 17/035. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, Н. Н. Наумова. - 2006. - Бюл. № 22.

16. Патент на полезную модель № 57269, Россия. МПК C02F 1/40. Интегрированный технологический модуль для тонкослойной очистки больших объемов воды от механических примесей / Е.М. Булыжев,В.В. Семенов, Н.Н.Наумова [идр.]. - 2006. -Бюл.№28.

17. Патент на полезную модель № 63356, Россия. МПК С10М 175/04, B01D 35/06. Интегрированный технологический модуль очистки больших объемов воды / Е. М. Булыжев, М. Е. Краснова,

R Н. Наумова.-2007,-Бюл. № 15.

* Наумова Н. Н. - девичья фамилия соискателя Кондратьевой Н. Н.

КОНДРАТЬЕВА Надежда Николаевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАССЕТНЫХ ПАТРОННЫХ МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Автореферат

Подписано в печать 12.04.2012. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 406.

Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

61 12-5/3687

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УДК 621.892 На правах рукописи

КОНДРАТЬЕВА НАДЕЖДА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАССЕТНЫХ ПАТРОННЫХ МАГНИТНЫХ СЕПАРАТОРОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Е. М. Булыжев

Ульяновск, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных аббревиатур и обозначений.................................. 4

Введение.................................................................................... 7

Глава 1. Методы и средства очистки СОЖ на операциях механической обработки. Цель и задачи исследований....................................................... 9

1.1. Технико-экономическая эффективность методов и средств очистки СОЖ на операциях механической обработки................................................... 9

1.2. Технологические, схемотехнические и конструктивные решения систем и средств очистки СОЖ от ферромагнитных примесей............... 23

1.3. Особенности моделирования, исследования и проектирования систем очистки СОЖ......................................................................................... 34

1.4. Выводы. Цель и задачи исследований........................................... 45

Глава 2. Математическое моделирование и численные исследования эффективности кассетных патронных магнитных сепараторов при очистке водных СОЖ................................................................. 47

2.1. Математическое моделирование кассетных патронных магнитных сепараторов................................................................................ 47

2.2. Численные исследования наследования характеристик дисперсности механических примесей при очистке водных СОЖ в кассетных патронных магнитных сепараторах................................................................ 58

2.3. Влияние условий выполнения операций механической обработки на эффективность кассетных патронных магнитных сепараторов..................... 64

2.4. Численные исследования длительности непрерывной очистки СОЖ в кассетных патронных магнитных сепараторах...................................... 82

2.5. Выводы............................................................................... 87

Глава 3. Натурные экспериментальные исследования эффективности кассетных патронных магнитных сепараторов при очистке водных СОЖ....................................................................................... 89

3.1. Методика экспериментальных исследований эффективности очистки СОЖ в кассетных патронных магнитных сепараторах.......................... 89

3.2. Результаты экспериментальных исследований эффективности очистки СОЖ

от магнитных примесей в кассетных патронных магнитных сепараторах......... 102

3.3. Методика натурных экспериментальных исследований технологической эффективности кассетных патронных магнитных сепараторов при очистке СОЖ на операциях круглого наружного шлифования .......................... НО

3.4. Технологическая эффективность кассетных патронных магнитных сепараторов при круглом наружном шлифовании................................ ^

3.5. Выводы................................................................................ 121

Глава 4. Расчет, оптимизация и проектирование многорядных кассетных патронных магнитных сепараторов для очистки водных СОЖ............... 123

4.1. Методики расчета и проектирования одно- и многорядных кассетных патронных магнитных сепараторов для очистки водных СОЖ................ 123

4.2. Оптимизация одно- и многорядных кассетных патронных магнитных сепараторов.................................................................................. 131

4.3. Влияние условий выполнения операций механической обработки на технико-экономическую эффективность кассетных патронных магнитных сепараторов................................................................................ 142

4.4. Проектирование кассетных патронных магнитных сепараторов для обеспечения операций механической обработки................................... 147

4.5. Выводы................................................................................ 160

Глава 5. Опытно-промышленные испытания и внедрение многорядных кассетных патронных магнитных сепараторов для очистки водных СОЖ на операциях механической обработки.................................. 161

5.1. Опытно-промышленные испытания и внедрение в производство кассетных патронных магнитных сепараторов.................................... 161

5.2. Методика и расчет технико-экономической эффективности кассетных патронных магнитных сепараторов для очистки СОЖ на операциях механической обработки ....................................................................... 169

5.3. Выводы................................................................................ 176

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................... 177

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 180

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 189

Список основных аббревиатур и обозначений

КПМС - кассетный патронный магнитный сепаратор;

ОПМС - оптимизированный патронный магнитный сепаратор;

ПМС - патронный магнитный сепаратор;

ПФМС - платформенный магнитный сепаратор;

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость;

СП - система применения;

ТГО - тонкослойный гравитационный очиститель;

ЦМС - цепной магнитный (патронный) сепаратор;

ШК - шлифовальный круг;

ЭМС - электромагнитный сепаратор;

Е - нормативный коэффициент капитальных вложений;

3 3

3 - приведенные затраты на очистку 1 м СОЖ, тыс. руб./м ;

3 3

К - удельные капитальные затраты на очистку 1 м СОЖ, тыс. руб./м ; Кq - удельные капитальные вложения при внедрении очистителя на единицу производительности, тыс. руб./(м /ч);

KQopt, K'g0/J - оптимальные удельные капитальные вложения при внедрении

очистителя на единицу производительности, м3/ч, без учета коэффициента

интенсификации и с его учетом соответственно, тыс. руб./(м /ч);

Мос - масса осадка, формирующегося за единицу времени в КПМС, кг/с;

Фд - действительный годовой фонд времени, ч;

А - расстояние между патронами в ряду в КПМС, м;

Ах - коэффициент пропорциональности, А-м/Па;

В - магнитная индукция на поверхности патрона в КПМС, Тл;

Вс - ширина системы, м;

С - концентрация механических примесей в СОЖ, мг/дм ; Сд - граничная концентрация механических примесей при аддитивном осаждении частиц, мг/дм ;

Ст со - концентрация механических примесей соответственно в исходной и очищенной СОЖ, мг/дм ;

Си/, Coi ~ концентрация механических примесей /-й фракции соответственно в исходной и очищенной СОЖ, мг/дм ; Сш- концентрация эмульсола, %;

Сф1 - относительное содержание магнитной фракции в оседающей гидрати-рованной частице; усл. ед.;

D - оптическая плотность жидкости, загрязненной механическими примесями;

Du - диаметр магнитного патрона КПМС, м;

d, d- размер и средний размер частицы механических примесей, мкм; d5о - тонкость очистки (размер частиц, половина которых удаляется при очистке), мкм;

d н, do - среднее арифметическое значение размера частиц механических

примесей в исходной и очищенной СОЖ, мкм;

di - диаметр эквивалентной частицы z'-й фракции, мкм;

dKi - эквивалентный диаметр комплекса (частица - гидратная оболочка) частиц г-й фракции, мкм; FK - сила магнитной коагуляции, Н; FM - сила магнитного взаимодействия, Н; H - напряженность магнитного поля, А/м; Нс - высота системы, м;

hT, hTi - толщина гидратной оболочки частицы и частицы z'-ой фракции, мкм; [hoc] - допустимая высота (толщина) слоя осадка на поверхности патрона, м; кк - коэффициент интенсификации процесса очистки в очистителе; кж- коэффициент «живого» сечения очистителя; KF - комплексный параметр, А-с/м; Кш - коэффициент шлифования;

LM - длина патрона в КПМС (протяженность магнитного поля), м;

/ш - длина шлифуемой поверхности, мм;

mKi - масса комплекса частиц z'-й фракции, кг;

[тос] - предельная масса осадка на поверхности магнита, кг;

тсв, тс - масса емкости объемом 1 дм3 с водой и без нее соответственно,

Л

кг/м ;

mt - скорость накопления осадка, кг/ч; N- число рядов в КПМС;

ру рг _ соответственно радиальная и касательная составляющая силы резания, Н;

Q - производительность очистки или очистного устройства, м /ч; R - обобщенный параметр, 1/м ; Ru - радиус магнитного патрона, м;

Ra, Rk, Rp, - показатель, учитывающий соответственно влияние коагуляции, конструктивные параметры очистителя, режим очистки, с/м, физические свойства очищаемой СОЖ и материала удаляемых частиц, 1/(с-м);

