close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102441

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Б А Й К О В А Инна Александровна
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ
МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В ВАЛЬЦОВЫХ СТРУКТУРАХ
Специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление
и обработка информации,
05.02.08 - Технология машиностроения
}СШ^,
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
11ЕГОА2005
Работа выполнена на кафедре «Бытовые машины и приборы»
Пензенского государственного университета.
Научные руководители: доктор технических наук,
доцент Цыпин Б. В.;
доктор технических наук,
профессор Скрябин В. А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Прошин И. А.;
доктор технических наук,
профессор Трилисский В. О.
Ведущая организация - ОАО «Пензтекстильмаш», г. Пенза.
Защита диссертации состоится «
»
^2005 г., в 14 часов, на
заседании диссертационного совета Д 212.186.04 в Пензенском госу­
дарственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.
E-mail: [email protected]
Факс (841-2)56-35-39
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского
государственного университета.
Автореферат разослан «
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
»
2005 г.
Смогунов В. В.
M^kd.
^АЧТЪ
2ZI7i(?^
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Оборудование для получения мелкодис­
персных материалов исторически появилось одним из первых. К на­
стоящему времени пути его конструктивного совершенствования в
значительной мере исчерпаны. Одним из перспективных направле­
ний повышения эффективности оборудования является разработка
методов и средств оперативного управления вальцовыми структура­
ми. Вторым направлением является совершенствование технологии
изготовления его элементов, ответственных за качество производи­
мого продукта.
Исследованиям и разработкам в области системного анализа,
управления и обработки информации посвящено множество трудов
отечественных и зарубежных ученых. Прежде всего, это фундамен­
тальные труды института системного анализа РАН, С.-Петербург­
ского института информатики и автоматизации центра РАН и др.
Хорошо известны основополагающие труды факультета Вычисли­
тельной математики и кибернетики М Г У им. М. В. Ломоносова и
МГТУ им. И. Э. Баумана. Учебно-научными работами для специали­
стов в области теории системного анализа являются монографии
Е. С. Вентцель, Н. Н. Моисеева, Б. С. Флейшмана, В. Н. Волковой.
В данной диссертационной работе в качестве объекта исследова­
ния рассмотрены вальцовые структуры, предназначенные для полу­
чения мелкодисперсного материала заданного качества.
В отечественной практике не применяют средства оперативного
определения состояния рабочей зоны вапьцовой структуры, что не
позволяет осуществить непосредственное управление процессом по­
лучения мелкодисперсного материала. Отсюда понятна важность и
актуальность разработки методов и средств оперативного получения
информации о техническом состоянии вальцового станка, особенно о
значении межвальцового зазора и возможных причинах его измене­
ния. Особую роль приобретает проблема создания систем управле­
ния вальцовыми структурами и оценка их функционирования в со­
временных условиях.
Рабочим органом вааьцовой структуры являются вальцы. Ста­
бильность их формы и состояние поверхности являются важнейши­
ми факторами, определяющими эффективность длительной эксплуаI РОС. НАЦИСЙМЛЬ'НАГ
I
БИБЛИОТЕКА
тации вальцовых структур. Именно это огфеделяет важность совер­
шенствования технологии изготовления вальцов наряду с методами
оперативного получения информации о техническом состоянии
вальцовой структуры в целом.
Цель и основные задачи. Целью работы является разработка ме­
тодов и средств управления вальцовыми структурами для производ­
ства мелкодисперсных материалов путем оперативного получения и
обработки информации о техническом состоянии вальцовых струк­
тур и совершенствование технологии изготовления их рабочих орга­
нов. Для достижения поставленной цели решаются следующие ос­
новные задачи:
- системный анализ и обработка информации о параметрах
вальцовых структур в процессе работы в составе оборудования и вы­
бор путей повышения эффективности их работы;
- разработка динамической модели вальцовой структуры и вы­
бор критериев оценки функционирования;
- разработка методов и средств оперативного получения и обра­
ботки информации о техническом состоянии основных элементов,
влияющих на качество функционирования;
- совершенствование технологии обработки важнейших деталей
оборудования, влияющих на качество его работы;
- разработка и внедрение в промышленность средств оператив­
ного получения и обработки информации о техническом состоянии
основных элементов и технологии обработки важнейших деталей.
Предмет и методы исследований. Предметом исследования яв­
ляются системные связи и закономерности функционирования валь­
цовых структур, а также методы получения и обработки оперативной
информации об их техническом состоянии с целью управления про­
цессом получения мелкодисперсных материалов. Результаты работы
получены путем теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические исследования выполнены с использованием методов
системного анализа и математического моделирования, законов ки­
нематики и динамики, основных положений теории измерений, ме­
тодов цифрового спектрального оценивания, а также научных основ
технологии машиностроения. Экспериментальные исследования про-
ведены в процессе внедрения и опытно-промышленной эксплуатации
разработанной системы идентификации дефектов и в процессе от­
ладки новой технологии.
Научная новизна работы.
1 Показана взаимосвязь эффективности работы оборудования с
кинематическими и динамическими параметрами и качеством изго­
товления наиболее ответственных деталей.
2 Проведен системный анализ связей и закономерностей функ­
ционирования вальцовых структур, выявлена взаимосвязь парамет­
ров вальцовой структуры с качеством перерабатываемого материала.
Установлена необходимость оперативного управления работой валь­
цовой структуры путём получения и обработки информации о пара­
метрах межвальцового зазора.
3 Обоснована возможность использования методов цифрового
спектрального оценивания для выявления и идентификации дефектов
оборудования по параметрам изменения межвальцового зазора.
4 Разработана и внедрена система оперативного получения и об­
работки информации о значении межвальцового зазора.
5 Обоснована возможность применения прогрессивного мате­
риала инструмента для обеспечения стабильной механической обра­
ботки.
6 Получена математическая модель, определяющая взаимосвязь
съёма металла и шероховатости поверхности и режимных парамет­
ров обработки.
7 Разработана и внедрена новая прогрессивная технология про­
изводительной и качественной обработки вальцов.
Практическая ценность. В результате проведенных исследова­
ний к практическому использованию предложены:
1) рекомендации по выбору конструктивных параметров, умень­
шающих колебания межвальцового зазора;
2) принцип построения и структура системы для оперативного
получения информации о значении межвальцового зазора;
3) методика обработки информации о значениях межвальцового
зазора, позволяющая произвести идентификацию дефектов вальцо­
вой структуры;
4) научно-обоснованные практические рекомендации по выбору
рациональных значений технологических режимов обработки по­
верхности вальцов в зависимости от различных исходных условий.
Реализация в промышленноеги. В результате проведенных ис­
следований разработана, изготовлена и внедрена в ОАО «Пензтекстильмаш» микропроцессорная система для получения и обработки
информации о состоянии вальцовой структуры с целью оперативного
управления межвальцовым зазором и новая технология черновой и
чистовой обработки вальцов на оборудовании повышенной точности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Системные связи и закономерности функционирования валь­
цовых структур для получения мелкодисперсного материала, влияю­
щие на эффективность работы оборудования.
2 Динамическая модель вальцовой структуры, позволившая вы­
явить взаимосвязь конструктивных параметров отдельньпс узлов с
дестабилизирующими работу факторами.
3 Метод обработки информации о значениях межвальцового за­
зора, основанный на аппроксимации значений зазора комплексными
экспоненциальными функциями с определением аппроксимирующе­
го полинома по критерию наименьших квадратов.
4 Новая прогрессивная технология черновой и чистовой обра­
ботки вальцов на оборудовании повышенной точности, обеспечи­
вающая повышение долговечности работы вальцов и технологиче­
ского оборудования в целом.
5 Методика выбора рациональных технологических режимов
черновой и чистовой обработки вальцов, обеспечивающая повыше­
ние качества обработки вальцов из отбеленного чугуна В Ч 20 резца­
ми с режущей частью из композита! О (гексанит-Р), что позволяет
интенсифицировать технологические параметры.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались на Международной научно-технической конференции
«Точность технологических и транспортных систем» (Пенза, 2000);
на У Ш Международной научно-технической конференции «Пробле­
мы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков»
(Пенза, 2003); V I Международной научно-методической конферен­
ции «Университетское образование» (Пенза, 2004); ежегодных науч­
но-технических конференциях Пензенского государственного уни­
верситета (2000-2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 пе­
чатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа со­
стоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов по
работе, библиографического списка из 118 наименований и прило­
жений. Общий объем работы 150 страниц машинописного текста,
включая 41 рисунок и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность диссертационной работы,
приведены цель и задачи исследования, указаны научная новизна и
практическая ценность результатов.
В первой главе проведен анализ оборудования для получения
мелкодисперсных материалов. Рассмотрены качественные характе­
ристики мелкодисперсных материалов и проведена систематизация
физических эффектов и основных типов оборудования, используе­
мых для получения мелкодисперсных материалов.
Анализ существующего оборудования для получения мелкодис­
персного материала и способов измельчения показал перспектив­
ность применения вальцовых мельниц для получения мелкодисперс­
ного материала заданного качества и актуальность разработки мето­
дов и средств повышения эффективности их функционирования.
В диссертационной работе исследована взаимосвязь рабочих па­
раметров оборудования и качества получения мелкодисперсных ма­
териалов.
