Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы энергопотребления технологических систем 16
1.1. Методы учета и нормирования затрат энергии 16
1.2. Факторы эффективности энергопотребления 27
1.3. Возможности управления энергопотреблением технологических систем 38
1.4 Эффективность энергопотребления технологических систем операций 43
Выводы по первой главе, цель и задачи исследований 69
2. Моделирование и оценка эффективности энергопотребления технологических систем 71
2.1 Сравнение эффективности энергопотребления
технологических систем по их компонентам 71
2.2. Обоснование требований к критерию эффективности энергопотребления 77
2.3. Критерий эффективности энергопотребления технологических систем 86
2.4.0ценка возможности управления фоновым потоком энергии 105
2.5. Идентификация параметров процесса резания 115
2.6. Модель энергопотребления на уровне систем машин 125
ф 2.7. Эффективность энергопотребления на уровне процессов
(операции механической обработки) 136
Выводы по второй главе 147
3. Модель управления энергопотреблением технологичеких систем 149
3.1.Основные положения моделирования технологических систем в непрерывных переменных 149
3.2. Модель энергопотребления на уровне комплексов систем машин 157
3.3. Эффективность энергопотребления на уровне комплексов систем машин 165
3.4 Управление энергопотреблением на основе самоорганизации технологических систем 175
Выводы по третьей главе 186
4. Методические основы технологического мониторига энергопотребления технологических систем 187
4.1. Прогнозирование и нормирование затрат энергии 187
4.2. Технологический мониторинг энергопотребления технологических систем 200
4.3. Программа повышения эффективности энергопотребления 213
Выводы по четвертой главе 226
5. Структурные способы повышения эффективности энергопотребления технологических систем 227
5.1.Структурная адаптация технологических систем на уровне комплексов систем машин 227
5.2. Управление распределением вторичных энергоносителей 238
5.3. Методы сокращения затрат энергии на уровне систем машин при выполнении вспомогательных операций 245
5.4. Модульный принцип построения технологических систем на уровне машин 256
Выводы по пятой главе 268
6. Параметрические способы повышения эффективности энергопотребления технологических систем 270
6.1. Сокращение затрат энергии фонового потока на уровне систем машин 270
6.2. Параметрическое управление энергопотреблением на уровне машины 291
6.3. Управления энергопотреблением на уровне машин при формообразующем движении 329
6.4. Способы повышения эффективности энергопотребления ТС на уровне воздействий (на примере процесса точения с введением тепла в зону резания) 343
Выводы по шестой главе 364
Основные выводы 366
Список литературы
- Возможности управления энергопотреблением технологических систем
- Критерий эффективности энергопотребления технологических систем
- Эффективность энергопотребления на уровне комплексов систем машин
- Технологический мониторинг энергопотребления технологических систем
Введение к работе
Современная тенденция совершенствования производства направлена на повышение его энерговооруженности, на внедрение прогрессивных технологических процессов, на улучшение качества деталей машин путем использования различных видов механической, термической и гальванической обработки. Она характеризуется применением сложных и уникальных технологических процессов, в которых задействованы огромные потоки материалов и энергии. Постоянно возрастающие требования к качеству и стабильности этих процессов заставляют по новому взглянуть на энергопотребление в технологических системах (ТС). Техническая компонента этих систем имеет сложную иерархическую структуру, включающую в себя уровни: воздействий, процессов, машин (исполнительных органов), систем машин (технологического оборудования), комплексов систем машин (производственных подразделений). Каждый уровень вносит свой вклад в непроизводительные потери энергии. Ошибочная стратегия в управлении энергопотреблением ТС приводит к большим материальным и энергетическим потерям, и может явиться причиной ухудшения качества выпускаемой продукции.
Рост цен на нефть, начиная с 1973 г., заставил обратить пристальное внимание на необходимость эффективного использования энергоресурсов. Для начала, чтобы уменьшить видимые потери, страны — импортеры нефти взяли на вооружение стратегию сокращения энергопотребления, повышая цены или изменяя привычный образ жизни. Сокращение энергопотребления - это показатель ухудшения общепринятого качества жизни [270]. Хотя эти меры имели некоторый успех, концепция эффективного управления энергопотреблением возобладала в 80-х гг.[313, 318]. Она подразумевает максимально возможный выпуск продукции при ограниченном расходовании энергии. В отличие от сокращения энергопотребления это более динамичная
5 концепция, опирающаяся на систематический контроль соответствия энергопотребления условиям функционирования и введению новых технологий.
Более эффективное энергопотребление приводит к уменьшению сбросовых потерь по всей цепочке преобразования энергии, начиная со снижения потребления ископаемых видов топлива. С экологической точки зрения это выражается в сокращении выбросов тепла, снижении парникового эффекта. Устранение причин непроизводительных потерь энергии дает больший эффект, чем борьба с их проявлениями.
Изменение режима энергопотребления являются результатом действия различного рода причин, связанных с циклом деловой активности. Они оказывают большое влияние на производственные издержки, цены, прибыли, инвестиционные стимулы и, следовательно, на инфляцию и экономический рост.
