CC BY
13
Рис. 12 (б). Трёхмерная модель предлагаемой литниковой системы
перспективнеиших для снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности предприятии не только КурганскоИ области, но и других регионов России.
В.П. Кузнецов, А.И. Маленков, М.М. Федотова Курганский государственный университет, г. Курган
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ БЛАСТ-ПОВЕРХНОСТИ В ДРОБЕСТРУЙНОЙ ТРАССОВОЙ МАШИНЕ
Практика применения опытных образцов самоходных трассовых дробеструйных машин МТД-1420-1 производства ОАО «Курганмашзавод» (рис.1) показала, что одной из важнейших проблем финишной подготовки поверхности трубы при переизоляции с их использованием является выбор оптимальных режимов работы с различными видами инструмента (абразивного материала), обеспечивающих, с одной стороны, требуемое качество обработки с точки зрения обеспечения заданных геометрических характеристик (шероховатости и степени очистки) и физико-механических свойств обработанной поверхности, с другой - достижения максимальной или хотя бы достаточной для данных условий ремонта производительности [1].
Рис. 13 (а). Результаты моделирования предлагаемой
литниковой системы
Рис. 14 (б). Результаты моделирования предлагаемой литниковой системы
При использовании ресурсосберегающих технологий и систем компьютерного моделирования литейных процессов на предприятиях области возможно существенное снижение затрат при производстве отливок за счет повышения выхода годного литья и снижения потерь от брака (например, использование термоизолирующих вставок для снижения веса прибылей, керамических фильтров ФКТ для улавливания неметаллических включений в расплавленном металле, математических моделей процесса литья для осуществления вычислительных экспериментов, оптимизации параметров литейной технологии на компьютерной модели, а не на реальной отливке). Данное направление является одним из
1. Диаметр трубы, мм
2. Скорость перемещения, м/час
3. Число двойных ходов сопла в минуту
4. Расстояние от сопла до трубы (мин), мм
5. Угол качания сопла, о
6. Диаметр пятна очистки, мм
7. Расход воздуха через сопло, м3/мин
8. Давление воздуха, МПа (кг/см2)
9. Производительность очистки, м2/час
10. Расход дроби через одно сопло, кг/час
11. Применяемые абразивы: дробь ГОСТ 11964-81Е купрошлак ТУ3989-001-15050378-2003
12. Шероховатость после очистки, мкм
13. Степень очистки (при скорости перемещения 15 м/час) по S/S 055900
14. Установленная мощность двигателей, кВт
1420 15-90 20 250 90 65 6 0,8 14
2500
№0,8 - 1,2 N/CU/G 0,5-2,5 40-60
Sa 21А 2,02
Рис.1. Машина трассовая дробеструйная МТД-1420-1 и ее технические характеристики
Процесс финишной подготовки поверхности трубы к переизоляции посредством струйно-абразивной обработки (CAO), протекающий в реальных условиях эксплуатации линейных участков магистральных трубопроводов, отличается большой вариативностью сочетаний множества факторов, таких как климатический режим, количество и состояние остатков изоляционного слоя, степень коррозионных и стресс-коррозионных повреждений поверхности трубы, почвенно-гидрологические условия при проведении ремонтных работ и пр. В связи с этим актуальным является системный подход к выбору оптимальной технологии очистки и ее режимов, позволяющий разрешить извечное противоречие между скоростью ремонтных работ и их качественными показателями - надежностью ремонтной изоляции и эксплуатационными характеристиками отремонтированной трубы, важнейшей среди которых является сопротивление усталостному разрушению. Как показывают проведенные нами исследования, последнее обстоятельство в значительной мере определяется способом CAO (прежде всего видом абразивного материала), используемым на заключительном этапе финишной подготовки, и вполне оправданно является одной из целевых функций моделирования, однако связанные с этим вопросы, исследования и их практические результаты выходят за рамки данной статьи. В настоящей работе приводится рассмотрение вопросов, связанных с процессом финишной очистки CAO поверхности трубопроводов с применением абразивов однократного действия - гранулированных шлаков, в частности купрошлака N/CU/G 0,5-2,5 ТУ 3989-001-150503782003, получившего широкое распространение в практике капитального ремонта в трассовых условиях из-за низкой стоимости и отсутствия необходимости применения систем сбора и рекуперации.
В качестве способа решения проблемы обеспечения заданных параметров финишной подготовки трубы к переизоляции и возможности построения в дальнейшем высокоэффективных адаптивных технологических систем нами выбран путь создания компьютерной модели формирования бласт-поверхности (поверхности, полученной в результате CAO), основанной на представлении мгновенных значений энергетического воздействия воздушно-абразивной струи на элементарную площадку в виде матрицы (рис.2), охватывающей всю площадь пятна обработки [2].
Следует отметить, что энергетический подход к оценке формирования поверхности CAO в настоящее время рассматривается как один из наиболее перспективных подходов, с помощью которого существует реальная возможность создания фундаментальной теоретической базы назначения режимов обработки взамен существующих в настоящее время частных эмпирических подходов [3]. Проводимые в этом направлении исследования прежде всего связаны с формализацией процесса поверхностного пластического деформирования (ППД), направленного на изменение физико-механических свойств и, как следствие, эксплуатационных характеристик обрабатываемых деталей и металлоконструкций. В основе построения и проверки оптимизационных зависимостей лежит широко известный метод Алмена, использующий свойство металлических пластин-образцов выгибаться навстречу потоку дроби пропорционально степени его воздействия на поверхность обработки вследствие наклепа.
Основным отличием процесса очистки купрошлаком является то, что он преимущественно связан не с наклепом, а с уносом материала с поверхности очистки - начиная с загрязнений и заканчивая основным металлом. В
связи с этим оптимизационной задачей здесь является формирование поверхности требуемой чистоты и шероховатости с возможно максимальной скоростью при ограничении эрозионного воздействия.
а) б)
| | - контур
000 0 О 0 0000 000 0 0 0 0000
б) - матрица удельной интенсивности рабочей
струи, %; - зона А
г) |—| - зоны В и С
в) - матрица глубины эрозионного уноса основного металла с обрабатьваемой поверхности, мкм (время экспозиции струи - 20 секунд);
г) - матрица шероховатости поверхности, Я2, мкм
(^20 - поверхность за пределами пятна струи)
Рис.2. Матричная модель формирования бласт-поверхности
Математическое представление модели формирования целевых свойств (например, степени очистки, шероховатости поверхности, съема загрязнений, ограничения эрозионного уноса металла и пр.) элемента поверхности имеет следующее обобщенное математическое представление:
5.= ХШ(т)]хАТ
т еТ
где У у интенсивность воздействия,
Sj - суммарное количество энергии, воздействовавшей на данный элемент поверхности,
Дт- единичный промежуток времени экспозиции,
у7- время прохода абразивного факела через элемент поверхности.
Иллюстрацией данного формализованного подхода является рис.3.
В качестве входных величин модели используются: размер трубы, состояние поверхности (неуправляемые параметры); материал, тип и размер абразива, вид и диаметр сопла, угол атаки, траектория движения узла инструмента относительно трубы, давление воздуха и др. (управляемые параметры). Выходной информацией модели является характеристика очищенной поверхности по выбранной (выбранным) целевой функции из перечисленных выше.
Основными компонентами модели являются частные модели: модель формирования пятна обработки, модель кинематики относительного движения узлов инструмента и обрабатываемой поверхности, а также мо-
дель формирования характеристик элемента бласт-по-верхности в результате очистки.
а)
б)
Рис. 3. Схема формализации обрабатываемой поверхности трубы
а) разбиение поверхности на элементарные участки; б) доза «облучения» элементарного участка за
элементарный промежуток времени Д т
Компьютерная реализация математической модели финишной обработки поверхности трубы автоматизированной трассовой дробеструйной машиной представлена на рис.4.
Визуализация
Рис.4. Блок-схема компьютерной реализации модели формирования бласт-поверхности
С целью наполнения частных составляющих математической модели процесса САО в трассовой очистной машине, а именно матрицы модели пятна обработки, в ИТЦ «Газнефтемаш Инжиниринг» Курганского государственного университета в настоящее время выполняется цикл экспериментальных работ по исследованию процесса очистки и формирования финишной поверхности образцов, полученных из элементов реально эксплуатировавшегося трубопровода (ОАО «Сургутгазпром», г. Пыть-Ях) с применением рабочих сопел различного конструктивного исполнения (рис.5).
В качестве первоначальных задач экспериментального исследования были приняты:
1.Определение закономерностей формирования пятна очистки на образцах во времени по площади в за-
висимости от параметров, моделирующих процесс САО на очистной машине МТД.
2.Определение закономерностей формирования шероховатости поверхности в пределах пятна очистки.
З.Установление закономерностей съема материала с поверхности в пределах пятна очистки.
Эксперимент выполнялся на установке АСО-150У при рабочем давлении смеси 0,6 МПа, постоянном расходе абразивного материала и двухуровневом варьировании таких параметров САО, как диаметр и длина рабочего сопла, угол атаки, расстояние до поверхности очистки. Среди большого объема экспериментальных данных к настоящему моменту можно особо отметить результаты, полученные на следующих режимах: угле атаки 45 градусов, расстоянии от рабочего сопла до поверхности очистки 250 мм и диаметре цилиндрического (рис. 5а) рабочего сопла 11 мм и на двух типах образцов, изготовленных из материала трубы реально эксплуатировавшегося трубопровода, сталь 17ГС, а также пластин из прокатного листа аналогичной стали. Поверхность образцов-пластин характеризовалась наличием тонкой окисной пленки с незначительными ее повреждениями, поверхность фрагментов труб имела более толстый слой окалины с остатками старых изоляционных материалов (адсорбированного праймера, фрагментов битума и продуктов коррозии).
Первоначально были обработаны металлические пластины на шести ступенях времени воздействия, что позволило установить характер распределения степени очистки, шероховатости поверхности и кинетику изменения размера пятна очистки с увеличением времени обработки. При изучении пятна очистки на всех стадиях испытаний были выделены следующие характерные зоны обработки (рис. 6а, 6в):
■ зона А - поверхность в средней части пятна, характеризующаяся равномерным разбросом значений шероховатости (рис. 6б), кривые 1_1 - 1_5);
■ зона В - поверхность с полностью удаленной окалиной, расположенная вокруг зоны А и характеризующаяся полностью очищенной поверхностью и пониженным уровнем шероховатости (рис. 6б , кривая «зона В»);
■ зона С - поверхность перехода от зоны стопроцентной очистки к неочищенной поверхности;
■ зона К - зона интенсивной эрозии основного металла.
Характер изменения размера зон пятна очистки во времени представлен на рис. 6в.
Графики формирования зоны В и зоны К для данных условий обработки (длина рабочего сопла 75 мм) представлены на рис.7а. Из графика видно, что в диапазоне 0 - 5 секунд происходит интенсивное формирование размера пятна очистки за счет снятия окисной пленки воздушно-абразивной струей (зона В, кривая 1), после 5 секунд начинается эрозионный унос металла из центральной части пятна (зона К, кривая 4).
В результате аналогичных испытаний на пластинах с использованием рабочего сопла (рис. 5а) того же диаметра и длиной 150 мм получены данные, соответствующие кривой 2 на рис. 7а. Из графика следует, что относительный размер пятна уменьшился, что свидетельствует о некотором сужении воздушно-абразивной струи и возрастании интенсивности ее удельного воздействия на обрабатываемую поверхность, одновременно возросла интенсивность формирования эрозионного кратера (кривая 5 на рис. 7а). При подобных условиях (угол атаки 45°, расстояние до поверхности 250 мм, диаметр сопла 11 мм при длине 150 мм) были обработаны образцы из
Сопло цилиндрическое
Сопло двойное вентури
Рис.5. Конструкции сопел, применявшихся при экспериментальном исследовании
А - зона очистки со сформировавшейся шероховатостью В - зона полной очистки от загрязнений С - зона неполной очистки К - зона эрозионного уноса материала
О)
хг
Рис.6. Схема формирования рабочей поверхности в процессе САО
фрагментов труб реально эксплуатировавшегося трубопровода (рис. 8а). Полученные результаты отражены на рис. 7а - кривая 3.
Описанный выше эксперимент получил продолжение. Дополнительно на аналогичных режимах и подобных образцах из труб и пластин были опробованы в работе два сопла того же проходного сечения (11 мм) и дли-
ной рабочей части 150 мм - сопло вентури (рис. 56) и двойное вентури (рис. 5в), отличающееся наличием двух совмещенных секций с зазором между ними, позволяющим эжектировать окружающий воздух в рабочую струю и обеспечивающим таким образом более равномерную дисперсию абразива по бласт-поверхности в пределах пятна очистки.
•о-•Й
-1- 1
о ^ 2.
5 \ 4
/ / / г / > ё *
/ / / / /
/ ' I / 1 1 1 / / 1
а)
5 10 15
АвЧ В I АвШ ОЁЁ л. ААЁ
'О- 60
5
Я
, 1
N <
*/ х Рч
\ в О
б)
5 10 15 20
АВЙ В 1 СЁЁ, ШАЁ
Рис. 7. Кинетика формирования характерных зон бласт-поверхности
Результаты, представленные на рис.76, свидетельствуют о значительно большей по сравнению с цилиндрическими соплами скорости формирования пятна обработки, а также о значительном увеличении зоны А пятна очистки, уменьшении зон В и С, что позволяет делать вывод о возможности значительного сужения зоны перекрытия соседних проходов пятен очистки в трассовой машине, т.е. увеличения шага, а следовательно, скорости движения и производительности обработки. При этом уменьшение концентрации абразивных частиц в средней части пятна очистки благоприятно отражается на эрозионных процессах при необходимости увеличения времени экспозиции рабочей струи на поверхности очистки, например при наличии локальных участков с усиленным загрязнением.
Обобщенные результаты кинетики роста размеров пятна обработки (зона В) для сопел вентури и двойных вентури представлены в виде графиков на рис 76. При сопоставлении их с графиками рис.7а очевидно, что при приблизительном равенстве развития зон В во времени на пластине (при этом надо помнить, что зона А для этих сопел практически совпадает с зоной В) обработка образца трубы (рис. 86, 8в) с более сильным поверхностным загрязнением происходит значительно интенсивнее (кривые 2, 4 рис. 76), что говорит о снижении концентрации энергии струи в средней части и переносе ее на периферийные области.
Выполненные эксперименты показывают:
■ характер поверхностного слоя образцов (толщина, прочность, наличие загрязнений и пр.) влияет на кинетику формирования пятна очистки;
■ превышение некоторого допустимого времени обработки приводит к началу катастрофического эрозионного уноса металла с поверхности, что может привести к ослаблению несущего сечения объекта обработки;
■ геометрические параметры цилиндрического рабочего сопла влияют на характер и время формирования пятна очистки;
■ рабочие сопла с прогрессивной геометрией канала (вентури и двойное вентури) позволяют добиться повышения производительности работ за счет более равномерного распределения абразивных частиц по поверхности очисти.
Рис.8. Результаты струйно-абразивной обработки образцов трубы
Из перечисленных результатов особую роль можно отвести вопросу эрозии. Процесс катастрофического уноса материала с поверхности обрабатываемого объекта играет явно отрицательную роль в прикладном значении, вызывая ослабление несущего сечения. Однако данное обстоятельство можно выгодно использовать в экспериментальных исследованиях - поскольку поверхность «статического» эрозионного кратера практически подобна графической интерпретации матрицы энергетического воздействия (рис. 2а), то матрица эрозионного уноса металла (рис.7в) совместно с кривой кинетики формирования пятна очистки (рис.7а) может служить основой для определения удельных энергий в пределах бласт-повер-хности. Практически подобную роль играют кривые насыщения наклепом в методе Алмена.
Таким образом, получение целевой матрицы (в дан-
I
3 секунды
Сопло цилиндрическое
Сопло вентури
ном случае матрицы шероховатости поверхности, рис. 2г) на данном этапе исследований может быть выполнено экспериментальным путем. Конечной же целью работ является создание математической модели, в комплексе реализующей технологический процесс финишной очистки методом САО.
Проведенные исследования требуют дальнейшей обработки экспериментальных данных, очевидна необходимость расширения опытов в направлении использования других абразивных материалов, других конструкций рабочих сопел (например, сопло вентури с каналом квадратного поперечного сечения), другого состояния обрабатываемой поверхности и температурных условий. К настоящему моменту уже проведены испытания, аналогичные описанным в данной работе, с использованием других инструментов, в частности колотой и литой дроби, результаты их обрабатываются.
Подытоживая сказанное, можно отметить, что для построения теоретических основ и математических моделей процесса финишной очистки труб методом САО может использоваться энергетический принцип формирования бласт-поверхности, при этом для построения универсальных методик проектирования высокоэффек-тивныхтехнологических процессов очистки могут использоваться хорошо спланированные многофакторные экспериментальные исследования.
Список литературы
1. Кузнецов В.П., Панфилов А.Н., Мурашев A.B. Теория и практика
создания дробеструйных самоходных трассовых машин // Новые машины и технологии для ремонта магистральных трубопроводов: Материалы Международной научно-технической конференции, г. Курган, 26-27 сентября 2006 г.- Курган, 2006. - С.53-60.
2. Кузнецов В.П., Головко АЛ. Компьютерное моделирование финишной
очистки наружной поверхности трубы автоматической дробеструйной машиной //Новые машины и технологии для ремонта магистральных трубопроводов: Материалы Международной научно-технической конференции, г. Курган, 26-27 сентября 2006 г. -Курган, 2006. - С.64-70.
3. Рыбаков Г.М. Энергетические принципы назначения режимов
дробеструйной обработки. 41 // Технология машиностроения. -2006. -№3. -С.36 - 42.
B.П. Кузнецов, A.M. Гэниатулин, B.C. Мухин,
C.В Потеряев
Курганский государственный университет, г. Курган
ОПТИМИЗАЦИЯ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА КРЕПЕЖА ДЛЯ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ И НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Проектирование технологического процесса изготовления фланцевого крепежа начинается с тщательного изучения рабочих чертежей изделия с соответствующими техническими условиями изготовления детали, чертежа исходной заготовки и размеров программного задания.
На характер технологического процесса влияют следующие основные факторы:
а)размер производственной программы, в зависимости от типа производства и организационных форм выполнения технологического процесса;
б)конструктивная форма, размеры и технологичность крепежной детали;
в) род материала детали и его свойства;
г) форма, размер и точность изготовления заготовки;
д)требования к точности и качеству обработанной поверхности и другие требования по технологическим условиям;
е) характер используемого оборудования и технологической оснастки;
ж) требования наибольшей экономичности и производительности производства.
Управление технологическим процессом с целью его оптимизации может заключаться в изменении содержания операций, набора операций или последовательности операций в технологическом маршруте. При прочих равных условиях третий метод является предпочтительным, так как он связан с наименьшими изменениями в технологической системе, в системе планирования и нормирования. При оптимизации проиводства в современных условиях рыночной экономики определяющими являются следующие критерии: технологическая себестоимость, время изготовления и качество. При этом оптимизация технологического маршрута в общем случае носит многокритериальный характер.
Рассмотрим оптимизацию технологического маршрута по себестоимости с помощью сетевой модели. Технологическая себестоимость в общем случае определяется как С1 ~ , гдес; - норматив приведенных производственных затрат, приходящихся на 1 час работы оборудования, занятого на ¡-й операции, руб.;?; -трудоемкость обработки на ¡-й операции, мин. Анализ зависимости показывает, что ее минимизация возможна за счет снижения стоимости операции или снижения трудоемкости за счет рекомбинации имеющегося оборудования. При этом должно быть выдержано требуемое качество обработки. Для анализа технологического маршрута с учетом имеющегося оборудования рассмотрим технологическую сеть 0>- (X, и) как ориентированный граф, в котором каждой вершине Х1&Х(}=\,п) соответствует
различное состояние обрабатываемого изделия на определенных рабочих местах, а каждому ориентированному ребру - операция технологического процесса. Сопоставим каждой вершине сети численное значение показателя характеризующего изменение себестоимости изделия в процессе обработки. Инцидентность начала и конца дуги и с вершинами Ха ,
хр означает, что до операции значение показателя - са,
а после - ср. Технологическую сеть пополним вершинами А и В (рис. 1,2), которые соответствуют заготовке и готовому изделию. Ограничимся рассмотрением оптимизации по одному свойству - себестоимости, так как все осложнения в случае совокупности взаимонезависимых свойств могут быть связаны многокритериальной оптимизацией по вектору показателей.
Сопоставим каждой дуге графа 0> величину Ас-, равную сг- — с ■, где сг- - себестоимость на начале дуги (до
операции); с ■ - себестоимость на конце дуги (после операции). Таким образом, каждая операция характеризуется абсолютным приращением себестоимости Ас ¡-
