CC BY
63
In this article as a result of literary and patent analysis of currently available technologies to improve the energy efficiency of electricity supply enterprises, mainly in the fields of engineering, are the most proven and cost - effective methods to increase the energy efficiency of electricity supply enterprises.
Key words: energy efficiency, power, reactive power compensation, harmonic filters, transformers.
Zolotykh Sergey Fedorovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University,
Rozhkov Sergey Viktorovich, postgraduate, rozhkov-uzlv@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lobanova Svetlana Victorovna, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
РЕЗАНИЯ
В.С. Сальников, О. А. Ерзин, В.Г. Шадский
В статье представлена адаптивная система управления, осуществляющая постоянный и непрерывный контроль в ходе процесса резания за температурой в зоне резания, вводимым электрическим током, позволяющая вырабатывать соответствующие своевременные управляющие воздействия, которые позволят реализовать все возможности процесса резания с электроконтактным нагревом в части стойкости инструмента и в части шероховатости поверхности.
Ключевые слова: энергоэффективность, резание, стойкость инструмента, шероховатость.
Одним из основных резервов повышения эффективности использования энергии является оптимизация условий ввода энергии в зону обработки, т.е. формирование достаточных и минимально-необходимых в энергетическом плане воздействий на обрабатываемую поверхность.
Например, при обработке резанием используют различные виды энергетического воздействия на материал срезаемого слоя заготовки: механическое, электрическое и химическое, интенсифицирующие процесс разрушения материала. В частности известно, что при введении в зону резания дополнительного теплового воздействия появляется возможность обрабатывать материалы с более высокими прочностными характеристи-
ками.
Производительность любого метода обработки определяется скоростью протекания рабочего процесса. Одним из эффективных средств повышения производительности обработки резанием является оптимизация мощности, вводимой в зону обработки. Реализации больших мощностей в зоне обработки препятствуют физические явления, сопровождающие процесс резания и ведущие к снижению выходных параметров (точность обработки, качество микрогеометрии поверхностного слоя, стойкость инструмента, энергоемкость процесса). Наиболее эффективным методом обработки, сочетающим в себе относительно не высокую энергоёмкость процесса, с довольно высокой стойкостью инструмента и качеством поверхностного слоя является метод механической обработки с электроконтактным нагревом [7].
Наибольшей степенью локализации искусственных источников тепла (106 - 108 Вт/см ) обладают лазерный, плазменный и электрический источники [2]. По месту возникновения источники делятся на внутренние и внешние. К преимуществам внутренних источников относится инвариантность к форме обрабатываемых заготовок и видам обработки. Наибольшим КПД (0,7 - 0,8) обладает электрический, а наименьшим (0,4 - 0,5)
- лазерный и плазменный источники. В зависимости от расстояниям до зоны деформации источники делятся на работающие в зоне деформации, например электрические, и вне зоны деформации - плазменные и индукционные. Самые большие скорости нагрева обеспечивают электрический, лазерный и индукционный источники (105 - 106 0С/с). На основании проведенного анализа можно видеть, что наиболее перспективными являются электрические источники [2].
При интенсификации процесса резания путем использования элек-троконтактного нагрева задача сводится к отысканию оптимальной плотности или силы тока при заданном сечении среза в зависимости от параметров режима резания. С ростом параметров режима резания температура резания растет, и в этом случае при установленной оптимальной температуре контакта доля тепла дополнительного нагрева должна уменьшаться. Таким образом, с увеличением скорости резания оптимальная сила тока должна уменьшаться для сохранения постоянства температуры контакта [4]. Однако наличие выпуклости на кривой износа вносит определенные коррективы в это заключение и допускает возможность существования оптимума на зависимостях износа и суммарной энергоемкости от дополнительной вводимой энергии.
Известный экстремальной характер стойкостной зависимости, также подтверждает снижение энергопотребления при увеличении силы тока, пропускаемого через зону резания, предполагают возможность построения адаптивных систем управления этим процессом обработки. Для проверки теоретических положений по вопросам управления энергопотреблением
были проведены экспериментальные исследования.
Опытная установка, представленная на рис. 1 позволяет получить в рабочей цепи силу тока от 0 до 150 А при напряжении до 4В.
©
Измерительный блок
1 - Обрабатываемая деталь;
2 - Резец;
3 - Патрон;
4 - Щеточное устройство;
5 - Т окоподвод к резцу.
З
QF1 ^ lb £ 2 ■ VD11 + * VD14 р©— » \
0 (V)
TV2 TV1 2 £ 2 ! ° / /
Блок
управления
т:
|_ Силовой блок
Рис.1 Схема опытной установки.
При оснащении токарного станка подвод электрического тока к детали осуществлялся щеточным устройством (4 щетки размером 8 х 10 х 15 мм из материала МГ2), установленным на ступицу планшайбы патрона. Измерение силы резания осуществлялось компенсационной схемой по потребляемому току привода главного движения.
Способ и устройство прошли испытания. В ходе испытаний замечено, что изменение параметров тока при заданном режиме обработки дополнительно влияет на теплофизические свойства контактируемых материалов инструмента и изделия. Испытания подтвердили практическую целесообразность и надежность предложенного способа. Подтверждено, в частности, уменьшение мощности резания при пропускании тока через зону резания. Отмечено также некоторое улучшение качества обработанной
N
R
4
1
поверхности, особенно на при обработки 12Х18Н10Т и ВТ22. Однако это улучшение не согласуется с расчетными значениями. Это объясняется возникновением микроискренийна режущей кромке резца. Они не только ухудшают качество обработанной поверхности, но и не позволяют достичь ожидаемых результатов по стойкости инструмента. Для решения обнаруженных проблем предложена адаптивная система управления вводимым током, которая предполагает два возможных способа управления. Использование импульсного тока с длительностью меньшей периода развития дугового разряда на режущей кромке резца и постоянного стабилизируемого, с контролем моментов разрыва контакта резца и обрабатываемой заготовки. Функциональная схема системы показана на рис.2. Она состоит из следующих блоков: блок управления, блок поиска экстремума Т=/(1) и объекта управления .
Блок управления, состоящий из системы управления СУ и ключа, обеспечивает формирование требуемой величины и параметров тока на объект управления ОУ. СУ управляет ключом по одному из выбранных режимов.
Я = I (иупр) (1)
я =
0 . . . и
упр->
I
ср
I
ґ т^ V *и у
(2)
(3)
В зависимости от частоты срабатывания ключа изменяется частота импульсов тока подаваемых в ОУ. Регулируя период и длительность импульсов можно довольно точно регулировать величину тока, подаваемого в ОУ.
Рис. 2. Адаптивная система управления
145
ОО
Аналоговый режим
(4)
(5)
В данном режиме ключ закрыт меняется лишь Uупр, вырабатываемое в СУ. Uупр совместно с технологическим напряжением UТ, которое подается в систему постоянным и неизменным, выдают величину силы тока, которое поступает в ОУ [5]. мощность резания ^ез, ОУ представляет собой процесс резания, реализуемый в конкретной технологической системе. Данная установка осуществляет подачу электрического тока в зону резания.
В качестве внешних параметров ОУ выступают элементы режима резания (V, S, 0. На выходе с ОУ имеются выходные параметры:
- прямые: температура в зоне резания в0C и мощность резания Nез, которая постоянно измеряется аналоговым прибором, а также преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП;
- косвенные: стойкость резца Т, которая не видна в явном виде, а получаются через в°C и некоторые другие параметры.
Элементы режима резания (V, S, 1) и температура в зоне резания в°C в качестве обратной связи поступают в блок поиска экстремума. В данном блоке осуществляется циклический поиск оптимального значения вводимой силы тока, соответствующей максимальной стойкости для процесса резания заложенного в качестве модели. Мощность резания, поступающая в систему по на цепи обратной связи, использоуется для восстановления модели стойкостной зависимости или для ограничения диапазона поиска оптимальных решений (рис. 3).
Рис. 3 Диаграмма нахождения оптимального значения вводимой силы тока, соответствующей максимальной стойкости
Поиск оптимального значения показ на диаграмме (рис.3), в которой использован метод деления отрезка пополам, либо с помощью итера-
Т, мин “т
в ° С
ции (пошагового приближения) путем увеличения I на какую-то величину А1.
При нахождении оптимального значения силы тока, соответствующего модели, система решает каким способом найти реальное значение I, соответствующее данному процессу резания. График переходных процессов по току и температуре в зоне резания показан на рис.4.
На выходе из блока поиска экстремума имеем реального значение силы тока I, поступающее в блок управления.
Данная адаптивная СУ осуществляет постоянный и непрерывный контроль в ходе всего процесса резания за температурой в зоне резания в0C и вводимым электрическим током I, вырабатывает соответствующие своевременные управляющие воздействия [6].
Рис. 4 Диаграмма переходного процесса в адаптивной системе управления процессом резания
Применение данной системы позволит реализовать все возможности процесса резания с электроконтактным нагревом и в части стойкости инструмента и в части шероховатости поверхности.
Список литературы
1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344с.
2. Сальников В.С., Соколов И.В., Повышение эффективности механической обработки при резании с электроконтактным нагревом //Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. докл. международной конференции / под ред. Ю.Л. Маткина, А.С.Горелова, Тул.гос.ун-т. Тула, 2002.
3. Соколов И.В.. Сальников В.С., Повышение эффективности механической обработки. // Технологическая системотехника. Сб. тр. первой международной электронной науч .-техн.конф. Тула: Гриф и К. 2002.
147
4.. Адаптивное управление станками // под ред. Балакшина Б.С. М.: Машиностроение, 1973. 684с.
5. Зориктуев В.Ц., Исаев Ш.Г. Температура на контактных поверхностях инструмента и средняя термо-ЭДС контакта инструмент-деталь. // Известия вузов. 1985, N10, с.
6. Насад Т.Г., Козлов Г.А. Определение силовых зависимостей при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым нагревом. // СТИН. 2001, N6,
7. Строков А.Н., Теслер Ш.Л., Шабашов С.П., Элисон Д.С. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом. М.: Машиностроение, 1977. 140с.
Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, проф.,
vladimirsalnikov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доц., erzin79@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шадский Владимир Геннадиевиич, канд. техн. наук, Россия, Тула, ЦКБА INCREASE OF EFFICIENCY OF MANAGEMENT OF PROCESS OF CUTTING V.S. Salnikov, О.А. Erzin, V. G. Shadskiy
The article presents adaptive control system that provides a continuous and continuous monitoring during the cutting process temperature in the cutting area, introduced electric shock, allows to develop relevant, timely control actions that will enable realize all the opportunities of process of cutting with by the electric-contact heating in the part of the tool and part of the surface roughness.
Key words: energy efficiency, cutting, tool life, surface roughness.
Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical science, professor, vladimirsalnikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, erzin 79@mail. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Shadskiy Vladimir Gennadieviich, candidate of technical science,CDBA, Russia,
Tula