Важно обеспечить с точки зрения экономии затрат энергии наиболее гибкое и эффективное использование таких производственных ресурсов, как станки и оборудование. Лучшее использование "омертвленного" капитала, реагирование на достижения технического прогресса и быстрое изменение рынка — все это важные причины для разработки методов эффективного энергопотребления.
Многие виды деятельности подвержены существенным сезонным колебаниям. В промышленном производстве к изменению графика в зависимости от сезона зачастую прибегают как к средству ограничения роста запасов и "омертвления" капитала.
Для каждого вида работ сырье, как правило, заказывается и завозится на склад заблаговременно. Кроме того, в каждый отдельно взятый момент на предприятии всегда хранятся заделы, полуфабрикаты и различные комплектующие, ожидающие дальнейшей переработки. В отличие от них энергоресурсы не хранятся и не накапливаются, однако требуют заблаговременных финансовых затрат. Ни одна сколь угодно хорошо разработанная система не может быть эффективной при любых обстоятельствах. Чтобы максимизировать эффективность, в ее структуру должны быть заложены гибкость и динамизм. Однако любая организационная структура должна соответствовать системе и стилю управления.
Приспособление продукции к запросам потребителей накладывает непростые требования, как на службу сбыта, так и на систему производства. Предприятия должны уметь делать надежные прогнозы потребностей в различных моделях и узлах, а также быть в состоянии часто менять планы производства, а, следовательно, прогнозировать и необходимые затраты энергии.
В отечественной промышленности за последние 10 лет доля стоимости энергоносителей в себестоимости продукции по отдельным отраслям возросла с 5 - 7% до 20 - 25 % [197, 204, 226, 303]. С одной стороны, это объясняется уменьшением загрузки производства, которую здесь и в дальнейшем следует понимать как общее количество выполняемых деталей-операций в ТС. С другой, это показывает на не эффективное использование энергии технологическими комплексами предприятий машиностроения, то есть не рациональное энергопотребление и отсутствие возможности его изменения в нужном направлении. В связи, с чем анализ технологических основ режима энергопотребления ТС приобретает на современном этапе большое значение. Он позволяет принять эффективные и своевременные решения в коррекции структуры и организационно-технологических характеристик ТС, обеспечивающих снижение энергоемкости технологического процесса. Препятствием на этом пути является отсутствие: в теоретическом плане-единого подхода к различным подсистемам, определяющим режим энергопотребления ТС; в практическом плане- возможностей структурно параметрических изменений в ТС, соответствующих изменению условий функционирования, что не позволяет вскрыть техническую сущность той или иной проблемы и наметить пути ее решения.
7 Очевидно, чем сложнее система, тем более разносторонние и информативные показатели требуются для оценки качества ее функционирования. Оптимизация функционирования сложных систем невозможна без предварительной оценки их управляемости и наблюдаемости.
Строгое решение задачи управляемости взаимосвязанных многоконтурных систем, к которым относится и ТС, требует четкого математического описания всех ее элементов и связей и представляет актуальную проблему на современном этапе. Особое место среди таких систем занимают ТС машиностроительных предприятий. В развитых промышленных странах объем продукции металлообработки составляет около 30...40% общего производства продукции [320]. Характерным ее признаком является частая смена номенклатуры обрабатываемых изделий, постоянный рост требований к качеству и эксплуатационным свойствам выпускаемой продукции, концентрация широкой гаммы, как обрабатывающих инструментов, так и материала заготовок на единицу технологического оборудования, увеличение доли использования точных заготовок и т. д. [148, 161, 172]. Это накладывает определенное порой существенное влияние на режим энергопотребления ТС на уровне машин и систем машин.
Требование увеличения гибкости технологического оборудования приводит к усложнению конструкций многоцелевых, многооперационных станков и обрабатывающих центров, вызванной, в частности, необходимостью увеличения числа режущих инструментов. Возрастает сложность, объем и стоимость средств доставки инструмента в зону резания. Существенным недостатком многооперационных станков является то, что смена режущего инструмента, как правило, происходит по конструктивным соображениям в определенных местах, находящихся на большом удалении от зоны резания. Это приводит к увеличению длительности холостых ходов, к значительному росту времени смены режущего инструмента, а, следовательно, к увеличению общего времени пребывания заготовки в производстве и, в конечном счете, к
8 увеличению затрат энергии на ее изготовление. Время смены инструмента на отдельных многооперационных станках достигает 45 с и более, что снижает преимущества этого класса оборудования, обусловленные их высокой гибкостью [92].
В условиях постоянного роста стоимости энергоносителей, и как следствие, увеличения их доли в себестоимости изделий актуальной стала задача оценки соответствия энерговооруженности технологического оборудования решаемым технологическим задачам и условиям фун кци онирования.
