Введение к работе
Актуальность исследования
Исследование и моделирование состояния жидких сред с последующей оптимизацией их параметров часто применяются в различных областях науки и техники. Немаловажное значение имеет исследование поведения составляющих компонентов жидких сред (примесей): при механической обработке с использованием смазочно-охлаждающих (технологических) жидкостей (СОЖ), в физических, химических, биологических и геологических исследованиях и др. Контролирование уровня (концентрации) примесей в жидких средах важно как для достижения заданной чистоты жидкости (механообработка, применение топлива и т.п.), так и, наоборот, при обогащении полезных ископаемых примесями. Рассмотрим более подробно процессы механической обработки материалов.
Механическая обработка материалов используется во многих производственных процессах в различных областях промышленности. Эффективность процесса механообработки зависит от множества элементов технологической системы, одним из которых, наряду со станком, приспособлением, режущим инструментом, является СОЖ. Применение СОЖ при технологическом процессе подразумевает использование системы применения СОЖ, в которую входит оборудование для подачи СОЖ в зону механообработки и поддержание ее в работоспособном состоянии в течение длительного времени.
В большинстве случаев получение высокой производительности и качества механообработки достигается за счет техники применения СОЖ, а именно рациональной организацией систем ее эксплуатации вспомогательными службами цехов и заводов машиностроительных отраслей. Широкое внедрение новых СОЖ предъявило к системам их применения широкий диапазон требований, которые непрерывно ужесточаются.
Описание поведения СОЖ в системах ее применения с помощью математических моделей позволяет максимально точно определить состояние СОЖ и ее компонентов в любой момент времени в любой точке системы применения СОЖ. Математические модели дают возможность выявить зависимости основных параметров СОЖ (таких как концентрация механических примесей, концентрация эмульсола) от других параметров жидкости (давление, температура, скорость движения жидкости, граничные и начальные условия). Анализ данных зависимостей позволяет более эффективно влиять на процесс механической обработки с использованием СОЖ: контролировать концентрацию механических примесей, регулировать уровень основного компонента, влиять на качество обрабатываемых изделий. Развитие программных средств и численных методов позволяет на ранних этапах спрогнозировать работу систем применения, смоделировать поведение СОЖ, и в частности наиболее значимых ее параметров (концентрации примесей и основного компонента), в определенный момент времени.
Объектом исследований в диссертационной работе являются элементы систем применения СОЖ.
Предметом исследований является математическая модель концентрации механических примесей и основного компонента как параметров, оказывающих значительное влияние на свойства СОЖ в системе ее применения.
Цель и задачи диссертации
Цель диссертации состоит в разработке математической модели поведения значимых параметров СОЖ в системе ее применения, позволяющей создавать и прогнозировать работу элементов систем применения, а также осуществлять управляющее воздействие для эффективного использования СОЖ.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Разработать математическую модель поведения механических примесей и основного компонента СОЖ для элементов системы применения.
-
Определить начальные и граничные условия для решения полученной математической модели.
-
Разработать алгоритм решения математической задачи поведения механических примесей и основного компонента СОЖ в элементах системы применения.
-
Создать комплекс программных средств автоматизации процесса проектирования и эксплуатации элементов систем применения СОЖ на основе разработанной математической модели.
-
Провести экспериментальные исследования для оценки адекватности полученной математической модели поведения механических примесей и основного компонента.
-
Провести опытно-промышленные испытания созданного комплекса программного обеспечения.
-
Внедрить результаты работы в промышленность.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использовалось математическое моделирование, численное моделирование, метод конечных элементов, экспериментальное исследование течения жидкости в системе ее циркуляции.
Научная новизна:
-
Предложена методика проектирования, прогнозирования и оказания управляющего воздействия для элементов систем применения СОЖ с использованием математической модели поведения концентрации механических примесей и основного компонента, с возможностью оценки изменения во времени.
-
Разработана математическая модель поведения механических примесей и основного компонента СОЖ при ее движении в элементах системы применения.
-
Создан комплекс программ, использующий численные методы, для автоматизации процесса проектирования и прогнозирования работы элементов систем применения СОЖ, на основе анализа поведения концентрации механических примесей СОЖ, интегрированный с программным обеспечением ANSYS.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика проектирования, прогнозирования работы и оказания управляющего воздействия для элементов систем применения СОЖ с использованием математической модели поведения механических примесей и основного компонента, с возможностью оценки изменения во времени.
-
Математическая модель поведения механических примесей и основного компонента СОЖ при ее движении в элементах системы применения.
-
Комплекс программ автоматизации процесса проектирования и эксплуатации элементов систем применения СОЖ.
Практическая значимость научных исследований:
Применение предложенной методики проектирования, прогнозирования работы и оказания управляющего воздействия для элементов систем применения СОЖ и разработанной модели поведения концентрации механических примесей и основного компонента позволяет оптимизировать процесс моделирования и эксплуатации элементов систем применения, а также получать представление о поведении механических примесей и основного компонента в любой точке элемента систем применения в любой момент времени.
Более точные математические разработки и автоматизация процесса проектирования и прогнозирования значительно снижают затраты на разработку и эксплуатацию элементов систем применения, уменьшают процент ошибок при расчетах, дают возможность достаточно быстро и эффективно внести изменения в элементы систем применения СОЖ, наглядно моделируют работу будущих элементов систем применения, позволяя определить критичные режимы и области.
Предложенный метод при разработке математической модели поведения концентрации механических примесей и основного компонента может быть использован для подобных исследований других жидких сред (оценка биодобавок, синтетических присадок и т.п.).
Результаты диссертационный работы использовались в практике проектирования систем применения СОЖ на предприятиях г. Ульяновска (ОАО «Строймаш», ГП «СТАНКОСЕРВИС», ФГУП ПО «Ульяновский машиностроительный завод «Завод «Каркас»). Предложенные рекомендации позволили повысить эффективность работы систем применения СОЖ, сократить расходы на проектирование и эксплуатацию и более рационально использовать ресурсы предприятий.
Достоверность результатов исследования
Достоверность результатов исследования подтверждается следующим:
-
Математические зависимости не противоречат фундаментальным положениям теоретической механики.
-
Экспериментальные исследования подтверждают адекватность полученной математической модели.
-
Разработанный на основе полученной математической модели комплекс программ успешно прошел внедрение на производстве.
Апробация работы
Основные положения исследования докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
III научная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов», г. Ульяновск, 2000;
-
IV научная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов», г. Ульяновск, 2001;
-
V Международная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов», г. Ульяновск, 2003;
-
VI Международная конференция «Математическое моделирование физических, технических, экономических, социальных систем и процессов», г. Ульяновск, 2005.
Личный вклад
Разработка математической модели, проведение экспериментальных исследований, анализ результатов и обоснование выводов выполнено автором самостоятельно.
Публикации
Основные материалы диссертации отражены в 9 публикациях, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы
