Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Критический анализ состояния вопроса 11
1.1 Состав, строение и физико-механические свойства природного камня 11
1.2 Технологические процессы и оборудование для обработки природного камня 14
1.3 Анализ научных работ по шлифованию камня 26
1.4 Предлагаемая конструкция ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом 35
1.5 Цель и задачи диссертационной работы 37
1.6 Выводы по главе 38
ГЛАВА II. Теоретические исследования процесса шлифования природного камня чашечным абразивным кругом 39
2.1 Технологический процесс шлифования камня чашечным абразивным кругом и обоснование принципиальной схемы разрабатываемой ручной шлифовальной машины 39
2.2 Математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании и определение площади контакта абразивного круга с поверхностью 50
2.3 Интенсификация процесса шлифования с применением раствора смазочно-охлаждающей жидкости и порошкообразных абразивных материалов 60
2.4 Выводы по главе 74
ГЛАВА III. Методика и техника исследований 76
3.1 Экспериментальные шлифовальные машины 76
3.2 Разработка алгоритма выбора абразивных кругов и режимов шлифования камня 79
3.3 Разработка алгоритма измерения шероховатости обработанной поверхности камня 85
3.4 Средства измерения частоты вращения абразивных кругов, потребляемой мощности и уровня вибрации 90
3.5 Планирование полнофакторного эксперимента 97
3.6 Выводы по главе 105
ГЛАВА IV. Экспериментальные исследования процесса шлифования камня разработанной шлифовальной машиной 106
4.1 Методика проведения экспериментов по шлифованию камня и характеристики исследуемого материала 106
4.2 Анализ результатов полнофакторного эксперимента 111
4.3 Анализ результатов измерения потребляемой мощности 118
4.4 Анализ результатов измерения усилий на рукоятках управления и интенсификации процесса шлифования 120
4.5 Анализ результатов измерения уровня вибрации 123
4.6 Оборудование для интенсификации процесса шлифования камня 125
4.7 Выводы по главе 128
ГЛАВА V. Экономическое обоснование 130
5.1 Внедрение результатов исследования 130
5.2 Технико-экономическое обоснование
- Анализ научных работ по шлифованию камня
- Математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании и определение площади контакта абразивного круга с поверхностью
- Разработка алгоритма измерения шероховатости обработанной поверхности камня
- Анализ результатов измерения усилий на рукоятках управления и интенсификации процесса шлифования
Введение к работе
Актуальность темы исследования подтверждается также тем, что Правительство РФ приняло Постановление от 14.07.14г. №656 о запрете на допуск отдельных видов товаров машиностроения, происходящих из иностранных государств, для обеспечения государственных и муниципальных нужд.
Так как при обработке камня применяются шлифовальные машины преимущественно иностранного производства, то для выполнения условия импортозамещения, необходимо разработать современную отечественную шлифовальную машину, способную не только заменить импортные образцы, но и обеспечить более высокую производительность при меньших энергозатратах.
Объект исследования.
Объектом исследования является ручная шлифовальная машина с рабочим органом, состоящим из двух абразивных кругов, установленных соос-но и вращающихся в противоположные стороны.
Предмет исследования.
Предметом исследования является технологический процесс шлифования камня машиной с биротативным рабочим органом.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является определение рациональных конструктивно-технологических, энергетических параметров и режимов шлифования ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом для обработки изделий из камня и разработка методик расчета.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
анализ отечественных и зарубежных ручных шлифовальных машин для обработки камня, а также проблем и направлений по их конструктивно-технологическому совершенствованию;
разработка алгоритмов и компьютерных программ по выбору абразивных кругов и режимов шлифования, а также измерения шероховатости обрабатываемой поверхности камня при плоском шлифовании машиной с биротативным рабочим органом;
обоснование параметров биротативного рабочего органа шлифовальной машины, при которых обеспечивается равенство моментов резания на абразивных кругах;
разработка экспериментального образца шлифовальной машины с биротативным рабочим органом и выявление рациональных конструктивных параметров и режимов шлифования;
обоснование возможности применения растворов СОЖ и ПАМ для интенсификации процесса шлифования;
опытно-промышленное апробирование экспериментального образца ручной шлифовальной машины.
Научная новизна.
Научная новизна заключается в:
разработке математической модели прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании, учитывающей характеристики биротативного рабочего органа;
получении уравнений для определения геометрических параметров биротативного рабочего органа, при которых соблюдается равенство моментов резания на абразивных кругах;
дополнении классификации ручных шлифовальных машин признаками, учитывающими тип рабочего органа, а также возможности применения растворов СОЖ, порошкообразных абразивных материалов и обеспыливания зоны обработки изделия.
Практическая значимость работы.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом;
разработан алгоритм по выбору абразивных кругов и режимов шлифования камня и написана соответствующая компьютерная программа;
разработан алгоритм по измерению шероховатости обрабатываемой поверхности камня и написана соответствующая компьютерная программа;
разработан комплект оборудования для интенсификации процесса шлифования с использованием ручных шлифовальных машин;
в использовании результатов диссертационной работы в научно-
исследовательском, учебном процессе и на камнеобрабатывающих предпри
ятиях.
Методология и методы исследования.
Методологической основой исследования служат основные положения теории шлифования материалов, изложенные в трудах отечественных и зарубежных ученых. Для решения поставленных задач использовался экспериментально-аналитический метод исследований, позволяющий получить результаты, адекватные действительности. При этом реализованы методы математического моделирования, планирования эксперимента, поискового конструирования. Проводились стендовые испытания экспериментального образца, использовались контактные и бесконтактные методы измерения и фиксации результатов.
Работа выполнена с применением программных продуктов Microsoft Word, Microsoft Excel, КОМПАС-3D V12, Maple 9, VisualStudio 2010 с пакетом обновления SP1, Matlab.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса шлифования камня машиной с биротативным рабочим органом;
математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании, учитывающая характеристики биротатив-ного рабочего органа;
компьютерные программы по выбору абразивных кругов и режимов шлифования камня, а также по определению качества поверхности изделия после шлифования, на которые получены свидетельства на программный продукт;
экспериментальные образцы ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом, на которые получен патент на изобретение и два патента на полезную модель.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований с использованием стандартных средств и методов измерения, созданием ручной шлифовальной машины оригинальной конструкции, положительными результатами ее испытаний, а также одобрением полученных результатов на Международных научно-практических конференциях.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза 2011 г.), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии» (г. Шахты 2013 г., 2014 г.), на VI Между-
народной научно-практической конференции «Тенденции и перспективы развития современного научного знания» (г. Москва 2013 г.), на VI Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки» (г. Новосибирск 2013 г.), на Международной научно-практической конференции «Закономерности и тенденции развития науки» (г. Уфа 2014 г.), на Международной дистанционной научно-практической конференции «Современные тенденции развития науки и производства» (г. Кемерово 2014 г.), на Международной заочной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке» (г. Тамбов 2014г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы современной науки» (г.Ставрополь 2015 г.), а также в рамках конкурсных проектов по программе УМНИК (г. Ростов-на-Дону 2013 г., 2014 г.). Разработка была представлена на выставке «СТИМ Экспо» (г. Ростов-на-Дону 2012 г.).
Достоверность полученных результатов подтверждается промышленной апробацией результатов. Результаты диссертационных исследований внедрены на предприятии жилищно-коммунального хозяйства ООО «КОМФОРТ» в г. Донецке Ростовской обл., а также используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению «Технологические машины и оборудование».
Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на заседании кафедры «Технические системы ЖКХ и сферы услуг».
Публикации.
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в шестнадцати научных работах, в том числе в четырех статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК РФ, получены один патент на изобретение, два патента на полезную модель и два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 177 страниц текста компьютерного набора, 61 рисунок, 15 таблиц. Библиографический список содержит 108 наименований, в том числе 18 на иностранных языках.