Основным показателем, определяющим техническое совершенст­
во вальцовой структуры, следует считать стабильность процесса из­
мельчения в рабочей зоне. Параметром, определяющим эффектив­
ность процесса измельчения, является межвальцовый зазор. Непо­
средственное отношение к дестабилизации межвальцового зазора
при измельчении имеют как конструктивные особенности вальцово­
го станка, так и техническое состояние его узлов и деталей.
Проведенный анализ позволил разделить факторы, определяющие
стабильность расстояния между мелющими вальцами, на две группы:
факторы, вызывающие нестабильность среднего значения межваль­
цового зазора в течение длительного времени, и факторы, вызываю­
щие нестабильность мгновенных значений межвальцового зазора.
Взаимосвязь вариаций значений межвальцового зазора и причин,
его вызывающих, может быть найдена в процессе анализа динамиче­
ской модели вальцового станка.
Вторая глава посвящена разработке динамической модели валь­
цового станка и анализу влияния основных конструктивных пара­
метров отдельных элементов и их дефектов на кинематику и дина­
мику работы машины.
В работе исследована кинематика вальцового станка. Проанали­
зировано влияние проскальзывания приводных ремней и допусков
размеров основных деталей на кинематические характеристики ос­
новных узлов машин с учетом линейных и угловых скоростей дви­
жения рабочих органов. Оценено суммарное влияние данных пара­
метров на изменения основных кинематических характеристик.
Анализ показал, что колебания конструктивных параметров от­
дельных элементов технологической машины оказывают сущест­
венное влияние на основные динамические характеристики машины.
Наибольшее влияние на надежность работы оборудования и качест­
во получаемого продукта оказывает межвальцовый зазор. Отклонения
формы поверхностей и их взаимного расположения, в первую очередь
несоосность бочки вальца с осью его посадочной поверхности и эксцен­
триситет, приводят к колебаниям значений межвальцового зазора.
Для исследования динамики изменения межвальцового зазора бы­
ла разработана математическая модель, в которой учтены влияние
конструктивных особенностей вальцовых станков и силовое взаимо­
действие в зоне измельчения. Поведение вальцового станка описано
дифференциальным уравнением второго порядка
•^прф = Л^пр ЛрФ = ^li^O -v?)-M+KAb (ф,ф,/),
где Jjjp - приведенный момент инерции подвижных масс; ф - те­
кущее значение углового ускорения; Мпр - приведенный момент;
Ki - крутизна характеристики; щ - угловая скорость холостого хо­
да; ф - текущее значение угловой скорости; М- постоянная нагруз­
ка при неизменном зазоре; К - коэффициент пропорциональности,
зависящий от распорных усилий между вальцами вследствие меха­
нических характеристик перерабатываемого продукта; 46 - измене­
ние межвальцового зазора во времени f; ф - обобщенная координата,
равная углу поворота ротора электродвигателя.
Полученное уравнение позволило выявить факторы, влияющие на
распорные усилия между вальцами и тем самым на межвальцовый
зазор. Моменты сил, действующих на вальцы со стороны продукта,
главным образом зависят от распорных усилий.
Исследованы колебания подшипникового узла медленновращающихся вальцов из-за их неуравновешенности, так как конструкция
вальцовой структуры предусматривает перемещение опор медленновращающихся вальцов относительно опор быстровращающихся
вальцов для предотвращения возможных поломок в случае попада­
ния в перерабатываемый продукт твердых примесей. С целью под­
держания необходимого зазора между вальцами установлены пру­
жины, прижимающие подвижные опоры медленновращающихся
вальцов к неподвижным опорам быстровращающихся вальцов.
Для изучения этих колебаний выбрана динамическая модель с
двумя степенями подвижности, на которую действуют силы упруго­
сти пружин, главный момент центробежных сил инерции.
Дифференциальное уравнение движения данной модели без уче­
та сопротивления может быть представлено в виде
^
= Y/^^^^bx -Рущ =тг(о^ sin(co7' О"Qp-^.
V
'2
Спр/>
2
'
где т - масса вальца; С„р - приведенная жесткость пружин; тг - дис­
баланс вальца; coj- - угловая скорость вращения вальца; / - расстоя­
ние между пружинами; Fynp - сила упругости пружины.
За обобщенные координаты принята ось X (направленная перпен­
дикулярно осям вальцов) и угол ф поворота подвижного угла в
плоскости XZ (образованной осями подвижного и неподвижного
вальцов).
При анализе динамических характеристик показано, что вынуж­
денные колебания подвижного подшипникового узла медленновращающегося валыда оказывают существенное влияние на изменение
межвальцового зазора. Для уменьшения данных колебаний необхо­
дима более точная балансировка вальца, а поскольку колебания про­
исходят в дорезонансном режиме, необходимо увеличить собствен­
ную частоту колебаний. Это можно достичь увеличением жесткости
пружины С.
Изменение межвальцового зазора будет происходить с частотой
вращения медленновращающегося вальца.
В работе установлено, что на величину приращения межвальцово­
го зазора влияют конструктивные параметры отдельных элементов,
силовые воздействия между вальцами и перерабатываемым продук­
том, износ рабочих поверхностей вальцов. Это приращение зависит
от положения вальцов, скоростей их вращения и времени.
В третьей главе рассмотрены методы получения и оперативной
обработки информации о техническом состоянии основных деталей и
узлов вальцовой структуры путем изменения межвальцового зазора.
В диссертационной работе предложены метод и средства управ­
ления процессом переработки мелкодисперсных материалов, осно­
ванные на измерении расстояния между подвижными и неподвиж­
ными вальцовыми опорами с помощью индуктивных датчиков ли­
нейного перемещения. Преимущество данного способа в том, что он
позволяет получить информацию о состоянии рабочих органов тех­
нологического оборудования и достаточно прост в реализации.
В статическом режиме, пока вальцы не вращаются, показания дат­
чиков можно использовать для установки заданных значений зазора, в
том числе и при установке линейно изменяющегося по длине зазора.
При работе оборудования среднее значение показаний датчиков за
время, равное или кратное продолжительности полного цикла вра­
щения вальцов, характеризует значение зазора у каждой из опор.
10
Информация о среднем значении зазора может бьпъ использована
для автоматического поддержания его заданного значения.
Возрастание амплитуды и дисперсии показаний датчиков в про­
цессе эксплуатации оборудования свидетельствует об уменьшении
жесткости пружин в креплении подвижного вальца и появлении
люфтов в механизме крепления. Показания каждого датчика позво­
ляют конкретизировать, в какой из опор появился дефект.
Изменение периода выходного сигнала датчика может служить ин­
дикатором износа элементов привода вращения, а нестабильность пе­
риода свидетельствует о появлении в этом механизме проскальзывания.
По изменению амплитуд гармонических составляющих спектра
выходного сигнала датчика, частоты которых равны частотам вра­
щения вальцов, судят о появлении дефектов рабочей поверхности по
каждому вальцу.
Данная информация может быть получена при обработке времен­
ного ряда значений индуктивности датчиков с помощью цифровых
процессоров. Традиционно для получения цифровых значений ин­
дуктивности используются прецизионные аналоговые преобразова­
тели индуктивности в напряжение постоянного тока, значения кото­
рого затем оцифровываются с помощью АЦП.
В работе использован метод построения информационно-изме­
рительной системы, позволяющий исключить прецизионные аналого­
вые преобразователи за счет программно-цифровой обработки вре­
менного ряда мгновенных значений сигналов переменного тока, так
как аналоговые преобразователи весьма трудоемкие и дорогостоящие
при разработке, настройке и ремонте в процессе эксплуатации.
В системе (рисунок 1) обмотки каждого датчика вместе с допол­
нительными калиброванными резисторами RQI И i?02 образуют четырехплечевую мостовую схему.
Напряжение питания мостовой схемы вырабатывается микропро­
цессором И имеет форму прямоугольных импульсов
2/
Т
»о(0 = UQ Ф{0 + 2'^{-\ГФ\1-п^
/1=1
11
^
^
Го при т < О
где Ф(т) = <
- функция Хевисайда; л = 1, 2, 3, ...; Т- пе[1прих>0
риод следования импульсов.
Рисунок 1 - Структурная схема системы контроля межвальцового зазора
Напряжения ui\{t) и «iaCO "^ обмотках датчика имеют вид
двухполярных импульсов
2£
" i ( 0 = " i i ( 0 Ф ( 0 + 2 ^ ( - 1 ) " Ф t-nл=1
где «!z.(0 - напряжение на обмотке во время первого полупериода,
представлящее собой экспоненциальный импульс:
uiLi^) = Uo
Ri
RQ+RI
Ro
RQ+RL
(
exp
RO±RL_^}
J
Ri a L- активное сопротивление и индуктивность обмотки датчика
соответственно.
12
Коммутатор во время первого полупериода напряжения мо(0 под­
ключает на вход АЦП напряжение unit) с одной из обмоток датчи­
ка, а во время следующего полупериода - напряжение ицО) со вто­
рой обмотки. АЦП преобразует мгновенные значения этих сигналов
в код. В цифровом процессоре результаты измерения суммируются.
Результат суммирования зависит только от разности индуктивностей
обмоток датчика.
