Булыжев Е.М. Математическое моделирование и исследование технологии и техники применения cмазочно-охлаждающих жидкостей в машиностроении и металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ

ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ

ЖИДКОСТЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ И

МЕТАЛЛУРГИИ

Под общей редакцией канд- техн. Наук

Е.М. Булыжева

Ульяновск • УлГТУ • 2001

УДК 621.9.079:621.7.079(031) ББК

34.5 М34

Авторы: Е.М. Булыжев, А.Ю. Богданов, В.В. Богданов, П.А. Вельмисов,

П.К. Маценко

Рецензенты: доктор техн. наук В.П. Табаков, доктор

физ.-мат. наук А.С. Андреев

УДК 621.9.079:621.7.079(031)

Математическое моделирование и исследование технологии и техники

применения смазочно-охлаждающих жидкостей в машиностроении и металлургии/

Е.М. Булыжев, А.Ю. Богданов, В.В. Богданов и др. Под общ. ред. Е.М. Булыжева. -

Ульяновск: УлГТУ, 2001. - 126 с.

Представлен комплекс математических моделей технологии и техники применения

смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в процессах механической обработки

заготовок деталей в машиностроении и холодной листовой прокатки в металлургической

промышленности. Приведены результаты теоретических и экспериментальных

исследований эффективности применения СОЖ в технологических процессах указанных

отраслей.

Даны рекомендации по проектированию систем применения СОЖ и их элементов.

Разработанные математические модели можно использовать при проектировании и

расчете технологий и техники применения СОЖ и других технологических жидкостей,

например, моющих растворов, электролитов, оборотной воды и др.

Монография предназначена для инженерно-технических и научных работников

машиностроительных и металлургических предприятий, проектно-технологичес-ких,

конструкторских и исследовательских организаций и будет полезна преподавателям и

студентам машиностроительных специальностей вузов. Печатается в авторской редакции.

компания «Волга-ЭКОПРОМ», 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ И

ЕДИНИЦ.............….............................…………………………….....................................5

ВВЕДЕНИЕ …….................................................................................................................6

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПРИМЕНЕНИЯ СОЖ В МАШИНОСТРОЕНИИ И МЕТАЛЛУРГИИ ..........….......... 8

1.1. Критериальная модель дисперсного состояния СОЖ (Е.М.Булыжев).................. 8

1.2. Моделирование процессов, происходящих в СОЖ, находящихся в накопительных

емкостях (Е.М. Булыжев, П.А. Вельмисов) ……………................................................ 16

1.2.1. Аналитическое определение концентраций веществ,содержащихся

в СОЖ …………………………………………................................................................ 16

1.2.2. Кинетика осаждения механических примесей …………………........................ 21

1.2.3. Магнитная коагуляция шлифовального шлама …………………...................... 26

1.3. Математическое моделирование процессов фильтрования СОЖ в самоочищающихся

фильтрах (Е.М. Булыжев, В.В. Богданов)...................................................................... 31

1.3.1. Фильтрование СОЖ через слой шлама, накапливающегося на фильтровальном

полотне ………………………………………………………......................................... 31

1.3.2. Грануляция шлама на поверхности фильтровального полотна......................... 37

1.4. Стабильность процесса очистки СОЖ при абразивной обработке

(Е.М. Булыжев, В.В. Богданов) ………………………................................................. 42

1.5. Статистическое исследование процесса эксплуатации СОЖ(Е.М. Булыжев) ....49

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИКИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЖ.………………....58

2.1. Моделирование и параметрическая оптимизация системприменения СОЖ

(Е.М. Булыжев) ……………………………….………………………………………..………….58

2.2. Вероятностное моделирование развития сложных технологических систем

(Е.М.Булыжев, П.К. Маценко)………………………………………………............................... 71

2.3. Математическое моделирование патронного магнитного сепаратора

(Е.М. Булыжев) .………………………..…………………………………….............................. 83

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОЖ …………............ 92

3.1. Вероятностное моделирование профиля шлифованной поверхности заготовки (Е.М.

Булыжев, А.Ю. Богданов) .....................…………………………………………………………. 92

3.2. Эффективность применения СОЖ на операциях механической обработки (Е.М.

Булыжев)..............................……………………………………………………………………. 106

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОЖ ПРИ ХОЛОДНОЙ

ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКЕ (Е.М. Булыжев) .…………………….............................................. 112

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..................………………........................ 120

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ,

СИМВОЛОВ И ЕДИНИЦ

ПМС - патронный магнитный сепаратор;

СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость;

СП - система применения;

с - массовая концентрация вещества в СОЖ, кг/м

;

d - диаметр частицы, м;

d - средний диаметр частицы, м;

F{x} - функция распределения случайной величины х;

- напряженность магнитного поля, А/м;

т — масса, кг;

р - давление. Па;

р(х) - плотность распределения случайной величины х;

Qv - объёмный расход СОЖ, м

/с;

Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм;

t - время, с;

tэ - срок эксплуатации СОЖ, сутки;

Т - термодинамическая температура. К;

- скорость движения жидкости в магнитном поле, м/с;

- скорость сепарации, м/с;

- скорость фильтрования, м/с;

V - объем СОЖ в системе применения, м

;

Ε - степень очистки, %;

Е - средняя степень очистки , %;

N - динамическая вязкость, Па*с;

v - кинематическая вязкость, м /с;

р - плотность, кг/м

ВВЕДЕНИЕ 6

Возрастающие требования к экологической безопасности металлургических и

металлообрабатывающих производств выдвигают на первый план проблему рационального

применения СОЖ, которые, являясь одним из главных факторов увеличения

производительности и обеспечения высокого качества продукции, остаются основным

источником загрязнения окружающей среды машиностроительными и металлургическими

предприятиями.

Разработка высокоэффективных экологически чистых технологий и систем

применения (СП) СОЖ требует решения комплекса 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, разложение отработанных СОЖ, утилизацию отходов и другие

операции. Научно обоснованное решение этих вопросов невозможно без привлечения

современных математических методов моделирования и анализа сложных систем и

процессов.

Предлагаемая вниманию читателя монография написана по материалам теоретико-

экспериментальных исследований сотрудников НПК "Волга-ЭКОПРОМ", Ульяновского

государственного технического университета и Ульяновского государственного

университета, выполненных в последние годы под руководством Е.М. Булыжева.

В первой главе представлены математические модели и результаты исследований

технологических процессов применения СОЖ в машиностроении. Во второй главе

сконцентрирован материал по математическому моделированию систем и другой техники,

реализующих технологические процессы применения СОЖ в машиностроении. Третья глава

посвящена математическому моделированию процесса шлифования (как самого сложного

процесса механической обработки резанием) с применением СОЖ, анализа состояния СОЖ,

рабочей поверхности шлифовального круга и обрабатываемой поверхности заготовки. В

заключительной главе рассмотрены математические модели технологии применения СОЖ в

металлургии при холодной листовой прокатке, являющейся заключительной операцией

технологического процесса металлургического производства.

Использованы различные методы исследования: математическое планирование,

позволяющее получить многофакторные эмпирические зависимости,

ВВЕДЕНИЕ 7

аналитическое и статистическое моделирован ие. Предложен универсальный метод расчета

параметров взаимодействующих распределенных систем на основе специальных

преобразований координат, предназначенный для исследования и моделирования

вероятностных процессов.

Значительное внимание авторы монографии уделили моделированию ма-

лоисследованных процессов осаждения механических примесей в условиях самокоагуляции

и магнитной коагуляции, грануляции слоя осадка на поверхности фильтровального полотна,

фильтрования СОЖ, загрязненной механическими примесями, через слой осадка. Хорошее

совпадение результатов моделирования с экспериментальными данными обеспечивает

математическая (балансовая) модель СП СОЖ при холодной листовой прокатке.

Авторы не претендуют на законченность математического моделирования технологии

и техники применения СОЖ, напротив - они полагают, что их работами положено лишь

начало системному описанию сложных физико-химических явлений, происходящих на

различных операциях технологического процесса применения СОЖ в машиностроении и

металлургии.

Результаты и аппарат математического моделирования, изложенные в настоящей

монографии, были использованы при разработке экологизированных ресурсосберегающих

систем применения СОЖ для ряда машиностроительных и металлургических предприятий, в

том числе ОАО "Северсталь" (г. Череповец), ОАО "Новолипецкий металлургический

комбинат" (г. Липецк), ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (г.

Магнитогорск), ОАО "Волжский автомобильный завод" (г. Тольятти), ОАО "Чебоксарский

автоагрегатный завод" (г. Чебоксары).

Предложенные математические модели могут быть использованы также при

проектировании технологий и разработке техники применения других технологических

жидкостей - моющих растворов, электролитов, оборотных и сточных вод и др.

ГЛАВА 1

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЖ

1.1. КРИТЕРИАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДИСПЕРСНОГО СОСТОЯНИЯ СОЖ

Изменение дисперсного состояния СОЖ в процессе её эксплуатации приводит к

ухудшению функциональных и эксплуатационных свойств жидкости [25]. Учитывая, что до

90 % объема СОЖ, применяемых при металлообработке, приходится на долю эмульсионных

[81], ниже предпринято моделирование дисперсного состояния эмульсионных СОЖ с целью

прогнозирования его изменения в процессе эксплуатации. Моделирование проводили в

критериальной форме, как это принято при описании адгезии и других физико-химических

процессов.

Основной характеристикой эмульсионной СОЖ, с точки зрения её применения,

является размер частиц d дисперсной фазы (дисперсность). Изменение дисперсности связано

с изменением термодинамических (поверхностной энергии, температуры фазового перехода)

и физико-механических свойств (вязкости, упругости) СОЖ, а также с агрегативной

устойчивостью частиц дисперсной фазы. Эмульсионные СОЖ, как правило, представляют

собой тонкодисперсные (d= ( 10

-7

- 10

-6

) м) и грубодисперсные (d> 10

-6

м) системы, и

крайне редко, коллоидные (d= (10

-9

- 10

-7

) м) [52, 66, 80].

Микроскопический анализ СОЖ показал, что дисперсная фаза эмульсий может

находиться в следующих состояниях: диспергированном, коагулированном,

коалесцированном и пленочном (седиментированном) (рис. 1.1). Это объясняется агрегацией

частиц дисперсной фазы СОЖ в ходе её эксплуатации. Интенсивность этого процесса

зависит от внутренних (избыточная поверхностная энергия) и внешних (температура,

примеси и т. д.) факторов. Каждое состояние дисперсной фазы соответствует определенному

положению на кривой распределения массовой концентрации частиц по размерам.

Изменение массовой концентрации с частиц размера d

дисперсной фазы характеризует

изменение фи-

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ... 9

зико-химических свойств СОЖ, определяющих её технологическую эффективность и срок

эксплуатации.

Рис. 1.1. Распределение массовой концентрации

с дисперсной фазы эмульсии по размерам частиц: I -

после приготовления эмульсии;

II - в процессе эксплуатации; III - отработанная

СОЖ; 1, 2, 3, 4 - соответственно тонкодисперсное,

коагулированное, коалесцированное и пленочное

состояние

Размеры частиц дисперсной фазы и однородность эмульсии зависят от технологии её

приготовления: интенсивности' и продолжительности работы применяемых смесительных

устройств, температуры диспергируемой жидкости и её концентрации [2, 5, 55, 62, 81].

Причем, с повышением дисперсности частиц увеличивается однородность и стабильность

эмульсий.

С увеличением продолжительности диспергирования уменьшается размер частиц

дисперсной фазы до некоторого значения, которое определяется возможностями

применяемого устройства, его энергетическими характеристиками (рис. 1.2) [81].

Рис. 1.2. Влияние затрачиваемой мощности Р при

приготовлении эмульсионной СОЖ на её дисперсное

состояние: 1, 2, 3,4 - см. в надписи к рис. 1.1

Температура диспергируемой жидкости оказывает влияние на размер частиц через

изменение вязкости и поверхностного натяжения: с повышением тем-

Под интенсивностью диспергирования в большинстве случаев понимают скорость движения жидкости в смесительных

или других устройствах СП СОЖ.

10 ГЛАВА 1

пературы жидкости снижаются её вязкость и поверхностное натяжение, что облегчает

процесс диспергирования. Однако значительное повышение температуры уменьшает

адсорбцию молекул поверхностно-активных веществ на поверхности раздела фаз, что

снижает устойчивость образующихся частиц дисперсной фазы.

Концентрация компонентов СОЖ оказывает влияние на дисперсность частиц через

процессы агрегации, при этом тонкодисперсные частицы легче получить в

малоконцентрированных жидкостях.

Для анализа дисперсного состояния эм ульсионных СОЖ используем количественное

описание состояний их дисперсной фазы. Учитывая, что в эмульсионных СОЖ масса

дисперсной фазы, находящейся в коллоидном состоянии, пренебрежимо мала, запишем

уравнение баланса масс дисперсной фазы в следующем виде

=т

+т

кг

+т

кл

+т

, (1.1) где т

,т

кг

,т

кл

,т

масса дисперсной фазы соответственно в диспергированном, коагулированном,

коалесцированном и пленочном состоянии, кг.

Уравнения баланса масс дисперсной фазы СОЖ в процессе эксплуатации,

описывающие её деградацию, представлены в табл. 1.1.

1.1. Процесс деградации эмульсионных СОЖ