Диссертация выполнена на кафедре «Технические системы жилищно-коммунального хозяйства и сферы услуг».
Анализ научных работ по шлифованию камня
Их рекомендовано использовать для грубого шлифования прочных камней, где требуется большой съем поверхности материала с обрабатываемого изделия, и обдирочных работ; монокорунд из - за строения зерна обусловливает более высокие показатели твердости, механической прочности и абразивной способности по сравнению с другими электрокорундовыми материалами кроме легированных, его рекомендовано использовать для обработки прочных и среднепроч-ных групп камней, но большее предпочтение в использовании монокорунда отдается второй группе камней для чистового шлифования; формокорунд и сферокорунд представляют собой материал, частицы которого имеют цилиндрическую и сферическую форму. Они характеризуются высокой прочностью и вязкостью, хорошей самозатачиваемостью и малым выделением теплоты. Их рекомендовано применять для шлифования низкопрочной группы камней [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Существуют абразивные материалы на основе карбида, такие как карбид кремния, карбид бора и кубический нитрид бора, в природе они не встречаются и значительно по твердости превосходят все виды электрокорунда [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Карбид кремния в зависимости от содержания примесей имеет окраску от светло-зеленого до темно-синего цвета. В качестве абразивного материала выпускают карбиды кремния зеленый и черный. Карбид кремния относительно хрупкий и непрочный материал, что ограничивает его применение только в операциях шлифования группы среднепрочных камней, а также его можно использовать для обработки низкопрочной группы.
Карбид бора обладает более высокой абразивной способностью, твердостью, термо - и химической стойкостью, хрупкостью и низкой прочностью, чем карбид кремния, является полупроводником. Его используют в виде свободного несвязного порошка и паст для доводки, полирования и притирки прочных и среднепрочных групп камней. Кубический нитрид бора имеет кристаллы преимущественно коричневого, почти черного цвета, реже окрашены в цвета с розовым оттенком или совсем бесцветные. Характеризуется высокой твердостью, абразивной способностью, термостойкостью и химической инертностью. Рекомендовано применять для обработки исключительно прочной группы камней [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Вещество или совокупность веществ, применяемых для закрепления зерен шлифовального материала и наполнителя в абразивном инструменте, называют связкой. Вид связки абразивного инструмента имеет большое значение для его прочности и режима работы. В производстве абразивных инструментов применяются два вида связок: неорганические (керамическая) и органические (бакелитовая, вулканитовая, глифталевая) [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Абразивный инструмент на керамической связке является наиболее распространенным. Это обусловлено в первую очередь тем, что использование керамической связки позволяет изготавливать инструменты самых различных типоразмеров и из всех видов абразивного материала.
Керамические связки могут быть двух видов: плавящиеся и спекающиеся. Плавящиеся связки почти полностью переходят в жидкое состояние и при охлаждении превращаются в стекло, поэтому они получили и другое название стекловидные, они используются для изготовления инструмента из корундовых материалов. Спекающиеся связки частично переходят в жидкое состояние и при охлаждении приобретают фарфоровидное состояние, на их основе изготавливают инструмент из карбида кремния.
Для улучшения рабочих свойств абразивного инструмента на керамической связке добавляют вещества, повышающие его пористость, что дает возможность его использования для всех операций шлифования и всех групп камней.
Абразивный инструмент на вулканитовой связке благодаря своей эластичности выдерживает при шлифовании большие ударные нагрузки. Связка представляет собой особый вид резины, т.е. провулканизировавшую смесь каучука с серой, ускорителями вулканизации и наполнителями, вводимыми для повышения прочности и жесткости изделий [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
В качестве шлифовального материала используют мелкозернистые электрокорунды и карбиды кремния. Абразивные круги на вулканитовой основе рекомендовано применять для чистовых операций и полировки средне-прочных групп камней.
Глифталевая связка представляет собой синтетическую смолу из глицерина и фталевого ангидрида. Отличительная особенность кругов на глиф-талевой связке — их повышенная упругость. На основе глифталевой связки изготавливают абразивные круги из электрокорундов и карбидов. Ее рекомендовано применять на отделочных работах прочных и среднепрочных групп камней [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Сложность процесса шлифования камня и большое число переменных параметров режущего инструмента - шлифовального круга или его разновидностей (по свойствам, геометрическим параметрам зерна, расположению зерен на рабочей поверхности, свойствам связки, твердости) [8, 76], а также большое разнообразие физико-механических свойств камня, создают значительные трудности при оптимальном выборе абразивных материалов и режимов шлифования камня [7, 8, 76].
В связи с этим, была поставлена задача по созданию программного обеспечения, позволяющего оператору выбирать нужный абразив и режим шлифования, а также при необходимости подбирать ПАВ для активации процесса шлифования, вследствие чего можно ожидать повышение производительности обработки при рациональном расходе материалов.
Математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании и определение площади контакта абразивного круга с поверхностью
Одним из вариантов интенсификации процесса шлифования камня является применение растворов смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в присутствии ПАВ, а также ПАМ [77].
Поверхностно-активные вещества - это вещества, обладающие более высокой поверхностной активностью по сравнению с водой, что является следствием строения их молекул. По химическому строению все ПАВ можно разделить на две большие группы: ионные (диссоциирующие в воде) и неио-ногенные (не диссоциирующие в воде), уменьшающие усилие резания до 35% [77]. В свою очередь ионные ПАВ делятся на катионные (диссоциируют с образованием поверхностно-активного катиона), снижают усилие резания на 45 - 48% [77], анионные (диссоциируют с образованием поверхностно-активного аниона), понижают усилие резания до 54 - 58% [77] и амфотерные (диссоциируют в зависимости от рН дисперсной среды либо с образованием поверхностно-активного катиона, либо с образованием поверхностно-активного аниона) [77]. Так как ПАВ имеют высокую стоимость и повышенную химическую активность на поверхности обрабатываемого камня, то для их оптимального применения и достижения максимально полезного эффекта ПАВ добавляют либо в воду, либо в масло, что в совокупности дает раствор СОЖ [56, 59].
Как показывает практика, применение масляных СОЖ оказывает неблагоприятное влияние на экологические показатели производства и вызывают значительные трудности по их утилизации, поэтому целесообразней использовать водные СОЖ [55, 58].
Согласно свойствам, предъявляемым к СОЖ, они разделяются на функциональные, эксплуатационные и санитарные. К функциональным свойствам относятся: смазочная, охлаждающая, проникающая и моющая способности. У эксплуатационных свойств выделяют: стабильность при хранении, отсутствие коррозионного действия на инструмент и обрабатываемую поверхность, отсутствие отложений осадка на деталях инструмента и в системе подачи, отсутствие вспениваемости, устойчивости к заражению бактериями, пожарная безопасность. Санитарные свойства определяют как отсутствие вредного воздействия на организм оператора, неприятного запаха, минимальное загрязнение сточных вод и простота их обезвреживания [56, 59].
СОЖ могут быть в виде жидкостей, паст, а также твердых мылообраз-ных продуктов различных цветов с ароматическими запахами. У растворов СОЖ можно выделить наиболее значимые свойства: солюбилизация, эмульгирование (повышению коллоидной растворимости), адсорбция (способность к самопроизвольному перераспределению компонентов между сплошной фазой и поверхностным слоем).
Адсорбция в свою очередь может быть внешней и внутренней. Внешняя вызывается адсорбцией раствора СОЖ на внешней поверхности твердого тела, что приводит к снижению предела текучести и коэффициента упрочнения. Внутренняя возникает в результате адсорбции раствора СОЖ на поверхности микротрещин внутри камня, следствием чего является снижение прочности и хрупкость [77]. В процессе обработки камня при шлифовании образуется дефектный слой, состоящий из микротрещин поверхности. Такие микротрещины распространяются как в сторону вектора скорости главного движения и Рисунок 2.12 - Схема распространения микротрещин при шлифовании без применения раствора СОЖ: 1 - абразивный круг, 2 - обрабатываемый камень, 3 - микротрещины, ип - подача круга. способствуют отделению слоя материала, так и вглубь обрабатываемой заготовки. После прохода абразивного инструмента и снятия нагрузки значительная часть микротрещин закрывается (рисунок 2.12). При этом большая часть полезной энергии, затраченная на их образование, не используется.
Во время шлифования с добавлением воды она способствует незначительному снижению сопротивляемости камня разрастанию микротрещин. Однако из-за того, что поверхностное натяжение на границе вода-воздух сравнимо с таковым на границе вода-камень, удовлетворительного смачивания вновь образованной поверхности не происходит. Вода под действием сил молекулярного сцепления выдавливается, и микротрещина закрывается [77].
Во время шлифования камня в присутствии раствора СОЖ, действия которых основаны на понижении поверхностной энергии, увеличивается область распространения микротрещин (рисунок 2.13), а также происходит промывание абразивных кругов и обрабатываемой поверхности от пыли и продуктов износа и уменьшение коэффициентов трения [61].
Разработка алгоритма измерения шероховатости обработанной поверхности камня
В качестве шлифовального материала используют мелкозернистые электрокорунды и карбиды кремния. Абразивные круги на вулканитовой основе рекомендовано применять для чистовых операций и полировки средне-прочных групп камней.
Глифталевая связка представляет собой синтетическую смолу из глицерина и фталевого ангидрида. Отличительная особенность кругов на глиф-талевой связке — их повышенная упругость. На основе глифталевой связки изготавливают абразивные круги из электрокорундов и карбидов. Ее рекомендовано применять на отделочных работах прочных и среднепрочных групп камней [13, 15, 18, 64, 65, 66, 67, 75].
Сложность процесса шлифования камня и большое число переменных параметров режущего инструмента - шлифовального круга или его разновидностей (по свойствам, геометрическим параметрам зерна, расположению зерен на рабочей поверхности, свойствам связки, твердости) [8, 76], а также большое разнообразие физико-механических свойств камня, создают значительные трудности при оптимальном выборе абразивных материалов и режимов шлифования камня [7, 8, 76].
В связи с этим, была поставлена задача по созданию программного обеспечения, позволяющего оператору выбирать нужный абразив и режим шлифования, а также при необходимости подбирать ПАВ для активации процесса шлифования, вследствие чего можно ожидать повышение производительности обработки при рациональном расходе материалов.
На основании ранее проведенных исследований и полученных экспериментальных данных [16, 76, 77], было разработано автономное программное обеспечение для персональных компьютеров и мобильных платформ Android и IOS, рисунок 3.6: «Программа по выбору абразивных кругов и режи мов шлифования камня с применением поверхностно-активных веществ» [76, 78].
Сущность программы заключается в том, что выбрав для обработки камень и задав требуемую чистоту обработки, на выходе можно получить требуемую характеристику абразивных кругов (абразивный материал, связка, зернистость), рекомендуемую частоту вращения и данные о ПАВ [76, 78].
Рисунок 3.6 – Интерфейс программы по выбору абразивных кругов и режимов шлифования камня с применением поверхностно-активных веществ.
Программа представляет собой два файла: RubHelper.exe и data.frh. Первый из них является исполняемым файлом, запустить который можно на любой машине под управлением ОС семейства Windows, программа также рассчитана для мобильных платформам, таких как Android и iOS . Второй файл представляет собой набор данных, которые будут выводиться пользователю при выборе им различных параметров обработки. Данные записаны в xml-подобном формате. Этот формат не является полнофункциональным форматом XML, так как для работы с ним не используются стандартные библиотеки обработки XML, а используется своя логика для чтения и записи. Сделано это было для обеспечения универсальности приложения и обеспечения запуска на тех ОС, где нет стандартных библиотек для обработки XML. Хотя их использование позволило бы в достаточной степени оптимизировать скорость работы приложения, это вряд ли как-то будет заметно конкретному пользователю, так как современные вычислительные мощности персональных компьютеров позволяют без труда обрабатывать такие небольшие объемы данных, как в данном приложении. Отказ от стандартных библиотек XML позволит в будущем без проблем портировать программу на другую платформу [76, 78].
Для создания программы была использована среда разработки Visua-lStudio 2010 с пакетом обновления SP1, так как она позволяет очень гибко взаимодействовать с платформой. Разработка проводилась в ОС Windows 8.1. Для работы программы в более ранних версиях Windows в свойствах проекта был изменен требуемый пакет .NET Framework c 4.5 на 3.0 [68, 70, 71].
Исходный код расположен в трех основных классах, которые названы в соответствии с логикой именования классов [76, 78, 80]: DBEditor (отвечает за редактирование данных, выводимых программой), IO (отвечает за загрузку и выгрузку данных в XML формате), MainForm (содержит обработчики событий главного окна программы).
В коде можно увидеть отсутствие сложных алгоритмов обработки данных, все операции простые и разделены по функциям, имеющим логическое название[76, 78, 81, 82] (Приложение 3).
На современных камнеобрабатывающих предприятиях, в промышленном и гражданском строительстве, а также в коммунальном хозяйстве оценка качества обработанной поверхности изделия в настоящее время производится визуально, тактильно или способом профилометрирования [1, 7], что не отвечает современным требованиям.
В связи с этим, была поставлена задача по созданию программного обеспечения, позволяющего произвести оценку любого участка обработанной поверхности путем ее сканирования либо фотографирования в режиме макросъемки. На основании раннее проведенных исследований и полученных экспериментальных данных было разработано автономное программное обеспе-85 чение для персональных компьютеров и мобильных платформ Android и IOS: «Программа для определения шероховатости поверхности камня» (Приложение 4) [86].
Так как двумерные изображения не несут в себе информации о глубинной составляющей поверхности камня, предложен подход, основанный на выделении на исходном изображении локальных участков и соотнесении их к классам с различным уровнем шлифовки. После чего в зависимости от того, каких участков на изображении больше, производится вывод об уровне шлифовки всей поверхности [88].
На начальном этапе входное изображения Itj разбивается на г областей Lrmп, где m = \,t,n = \,t. Значение t задается априорно и зависит от разрешения обучающей выборки и входного изображения ItJ . В данной работе значение t = 100. После чего для каждого Lrmn фрагмента формируется вектор признаков (дескриптор). Для формирования данного вектора признаков был использован модифицированный текстурный оператор LBP [88].
Оригинальный LBP [88, 89] оператор рассчитывается путем сравнения каждого пикселя вокруг центрального пикселя, принятого за пороговое значение, в локальной области размером 3 на 3 пикселя. Если центральный пиксель меньше или равен соседнему, то на его место записывается 1, иначе 0. В результате проделанной операции центральному пикселю соответствует 8-битный двоичный код, что показано на рисунке 3.7.
Анализ результатов измерения усилий на рукоятках управления и интенсификации процесса шлифования
Разработанная в диссертации шлифовальная машина так же имеет угловое исполнение, но ее отличие от базового варианта состоит в том, что на машине соосно установлены два чашечных абразивных круга с возможностью вращения в противоположные стороны, а в ограждающем кожухе имеется патрубок для отсоса пыли. Кроме того, в теле вертикального вала выполнено центральное сквозное отверстие, через которое можно подавать в зону обработки либо только воду, либо воду с раствором СОЖ, либо воду с ПАМ. Эти инновации в конструкции шлифовальной машины позволяют, как показывают результаты экспериментальных исследований, повысить производительность обработки камня и существенно улучшить санитарно-гигиенические условия работы оператора.