Система выполнена 4-канальной, что позволяет измерять меж­
вальцовый зазор в системах грубого и тонкого помола с двух сторон
вальцов.
Одной из основных причин, влияющих на точность результата
измерения зазора, является погрешность базирования датчиков, вы­
званная возможными перекосами при их закреплении и неточностью
места расположения датчиков. Для решения этой проблемы исполь­
зована свободная тарировка системы после ее монтажа непосредст­
венно на мельнице. При тарировке поочередно устанавливаются два
заранее заданных значения зазора путем введения щупов между
вальцами, и нажатием кнопки на лицевой панели прибора произво­
дится ввод калибровочных коэффициентов в цифровой процессор.
Благодаря этому появляется возможность «растягивания» или «сжа­
тия шкалы». Любой канал может использоваться как в системе тон­
кого, так и грубого помола.
Основные технические характеристики
системы идентификации дефектов в вальцовых структурах;
Диапазон измерения, м\^до
1
Предел основной погрешности измерения, мм
Время усреднения результатов, с
0,002
О, 5, 20,
При необходимости диапазон измерения может быть расширен
до 2 мм с нулем в начале или середине шкалы. Предел основной по­
грешности измерения при этом возрастает до ± 0,005 мм. Сохране­
ние погрешности на прежнем уровне возможно при введении допол­
нительных точек тарировки за счет небольшой модернизации про­
граммы микропроцессора. В системе предусмотрен также цифровой
вывод временного ряда текущих значений зазора на шину ISA для
13
подключения внешней П Э В М , реализующей программу анализа ре­
зультатов измерения.
Функция, описывающая закон изменения разности индуктивностей обмоток датчика Z(0 во времени (изменение межвальцового за­
зора), имеет вид:
L{t) = 1з+ LQ sm(2n Иб / + фб) + Lt 8т(2л Ит ^ + фт) +
+ £„ sin(27r я„ < + 9„) + Ltit) + U{t),
где 1з - среднее значение зазора; LQ и фб- амплитуда и начальная
фаза колебания значений зазора, вызванные дефектами быстроход­
ного вальца, вращающегося с частотой и б, и механизма его крепле­
ния; Z,T, «т, Фт - параметры колебания значений зазора, связанные с
тихоходным вальцом; I n , «п, Фп - параметры колебания значений
зазора, вызванные дефектами общего привода вальцов; ! « ( / ) - слу­
чайные изменения значений зазора, вызванные дисперсией парамет­
ров продукта в процессе размола, в качестве модели 1^(0 можно ис­
пользовать белый шум; L^{t) - изменения значений зазора, обуслов­
ленные вибрацией мельницы. Начальные фазы колебаний значений
зазора зависят от места возникновения дефекта на вальце.
Для выделения частотных компонентов, несущих информацию о
возникающих дефектах, использована аппроксимация временного ря­
да значений зазора суммой гармонических колебаний с частотами п^,,
«т и Па, амплитуда и начальная фаза которых подобраны с использова­
нием метода наименьших квадратов (МНК). Значения зазора являются
действительными числами, поэтому каждое колебание можно пред­
ставить в показательной форме комплексно-сопряженной парой
ZQ =г[ = ехр(/2яиД^),
hg = Ь^ = Г ехр(/&),
где h = F ехр(ув) - комплексная амплитуда, не зависящая от време­
ни; Z = ехр(/2лпАг) - комплексная экспонента, являющаяся функ­
цией времени; / = О, 1, ..., ЛГ- 1 - порядковый номер из iVзначений
зазора; Д/ - шаг временной дис1фетизации значений зазора; V и
Э - амплитуда и начальная фаза соответствующего колебания; зна­
чок * обозначает комплексное сопряжение.
14
Для упрощения вычислений из временного ряда значений зазора
можно исключить постоянную составляющую (среднее значение). В
результате аппроксимирующий полином имеет шесть членов
" ( 0 = Ь о б 2 0 б ' +Ь|б21б' +hoxZoi,' +hiT.ZiT.' +honZOn' + b j n Z i n ' .
Так как параметры известны априори, то решение задачи сводится
к нахождению коэффициентов h из системы уравнений
ЛЧ
N-1
'
Yp(i)^'05 =Z^A Z(*06Zjt)'
(=0
k
Л^-1
1=0
N-1
Z"(')4=Zb/tZ(^i6Z)t)'
1=0
A'-l
k
i=0
N-l
S"('>*Or =Z^t Т^^ОтЧ)'
И)
N-l
к
i=0
N-l
1]"('К =T}^k X ( * I A ) '
/=0
к
i=0
N-l
N-l
Z"^'^*On =TJ^k JJ^On^y
1=0
к
j=0
Л'-!
ЛЧ
^U(i)i\^=JJikJJii„ii,y
1=0
к
1=0
где индекс к принимает значения Об, 16, От, 1т, Оп, 1п.
При работе мельницы значения частот «б, «т. «п могут изменять­
ся вследствие вариации конструктивных параметров узлов мельницы
и проскальзывания ремней. Достаточно 50-100 значений зазора, по­
лученных за время периода самого низкочастотного колебания, для
того, чтобы относительная погрешность измерения амплитуды коле­
баний не превышала значения относительного изменения частоты.
Для рассмотренного в работе примера мельницы «Фермер-2» эти из­
менения не превышают ±3,2%.
15
Рассмотренный способ аппроксимации не позволяет выявить де­
фекты, связанные с износом элементов привода вращения и появле­
нием в этом механизме проскальзывания, так как для этого требуется
оценка значений частот гармонических колебаний. Невозможно так­
же выявить дефекты, приводящие к вибрациям элементов мельницы
на частотах, отличных от заданных априори.
Для решения этих проблем предложено использовать метод циф­
рового спектрального оценивания Прони, основанный на аппрокси­
мации временного ряда значений комплексно-сопряженными экспо­
ненциальными функциями. Аппроксимирующий полином имеет вид
м(/) =Y,A^
=1
ехр[(а;„ + j2ff„ )ш + j9„ ] = J ] h^z',
nt
m=\
где/? - порядок модели.
Применение метода Прони подробно рассмотрено в диссертаци­
онной работе. Показано, что достаточно использовать 100 значений
зазора, отсчитанных не менее чем за шесть периодов наиболее низ­
кочастотного колебания, для получения погрешностей определения
частаг и амплитуд колебаний на уровне десятых долей процента.
В четвертой главе разработаны практические рекомендации по
выбору материала вальцов вальцовых структур, которые по условиям
работы должны иметь наилучшее сочетание прочности, пластично­
сти и вязкости.
Одним из проблемных вопросов стабильной и надежной работы
вальцовых структур является ресурс работы их отдельных деталей и
сборочных единиц. Проведена оценка работоспособности материа­
лов в различных условиях эксплуатации. Длительные производст­
венные испытания на износостойкость показали, что наилучшие ре­
зультаты имеют вальцы, изготовленные из отбеленного чугуна.
Традиционная обработка данного материала резцами с механиче­
ским креплением режущих пластинок из твердых сплавов приводит к
частому их выкрашиванию, что отрицательно влияет на качество об­
работки деталей. Черновая и чистовая обработка вальцов из отбелен­
ного чугуна была осуществлена с применением в качестве режущей
части пластинок из композита 10 (гексанит-Р), относящегося к сверх­
твердым материалам.
16
На этапе исследований по результатам математической обработки
экспериментальных данных были получены квадратичные формулы
с использованием ортогональных полиномов Чебышева.
Применение аппроксимирующих нелинейных полиномов вида
7
4
п
У = aQ +aix + a2X +... + а'^х +... + арХ^
при построении полиномов высоких степеней ошибки округления
играют заметную роль, и при каждом повышении степени полинома
приходится вычислять новый коэффициент и пересчитывать все ос­
тальные коэффициенты. Применение способа Чебышева позволяет
значительно упростить этот процесс. Аппроксимирующий много­
член построен в виде суммы повышающих степеней, причем добав­
ление новых слагаемых не изменяет вычисленных ранее коэффици­
ентов, что позволяет наблюдать, как убывает остаточная дисперсия.
Преимущество применения способа Чебышева состоит в том, что
аппроксимирующий многочлен отыскивается в виде комбинации
многочленов. Применение полиномов второго порядка значительно
лучше предсказывает результаты опытов.
Проводились экспериментальные исследования зависимости вели­
чины съёма Q и шероховатости Ra от параметров процесса обработки
(частота вращения детали от 100 до 160 мин"' с шагом 12 мин"', про­
должительность обработки от 60 до 120 мин с шагом 1,5 мин). При этом
обрабатывались шесть деталей, а полученные результаты усреднялись.
Обработка результатов экспериментов производилась в соответствии с
экспериментальными данными, приведенными в таблице 1 по съему и
шероховатости. Необходимо отметить, что подача при обработке де­
талей находилась в диапазоне 0,1.. .0,2 мм/об.
Т а б л и ц а 1 - Экспериментальные результаты зависимости
величины съёма Q от скорости резания Уи времени обработки ^о
и, мин '
112
124
136
148
160
V, м/мин
35
40
45
50
55
e•lo-^кг
127
177
217
227
257
e■lo-^кr
60
105
75
90
105
120
/о, мин
175
225
17
285
345
На основании статистической обработки результатов эксперимен­
тов получены эмпирические зависимости величины съёма Q и шеро­
ховатости Ra от режимных параметров процесса обработки в виде
полиномов второго порядка
Q = 103,48 + 1819,9F- 9798,59Г^
Ла = 486-18,18Г+28,8Г^
Q = 216,86 + 172,84? - 22 At ^'
Яа = 498-2,6/ + 0,676г^
Рациональные расчетные параметры, полученные во время произ­
водственных испытаний, сведены в таблицу 2. Рациональные техноло­
гические режимы были получены опытным путем во время производ­
ственных испытаний и на основе литературных данных, что позволило
обеспечить требуемую производительность и качество обработки.
Т а б л и ц а 2 - Рациональные режимы черновой и чистовой
обработки вальцов
Глубина
резания t, мм
Подача,
5, мм/об
Частота вращения
деталей п, м и н " '
Скорость резания
V, м/мин
0,6... 1
0,1...0,2
100...160
35...60
График зависимостей Q =fiV), Ra=fiy) представлен на рисунке 2.
Ra,
Qx.
мкм «10,'к|/№»
7,50_
6,00_
440_
3,00_
U0_
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
О
35
40
45
50
55
съем металла
шероховатость
Рисунок 2 - Зависимость величины съёма металла Q
и шероховатости поверхности Ra от скорости резания V
(условия обработки to= 90 мин, 5 = 0,15 мм/об)
18
При сравнении по основному времени новая прогрессивная тех­
нология обработки вальцов вальцовых структур позволяет повысить
производительность при черновой и чистовой обработке в 5 раз при
соблюдении требуемой шероховатости рабочих поверхностей Ra =
= 6,3 мкм, Ra = 2,5 мкм за счет применения в качестве режущей час­
ти инструментов из сверхтвердых материалов композита 10 (гексанит-Р), рациональных режимов и условий обработки, обеспечивая
необходимое качество. В результате этого удалось снизить радиаль­
ное биение вальцов с 200 мкм до 20 мкм. Технология обработки вне­
дрена на ОАО «Пензтекстильмаш».
Внедрение новой прогрессивной технологии механической обра­
ботки поверхности вальцов из отбеленного чугуна позволило исклю­
чить отклонения формы вальцов от цилиндрической, появление
овальности и волнистости, повысить точность нанесения рифлей за
счет снижения колебаний геометрии рифления мелющих вальцов
(при рассмотрении угла и высоты - колебания угла уменьшились
с 22. ..55° до 20°), исключить также появление эксцентриситета.
Результаты внедрения подтверждены соответствующими доку­
ментами.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1 Проведен анализ принципов построения оборудования для из­
мельчения материалов. Показана перспективность применения валь­
цовых структур и актуальность разработки методов повышения их
эффективности.
2 Выявлены два основных направления повышения эффективно­
сти работы вальцовых структур: за счет оперативного получения и
обработки информации о состоянии рабочих органов и основных
элементов вальцового станка, а также за счет совершенствования
технологии изготовления вальцов.
3 Выявлены системные связи и закономерности функционирова­
ния вальцовых систем, позволяющие повысить эффективность рабо­
ты за счет оперативного управления процессом.
4 Разработаны динамическая модель вальцовой структуры и ме­
тодика ее анализа, которая позволила выбрать критерии оценки каче­
ства функционирования оборудования.
19
5 Обоснованы возможность и целесообразность измерения меж­
вальцового зазора. Составлена функция, описывающая закон изме­
нения индуктивности датчика при появлении дефектов рабочей по­
верхности вальцов, изменении жесткости пружин, износе элементов
крепления вальцов и привода, проскальзывании ремней и появлении
в механизме мельницы недопустимых вибраций.
6 Разработана структурная схема системы оперативного получе­
ния и обработки информации о работе вальцовой структуры, позво­
ляющая исключить необходимость использования сложных аналого­
вых измерительных преобразователей для сопряжения датчиков с
цифровым процессором. Аппроксимация временного ряда числовых
значений зазора проводится комплексными экспоненциальными
функциями с применением процедуры наименьших квадратов.
7 Показана возможность получения дополнительной информа­
ции об износе и проскальзывании в механизме привода вальцов и
дефектах, вызывающих вибрацию технологического оборудования,
за счет использования метода цифрового спектрального оценивания
Прони для обработки временного ряда числовых значений зазора.
8 Разработана новая прогрессивная технология черновой и чис­
товой обработки вальцов, обеспечивающая повышение производи­
тельности и качества.
9 Обосновано, что наиболее приемлемым материалом вальцов
является отбеленный чугун, который по данным производственных
испытаний показал хорошую сопротивляемость износу, что позволя­
ет стабильно получать требуемое качество мелкодисперсного конеч­
ного продукта.
