Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния науки и практики в области повышения долговечности рабочих элементов машин и оборудования природообустройства 14
1.1. Комплексный анализ особенностей эксплуатации машин и оборудования сельскохозяйственных и строительных организаций России 14
1.2. Анализ изнашивания рабочих элементов машин и оборудования их классификация по технологическим признакам 28
1.3. Состояния науки и практики в области применения и развития технологических способов восстановления и упрочнения рабочих элементов машин и оборудования 35
1.4. Состояние научно-методической базы в области оптимизации технологических процессов восстановления и упрочнения деталей 52
1.5. Выводы. Постановка цели и задач исследований 68
ГЛАВА 2. Моделирование изнашивания рабочих элементов машин и оборудования 72
2.1. Физико-математическая модель отказов быстроизнашивающихся рабочих элементов 73
2.2. Исследование интенсивности изнашивания рабочих элементов машин и оборудования (на примере строительных смесителей) 85
2.3. Физико-механическая модель изнашивания рабочих элементов строительных смесителей различных конструкций
2.3.1. Геометрический смысл микрополярных деформаций и вращений в сплошной среде при взаимодействии рабочих элементов с абразивом 94
2.3.2. Построение физико-механических моделей взаимодействия рабочих органов строительных смесителей с ударно-абразивной средой 100
2.4. Модель определения напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев быстроизнашивающихся деталей сложных технических систем с использованием метода конечных элементов 117
Выводы 128
ГЛАВА 3. Методика прогнозно-аналитической оценки технического состояния машин и оборудования природообустройства 130
3.1 Обоснование факторов и закономерности их влияния на динамику изнашивания рабочих элементов машин и оборудования (на примере строительных смесителей) 130
3.2. Прогнозирование ресурса по износостойкости рабочих элементов (на примере бетоносмесителей) 136
3.3. Теоретическое описание оценки годности элементов как составной части их технического состояния 144
3.4. Математическое моделирование процесса
изменения годности рабочих элементов 156
3.5. Прогнозирование технического состояния - резерв повышения долговечности машин и оборудования 162
3.5.1. Графо-аналитическая модель изменения параметров технического состояния машин и оборудования в эксплуатационный период 162
3.5.2. Прогнозирование изменения параметров технического состояния рабочих элементов 167
Выводы 176
ГЛАВА 4. Разработка технологических способов повышения долговечности рабочих элементов машин и оборудования природообустройства 178
4.1. Планирование экспериментальных исследований 178
4.1.1. Обоснование объема информации для проведения экспериментальных исследований 178
4.1.2. Оценка погрешности результатов
экспериментальных исследований 181
4.1.3. Оценка уровня технического состояния машин и оборудования по стоимостным показателям с учетом естественного износа 182
4.2. Экспериментальные исследования изнашивания рабочих элементов машин и оборудования 184
4.2.1. Динамика и характер изнашивания рабочих элементов строительных элементов с оценкой их долговечности 184
4.2.2. Экспериментальные исследования зависимости величины износа рабочих элементов от их геометрических параметров 196
4.2.3. Экспериментальные исследования механизма разрушения рабочих элементов строительных смесителей 200
4.2.4. Экспериментальные исследования конструктивно-эксплуатационных параметров строительных смесителей от свойств абразивных частиц 206
4.3 Оценка результатов выбора значимых факторов при обосновании рациональных способов восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов машин и оборудования 213
Выводы - 218
ГЛАВА 5. Рекомендации по внедрению технологических способов повышения надежности и производительности рабочих элементов машин и оборудования природообустройстве 221
5.1. Рекомендации по применению методологии повышение надежности и производительности при эксплуатации машин и оборудования 221
5.2. Практическая реализация результатов исследования 241
Общие выводы 252
Литература
- Анализ изнашивания рабочих элементов машин и оборудования их классификация по технологическим признакам
- Физико-механическая модель изнашивания рабочих элементов строительных смесителей различных конструкций
- Теоретическое описание оценки годности элементов как составной части их технического состояния
- Обоснование объема информации для проведения экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность работы. Возрождение российской экономики немыслимо без подъема АПК и строительного комплекса России, которое зависит от качества применяемых машин и технологического оборудования. Современные предприятия строительной индустрии работают в динамичных экономических условиях, что заставляет рассматривать отдельные компоненты характеристики технического изделия не изолированно, а как взаимосвязанную систему базовых показателей, в целом определяющих конкурентоспособность продукции: качество машин и оборудования природообустройства; уровень технического сервиса в эксплуатации (гарантийное и послегарантийное обслуживание и ремонт) и др.
Конкурентоспособность изделий мелиоративной и строительной техники напрямую связана с качеством проектно-конструкторских работ и технологической подготовкой производства, их сроками и трудоемкостью. При этом проблема состоит в необходимости разработки и внедрения комплекса организационно-технических, технологических и методических мероприятий, направленных на реорганизацию предприятия на основе сквозной компьютерной технологии проектирования, производства и сопровождения. Кроме того, данная проблема обостряется и для тех предприятий, которые переходят к выпуску конверсионной продукции. Ориентированные ранее на государственный заказ и специфику строительства, они должны выработать новый подход к организации производства изделий строительной техники, учитывающий множество неопределенных факторов, характеризующих условия обстановки и сферу потребления технических изделий, возможность сокращения сроков подготовки производства за счет широкого использования методов моделирования при принятии решений, необходимость жестких ограничений и экономии средств, а также снижения затрат на производство в условиях рынка.
Развитие комплексной механизации мелиоративных работ, когда реальные и объективные требования диктовали конструкторам и технологам создавать средства механизации, которые бы обладали энергонасыщенностью, повышенной универсальностью, широкой возможностью использования большого количества сменных рабочих органов и др., сопровождалось довольно противоречивыми и разносторонними требованиями к технологическим и техническим характеристикам машин и оборудования. Эти требования не могли быть тогда учтены в полной мере. В современных условиях при теперешнем уровне развития науки и техники стало возможным более точно прогнозировать и управлять процессами, происходящими в структурах машин и разработать технологические методы повышения долговечности рабочих элементов машин и оборудования природообустройства.
В настоящее время строительные организации АПК России укомплектованы большим парком машин и технологического оборудования, в том числе применяемых на бетонорастворных заводах и заводах железобетонных изделий. При этом в общей производственной программе работы бетоносмесительного производства достигают порядка 30 % и более.
Анализ и промышленный опыт эксплуатации строительной техники и технологического оборудования показывают, что до 40 % всех причин снижения
их производительности и срока службы приходится на износ рабочих органов.
Это вызвано износом низкоресурсных элементов, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам, ударно-абразивному воздействию агрессивных сред, которые значительно снижают показатели эксплуатационной надежности и производительность данного комплекса машин и оборудования в целом. К таким деталям в первую очередь относятся футеровочные элементы, кронштейны рабочих органов, лопасти и лопатки строительных смесителей, валы и отверстия в корпусах под них, наработка на отказ которых не превышает 150 ч, что в подобных условиях строительного производства недопустимо.
В современных условиях проблема усугубляется тем, что практически все технологическое оборудование природообустройства изношено до предела, а приобретение нового для его замены непосильно для большинства строительных организаций, промышленных предприятий и заводов. Результаты анализа многочисленных публикаций по вопросам повышения износостойкости показали необходимость разработки подходов, которые обеспечили бы наиболее полный учет всех взаимосвязанных факторов: рабочую среду; материала детали; внешних условий изнашивания, возможность автоматизации восстановления поверхностей.
Изнашивание охватывает совокупность сложных явлений, происходящих при взаимодействии поверхностных слоев металла с изнашивающей средой в повышенных условиях температуры и давления.
При этом все компоненты этого процесса, включающие и металл, и изнашивающую среду, и внешние условия, взаимно связаны и каждый из них оказывает определенное влияние на конечный результат – изнашивание и значение износа.
Анализ работ в области обеспечения долговечности деталей машин показывает необходимость разработки методологии повышения износостойкости на основе формализации базы накопленных знаний современными методами и средствами.
Проработка предлагаемого подхода к изучению износостойкости возможна при комплексном системном подходе, включающем изучение общей трибосистемы по схеме: материал – условия изнашивания – изнашивающая среда. Построение модели изнашивания и количественная оценка каждого из явлений, предшествующих и сопровождающих разрушение поверхностного слоя металла, обусловливает более глубокое раскрытие природы сопротивления сплавов изнашиванию, позволит повысить эффективность упрочнения материалов для быстроизнашиваемых деталей, даст возможность полнее реализовать защитные свойства металлов и управлять их износостойкостью в заданных условиях эксплуатации.
Поэтому здесь весьма важно определить пути оптимизации воздействия параметров компонентов, обеспечивающих наименьшую величину износа и, следовательно, повышение срока службы, как отдельных деталей машин, так и строительного оборудования в целом.
Современный уровень научных знаний в области эксплуатации строительной техники и технологического оборудования не позволяет комплексно решать вопросы обеспечения долговечности и повышения их эксплуатационной производительности.
Целью исследования является разработка концептуальных подходов, обеспечивающих комплексный учет всех взаимосвязанных факторов интенсивного изнашивания и повышения долговечности рабочих элементов и деталей машин и оборудования природообустройства.
Объект исследования – быстроизнашивающиеся рабочие элементы технологического оборудования бетоносмесительного производства, применяемые при мелиоративном, гидротехническом и промышленно-гражданском строительстве.
Предмет исследования - способы и средства прогнозирования ресурса и оптимизации технологических процессов восстановления рабочих элементов технологического оборудования бетоносмесительного производства.
Методология исследования основана на использовании положений общей теории систем, теорий надежности и вероятностей, графов и матриц, теории планирования экспериментов, методов физического, математического моделирования и программирования с использованием ЭВМ и математической статистики. Информационной и экспериментальной базой исследований явились теоретические и методические разработки, выполненные автором в течение
2000-2011 г.г., а также реальные данные производственной деятельности сельскохозяйственных, промышленных и строительных предприятий.
Обработка результатов исследований осуществлялась на основе методов многофакторного и статистического анализов с использованием разработанных автором новых комплексов программного обеспечения.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в систематизации, развитии и реализации научно-методических основ обеспечения долговечности рабочих элементов машин и технологического оборудования природообустройства за счет прогнозирования ресурса, оптимизации технологических процессов их восстановления и повышения износостойкости.
Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых научных результатов:
1.Разработана физико-математическая модель отказов рабочих органов строительных машин и технологического оборудования с учетом внешних эксплуатационных факторов, потока абразивных частиц водно-пластичных и ударно-абразивных сред особопрочных и тяжелых бетонов и введением в расчетные схемы предложенных коэффициентов их сложности.
2. Впервые предложены физико-механические модели изнашивания рабочих органов и футеровочных элементов бетоносмесителей путем выявления закономерностей воздействия на их поверхности потока абразивных частиц бетонорастворных смесей. Теоретически и экспериментально доказано, что
скорость изнашивания зависит как от структуры и составов бетонорастворных смесей, так и конструктивных параметров рабочих органов, обусловливающих механизмы их изнашивания и причины его возникновения.
3. На основе выявленных факторов, оказывающих наибольшее влияние на интенсивность ударно-абразивного изнашивания, построено математическое обеспечение определения ресурса износостойкости быстроизнашивающихся рабочих органов, прогнозирования изменения их параметров и оценки технического состояния. С учетом вероятности отказа, в зависимости от критерия оптимизации, предложенная методика позволяет обоснованно определять степень износа, остаточный ресурс любого быстроизнашивающегося рабочего элемента строительных машин и технологического оборудования на различных стадиях жизненного цикла, потребности в запасных частях, а также осуществлять достоверную оценку необходимости их ремонта и восстановления с целью повышения эксплуатационной производительности в рамках директивных сроков строительства.
4. Теоретически и экспериментально обоснована номенклатура факторов и построена новая многофакторная математическая модель технологических процессов восстановления быстроизнашивающихся деталей рабочих органов строительных машин и оборудования с учетом значимости показателей эксплуатационной надежности, экологической безопасности и ресурсосбережения. В основу впервые положены формализованный учет выявления факторов и анализ главных компонент, принципы динамического имитационного аппарата и программное обеспечение на базе нейросетевых технологий, метода группового учета аргументов и генетических алгоритмов.
5. Предложено методическое обеспечение комплексной оценки эффективности выбора и обоснования рациональных способов и технологических процессов восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и оборудования на основе разработанного программного комплекса. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден рациональный способ восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов на примере бетоносмесительных и бетоноукладочных машин воздушно-плазменным напылением восстановительных и упрочняющих покрытий с последующим оплавлением.
6. На основе применения принципов сформированного методологического обеспечения разработан новый способ определения износа рабочих органов и контроля технического состояния бетоносмесительных установок, обеспечивающий возможность бесконтактного диагностирования износа лопаток, выбора рационального метода их восстановления и снижения трудозатрат;
Полученные научные результаты отличают диссертацию от ранее выполненных исследований тем, что в ней впервые комплексно исследованы
вопросы повышения долговечности быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и технологического оборудования в сфере строительного производства АПК.
Указанные положения и результаты являются личным вкладом автора в научную модернизацию производства и определяют научную значимость выполненного исследования.
Новизна, научно-технический уровень разработок и практическая ценность. Работа подтверждена патентом РФ на изобретение, а также участием в многочисленных межвузовских, международных и региональных научно-практических конференциях, выставках и конкурсах.
Практическая значимость. Реализация результатов исследований и научных положений в практику мелиоративного, гидротехнического строительства и промышленно-гражданского строительства позволит снизить на 15…25 % себестоимость изготовления, на 30…40 % трудоемкость и стоимость восстановления изношенных рабочих органов, увеличить ресурс в 2…2,2 раза и срок их службы в 1,5…2 раза при обеспечении повышения эксплуатационной производительности оборудования на 5…10 %, снижения себестоимости на 25…30 % и на 5…7 % сроков выполнения работ по строительству объектов различного назначения.
Практическая пригодность и эффективность методологического аппарата, а также предложенных на его основе рекомендаций, подтверждены актами внедрения и реализации.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается применением апробированных методов научных исследований, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, производственной проверкой результатов исследований на предприятиях сельскохозяйственной, строительной и дорожной отрасли различных министерств и ведомств.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель отказов быстроизнашивающихся рабочих элементов машин и оборудования природообустройства с учетом конструктивно-технологических характеристик, эксплуатационных требований и кинетики физико-механических процессов.
2. Физико-механические модели изнашивания рабочих органов и футеровочных элементов бетоносмесителей при ударном воздействии потока абразивных частиц водно-пластичных специальных бетонорастворных смесей.
3. Методика определения ресурса износостойкости рабочих органов, прогнозирования изменения параметров и оценки технического состояния строительных машин и технологического оборудования с учетом факторов и закономерностей их влияния на динамику изнашивания.
4. Математическая модель оптимизации технологических процессов восстановления деталей строительных машин и оборудования с учетом весомости
показателей эксплуатационной надежности, экологической безопасности и ресурсосбережения на основе нейросетевых технологий.
5. Методики оценки эффективности, выбора и обоснования рациональных способов и технологических процессов восстановления быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и оборудования на базе программного обеспечения.
6. Результаты экспериментальных исследований с целью проверки разработанных теоретических положений и реализации их в виде новых технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности применения машин и технологического оборудования в формирований и организациях в сельскохозяйственной, строительной и дорожной отраслей различных министерств и ведомств.
7. Практические рекомендации по обеспечению долговечности быстроизнашивающихся рабочих элементов строительных машин и технологического оборудования и повышению их эксплуатационной производительности в условиях строительного производства.
В диссертации изложены результаты исследований процессов восстановления изношенных поверхностей рабочих органов машин и оборудования природообустройства. Дано теоретическое описание процессов изнашивания поверхностей рабочих органов в зависимости от типа заполнителя и напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов. Предложены методики промышленного освоения автоматизированного изготовления, ремонта и восстановления быстроизнашиваемых (низкоресурсных) деталей (элементов) машин и технологического оборудования мелиоративной и строительной индустрии на основе современных систем автоматизированного управления.
Рекомендации. Результаты исследования могут быть использованы при эксплуатации и ремонте строительных смесителей технологических машин и оборудований природообустройства при мелиоративном, гидротехническом строительстве и ПГС.
Внедрение. Результаты исследования внедрены в ООО «СИТИ ГРУП» г.Москва
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО МГУ Природообустройства г. Москва (2005…2011 гг.), научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана (2007…2009 гг.), международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГАУ им.В.П.Горячкина г. Москва (2008…2010 гг.), научно-практических конференциях технического совета ГОСНИТИ г. Москва (2007…2008 гг.), международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВПО в МГТУ «Станкин» г. Москва (2009…2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 25 в перечне ведущих рецензируемых научных журналов ВАК. Получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Работа изложена на 281 страницах машинописного текста, включает 89 рисунков, 44 таблиц, библиографию из 287 наименований из них 22 иностранной литературы и приложения на 17 страницах.
Анализ изнашивания рабочих элементов машин и оборудования их классификация по технологическим признакам
Следовательно, для достижения требуемых показателей качества необходимо оснащение строительной индустрии России современными образцами высокоэффективных и надежных перебазируемых (мобильных) строительно-дорожных комплексов, а также активное техническое перевооружение, модернизация, автоматизация существующих и поддержание в исправном техническом состоянии эксплуатируемых машин и технологического оборудования.
Системный анализ требований к конструктивно-эксплуатационным параметрам машин и технологического оборудования, используемых в строительстве, показал следующее.
При строительстве требуется жесткое соблюдение технологического регламента работ на объектах (высокие темпы возведения и качество), что накладывает дополнительные требования, как к организации строительных работ, так и к мобильным строительно-дорожным комплексам, применяемым для обустройства промышленных баз [40, 44, 206], в частности, для приготовления бетонных смесей (цементных бетонов) и растворов. Требования к составу такой техники (эксплуатационной надежности, производительности, экономичности и др.) достаточно высоки, обеспечение которых основывается, прежде всего, на повышении ее технического уровня.
Технологическое оборудование, применяемое для приготовления, подачи, распределения и укладки бетонорастворных смесей играет решающую роль в получении высококачественных строительных материалов, снижении их себестоимости, а также сокращения сроков строительства объектов гидротехнического и промышленно-гражданского строительства.
Рассмотрим последовательно процессы метасистемного описания предметной области и анализа условий обстановки, общие рекомендации по формированию технических требований к объекту исследования (элементы ситуационного анализа) и в качестве иллюстрации системного подхода проведем формализацию задачи выбора рациональных параметров и конструктивно-эксплуатационных решений строительного оборудования.
В связи с этим сформированы шесть групп требований к строительному оборудованию как к объектам исследований (таблица 1.3). При этом в первую группу требований входят директивно заданные государственные задачи, в шестую - наименее важные. Кроме того, ситуационный анализ позволяет утверждать, что существует конечная выборка характеристик строительного оборудования, значимость которых изменяется. Так, например, для строительных смесителей [14,93] производительность может изменяться достаточно в широком диапазоне от 20 м /ч до 150 м /ч (см. табл. 1.3). Продолжительность изготовления (комплектации) бетоносмесительного оборудования может составлять от 15 до 90 смен. В предельной ситуации их доставка на объект должна определяться только временем транспортировки с базы хранения до места монтажа. Степень автоматизации бетоносмесительного оборудования определяется количеством технологических операций, выполняемых автоматически [210, 238]. Она должна быть максимальной для исключения влияния человеческого фактора. Скачкообразно изменяется показатель требований к эргономике (техника безопасности, микроклимат на рабочем месте, дизайн и др.) и экологии (устранение вредных выбросов, уровень шума и т.п.). Перечисленные показатели (таблица 1.4) определены на основе проведенного статистического анализа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ [14, 101, 153].
Результаты проведенного анализа позволяют сделать вывод о том, что конструктивно-компоновочные и эксплуатационные параметры и характеристики строительного оборудования формируются не менее чем для шести групп требований. Вместе с тем принимаемые технические решения должны учитывать и экономические требования обеспечения эффективности их производства в условиях рыночных отношений [160].
Многочисленные исследования в этой области ученых В.Ф. Аистова, В.П. Варфоломеева, В.И. Воронова, P.M. Гатауллина, М.Н. Ерофеева, К.М. Королева, В.А. Макагонова, Ю.А. Мальцева, А.Л. Мухортова, Н.В. Новицкого, Ю.Г. Огородникова, С.А. Пушкарева, В.Н. Рыжова, А.В. Соломатина, В.П. Тростина, С.Л. Эсаулова [6, 25, 33, 41, 63, 69, 93, 151, 166, 169, 187, 207, 237, 268, 269, 270] и др., а также промышленный опыт эксплуатации отечественных и зарубежных предприятий ВНИИСтройдормаш, ВНИИ железобетон, ЦНИИОМТП «Бетонмаш» (Украина), ВНИИ «Беното», ВКТИ строймеханизации (Беларусь), «Stetter», «Liebher», «Baukema», «ELBA» и «Эйрих» (Германия), «Lohja», «Rala», «Мекка» и «Steel-kamet оу» (Финляндия) показывают, что до 40...50% случаев снижения эффективности (надежности и производительности) связано с принятием недостаточно научно-обоснованных конструктивно-эксплуатационных решений. Таблица 1.4 - Основные критерии и конструктивно-эксплуатационные параметры мобильных строительно-дорожных комплексов Критерий Параметры Производительность Соответствие производительности средств механизации (загрузки Q3, распределения пофракционное Qp, выгрузки QB) расчетной среднестатистической потребности выпуска смесей заданных марок
Мобильность Кп 1. Минимальные затраты времени перебазирования: транспортировкиGT и монтажа-демонтажа GM.2. Минимальные масса М и габариты конструкций X, Y, Z
Конструктивная компоновка Кк 1. Рациональное расчленение на транспортные блоки и размещениеоборудования в соответствии с нормами СНиП, ГОСТов ипоследовательностью технологического цикла.2. Соответствие максимальных весовых [т] и габаритных [х], [у], [z]параметров МСДК требованиям железнодорожных стандартов идопустимой грузоподъемности широко используемых автокрановых итранспортных средств.3. Рациональные параметры несущих и ограждающих конструкций попрочности о [о], деформативности є [є], устойчивости X [к] истепени теплоизоляции блоков d [d] для наружных температур -40 t 40
Технологическая надежность Кн 1. Оборудование в блоках отлажено и смонтировано в заводскихусловиях.2. Обеспечение резервирования (К = 2) узлов с недостаточнойнадежностью или создание новых устройств повышенной надежности Р.3. Наличие рационального резерва Vp составляющих БРС.4. Максимальный уровень стандартизации и унификации узлов Cvmax
Ремонтная технологичность Кр 1. Определение категории сложности восстанавливаемых деталей взависимости от их конфигурации, степени износа и повреждений (GK).2. Приспособленность конструкций (структуры) деталей по их сложностик восстановлению работоспособности.3. Необходимость учета технического состояния восстанавливаемыхдеталей и экономической целесообразности их ремонта (Кц).4. Минимальные затраты труда, материалов, времени и средств навосстановление деталей (Gmin) при обеспечении заданного ресурса (Tf)
Автономность Кав Наличие в составе МСДК источников электричества, тепла и сжатого воздуха (минимальная мощность приводов Nminnp)
Автоматизациятехнологическогопроцесса Ка 1. Полная автоматизация управления, исключающая ручной труд ивлияние субъективных факторов.2. Обеспечение требуемой технологии с переналадкой оборудования сучетом влажности (1ф), температуры (tTp) и объемной массы (у)составляющих БРС
Качество продукции Ккач 1. Получение требуемых показателей составляющих БРС путем точностидозирования (5 = 0,5... 1,0%) и чистоты фракционированных материаловЯтр-2. Минимальное количество перевалок составляющих БРС (Пт1Пс)
Эффективность Кэ 1. Максимальный эффект Этах за счет снижения себестоимостиизготовления Эи, сокращения времени транспортирования Эт, монтажа-демонтажа Эм, эксплуатационных издержек Ээ, в том числе затраты отпростоя по причине восстановления.2. Дополнительный эффект Эдоп от внедрения разработок,обеспечивающих экономию ресурсов в эксплуатационный период В настоящее время имеет место сложное сочетание принципов работы, многообразие разновидностей и типоразмеров строительного оборудования с природно-производственными условиями их функционирования. При этом технологическая надежность, производительность и основные технико-экономические показатели (см. табл. 1.4) зависят от степени адаптации параметров и режимов работы к изменяющимся в широком диапазоне природно-климатических условиям. Поэтому оптимизация конструктивно-компоновочных решений и эксплуатационных параметров данного комплекса машин и оборудования требует автоматизированного выбора [236].
В современных условиях строительства и значительном росте объемов работ от технического состояния и эффективности работы бетоносмесительного оборудования (БСО) во многом зависит выполнение задач, стоящих перед строительными организациями, а значит и уровень экономических показателей [3, 15, 18]. Так, БСО используется для приготовления бетонорастворных и сухих смесей различного назначения при строительстве и реконструкции объектов в составе технологических линий не только БСК, но и производства ЖБК, БРЗ и БСУ вне зависимости от условий климатических зон [173, 190, 209]. Кроме того, бетонорастворосмесители находят достаточно широкое применение в различных отраслях народного хозяйства (рисунок 1.2), где непосредственно требуется смешивание различных компонентов, как сухих, так и жидких, либо их вариаций и являются определяющим звеном, влияющим на работоспособность и эксплуатационную производительность строительных комплексов.
Контроль и управление процессами смешивания с учетом многообразия влияющих факторов в многокритериальных нестандартных условиях являются основными факторами рассматриваемого процесса. При этом на сегодняшний день их влияние на исследуемые процессы рассматриваются многими учеными [43, 151, 198, 219] как частные задачи и носят стохастический характер. Проиллюстрируем происходящие процессы следующими примерами.
Сравнительный комплексный анализ конструктивно-эксплуатационных решений серийно выпускаемых строительных смесителей показал, что износ и отказы их рабочих органов в большей степени снижают количество замесов и качество приготовления БРС.
Физико-механическая модель изнашивания рабочих элементов строительных смесителей различных конструкций
Газотермическое напыление покрытий позволяет не только придавать восстановленным деталям требуемую форму и размеры, но и регулировать в широких пределах поверхностные свойства металлопокрытий.
Газопламенное напыление предназначено для нанесения покрытий различного назначения посредством распыления порошковых и проволочных материалов в газовом пламени, получаемого при сгорании горючих газов в кислороде или воздухе. Благодаря простоте и доступности оборудования, а также надежности процесса газопламенный способ нашел широкое применение в ремонтном производстве. К преимуществам метода следует отнести высокие показатели коэффициента использования материала при проволочном распылении. К существенным недостаткам метода следует отнести: невысокая производительность процесса, особенно при порошковом напылении; наличие в струе активных газов, взаимодействующих с металлическими материалами, невысокое качество покрытий из порошковых материалов.
Детонационное напыление предназначено в основном для получения износостойкого покрытия, состоящего из карбидов и металлической связи. Размеры и форма детали при этом способе напыления не ограничены и определяются техническими возможностями устройств для их перемещения в процессе нанесения покрытий. Оптимальная толщина покрытия при детонационном напылении составляет 0,1...0,5 мм, при этом твердость материала основы не должна превышать 60 HRC3. Покрытия, полученные детонационным напылением, обладают высокой плотностью (пористость менее 1 %) и прочностью сцепления с основой (40... 160 МПа). В то же время температура нагрева детали не превышает 300 С. К достоинствам этого способа следует отнести достаточно высокую производительность (1...10 кг/ч) и широкую номенклатуру распыляемых материалов, невысокую чувствительность к состоянию исходной поверхности напыления (подогрев, загрязнение, шероховатость). К существенным недостаткам следует отнести в первую очередь высокий уровень шума (140 дБ и более), необходимость применения герметичных боксов и дистанционного управления процессом. Кроме того, используемое оборудование имеет достаточно высокую стоимость, выпуск его в нашей промышленности ограничен.
Электродуговая металлизация получила наиболее широкое применение при создании коррозионно-стойких покрытий на различных строительных сооружениях. Для этих целей в основном напыляют покрытия из алюминия и цинка. В качестве износостойких покрытий напыляют различные стали, бронзы и др. Основным преимуществом способа является его высокая производительность, достигающая 50 кг/ч. Этот способ обеспечивает максимальное значение КПД распыления и напыления. Благодаря большой энтальпии напыляемых частиц получают качественные покрытия с достаточной адгезионной и когезионной прочностью и низкой пористостью. Качество покрытия, особенно высоко, если напыление ведется в камере с общей защитой. К недостаткам электродуговой металлизации следует отнести интенсивное взаимодействие частиц с активной газовой фазой. Напыляемый металл насыщен кислородом и азотом, а также содержит значительное количество оксидов. Использование для напыления только проволочного материала ограничивают возможности этого способа.
Высокочастотная металлизация используется достаточно редко. Для плавления частиц напыляемого материала применяют индукционный нагрев токами высокой частоты. Особенностью этого источника является поверхностное плавление частиц на небольшую глубину, составляющую десятые доли миллиметров. Глубина проникновения тем меньше, чем больше частота тока, электропроводность и магнитная проницаемость напыляемых частиц. Способ - имеет ограниченное применение, обусловленное значительно более сложным оборудованием и условиями его эксплуатации.
Плазменное напыление предназначено для нанесения покрытий различного назначения посредством распыления порошковых и проволочных материалов. Характерным отличием процесса является более высокая температура в плазменной струе и ее инертность, более высокие скорости полета частиц. Эти особенности способа позволяют в широких пределах регулировать свойства покрытий и в значительной степени устраняют недостатки, присущие другим газотермическим методам.
Основными достоинствами плазменного напыления являются: возможность получения покрытий из различных материалов, в том числе из самых тугоплавких; малое тепловое воздействие на материал детали (снижение уровня остаточных напряжений, приводящих к возникновению деформаций и изменению размеров деталей); возможность получения покрытий толщиной от 15 мкм до 5 мм и более; большое количество параметров, обеспечивающих гибкое регулирование процесса напыления (возможность управлять свойствами покрытий); регулирование в широких пределах качества напыленных покрытий; универсальность по распыляемому материалу (проволока, порошок с различной температурой плавления); высокие значения коэффициента использования материала (0,7...0,85 при напылении проволочных материалов и 0,2...0,8 при напылении порошковых материалов); высокая производительность и возможность комплексной механизации и автоматизации процесса; достаточная экономичность и невысокая стоимость технологического оборудования.
Плазменное напыление покрытий находит широкое применение для упрочнения и восстановления деталей с высокой технико-экономической эффективностью в следующих отраслях: 1. Машиностроение и автотракторная техника - посадочные места валов, рычаги, шейки коленчатых валов, вилки коробок передач, пары трения с повышенными триботехническими требованиями к ним и т.п. 2. Строительные машины и технологическое оборудование - ножи бульдозеров и автогрейдеров; клыки, коронки и ковши экскаваторов; долота и шнеки бурильной техники, лопасти и лопатки смесительных установок и т.п. 3. Химическая промышленность - втулки, шнеки, плунжеры и детали, подверженные интенсивной коррозии.
Применение плазменных покрытий позволяет повысить срок службы деталей в 2...8 раз, снизить трудоёмкость восстановительных работ в 5... 10 раз и затраты на восстановление деталей до 50 % от стоимости новых.
В связи с высокой стоимостью плазмообразующих газов наиболее экономичным является метод воздушно-плазменного напыления покрытий (ВПН), сущность которого заключается в использовании тепловой энергии высокоскоростного потока ионизированного газа.
Одним из существенных недостатков этого способа является низкая прочность сцепления покрытия с основным методом (40...60 МПа), что не позволяет восстанавливать широкую номенклатуру деталей, работающих при знакопеременных нагрузках и ударно-абразивном изнашивании. При воздействии на напыленное покрытие сравнительно высоких нагрузок происходит их скалывание. Для устранения этого- недостатка и увеличения прочности сцепления напыленных покрытий до уровня, близкого к прочности наплавленных слоев, их подвергают оплавлению. Для оплавления пригодны лишь хромоникелевые твердые сплавы, обладающие сравнительно низкой температурой плавления. Однако их высокая стоимость делает этот способ восстановления деталей во многих случаях нецелесообразным. Поэтому для удешевления процесса ученые пошли по пути образования композиций из дешевых износостойких порошковых твердых сплавов, обладающих широкими техническим возможностями. Такие материалы содержат различные по форме и свойствам компоненты с четкой границей раздела между ними и сочетающие индивидуальность каждого из них. При этом классифицировать данные покрытия по способу их формирования довольно сложно, так как получение одних видов композиционных покрытий возможно только одним способом, а других - различными.
Указанные недостатки ограничивают применение способа ВПН износостойких покрытий с последующим их оплавлением для восстановления и упрочнения быстроизнашиваемых деталей машин. В связи с этим требуется проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований по разработке или совершенствованию существующего оборудования.
Теоретическое описание оценки годности элементов как составной части их технического состояния
При этом показатель наименьшей себестоимости ДСВ - это первый из общих показателей экономического эффекта. По мнению автора [31, 32] использование ремонтно-технологического оборудования является одним из решающих факторов роста производительности труда. При этом более высокому уровню общественной производительности труда при максимуме результатов соответствует не минимум текущих затрат, выражаемых себестоимостью работ по восстановлению деталей, а минимум приведенных затрат Спвь полнее и достоверно отражающих использование производства (см. табл. 1.13 формула 1.15). Однако, приведенные затраты не учитывают качество (ресурс) восстановленных деталей.
Д.т.н., проф. Н.Ф. Тельнов [170, 172, 206, 213] после анализа целого ряда методик обобщил и свел решение этой задачи к выбору рационального способа восстановления по двум направлениям: для конкретного ремонтного предприятия и для соответствующего региона (района, области, республики). В первом случае выбираемая технология привязывается к организационно-технологическим условиям данного предприятия, а во втором - учитываются особенности региона с целью обеспечения безотказности во время напряженных условий работы.
Академик РАСХН В.И. Черноиванов в работе [243, 254] критикует существующие методы технико-экономической оценки и приводит зависимости надежности, ресурса и приращения затрат.
При технико-экономических расчетах автором [242, 253] рекомендуется вводить нормативный коэффициент восстановления ресурса детали," который можно определять, не только используя отношения ресурсов (выражение 1.4), но и с помощью данных об износостойкости деталей. При этом целесообразны его рекомендации установить комплексный показатель восстановления, учитывающий ресурс детали и суммарные затраты на восстановление и эксплуатацию.
При использовании в качестве основного критерия себестоимости восстановления изношенных деталей или приведенных затрат, на которые в настоящее время воздействуют во многом бесконтрольно изменяющиеся цены, не всегда учитываются истинные издержки производства, новизна технологического процесса, необъективно отражаются народнохозяйственные и, самое главное, экологические аспекты.
В современных условиях при оценке существующих или разрабатываемых технологий наряду с основными производственными показателями необходимо учитывать их влияние на окружающую среду, расход материальных и энергетических ресурсов, затраты на мероприятия по обеспечению экологической безопасности. Так, по мнению д.т.н., проф. В.М. Юдина [252], целесообразен вариант, обеспечивающий наименьшие приведенные затраты на выполнение технологических операций производственного процесса восстановления деталей, позволяющий найти его слабые места и определить резервы ресурсосбережения (см. табл. 1.13, поз.5, формула 1.16).
Обоснование ресурсосберегающих технологий с учетом требований экологии производства представлено в трудах д.т.н., проф. Е.А. Пучина [203, 205]. Большая работа в решении проблемы экологической безопасности при оценке технического уровня оборудования для восстановления деталей проведена в МГУП под руководством д.т.н., профессора Б.Н. Орлова [47, 49].
В связи с усилением требований экологической безопасности при ремонте машин вообще и при восстановлении деталей в частности затрачиваются основные и оборотные средства, которые необходимо учитывать при разработке технологического процесса. Выбор и обоснование оптимального способа восстановления по технико-эколого-экономическому критерию было предложено осуществлять д.т.н., проф. А.Н. Батищевым (см. табл. 1.13, поз.6).
Выражение (1.17) представляет собой технико-экономическую модель, позволяющую наиболее полно учитывать и оценивать затраты на получение единицы продукции. Однако лучший (с точки зрения затрат) вариант может не удовлетворять по надежности или производительности, так как не всегда верно учитывается качество восстановления детали. К сожалению, и этот предлагаемый технико-эколого-экономический критерий не лишен недостатков.
Таким образом, анализ представленных работ показывает, что они не дают в полной мере объективной оценки технического уровня технологий восстановления. Кроме того, при оценке учитывается множество разнородных показателей, а методы достоверной оценки их значимости (весовых коэффициентов) не разработаны. Причем значимость того или иного показателя зависит от различных социально-экономических условий развития экономики страны. Изложенные методики (методы), основанные на использовании в качестве одного из основных критериев себестоимости восстановления деталей, которая испытывает воздействие цен и поэтому далеко не всегда отражает истинные издержки производства, по существу, не учитывают новизну технологического процесса.
В свою очередь, новизну технологии необходимо оценивать таким показателем, который, не подменяя собой стоимостных показателей, корректировал бы их, достоверно измеряя затраты на производство продукции.
Все мероприятия по поддержанию техники в исправном состоянии должны быть, прежде всего, направлены на повышение фактического ресурса и снижение удельных затрат. При оценке технического уровня технологических процессов нет единых подходов в выборе способов и их показателей. В связи с этим необходимо искать другие научно-методические подходы, учитывающие показатели эксплуатационной надежности, экономические и организационные показатели, определяющие критерии оптимальности восстанавливаемых деталей в конкретных производственных условиях.
В современных условиях созрела необходимость создания гибких автоматизированных технологий, позволяющих восстанавливать детали с различными ресурсами в зависимости от спроса, а, следовательно, и с различной ценой на них. Новые современные подходы к обоснованию рациональных (оптимальных) способов восстановления деталей изложены в работах д.т.н., проф. А.Н. Батищева [11, 12, 13]. Им предложено оптимизировать технологический процесс восстановления деталей по энергетическому критерию, учитывающему коэффициент долговечности и все затраты энергии, в том числе энергию живого труда, начиная от производства необходимых материалов и заканчивая финишной обработкой деталей (см. табл. 1.13, формула 1.18).
Обоснование объема информации для проведения экспериментальных исследований
Еще в недавнем прошлом отсутствие технических средств представляло собой непреодолимое препятствие в конструкторских расчетах деталей. При этом исследователям приходилось значительно упрощать расчетные схемы и уравнения, вследствие чего зачастую исключались многие значимые факторы и показатели. Так, например, размеры деталей согласно методикам проектирования принято было «намечать по эмпирическим зависимостям», а намеченные размеры - проверять расчетами на прочность, которые в значительной мере являются условными [80, 82, 178, 207, 214].
В результате выше отмеченных и им подобных упрощений качество конструкторско-технологических решений оказывается недостаточным, что приводит к превышению массы и материалоемкости деталей, повышению числа неудачных технологических и натурных экспериментов, а также значительному увеличению сроков разработки конструкций.
Экстремальные условия работы элементов современных конструкций деталей, сложность их формы и достаточно большие габариты делают исключительно трудным и дорогостоящим процесс осуществления натурных или полунатурных экспериментов [181, 182, 183, 184, 239, 248, 250, 259], особенно, когда речь идёт об установлении предельных (разрушающих) нагрузок. При этом создание конструкций такого типа невозможно без совершенствования и автоматизации процесса проектирования, применения новых материалов и ресурсосберегающих технологий.
Процесс технического перевооружения ведущих промышленных предприятий, головных отраслевых НИИ и т.д., имеющий место в настоящее время и альтернативы которому нет ввиду жёсткой конкуренции на отечественном и мировом рынках, требует в числе прочего и обновления материального обеспечения для задач инженерного моделирования. Это так называемые системы САПР и САУ, главной задачей внедрения которых является снижение издержек и сжатие сроков проектирования и производства за счёт замены реальных процессов прототипирования, макетирования, испытаний и т.п. - их виртуальными аналогами. В отличие от процесса конструирования деталей, современные программные и технические средства расчётов позволяют выполнить сложные расчёты в сжатые сроки с высокой степенью точности и визуализации результатов.
Существование высокопроизводительных вычислительных средств, наличие необходимого программного обеспечения позволяют считать математическое моделирование одним из наиболее эффективных способов оценки прочности, прогнозирования долговечности и оптимизации конструкций и технологических процессов производства, в основе которых лежат процессы нагрева, деформации, магнитные явления, явления гидродинамики, а также действие удара или взрыва [58, 178, 180].
Для исследования напряженно-деформированного состояния быстроизнашивающихся поверхностей деталей строительного оборудования (валов крепления лопастей, отверстий в корпусах и др.) применен метод конечных элементов [210, 217], основная идея которого состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов или участков (рисунок 2.27). При этом исследуются зависимости напряжений в данных поверхностях от деформаций, вызванных динамическими нагрузками, а также воздействием ударно-абразивных и агрессивных сред [127, 147, 149].
Необходимо заметить, что в сплошной среде число точек связи бесконечно, именно это и составляет основную трудность получения численных решений в теории упругости.
Таким образом, при использовании метода конечных элементов (МКЭ) решение краевой задачи для заданной области ищется в виде набора функций, определенных на некоторых подобластях - конечных элементах.
Постановка и решение задачи по методу конечных элементов состоит из следующих основных этапов: 1. Идентификация задачи и создание её расчётной схемы с определением действующих нагрузок, температур, параметров трения и т.п. 2. Создание геометрии модели, пригодной для МКЭ (чаще всего твердотельной модели). 3. Разбиение твердотельной модели на сетку конечных элементов - начало создания математической модели. 4. Приложение к модели граничных условий (закрепление на границе или граничные нагрузки, температуры). 5. Выбор математического решателя (метода решения - прямой, итерационный). 119 6. Численное решение системы уравнений, которое выполняется программным комплексом. 7. Анализ и представление результатов. 8. Оптимизация конструкции детали, входных параметров нагрузок и материалов. В основе расчетной схемы данного метода лежит определение зависимости напряжений в поверхностях от деформации среды (рисунок 2.28): {o} = [D] {єе1}, (2.62) где {а} - вектор напряжений = [ах ау GZ аху oyz axz]T; [D] - матрица жёсткости; {єе1} = {є} - {eth} - вектор эластичной деформации; {є}- общий вектор деформации; {8th} - вектор температурной деформации. Коэффициенты (элементы) матрицы жесткости определяются координатами узлов элементов, числом элементов, сходящихся в узле, а также модулем упругости и коэффициентом Пуассона материала детали. Y — X Рисунок 2.28 - Векторы напряжений Для получения единственного решения система (2.62) дополняется граничными условиями, обеспечивающими неподвижность в пространстве рассчитываемой (проектируемой) детали. С этой целью, например, закрепляют ряд узлов, задавая в них нулевые смещения [82].