Исходные данные к расчету приведены в таблице 5.2. Таблица 5.2 – Исходные данные для расчета эффективности результатов ис следований. так как производительность предлагаемой шлифовальной машины больше базовой в 1,75 раза, машина может выполнить годовую программу за 143 дня
Эффективность от внедрения предлагаемого варианта шлифовальной машины можно оценить посредствам чистого дисконтированного дохода, который представляет разницу между доходами П, полученными за срок экс-133 плуатации машины, и инвестициями, которые определяются ценой предлагаемой шлифовальной машины Ц [108]: где Т - горизонт расчета; г - уровень инфляции; t - шаг расчета. За шаг расчета принят один календарный год, за горизонт расчета -пять лет, а ожидаемый уровень инфляции в 2015 г. - 12%. где Npm - число рабочих дней в году; псм - число смен; tCM - продолжительность смены; ки см - коэффициент использования времени смены; N - установленная мощность электродвигателя; Цэс - цена одного кВт-ч электроэнергии для предприятий в Ростовской области (по данным Ростовэнерго в 3-м квартале 2015 г. 1 кВт-ч электроэнергии для предприятий стоит 5,2 руб). Расход средств по электроэнергии за первый год эксплуатации: по базовому варианту:
В диссертационной работе на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по разработке ручной шлифовальной машины с биротативным рабочим органом для обработки изделий из камня в сфере жилищно-коммунального хозяйства, промышленного и гражданского строительства. При выполнении исследований получены следующие выводы и результаты, имеющие научное и практическое значение:
1. Рассмотрены основные типы и особенности существующих конструкций ручных шлифовальных машин. Установлено, что недостатками этих машин являются значительные нагрузки на руки оператора, высокий уровень вибрации, невозможность интенсификации процесса шлифования за счет подачи в зону обработки растворов СОЖ, либо порошкообразных абразивных материалов, отсутствие возможности отсоса или улавливания пыли, высокая стоимость.
2. На основании теоретических исследований установлено, что применение на шлифовальной машине биротативного рабочего органа обеспечивает уравновешивание моментов резания на абразивных кругах, вследствие чего машина может устойчиво обрабатывать изделие, что исключает риски образования дефектов на обрабатываемой поверхности. Кроме того, при применении биротативного рабочего органа существенно увеличивается площадь обработки изделия за один проход.
3. Разработана математическая модель прогнозирования качества поверхности камня при плоском шлифовании, учитывающая характеристики биротативного рабочего органа. Показано, что шероховатость обрабатываемой поверхности подчиняется двумерному нормальному закону распределения. Получена зависимость для определения числа проходов шлифовальной машины по камню до получения требуемой шероховатости.
4. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны математические алгоритмы, на основании которых написаны компьютерные программы для выбора абразивных кругов и режимов шлифо вания, а также для оценки качества обработанной поверхности, позволяющие существенно сократить затраты времени на проведение данных операций.
5. Выполненные исследования по шлифованию камня доказали работоспособность экспериментальной шлифовальной машины. По результатам экспериментальных исследования и производственных испытаний установлено, что производительность обработки увеличилась в 1,7 – 1,8 раза при снижении удельных энергозатрат на 58 – 60 % и уменьшении показателей вибрации в 1,5 – 2,0 раза по сравнению с известными образцами. При этом наилучшим сочетанием зернистости абразивных кругов для предварительного, комбинированного и чистового шлифования признан вариант: наружный круг с меньшей зернистостью, а внутренний с большей зернистостью.
6. Разработана ручная шлифовальная машина с биротативным рабочим органом, на конструкцию которой получены патент на изобретение и два патента на полезную модель. Машина внедрена в производство, расчетный годовой экономический эффект составляет от 76 до 80 тыс.р. При этом обеспечивается значимый социальный эффект.
7. Предложено оборудование для интенсификации процесса шлифования камня, на который получен патент на полезную модель. Комплект обеспечивает возможность шлифования камня с подачей в зону обработки либо раствора СОЖ, либо порошкообразных абразивных материалов, либо и того, и другого.