Компьютерное моделирование процесса приготовления и регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей  для металлообрабатывающих станков

Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

К.т.н., проф. Сергеев С.В., инж. Некрутов В.Г.,

к.т.н., доц. Сергеев Ю.С., инж. Иршин А.В.

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет), Россия

Компьютерное моделирование процесса приготовления и регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей

для металлообрабатывающих станков

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) представляют собой специализированные гомогенные или гетерогенные многокомпонентные технологические среды. Они обладают комплексом свойств – смазывающим, охлаждающим, моющим, и обеспечивают оптимальные условия процесса резания металлов на металлорежущем оборудовании, которое занимает большую часть на машиностроительных предприятиях.

Предприятия обновляют станочный парк, закупая дорогостоящее, современное, высокотехнологичное оборудование, но порой пренебрегают вспомогательным оборудованием для решения возникающих экологических проблем, считая их второстепенными. Существующая практика применения СОЖ не предполагает особо внимательного отношения к вопросам ее очистки от шламов, масел и других загрязнений. На многих предприятиях систем очистки СОЖ или совсем не существует или они представляют собой примитивные сооружения, устаревших конструкций.

Разработка высокоэффективных экологически чистых технологий и систем применения СОЖ требует комплексного решения вопросов, связанных с совершенствованием составов, технологии и техники применения СОЖ, включая приготовление СОЖ, очистку их от механических и иных примесей, стабилизацию свойств в процессе эксплуатации, продления срока службы отработанных СОЖ, утилизацию отходов и другие операции [1, 2].

Основу технологического процесса приготовления, а также регенерации отработанных СОЖ составляет процесс перемешивания, который используют для получения дисперсных растворов или для интенсификации химико-технологических процессов массо- и теплопереноса.

В результате анализа технологии приготовления СОЖ выявлено, что при применении специальных вибрационных смесителей образуются стабильные, более дисперсные фазы. При этом особое значение приобретает уточнение физического механизма перемешивания и формирование на его основе рациональных принципов организации процесса, в том числе перемешивание компонентов СОЖ с наименьшими усилиями и затратами энергии. При этом основным направлением решения этой проблемы является повышение возможностей регулирования параметров колебаний рабочего органа, которую можно решить применением принципиально нового способа [3] возбуждения колебаний, реализованного в роторном инерционном виброприводе.

В основе способа лежит вскрытый нами факт отсутствия собственной устойчивости вращающегося диска по неподвижному контртелу. Суть этого явления такова. Сначала диск трения 1 (рис. 1), прижатый осевой силой P_ОС к неподвижному контртелу 2, находится в состоянии покоя. То есть, в данном случае, эта открытая система не получает энергию извне.

Если же диску сообщить энергию в виде вращения, то при этом практически мгновенно возникает его смещение из-за действия неуравновешенной тангенциальной силы, в результате диск начинает совершать радиальные автоколебания с частотой значительно превышающей частоту его вращения. Исследования на устойчивость системы дифференциальных уравнений описывающих данное движение показало, что все тривиальные решения этой системы неустойчивы, т.е. должно наблюдаться, так называемое, мягкое возбуждение колебаний. Это явление можно истолковать как проявление принципа минимальной диссипации (рассеяние энергии) в трактовке И.Р. Пригожина и Н.Н. Моисеева [4].

Рис. 1. Расчетная схема возбуждения круговых колебаний ротора (ω_ВР – частота вращения ротора; l – вылет вращаемого тела; ω – частота колебаний; r – амплитуда колебаний)

Хотя принято считать, что при переходе системы от состояния с максимальной диссипацией к состоянию с минимальной диссипацией, как к более упорядоченному, должен существовать некий порог. В рассмотренной системе такого порога обнаружить не удается: возбуждение автоколебаний всегда мягкое. В этом способе при незначительных частотах вращения стабильно получают в сотни раз превышающие частоты круговых колебаний. И при этом, варьируя значительным количеством исходных параметров, регулируют и даже авторегулируют частоту и амплитуду этих колебаний в широком диапазоне независимо от величины сопротивления технологической среды. Только такой регулируемый вибропривод смесителя способен одновременно реализовать три физических эффекта [5]: псевдоожижения жидкой технологической среды (турбулентность), активного перемешивания жидкости (виброструйный эффект), эффект вибрационного поддержания вращения ротора машины (эффект хулахупа). А тем самым снизить затраты энергии на процесс перемешивания.

Моделирование процесса перемешивания компонентов СОЖ осуществлялось в программной среде, написанной на языке DELPHI. В основе программы [6] лежат теоретические и экспериментальные зависимости. Интерфейсы расчетов представлены на рис. 2.


а)	б)

в)

Рис. 2. Интерфейс разработанного программного пакета: а) окно программы (исходные данные); б) окно программы (результаты); в) окно программы (графические зависимости).

Всю программу условно можно разделить на 3 модуля: ввод исходных данных и расчет технологических параметров (рис 2, а); вывод результатов и формирование печати (рис 2, б); построение графиков зависимостей виброструйного эффекта, турбулентности и мощности от переменных параметров (рис 2, в).

Результаты компьютерного моделирования показали, что использование данного роторного инерционного вибровозбудителя позволяет одновременно реализовать комплекс физических эффектов.

Задавая исходные параметры получаем необходимые данные о настройке смесителя. Для получения требуемых качественных характеристик СОЖ необходимо произвести настройку смесителя в соответствии с полученными значениями частоты и амплитуды колебаний для снижения энергопотребления и повышения качества СОЖ.

Результаты компьютерного моделирования позволили усовершенствовать смесительное оборудование и процесс его эксплуатации, а следовательно интенсифицировать технологический процесс приготовления СОЖ.

Вместе с тем повысились показатели дисперсности, стабильности, расслаивания, тем самым увеличился срок службы СОЖ. Это позволило определить оптимальный режимы перемешивания компонентов СОЖ для получения заданных характеристик.

Работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки Российской Федерации по темам: «Технология переработки промышленных и бытовых отходов» и «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области станкостроения» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2011-2013 годы (госконтракт №14.740.11.1123) и Российского фонда фундаментальных исследований – РФФИ (проект №10-08-96040-р_урал_а) на 2010-2012 г.г.

Литература:

1. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. – М: Машиностроение, 1975. – 89 с.

2. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием. Справочник. Л.В. Худобин, А.П. Бабичев, Е.М. Булыжев, Под общ. ред. Л.В. Худобина М.: Машиностроение, 2006.

3. А.с. №1664412. Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев. – Опубл. в Б. И., 1991, Бюл. №27.

4. Пригожин И.Р. Порядок из хаоса / И.Р. Пригожин, И. Стенгерс. – М.: Эдиториал УРСС, 2001. – 312 с.

5. Сергеев С.В. Интенсификация процесса перемешивания маловязких пищевых продуктов / С.В. Сергеев, В.Г. Некрутов // Пищевая промышленность. – 2011. – № 2. – С. 54–56.

6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617664. Система моделирования подбора параметров настройки приводов вибрационных устройств / С.В. Сергеев, Б.А. Решетников, Р.Г. Закиров, В.Г. Некрутов, А.В. Иршин. – 30.09.2011. – М.: Роспатент, 2011.