Одной из причин, приводящей к возникновению такого рода несоответствия, является отклонение нагрузки на привод от номинального значения, обусловленного непостоянством сил резания, которое объясняется в частности: большим разнообразием обрабатываемых заготовок и режимов резания; зависимостью коэффициента полезного действия (КПД) приводов от нагрузки; уменьшением коэффициента загрузки оборудования, и т.д.
Известно достаточно много способов стабилизации параметров процесса обработки. Однако эти способы имеют ряд существенных недостатков и не учитывают требования уменьшения потерь энергии в приводах станочных систем.
Высокие темпы развития машиностроения неразрывно связаны с интенсификацией процессов механической обработки материалов резанием. Несмотря на значительный прогресс в методах получения деталей без снятия стружки (давлением, точным литьем, сваркой и т. п.), удельная трудоемкость механосборочных работ не только не уменьшается, но даже возрастает и достигает по отдельным отраслям 60...70% общей трудоемкости изготовления машин. Это связано с непрерывно растущими требованиями к точности и качеству обработанной поверхности в условиях усложнения геометрических форм деталей машин, расширения области применения новых высокопрочных сталей и сплавов. По оценкам различных специалистов даже при точении только 10...15% энергии, вводимой в зону обработки, тратится на образование новых поверхностей на заготовке, что говорит об относительно высокой энергоемкости процесса. Поэтому интенсификация процесса резания, снижение его энергоемкости продолжают оставаться одной из важнейших проблем развития этого метода обработки.
Повышение прочности деталей машин на фоне необходимости интенсификации режимов резания приводят к тому, что температура процесса становится одним из факторов, ограничивающих производительность операций и оказывающих существенное влияние на качество и точность изделий. В связи с этим возникает необходимость управления тепловыми режимами при механической обработке материалов.
Благодаря научным исследованиям произошел значительный прогресс в этих методах обработки: разработаны оригинальные схемы резания, освоены новые инструментальные материалы и износостойкие покрытия, созданы эффективные составы СОЖ и методы подогрева срезаемого слоя и т. д. Однако большинство из них эффективны лишь в определенных, иногда очень узких условиях эксплуатации вследствие избирательности действия. Реализация их, как правило, связана с материальными затратами, и не учитывает необходимости повышения эффективности энергопотребления ТС на уровне воздействий. В данной работе изменение режима энергопотребления, а также свойств инструментального и обрабатываемого материалов оценивается как следствие преобразования внешней энергии в энергию внутренних процессов взаимодействующих материалов. Определение закономерностей такого преобразования энергии позволяет раскрыть и максимально использовать внутренние ресурсы, заложенные в самом процессе резания, для управления энергопотреблением и стойкостью инструмента.
10 До недавнего времени увеличение скорости резания признавалось едва ли не единственным перспективным направлением развития механообработки, позволяющим сократить время на обработку и улучшить качество обработанной поверхности.
В создавшейся ситуации наиболее перспективными являются поиски альтернативных путей снижения энергоемкости процесса резания. К ним следует отнести введение в зону резания дополнительной энергии, снижающей работу образования новых поверхностей, в частности, энергию высокочастотных колебаний или теплового потока и т. д. Несмотря на большое количество исследований в этом направлении, остались открытыми вопросы определения оптимальных значений энергии, условий ее ввода и дозирования, согласования дополнительных источников энергии с основными источниками, способствующего проявлению синергетических эффектов.
Таким образом, актуальной является проблема нерационального потребления энергии технологическими комплексами предприятий машиностроения. Она усугубляется отсутствием технологических основ нормирования затрат энергии и нарушением соответствия энергопотребления технологически необходимым нормам на всех уровнях ТС при изменении условий функционирования. Решение этой проблемы требует обоснования эффективного энергопотребления ТС на основе ее модели, как единой системы с входными и выходными потоками, выраженными в энергетических категориях, создающей средства для контроля соответствия затрат энергии применяемой технологии, то есть технологического мониторинга режима энергопотребления. Проблема охватывает разработку новых принципов построения и адаптации структуры ТС к изменяющимся внешним и внутренним факторам, алгоритмов регулирования энергопотребления и технических средств для их реализации на различных иерархических уровнях. Ее решение позволит реализовать режим эффективного использования энергии в различных условиях функционирования ТС, обеспечивая требуемый объем выпуска продукции при ограниченном расходовании энергии.
К числу современных способов решения такого рода проблем следует отнести: системный подход к постановке задачи, учитывающий взаимодействие разнохарактерных подсистем на различных уровнях в пространственно-временной области. Математическое и имитационное моделирование объектов в такой постановке позволяет наметить организационно-технические мероприятия, сформулировать требования к структуре и элементам технологических систем, предложить новые оригинальные решения, алгоритмы управления и технические средства, реализующие их.
Цель работы заключается в повышении эффективности энергопотребления технологических систем на различных иерархических уровнях за счет адаптации их к внешним возмущениям при оптимальном управлении, учете и научно обоснованном нормировании затрат энергии.
В соответствии с поставленной целью определены и решены, следующие задачи исследований:
1. Построить модель технологической системы в энергетических категориях, устанавливающую функциональные связи ее загрузки, структуры, технологических принципов и технических средств, увязывающую затраты энергии и ее параметры на всех иерархических уровнях, а также позволяющую формализовать критерий эффективного энергопотребления.
Идентифицировать параметры воздействий, технологических процессов и оборудования, определяющие режимы энергопотребления технологических систем операции, разработать методику нормирования затрат энергии.
Разработать способы, технические средства и мероприятия повышения эффективности управления энергопотреблением технологических систем на различных иерархических уровнях.
12 Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Теоретические основы анализа и оценки эффективности энергопотребления, включающие в себя комплекс математических моделей ТС в энергетических категориях: - модель, устанавливающую функциональную связь структуры ТС, технологических принципов, технических средств, условий загрузки производства и режима энергопотребления, методической основой которой является годограф вектора «энергетического содержания» элемента материального потока в декартовой системе с координатами, характеризующими собственную энергию элемента, энергию его пространственного положения и энергию, накапливаемую в нем в результате воздействия производственной среды; она отражает изменение энергопотребления по мере продвижения элемента по ходу технологического процесса; - модель технологической системы операции механической обработки, базирующуюся на понятии обобщенного г-параметра и устанавливающую функциональную связь локальной энергоемкости деталей-операций с параметрами технологических воздействий, переходов и маршрутов обработки, характеристиками обрабатываемых деталей и технологического оборудования; - модель ТС в непрерывных переменных, устанавливающую функциональные связи режимов энергопотребления с установленными мощностями и распределением загрузки технологического оборудования.
2. Критерии оценки эффективности энергопотребления ТС на различных иерархических уровнях: - обобщенный интегральный критерий, характеризующий положение вектор «энергетического содержания» элемента материального потока в декартовой системе координат и отражающий эффективность использования энергии на заданном участке технологического процесса; - частные дифференциальные критерии, характеризующие энергоемкости соответственно транспортных и технологических операций, а также изменение энергии пространственного положения при приращении собственной энергии элемента материального потока на единицу; они отражают динамику изменения потребляемой и собственной энергии элемента по ходу технологического процесса.
3. Методические основы: - расчета и нормирования затрат энергии ТС на различных иерархических уровнях: воздействий, процессов, машин, систем машин, комплексов систем машин; - децентрализации систем генерации и распределения вторичных энергоносителей, учитывающей изменяющуюся в зависимости от условий функционирования ТС потребность в них производственных подразделений.
4. Результаты практической реализации разработанных методов и технических средств повышения эффективности энергопотребления ТС на различных иерархических уровнях.
Научная новизна заключается в установлении функциональных связей эффективности энергопотребления со структурой, технологическими принципами, техническими средствами и условиями функционирования технологических систем на различных иерархических уровнях, отражающих увеличение затрат энергии при нарушении единства их характеристик и условий функционирования, и раскрываемых на основе математических моделей в энергетических категориях и критерия оценки эффективности использования энергии, методической основой которых является годограф вектора "энергетического содержания" элемента материального потока в декартовой системе с координатами, характеризующими собственную энергию элементов, энергию их пространственного положения и энергию, накапливаемую в них в результате воздействия производственной среды.
14 Методы исследования. Теоретические исследования процессов энергопотребления ТС проводились с использованием векторного анализа, термодинамики, электродинамики, методов вариационного исчисления, теории управления нелинейными системами и системами с распределенными параметрами, основных положений технологии машиностроения.
Вычислительные эксперименты проводились с использованием современных методов и средств математического и имитационного моделирования электрических, электромеханических и тепломеханических систем на основе стандартных пакетов и программ MAPL и MicroCup. Экспериментальная проверка результатов работы проводилась на реальном технологическом оборудовании и специальных установках. Достоверность результатов подтверждается использованием современных регистрирующих приборов и методов обработки результатов экспериментов и их совпадением с выдвинутыми теоретическими положениями.
Практическая значимость заключается в следующих результатах: научно обоснованные методы расчета и прогнозирование затрат энергии, позволяют осуществлять нормирование и формирование своевременных оптимальных заказов на энергоносители, исключающие возможность омертвления капитала и создающие реальные средства для технологического мониторинга энергопотребления ТС; методика построения систем генерации и распределения вторичных энергоносителей учитывает изменяющуюся в зависимости от условий функционирования ТС потребность в них производственных подразделений; комплекс технологических, программных и конструкторских средств, основанных на возможностях адаптации ТС на уровне систем машин к изменяющимся условиям функционирования и объектам обработки, позволяет минимизировать потери времени и энергии при выполнении вспомогательных циклов; - технические решения устройств и систем управления исполнительными органами обеспечивают повышение эффективности энергопотребления ТС на уровне машин и процессов при выполнении вспомогательных и формообразующих движений (например, регулятор мощности, защищенный патентом РФ RU 2187873 С\ от 20.08.2002); - алгоритм и система управления процессом обработки обеспечивают повышение эффективности энергопотребления ТС на уровне воздействия путем введения в его зону дополнительной энергии, например, при точении электроконтактным способом тепловой энергии.
Научные положения диссертации использованы в учебном процессе: - при написании конспектов лекций и подготовке лабораторных работ по курсам: «Управление процессами и объектами машиностроения» и «Автоматизация технологических процессов и производств»; - при подготовке магистерских диссертаций и выполнении исследовательских дипломных проектов.
Практическая реализация. Результаты проведенных исследований использованы при модернизации (децентрализации) системы обеспечения сжатым воздухом ОАО "Тульский оружейный завод", при модернизации и модульном построении преобразователей энергии для гальваники на токи 15кА для ОАО "Тяжпромарматура" г. Алексин; и создании автоматического регулятора мощности асинхронного электропривода технологического оборудования, принятого к внедрению в Тульском научно-исследовательском технологическом институте.
Возможности управления энергопотреблением технологических систем
Анализ и прогнозирование качества функционирования ТС в смысле энергопотребления позволяют принять эффективные и своевременные решения по коррекции структуры и организационно-технологических характеристик, обеспечивающих постоянную конкурентоспособность продукции. Этого можно достичь только путем применения адекватных математических моделей объекта.
Математическая модель ТС обычно состоит из моделей подсистем и связей между ними. Структура моделей подсистем определяет структуру модели ТС, так как связи обычно не нарушают характера общей модели [78, 150, 177, 244]. Такой подход вероятно справедлив только для подсистем определенного типа, согласующихся друг с другом по входам и выходам. Он не применим для таких разнохарактерных систем, как обрабатывающая подсистема и подсистема энергопотребления. Это объясняется сложной функциональной и порой неоднозначной их связью, которую в принципе можно рассматривать как самостоятельную подсистему. Наибольший удельный вес параметров-связей (более 20%), определяющих влияние объекта управления на систему управления, приходится на параметры технической системы и производственной структуры. Отличительной особенностью таких моделей является их большая размерность (500.. 1200 переменных и более) [244], которая ограничивает возможности их применения для оперативного управления энергетическими потоками непосредственно в производственном подразделении. Применение в этом случае известных методов декомпозиции предполагает пренебрежение и замену на некоторые фиксированные возмущения основных перекрестных связей, характеризующих энергоемкость процессов и воздействий [3, 161, 177, 244]. Такой подход может привести к большим неточностям в определении эффективности энергопотребления на различных иерархических уровнях системы.
Известные модели ТС в большинстве своем носят организационно-экономический характер и страдают чрезмерными обобщениями, которые не дают возможности вскрыть техническую сущность той или иной проблемы и наметить пути ее решения [3, 5, 78, 115, 150, 161, 177, 302]. В связи с характерной для 80-х годов малой долей стоимости энергоносителей в общей себестоимости продукции вопросам анализа режимов энергопотребления и тем более управления ими уделялось не достаточно внимания. Это ставит актуальную задачу разработки математической модели ТС, входом которой является материальный и энергетический потоки, а выходом - энергоемкость технологического процесса на всех его иерархические уровнях: воздействий, процессов, машин, систем машин, комплексов систем машин [119, 129, 147, 148, 149]. В этом случае загрузка ТС будет выступать как возмущение.
Оптимизация функционирования сложных систем невозможна без предварительной оценки их управляемости и наблюдаемости [22, 177, 244, 262, 274]. Известно, что система считается полностью управляемой по состоянию или выходу, если из каждого начального состояния ее можно перевести в любое конечное состояние за конечный промежуток времени, используя некоторое допускаемое управление [19, 22, 274]. Строгое решение задачи управляемости взаимосвязанных многоконтурных регулируемых систем, к которым относится и ТС, требует четкого математического описания всех ее элементов и связей и представляет отдельную сложную самостоятельную проблему. На предварительной стадии рассмотрим некоторое энергетическое представление ТС (рис. 1.7), позволяющее произвести анализ потоков, циркулирующих в ней. К числу основных входных потоков, инициализирующих процесс производства, относятся информационный, материальный и энергетический потоки. Их сопоставление в принципе затруднено из-за различной физической сущности, цели и степени влияния на технологический процесс. При этом следует отметить, что энергетический, а особенно материальный потоки имеют сами по себе разнородную структуру. Энергетический поток, в частности, определяется долевым составом различных видов энергоносителей: электричество, пар, вода, газ, мазут и т. д. Это усложняет картину взаимного влияния трех основных входных потоков.
Целесообразно перейти к единой системе их измерения, как это делается при составлении энергетического баланса [271, 303, 315, 321]. С энергетической точки зрения ТС можно представить в виде энергетической оболочки, в которой осуществляется преобразование одних видов энергии в другие, генерация вторичных энергоносителей (пар, сжатый воздух, технологические газы и т. д.), формирование энергетических потоков не технологического назначения, таких как свет, тепло, вентиляция. Для промышленных предприятий машиностроительного профиля энергетическая оболочка является основным "пожирателем" входного потока энергии [122, 195, 303]. В нее поступают, а в последствии диссипируют из нее тепловые выбросы с преобразующих элементов технической компоненты ТС. Эта оболочка создает, необходимые условия функционирования социальной, а в некоторых случаях и технической компоненты ТС. Для построения модели такой системы в энергетических категориях необходимо произвести анализ отличительных особенностей потоков энергии от других их видов, в частности материальных, определить характер и степень преобразования того или иного потока энергии в конкретные изменения параметров материального потока на различных видах операций технологического процесса. Это требует проведения их классификации с энергетической точки зрения. В технологическом процессе можно выделить этапы, где энергия направлена на изменение свойств или пространственного положения объекта производства, здесь проявляется технологическая составляющая входного потока энергии. На всех других этапах на ТС и находящиеся в ней объекты воздействует нетехнологическая составляющая потока из энергетической оболочки. Для определения функциональных связей потоков необходимо считать, что вся энергия, поступающая в систему, аккумулируется в объектах производства. Это позволяет объединить две подсистемы в один единый контур управления. Он охватывает все иерархические уровни ТС: воздействий, процессов, машин (приводов), систем машин (станков, технологического оборудования), комплексов систем машин (технической компоненты всей системы).
Критерий эффективности энергопотребления технологических систем
Анализ и прогнозирование качества функционирования ТС в смысле энергопотребления позволяют принять эффективные и своевременные решения по коррекции структуры и организационно-технологических характеристик, обеспечивающих постоянную конкурентоспособность продукции. Этого можно достичь только путем применения адекватных математических моделей объекта. Будем рассматривать ТС как регулируемую иерархическую взаимосвязанную многоконтурную систему [19, 226]. Для обеспечения единого подхода к различным по физической сущности, динамике, а в некоторых случаях и по целям управления контурам целесообразно применять энергетические критерии [8, 229, 282]. Они позволят сохранить своеобразие и технические особенности всех уровней системы: воздействие, процесс, машина, система машин. Известные энергетические подходы [150, 177, 298] не отражают взаимосвязи таких важных компонент ТС, как структура, используемые технологические принципы и технические средства, с условиями ее загрузки.
В данной работе рассмотрен основной контур системы. В нем материальные потоки заготовок, полуфабрикатов, готовых деталей, узлов и изделий представлены соответствующими энергетическими потоками. Для анализа эффективности энергопотребления будем считать, что вся энергия, вводимая в ТС, в конце концов, переходит в элементы этих потоков [198, 199, 211,282].
По аналогии с производственным потенциалом [4] и векторной диаграммой оценки технологических процессов [298] целесообразно использовать векторное представление энергопотребления ТС. Для этого введем понятие "энергетического содержания" элемента материального потока. Чтобы не потерять индивидуальных отличий материального потока и операций технологического процесса целесообразно, представить его в виде вектора в некотором энергетическом пространстве. В декартовой системе координат одна ось будет характеризовать собственно энергию элемента, которая учитывает его физико-геометрические характеристики. Вторая - энергию пространственного расположения. Третья - энергию, накапливаемую в элементах в результате воздействия на них производственной среды, то есть учитывает наследственные признаки метода и способа обработки, технических средств, задействованных в процессе получения готовой продукции, а также условий производства: Wx = iW]0 + jlVx„ +kWx + ; JV0= itVw + jlV0lp + kWo+, (2.2) где W\, Wo - энергетическое содержание соответственно детали и заготовки; 0,1 - индексы, которые отражают принадлежность параметра к заготовке или к детали соответственно; Wt+ - общее значение энергии, которую необходимо затратить, чтобы имеющимися методами, способами и средствами получить деталь с энергией Ww в заданной точке пространства; Wo+ - значение энергии, которая была затрачена, чтобы получить заготовку с энергией Woo в исходной точке ТС; Wio, Woo - собственная энергия элементов материального протока, характеризует его размеры, геометрическую сложность, площадь основных функциональных поверхностей и их качество; Waip, WjTp — энергия, которую необходимо затратить, чтобы переместить в идеальных условиях заготовку или деталь в начальную или заданную точки пространства ТС соответственно. Значение энергии пространственного положения элемента материального потока определяется его массой и длиной маршрута перемещения.
Интенсивность энергетических потоков может быть коррелирована с производительностью системы, и все операции, в смысле изменения энергетического содержания, можно разбить на три вида. Операции технологических процессов, связанные с изменением формы, качества поверхностей и внутренней структуры, могут быть определены через изменение внутренней или поверхностной энергии элементов потока. Транспортные операции, изменяющие пространственное расположение, определяются через работу по перемещению соответствующих масс. Операции ожидания обработки и хранения в заделах, магазинах, складах можно рассматривать как операции, приводящие к увеличению энергетического содержания элементов за счет поглощения некоторого фонового потока, воздействующего на основной контур [122, 150, 226, 303]. Поскольку любая из первых, двух операций обладает определенной продолжительностью во времени, то их можно рассматривать как действующие совместно с третьей операцией.
Все затраты энергии, связанные с изменением физических и геометрических свойств, пространственного расположения деталей и изделий, а также ее диссипацией на каждом этапе преобразования заготовки можно, отнести к технологическим (WT). Они направлены на решение главной задачи ТС преобразование заготовок в детали и, в конце концов, в готовую продукцию. Фоновые затраты энергии связаны с созданием требуемых условий производства (тепло, свет, вентиляция и т. д.), а также с генерацией дополнительных энергоносителей (пар, воздух и т.д.) (WQ).
Эффективность энергопотребления на уровне комплексов систем машин
Для отдельных подразделений ТС, обеспечивающих выполнение деталей-операций одного какого-либо вида, то есть организованных по технологическому принципу, можно поставить задачу: сколько нужно производить деталей q(x), чтобы энергоемкость их производства для данного подразделения была бы минимальной, то есть минимизировать затраты энергии. В свете полученных ранее результатов можно рассуждать следующим образом.
Если нал й операции произведено q(x) деталей, то средняя энергоемкость операции может быть определена из зависимости (3.39). Однако в ней сделано предположение, что минимальное значение средней энергоемкости операции соответствует оптимальной загрузке системы и равно нулю. Для дальнейших рассуждений это может повредить общности получаемых результатов, поэтому воспользуемся следующей зависимостью: o(x) = -[q (x)-q(x)\ + wp(x), 0 л: /, (3.41) У где wp(x) - расчетное значение средней минимальной энергоемкости операции для конкретной ТС и оптимальной ее загрузке.
Эта идеализированная зависимость характеризует изменение средней энергоемкости операции при постоянных значениях масштаба потребления энергии с и избытка энергетического потенциала у. Она наиболее характерна для производств с малыми значениями соотношения технологических и фоновых затрат энергии [146].
Следовательно, энергетический потенциал, используемый ТС D(x) для реализации дг-й детали-операции, равен D(x) = w0{x)q(x) = \-(q (x)-q(x)) + wp(x)]q(x), 0 х 1. (3.42) У Из уравнения (3.42) легко видеть что, функция D(x) как функция от q(x), имеет максимум при (л:), удовлетворяющем уравнению: T = \-(Q (x)-q(x))+wp(x)\--q(x) = 0, 0 д: /. (3.43) dq(x) у у Тогда количество (/max( ) х-х деталей-операций, при котором потенциал D(x) максимален, равно Я Ю і ) 1 )} 0 д: /. (3.44) 2 с При таком уровне производства подразделение, выполняющее х-ю деталь-операцию, использует максимальный энергетический потенциал ДПах( ), который равен .-( ) = 7-1 ) + ,( )12. 0 х 1. (3.45)
Вероятно, на такую величину энергетического потенциала и должно быть рассчитано соответствующее подразделение. Тогда при q (х) qma\(x), несмотря на более низкий общий уровень потребления энергии, эффективность использования оборудования будет хуже. В этом случае используемые мощности ниже установленных значений, а, следовательно, и КПД меньше номинального.
Представляет интерес определить энергетический потенциал, задействованный системой при оптимальной загрузке. )Uvw=H, x - (34б) Полученные результаты для случая q (x) qmXi(x) графически иллюстрирует рис. 3.7. Из рисунка видно, чем больше масштаб потребления энергии с и меньше избыток энергетического потенциала ТС в целом у, тем 167 больше расматриваемое подразделение использует свой энергетический потенциал. ЧіпИ,(х) qImat(x) q,„(x) 2qInor(x) Зависимость энергетического потенциала, используемого ТС при выполнении л:-й детали-операции, от загрузки станков
Очевидно кривая D(x) имеет практический смысл только при q(x) q\x), так как дальнейшее увеличение объемов производства требует уменьшения средней энергоемкости операции меньше минимально допустимого расчетного значения wp, что в принципе не реализуемо. Теоретически величина максимально возможной загрузки ТС равна
Максимальный энергетический потенциал теоретически требуется подразделению лишь при реализации половины максимально возможной загрузки станков л:-й операцией. Это объясняется принятой идеализацией ТС и говорит о том, что минимальные значения энергетического потенциала необходимы лишь при остановленном производстве. В оптимальных условиях их величина определяется расчетным значением приведенных затрат энергии. Уменьшить величину максимума энергетического потенциала подразделение может, уменьшив расчетный объем производства (производственную мощность) или масштаб потребления энергии. Влияние загрузки на требуемое значение энергетического потенциала уменьшается в ТС, имеющих большие значения его избытка. О характере его использования при изменениях загрузки говорит положение максимума кривой D(x) относительно оптимального значения загрузки. Очевидно, чем они ближе, тем более эффективно используются ресурсы, тем больше коэффициент использования оборудования по установленной мощности. Это условие можно записать следующим образом: UlmJx) q\x)\ud, (3.48) где 8 - целесообразно допустимое в смысле потерь энергии отклонение объемов производства.
Оно определяет диапазон изменения объемов производства, в котором ТС эффективно использует свой энергетический потенциал. В первом приближении можно положить, что qmax(x)=q (x)y тогда можно сформулировать требование к расчетному значению средней минимальной энергоемкости операции
Из зависимости следует достаточно очевидный факт, что среднее значение энергоемкости операции является функцией характеристик ТС: загрузки, масштаба потребления энергии и избытка энергетического потенциала.
Технологический мониторинг энергопотребления технологических систем
В соответствии с разработанной во 2-й главе моделью энергопотребления ТС можно предложить следующую методику расчета технологической составляющей затрат энергии
Основной целью технологического воздействия является образование новой поверхности с заданной скоростью и требуемым качеством. Характеристики элементов ТС, в том числе инструмент, исходная форма и материал заготовки выступают как некоторые ограничения. Они определяют технологические особенности оборудования и конкретной детали-операции [196, 227]. Методика расчета технологической составляющей затрат энергии включает в себя следующие этапы: В соответствии с групповой технологией выбираются типовые представители деталей для каждого станка. По известным значениям параметров ТП для каждой операции, выполняемой на нем, находятся граничные значения ит;„=[м /с], и,пах=[м /с], /?,„;„=[м], /?„,ах-=[м] и А/г=[с/м ]. Для них строятся индивидуальные характеристики R{U) (рис.2.12) и определяются функциональные связи вида V(S,b,T) (оптимальная скорость резания).
Для заданного диапазона изменения интенсивности воздействий находятся граничные значения его параметров: 6/;//, [м]; Ь„1ак=[м]; »У/ш/,=[м/об]; Ятах=[м/о5]; Ут!п=[м/с); Утах=[м/с\ В результате решения задачи идентификации характеристик процесса резания по методике, изложенной в п.2.5, определяются искомые аппроксимирующие функции для параметров режима обработки (воздействия): V=av+ky(z-Cv)2; S= as+ks(z-cs)2; (4.1) b= ab+kb(z-cb)2. Пример построения этих функциональных зависимостей представлен на рис. 2.14а.
Проверяется отклонение зависимости оптимальной скорости резания от аппроксимирующей ее зависимости V(z) (см. рис. 2.). При неудовлетворительной сходимости производится корректировка граничных 189 значений параметров воздействия. Максимальное значение среднеквадратичного отклонения от оптимальной скорости резания не должно превышать 2...5%. Относительная величина погрешности ее аппроксимации не должна превышать 10...20% во всем диапазоне изменения обобщенного параметра z=0.. 100 (см. рис. 2.15)
С помощью полученных зависимостей определяется функциональная связь качества воздействия от обобщенного параметра (см. рис. 2.136). На основании ее анализа в соответствии с зависимостью (2.28) выбираются диапазоны черновых (г 55...100), получистовых (г 30...55) и чистовых (z 30) режимов. Такой подход позволяет рассчитать параметры воздействия с учетом ограничений, накладываемых на него конкретными условиями обработки.
3. Определение модели энергопотребления конкретной ТСО. В соответствии с предложенной моделью (2.43) учитывается образование новых поверхностей не только на детали и стружке, но и в плоскости сдвига. Для типовых условий обработки определяются значения параметров экспериментальной зависимости мощности резания С, х, у, п, т, сгер [157]. По методике, изложенной в п. 2.6, в соответствии с функциональными зависимостями режимов обработки от обобщенного параметра (4.1) восстанавливаются коэффициенты А=[Дж/с-м2], В=[Дж/м2], Е=[Дж/м2] и модель мощности резания ТСО (см. рис. 2.16).
Максимальное значение среднеквадратичного отклонения и относительная величина погрешности ее аппроксимации не должны превышать 5% и 10% соответственно во всем диапазоне изменения обобщенного параметра г=0..100 (см. рис. 2.17).
Соотношение между коэффициентами аппроксимации А, В, Е мощности резания позволяют уже на этом этапе оценить области наиболее эффективной реализации воздействия. КАВ = \А\/\В\, КАЕ = \A\I\E\, КВЕ = \B\I\E\. (4.2) 190 Чем меньше КАЕ И КИЕ, тем выше эффективность воздействия. Чрезмерно большие значения КАЕ»\0 могут говорить, например, о существенной разнице в условиях упругопластического деформирования в зонах резания перед главной и вспомогательной режущими кромками резца. Значение КАК говорит, в частности, о режиме стружкобразования. При КЛц»\0г стружка преобразуется из прерывистой в сливную, характеризующую увеличение энергоемкости процесса резания.
4. Определение энергии преобразования элемента материального потока.
Ранее было доказано (п. 2.6), что в качестве полезной работы целесообразно использовать энергию преобразования заготовки fV„p, то есть минимальное значение энергии необходимое для преобразования в идеальных условиях заготовки в деталь с соответствующими физико-геометрическими характеристиками [196, 198, 227, 228]. Для технологических операций обработки - это энергия образования новой поверхности на заготовке [162, 249]. Она определяется через удельное ее значение CJ0G И размеры обрабатываемой поверхности Fnos (2.50), например, при точении цилиндра KP = lGvf„ (4.3) где d, I - соответственно диаметр и длина вновь образованной на заготовке поверхности.