Яа - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности, мкм; Яг- высота неровностей профиля по 10 точкам, мкм; А Я - толщина изношенного слоя абразивного круга, мм;

_____ 2

5 - площадь поперечного сечения КПМС, м ;

8т - средний шаг неровностей профиля, мкм;

Т-температура очищаемой жидкости, °С;

*н - время непрерывной работы очистителя до регенерации, с;

длительность операции круглого наружного шлифования, мин; V- скорость движения СОЖ в очистителе, м/с;

У3, Ук - окружная скорость соответственно заготовки (м/мин) и круга (м/с); Уп - скорость нарастания слоя осадка, м/с; Ух - скорость врезной подачи, мм/мин;

у5кр _ скорость критической бесприжоговой подачи, мм/мин; е, £/ - степень очистки очистителя (системы в целом) и у-го ряда в многорядном КПМС соответственно;

8 - средняя степень очистки СОЖ от механических примесей;

8у - степень очистки СОЖ от частиц /-й фракции механических примесей

7'-го ряда в многорядном КПМС;

г) - коэффициент динамической вязкости, Па-с;

Рос, рт, рж - плотность осадка, частицы механических примесей и СОЖ, кг/м ; о - среднее квадратическое отклонение от среднего арифметического размера частиц механических примесей, мкм;

ои 0о _ среднее квадратическое отклонение от среднего арифметического размера частиц механических примесей в исходной и очищенной СОЖ, мкм; т - погрешность формы поперечного сечения детали, мкм; тс - период стойкости шлифовального круга, мин;

Ф~ - нормированное среднее арифметическое значение размера частиц механических примесей в очищенной СОЖ;

ф _ нормированное среднее квадратическое отклонение от среднего ариф-

о

метического размера частиц в очищенной СОЖ; X - магнитная восприимчивость частиц.

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность процессов механической обработки в решающей степени определяется условиями взаимодействия режущего инструмента с материалом обрабатываемой заготовки. Ослабляя негативные и усиливая положительные стороны этого процесса путем применения СОЖ, можно повысить производительность обработки и улучшить качество деталей. Однако в процессе функционирования СОЖ загрязняется механическими и иными примесями, подвергаются воздействию микрофлоры, что приводит к ухудшению выходных показателей операций механической обработки, сокращению срока эксплуатации СОЖ и увеличению затрат, связанных с их применением. Негативное влияние загрязнения СОЖ особенно сильно сказывается на эффективности операций абразивной обработки, на которых, как правило, формируются характеристики качества поверхности готовых деталей [4, 7, 12, 19, 24, 30, 31, 33, 70, 73, 75, 91, 103, 104, 106, 126 и др.]. В связи с этим одним из непременных условий развития отечественного машиностроительного производства при одновременном ужесточении норм экологической безопасности является разработка новых высокопроизводительных технологий и средств качественной очистки водных жидкостей, применяемых на операциях механической обработки. Для решения актуальной проблемы обеспечения предприятий экономически доступными очистителями смазоч-но-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и системами централизованной очистки, созданными на их основе, необходимо многократное снижение капитальных вложений путем разработки и внедрения принципиально новых схемотехнических и конструктивных решений.

В настоящей работе представлены теоретико-экспериментальные исследования и моделирование систем очистки СОЖ, обеспечивающие расчет и проектирование одно- и многорядных высокоэффективных в технико-экономическом отношении кассетных патронных магнитных сепараторов (КПМС).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математические модели и результаты численных и натурных экспериментальных исследований процесса очистки водных СОЖ от механических примесей в одно- и многорядных КПМС и построенных на их основе системах.

2. Результаты оценки и оптимизации удельных капитальных вложений на внедрение одно- и многорядных КПМС для очистки водных СОЖ на

шлифовальных операциях в зависимости от конкретных технологических ситуаций.

3. Программно-информационный комплекс для исследований эффективности очистки СОЖ в многорядных КПМС на шлифовальных операциях.

4. Методики, алгоритмы и программы расчета, оптимизации и проектирования КПМС и систем на их основе, а также рекомендации по выбору параметров режимов очистки.

5. Результаты опытно-промышленных испытаний эффективности систем очистки СОЖ на основе многорядных КПМС, разработанных с использованием рекомендаций соискателя.

Автор выражает глубокую признательность за консультации и иную помощь при выполнении диссертации научно-педагогическому коллективу кафедры «Технология машиностроения» и сотрудникам ЗАО «Системы водоочистки», а также к.ф.-м.н., доценту А. Ю. Богданову за ценные советы по математическим фрагментам работы.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЧИСТКИ СОЖ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Технико-экономическая эффективность методов и средств очистки СОЖ на операциях механической обработки

СОЖ являются неотъемлемым элементом современных технологических процессов механической обработки. В результате применения СОЖ существенно улучшаются экономические показатели процессов обработки, возрастает производительность, улучшается качество продукции, повышается стойкость режущих инструментов, уменьшаются энергозатраты на механическую обработку [1, 6, 7, 19, 50, 74, 85 - 87, 99, 115, 125, 126, 137]. Многие технологические процессы в металлообрабатывающих производствах, в том числе шлифование, вообще немыслимы без применения СОЖ [85 - 87]. Выпускаемые в промышленном масштабе СОЖ подразделяются на 2 класса - водные (эмульсионные, синтетические и полу синтетические жидкости) и масляные [85 - 87]. Водные СОЖ изготавливают непосредственно на машиностроительных предприятиях посредством введения в воду концентратов, приготовляемых в специализированных производствах. Мировой объем потребления СОЖ до последнего времени составлял 2.. .2,5 млн. т. концентрата в год.

К настоящему времени, на базе результатов теоретико-экспериментальных исследований физико-механических, физико-химических и других процессов, протекающих при механической обработке с применением загрязненных в процессе эксплуатации СОЖ, разработаны научно-технические основы ресурсосберегающего применения СОЖ при металлообработке, в том числе и при шлифовании заготовок стальных деталей [85 - 87].

Загрязнение СОЖ механическими примесями (шлифовальным шламом) занимает доминирующее положение при оценке влияния СОЖ на эффективность шлифовальных операций. Образующийся при шлифовании и попадающий в СОЖ шлам состоит в основном из мелкой металлической стружки размером 5...50 мкм и частиц абразива и связки круга размером 20... 150 мкм, причем на долю металлической стружки приходится 80...98 % всей массы шлама, который содержит также соединения абразива и связки, атмосферную пыль, волокнистые и смазочные материалы [10, 12, 19, 30, 41, 83, 85, 95, 126]. Особенно остро загрязнение СОЖ механическими примесями ощущается при эксплуатации централизованных систем применения СОЖ [19, 50, 70, 75, 85, 107, 121, 124, 129], когда шлифовальный шлам накапливается в трубопроводах и емкостях [19, 70], забивает сопла станков.

Одной из первых публикаций о непосредственном влиянии механических примесей на качество шлифованной поверхности была работа [126], в которой было показано, что глубина шлифовочных рисок (царапин) не зависит от скорости потока механических примесей (абразивных частиц размером 60... 100 мкм), зато количество рисок прямо коррелирует с ним (рис. 1.1).

4

8

мкм

Я

0

\ 1

/ / / / V /

шт.

кг

0

2 г/мин 4 £-►

Рис. 1.1. Влияние скорости 6* потока механических примесей в СОЖ на глубину (1) и количество рисок Л, на длине 2 мм (2) [126]

Л. В. Худобиным и Е. П. Гульновым [30, 31] было установлено прямое влияние при круглом наружном шлифовании содержания механических примесей на глубину и количество шлифовальных рисок (рис. 1.2): количество рисок возрастает прямо пропорционально концентрации и более интенсивно по мере повышения доли абразива в составе механических примесей (кривые 1, 2, 3 и 4 на рис. 1.3, а).

Я

8

мкм 4

0

/ 2

16

шт

к,

0

1У

/ 2

С

а)

200 мкм 400

а —► б)

Рис. 1.2. Влияние концентрации С (а) и размера (б) частиц механических примесей в СОЖ на глубину Я( и количество рисок к( на длине 2 мм [30]:

1 - абразивные частицы; 2 - частицы абразива и металла

Глубина царапин в значительно меньшей мере зависит от концентрации частиц в СОЖ. Причем это влияние снижается по мере уменьшения доли абразивных частиц в механических примесях (кривые 4, 3, 2 в. 1 на рис. 1.3, б) [30].

Механические примеси не только оставляют риски, но и негативно влияют н