10 Показано, что наиболее прогрессивным инструментальным
материалом для обработки вальцов из отбеленного чугуна является
композит 10 (гексанит-Р), который позволяет обеспечить стабиль­
ность механической обработки.
11 В результате экспериментальных исследований получена ма­
тематическая модель, определяющая зависимость съёма металла и
шероховатости поверхности от режимных параметров обработки и
позволяющая определить рациональные технологические режимы
черновой и чистовой обработки вальцов. Установлено, что эти ре­
жимы находятся в следующем диапазоне: для черновой обработки
20
/ = 0,8...1 мм, 5= 0,18...0,20 мм/об; и F=35...40 м/мин; для чистовой
обработки /=0,6...0,7 мм, 5= 0,1...0,12 мм/об и F=50...60 м/мин,
что позволяет обеспечить требуемое качество обработки.
Основные результаты исследований опубликованы
в следующих работах:
1 Байкова И. А. Модель динамики работы вальцового станка /
И. А. Байкова, А. С. Репин // Университетское образование: Сб. ма­
териалов V i n Междунар. науч.-метод. конф. - Пенза: ИИЦ ПГУ,
2004. - С. 370.
2 Байкова И. А. Применение методов системного анализа и циф­
рового спектрального оценивания для диагностирования сложных
динамических систем / И. А. Байкова, Б. В. Цыпин // Вооружение,
безопасность, конверсия: Материалы конф. (17-19 октября 2003 г.)
Ч. П. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - С. 188.
3 Байкова И. А. Повышение эффективности работы технологи­
ческого оборудования дня получения мелкодисперсных смесей /
И. А. Байкова, В. А. Скрябин, А. С. Репин // Техника машинострое­
ния. - 2003. - № 3. - С. 6-7.
4 Динамический анализ работы ситовеечной машины / И. А. Бай­
кова, В. А. Скрябин, А. С. Репин, Л. П. Корнилаева // Сб. ст. Между­
нар. науч.-техн. конф. - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2001. - С. 293-296.
5 Байкова И. А. Повышение качества технологического оборудо­
вания по производству мелкодисперсных сред / И. А. Байкова,
B. А. Скрябин // Вестник ДИТУД. - 2003. - № 2(16). -С. 25-27.
6 Прибор для измерения малых линейных перемещений в обору­
довании / И. А. Байкова, В. А. Скрябин, Б. В. Цыпин, О. А. Заркуа //
Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже ве­
ков: Сб. ст. V m Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ИИЦ ПГУ,
2003.-С. 72.
7 Байкова И. А. Особенности технологической нестабильности
процесса измельчения // Техника машиностроения. - 2002. - № 2. C. 120.
8 Байкова И. А. Влияние конструктивных параметров на геомет­
рию основных узлов технологического оборудования для получения
21
мелкодисперсных смесей / И. А. Байкова, В. А. Скрябин, А. С. Ре­
пин // Вестник ДИТУД. - 2002. - № 4(14). - С. 59-60.
9 Байкова И. А. К вопросу об оценке технического состояния
мельничных комплексов на этапах проектирования и эксплуатации //
Сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ИИЦ ИГУ, 2001. С. 113-117.
10 Байкова И. А. Особенности технологии обработки вальцов
мукомольных машин // Машиностроитель. - 2003. - № 9. - С. 11.
11 Байкова И. А. Особенности технологии получения мелкодис­
персных смесей // Вестник ДИТУД. - 2002. - № 3(13). ~ С. 26-29.
12 Повышение надежности оборудования методом технической
диагностики / И. А. Байкова, В. А. Скрябин, В. К. Надежкин, Ю. К. Из­
майлов // Вестник ДИТУД. - 2001. - №1(7). - С. 60-62.
13 Техническая диагностика как метод повышения эффективно­
сти использования технологического оборудования / И. А. Байкова,
В. А. Скрябин, М. М. Капитанов, Ю. К. Измайлов // Машинострои­
тель. - 2001. - № 8. - С. 20-21.
БАЙКОВА
Инна Александровна
Управление процессом получения
мелкодисперсных материалов
в вальцовых структурах
Специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление
и обработка информации,
05.02.08 - Технология машиностроения
Редактор Т. В. Веденеева
Технический редактор Я . Л. Вьялкова
Корректор С. Н. Сухова
Компьютерная верстка М. Б. Жучковой
ИД №06494 or 26.12.01
Сдано в производство 26.09.2005. Формат 60x84Vl6.
Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16.
Заказ № 581. Тирах 100.
Издательство Пензенского государственного университета.
440026, Пенза, Красная, 40.
«320434
РНБ Русский фонд
г
2006-4
i
22413
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
963 Кб
Теги
bd000102441
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа