CC BY
0
МАШИНОСТРОЕНИЕ
Научная статья УДК 621.9.079
doi: 10.61527/1684-7016-2023-4-27-32
Особенности эксплуатации синтетических смазочно-охлаждающих жидкостей в централизованных системах применения при металлообработке
Евгений Михайлович Булыжёв1 Леонид Викторович Худобин2 Юрий Борисович Алякин3
^Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия
1 eugbul1946@gmail.com
3kontro73@yandex.ru
Аннотация: Описывается развитие и трансформация представлений о системной ресурсосберегающей экологизированной технологии применения, обусловивших синтез системной технологии «ВИТА» на промышленных предприятиях СССР. Выявлена тенденция замены водоэмульсионных СОЖ на синтетические и попыток заменить ими системное обеспечение технологическими жидкостями при металлообработке.
Показано морфологическое дерево математических моделей, обеспечивающее возможность формирования системного комплекса, позволяющего решать задачи разработки ресурсосберегающего экологизированного технологического процесса применения синтетических СОЖ. Вскрыт круг вопросов, без решения которых невозможно оптимизировать состав оборудования, приёмы и средства системного технологического процесса применения синтетических СОЖ.
Ключевые слова, системная ресурсосберегающая экологизированная технология, применение СОЖ, металлообработка, математическая модель, кинетика состава и свойств СОЖ.
MACHINE-BUILDING
Scientific article
Operational features of synthetic coolants in centrilized application systems for metal working
Evgeny M. Bulyzhev1 _ Leonid V. Khudobin7 Yuri B. Alyakin
uUlyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia
1 eugbul1946@gmail.com
2 kontro73@yandex.ru
Abstract. The development and transformation of ideas about the system resource-saving ecological technology of application, which led to the synthesis of the «VITA» system technology at industrial enterprises of the USSR, is described. The tendency towards replacing water-soluble coolants with synthetic ones and attempts to substitute process liquids with them during metalworking is revealed.
© Булыжёв E. M., Худобин Л. В., Алякин Ю. Б., 2023
A morphological tree of mathematical models is shown, which provides the possibility of forming a system complex that allows solving the problems of developing a resource-saving, environmentally friendly technological process for the use of synthetic coolant. A range of issues has been revealed that require solving in order to optimize equipment configurations, techniques and means forutilization of synthetic coolants. Keywords, system resource-efficient green technology, coolant application, metalworking, mathematical model, kinetics of coolant composition and properties.
Во второй половине XX века было сформировано устойчивое представление технологов о том, что смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) являются неотъемлемым расходным ресурсом, обеспечивающим реализуемость, стабильность и эффективность технологических процессов металлообработки, не менее дорогостоящим, нежели металлорежущий инструмент [1-6]. В конце столетия была успешно завершена попытка создать ресурсосберегающую экологизированную системную технологию применения СОЖ при металлообработке - концепция бессточного жизненного цикла СОЖ [2].
Согласно системной технологии применения СОЖ, получившей название «ВИТА», подавляющее большинство водных СОЖ (в том числе и водоэмульсионных) можно эксплуатировать в централизованной системе применения при металлообработке сколь угодно долго при условии стабилизации их состава и свойств путём компенсации потерь и коррекции состава, в том числе посредством очистки от механических и посторонних масляных жидкостей из гидравлических систем металлообрабатывающих станков [2, 7, 8]. Адекватность технологии «ВИТА» была подтверждена внедрением в практику металлообработки более чем на 80 промышленных предприятиях [2].
В то же время за рубежом получила распространение теория организации ресурсосберегающего экологизированного процесса применения технологических жидкостей при металлообработке посредством создания потенциально более эффективных при эксплуатации синтетических СОЖ, которые обладают значительно большей сопротивляемостью физическим, химическим, физико-химическим и биологическим воздействиям [9-15].
В условиях слепого копирования зарубежных технологий получило распространение представление о возможности отказа от системных ресурсосберегающих экологизированных технологий при применении синтетических СОЖ [14, 15, 16].
При этом менеджмент, в силу некомпетентности, зачастую без всякой опытной проверки, просто
прибегая к замене водоэмульсионных СОЖ на синтетические, при этом, оставляя без обслуживания (персонала) или просто ликвидируя само технологическое оборудование для очистки и стабилизации СОЖ, ожидал продления срока службы СОЖ до 2-3 лет (под сроком службы здесь понимается период бессточной эксплуатации СОЖ) [3].
Зачастую ранее организованные на производстве специализированные службы, обеспечивающие применение СОЖ на производстве, в целях экономии заработной платы просто распускались, а многие топ-менеджеры на этом строили свои карьеры. Однако реальность опровергла данные концепции. Без соответствующей системной ресурсосберегающей экологизированной технологии, подобной технологии «ВИТА», синтетические СОЖ (далее «СОЖ») в среднем массово эксплуатировались не долее 4-6 месяцев, а затем их сбрасывали на разложение и утилизацию. И вот тут важнейшее преимущество - высокая стойкость к реагентным воздействиям превратилась в «ахиллесову пяту». Они упорно не разлагались. Практически в РФ до настоящего времени не существует апробированной технологии разложения синтетических СОЖ. Их сбрасывают в системы переработки водных стоков и «будь что будет». Зачастую при этом пользовались тем, что в системе показателей СанПиН и ГН просто не нормировалось содержание некоторых веществ, характерных для синтетических СОЖ, а разбавление водными стоками маскировало их присутствие в стоках.
Возрастающие объёмы применения синтетических СОЖ в последнее время привлекли внимание специалистов. Особенно остро встал вопрос по крупным предприятиям в условиях масштабного перехода на синтетические СОЖ, там где вышераскрытая ситуация стала очевидной и значимой. На ряде предприятий решили вернуться на индивидуальные системы применения синтетических СОЖ (решение просто некомпетентное). Острота ситуации маскируется, стоки синтетических СОЖ размазываются по прочим водным стокам при
сбросе, но не исчезают. Кроме того, индивидуальные системы применения синтетических СОЖ приведут к значительной потере их экономической и технологической эффективности, поскольку организовать технически грамотное сопровождение (обслуживание) силами большого числа распределённых наладчиков невозможно в силу их неподготовленности и профессиональной некомпетентности (в отношении применения СОЖ). Это то же самое, что заменить врачей знахарями.
В данной статье представлены результаты выяснения причин резкого снижения срока службы синтетических СОЖ при масштабном применении.
В большинстве случаев синтетические СОЖ признаются отработанными по причине потери технологической эффективности, в совокупности с проявляющейся коррозией, биопоражением, сильным загрязнением трудноудаляемыми тон-
кими механическими примесями и инородными маслами из гидравлических систем металлорежущих станков, уменьшением концентрации самой СОЖ («истощения») и ухудшением её композиционного состава.
Системное описание процессов применения синтетических СОЖ, их математическое моделирование, своевременное решение оптимизационных задач на стадии регламентации и организации системного технологического процесса позволит достигнуть поставленной цели радикального повышения ресурсосбережения и уровня экологизации с помощью технологического оборудования и соответствующих средств и приёмов.
На рисунке 1 показана системная модель структуры технологического процесса применения синтетических СОЖ в виде морфологического дерева.
Рис. 1. Дерево математических моделей технологического применения синтетической СОЖ
Уравнение кинетики изменения объёма СОЖ в процессе её оборота в ЦСП характеризует его уменьшение вследствие потерь, вызванных утечками в трубопроводных системах, разбрызгиванием на станках, испарения с открытых поверхностей, угара в зоне резания и т. п. (рис. 1). Авторами [3] было установлено, что скорость потерь СОЖ во времени постоянна (рис. 2).
В этом случае основное уравнение кинетики изменения объёма СОЖ выглядит следующим образом:
V = У0-ДУ, (1)
ДУПОТ _ §ПОТ ' ^ 5 (2)
ДУ»р = gKOp г, (3)
ду = ДУП0Т - АУкор = gпoт • I - gкop I, (4) где Уо и ДУ; — первоначальный и текущие объёмы СОЖ в ЦСП;
ДУП0Т и ДУкор ~ потеря и приращение СОЖ при коррекции в процессе эксплуатации;
gпoт и gкop _ соответственно скорости потерь и коррекции (компенсации) нормированных объёмов СОЖ, отнесенных к первоначальному объёму при эксплуатации за время t.
Рис. 2. Кинетика колебания объёма синтетических
СОЖ в ЦСП во время эксплуатации: Тп - время полной потери элементарных объёмов первоначально заправленной жидкости
Аналогично уравнения, характеризующие изменения показателя качества СОЖ во время непрерывной работы технологических линий, имеют линейный вид, поэтому справедливо выражение
Х = Х0 — ДХП0Т + ДХкор , (5)
ДХП0Т и ДХкор — нормированные значения уменьшения и приращения показателей качества СОЖ в процессе эксплуатации;
Д^ПОТ _ ^ПОТ ' t , (6)
Д^кор _ ^кор ' ^ 5 (7)
где gxnoT и gxKop _ соответственно скорость потерь и коррекции показателей качества СОЖ при эксплуатации.
Необходимо не только принципиальное понимание сущности протекающих при эксплуатации процессов, сопровождающихся потерей объёмов и компонентов композиции концентрата и свойств СОЖ, но и знание количественных показателей скорости потерь и кинетики массообмена. Без этого невозможно оптимизировать объём и состав синтетической СОЖ при первой заправке ёмкостей ЦСП, особенности компенсации потерь и коррекции состава в процессе эксплуатации.
Исследования реальных систем масштабного централизованного применения СОЖ при металлообработке на промышленных предприятиях, проведённые авторами, позволили разработать концепцию бессрочного жизненного цикла, необходимую для разработки ЦСП, функционирующих без залповых сбросов СОЖ.
СПИСОК источников
1. Смазочно-охлаждающие технологические средства: Справочник / Под общей ред. Л. В. Ху-добина. Москва: Машиностроение, 2006. 543 с.
2. Булыжев Е. М., Худобин Л. В. Ресурсосберегающее применение смазочно-охлаждающих жидкостей при металлообработке. Москва: Машиностроение, 2004.352 с.
3. Булыжев Е. М., Худобин Л. В., Алякин Ю.Б. Предотвращение залповых стоков синтетических смазочно-охлаждающих жидкостей на разложение и утилизацию путём оптимизации условий эксплуатации // Технологии очистки воды «ТЕХНОВОД-2023»: материалы XIV Межд. науч.-практ. конф.; г. Кисловодск, 18-21 апреля 2023 г. / Юж.-Рос. политехи, ун-т. (НПИ) имени М. И. Платова, Новочеркасск: Лик, 2023. 369 с., С.358-363.
4. Чарыков В. И., Соколов С. А., Евдокимов А. А. Ресурсосберегающая технология и технические средства восстановления эксплуатационных свойств смазочно-охлаждающих жидкостей // Тракторы и сельхозмашины. 2016. №3. С. 33-36.
5. Кирейнов А. В., Есов В. Б. Современные тенденции применения смазочно-охлаждающих технологических средств при лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. №2 / http://engjournal.ru/cata... mesc/tempp/1591 .html.
6. Yan P., Rong Y., Wang G. The effect of cutting fluids applied in metal Cutting process // Proceedings of the Institution of the Mechanical Engineers. Part B. Journal of engineering Manufacture/2016/ Vol.230. No. 1. pp. 157-162.
7. Уалиев Д. Ш., Шайманова Ж. К., Таттимбек Г. Л. Смазочно-охлаждающие жидкости - основа эффективной работы промышленности II Наука, техника и образование. 2014. №5(5). С. 72-74.
8. Алимарданов X. М., Садыгов О. А., Бабаев Н. Р. и др. N-замещённые аминомет оксибицикло [2.2. 1] гептанолы и их антимикробная активность в смазочно-охлаждающих жидкостях и маслах II Журнал органической химии. 2018. Т. 54, вып. 3. С.378-388.
9. Байрамов М. Р., Аскарова, Г. М., Мехтиева Г. М. и др. Синтез и исследование 1-алкенил-2-пропаргилокси-3-аминометилбензолов в качестве ингибиторов кислотной коррозии и антимикробных присадок к смазочно-охлаждающим жидкостям II Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93, вып. 11. С. 1534-1542.
10. Dayun X. Different Methods of Cutting Fluid Applicftion on Turning of a Difficult-to-Machine Steel //Advanced Material Research. 2012. Vol. 628. pp.476-481.
11. Priarone P., Robiglio M., Settineri L. Effectiveness of Minimizing Cutting Fluid Use when Turning Difficult-to-cut Alloys II Procedia CIRP. 2015. Vol.29, pp. 341-346.
12. Babaev E.R. Lube-cooling fluids synthesis, properties and applications. Institute of Additive Chemistry of the National Academy of Sciences of Azerbaijan//Bashkir Chemical Journal. 2022. T. 29, No. 3, pp. 11-19.
13. Mane S., Kumar S. Cutting Fluids and Cutting Fluid Application Techniques in Machining: A Review II International Journal of Scientific and Engineering Research. 2018. Vol. 9. No. 3. pp. 60-63.
14. Tang L., Zhang Y., Changhe L. Biological Stability of Water-Based Cutting Fluids: Progress and Application// Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2022. Vol. 35. No. 3. pp. 2645-2651.
15. Shokrani A., Dhokia V., Newman S. T. Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2012, vol. 57, pp. 83-101.
16. Debnath S., Reddy M. M., Yi Q. S. Environmental friendly cutting fluids and cooling techniques
in machining: A Review. Journal of Cleaner Production, 2014, vol. 83, pp. 33-47.
Информация об авторах:
E. M. Булыжёв - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ; Л. В. Худобин (1928-2023 гг.) - доктор техниче-
ских наук, профессор УлГТУ; Ю. Б.Алякин - аспирант УлГТУ.
REFERENCES
1. Smazochno-ohlazhdayushchie tekhnologiches-kie sredstva: Spravochnik [Cutting technological facilities: Handbook], Pod obshchej red. Г. V. Hudo-bina [Under the general editorship of L. V. Khudo-bin]. Moscow, Mashinostroenie [Machine engineering], 2006. 543 p.
2. Bulyzhev E. M., Khudobin L. V. Resursos-beregayushchee primenenie smazochno-ohla-zhdayushchih zhidkostej pri metalloobrabotke [The resource-saving application of cutting fluids when processing metals]. Moscow, Mashinostroenie [Machine engineering], 2004. 352 p.
3. Bulyzhev E. M., Khudobin L. V., Alyakin Yu. B. Predotvrashchenie zalpovyh stokov sintetich-eskih smazochno-ohlazhdayushchih zhidkostej na razlozhenie i utilizaciyu putyom optimizacii uslovij ekspluatacii [Preventing salvo outlets of synthetic cutting fluids for decomposing and recovering via optimizing operation conditions] TekhnologH ochistki vody «TEKHNOVOD-2023»: materialy XIVMezhd. nauch.-prakt. konf.; g. Kislovodsk, 18-21 aprelya 2023 g. [Wastewater treatment technologies «TEKHNOVOD-2023» : materials of XIV International research-to-practice conference]; Kislovodsk city, April 18-21, 2023. YUzh.-Ros. politekhn. un-t. (NPI) imeniM. I. Platova [South-Russian polytechnic university (NPI) named afterM. I. Platov]. Novocherkassk. Lik, 2023. 369 p., pp. 358-363.
4. Charykov V. I., Sokolov S. A., Evdokimov A. A. Resursosberegayushchaya tekhnologiya i tekhnicheskie sredstva vosstanovleniya eksplu-atacionnyh svojstv smazochno-ohlazhdayushchih zhidkostej [The resource-saving technology and technical facilities for restoring performance properties of cutting fluids]. Traktory i sel'hozmashiny [Tractors andagricultural machines]. 2016. No. 3. pp. 33-36.
5. Kireynov A. V., Esov V. B. Sovremennye ten-dencii primeneniya smazochno-ohlazhdayushchih tekhnologicheskih sredstv pri lezvijnoj obrabotke
trudnoobrabatyvaemyh materialov [Contemporary trends of applying cutting technological facilities when processing difficult-to-machine materials using edges]. Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovacii [Engineering journal: science and innovations], 2017. No. 2/http://engjournal.ru/cata.. .mesc/tempp/1591. html.
6. Yan P., Rong Y., Wang G. The effect of cutting fluids applied in metal Cutting process. Proceedings of the Institution of the Mechanical Engineers. Part B. Journal of engineering Manufacture. 2016. Vol. 230. No. l.pp. 157-162.
7. Ualiev D. Sh., Shaymanova Zh. K., Tattimbek G. L. Smazochno-ohlazhdayushchie zhidkosti - os-nova effektivnoj raboty promyshlennosti [Cutting fluids as a basis of effective work of the industry], Nauka, tekhnika i obrazovanie [Science, engineering and education], 2014. No. 5(5). pp. 72-74.
8. Alimardanov Kh. M., Sadygov O. A., Babaev N. R. and etc. N-zameshchennye aminomet oksibi-ciklo [2. 2. 1]geptanoly i ih antimikrobnaya aktivnost' v smazochno-ohlazhdayushchih zhidkostyah i maslah [N-substituted aminomethyl-oxybicyclo- [2. 2. 1] heptanols and their antimicrobial activity in cutting fluids and oils]. ZHurnal organicheskoj himii [Organic chemistryjournal]. 2018. Vol.54, issue 3. pp. 378-388.
9. Bayramov M. R., Askarova G. M., Mekhtieva G. M. and etc. Sintez i issledovanie 1-alkenil-2-pro-pargiloksi-3-aminometilbenzolov v kachestve ingibi-torov kislotnoj korrozii i antimikrobnyh prisadok k smazochno-ohlazhdayushchim zhidkostyam [The synthesis and study of l-alkenyl-2-propargyloxy-3-ami-nomethylbenzenes as inhibitors of the acid corrosion and antimicrobial additives to cutting fluids]. ZHurnal prikladnoj himii [Applied chemistry journal]. 2020. Vol. 93, issue 11. pp. 1534-1542.
10. Dayun X. Different Methods of Cutting Fluid Application on Turning of a Difficult-to-Machine Steel. Advanced Material Research. 2012. Vol. 628. pp.476-481.
11. Priarone P., Robiglio M., Settineri L. Effectiveness of Minimizing Cutting Fluid Use when Turning Difficult-to-cut Alloys. Procedia CIRP. 2015. Vol.29, pp. 341-346.
12. Babaev E. R. Lube-cooling fluids synthesis, properties and applications. Institute of Additive Chemistry of the National Academy of Sciences of Azerbaijan. Bashkir Chemical Journal. 2022. Vol. 29 No. 3. pp.11-19.
13. Mane S., Kumar S. Cutting Fluids and Cutting Fluid Application Techniques in Machining: A Review. International Journal of Scientific and Engineering Research. 2018. Vol. 9. No.3. pp. 60-63.
14. Tang L., Zhang Y., Changhe L. Biological Stability of Water-Based Cutting Fluids: Progress and Application. Chinese Journal of Mechanical Engi-neering.2022. Vol.35. No.3.pp.2645-2651.
15. Shokrani A., Dhokia V., Newman S.T. Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2012, Vol. 57. pp. 83-101.
16. Debnath S., Reddy M.M., Yi Q.S. Environmental friendly cutting fluids and cooling techniques in machining: A Review. Journal of Cleaner Production, 2014, Vol. 83. pp. 33-47.
Information about the authors:
E. M. Bulyzhev - doctor of technical sciences, associate professor, professor of the Department of the department «Innovative technologies in mechanical engineering», UlSTU;
L. V. Khudobin (1928-2023) - doctor of technical
sciences, professor UlSTU;
Yu. B.Alyakin - postgraduate student, UlSTU.
Статья поступила в редакцию 06.12.2023; одобрена после рецензирования 11.12.2023; принята к публикации 15.12.2023.
Thearticlewassubmitted 06.12.2023; approved after reviewing 11.12.2023; accepted for publication 15.12.2023.
