CC BY
11
цементованной стали 20Х выполнены экспериментальные оценки физико-механических и структурных свойств. Микротвердость HV измерялась с помощью микротвердомера Leica VMHT. результаты исследования приведены на рис.22.
1IV
600-1-т-.-1-*-1-»-1-.-,-.-
0 20 40 60 80 Ас
Рис. 22. Зависимость микротвердости поверхностного слоя Ш\ ,,, от количества пластических сдвигов N
0.(Ш с
Аппроксимирующие зависимости микротвердости поверхностного слоя Н¥0(Р5от количества пластических сдвигов и коэффициенты аппроксимации приведены в табл. 2.
Таблица 2
Аппроксимирующие зависимости микротвердости поверхностного слоя
Режим Аппроксимирующая Коэффициенты
выглаживания зависимость аппроксимации
а b с
SB=0,01 мм/об; Кта=0,13 ягё.о25 = a-bc"1 1003 295 0,87
SB=0,04 мм/об; 1186 510 0,94
Кта=0,34
Обсуждение результатов
1. Установлен интегральный параметр фрикционно-силового нагружения поверхностного слоя наноструктури-рующим выглаживанием А^, определяющий количество пластических сдвигов элементарного объема материала за цикл обработки и позволяющий устанавливать силу выглаживания на основе выбора радиуса индентора и управления глубиной его внедрения.
2. Определены параметры фрикционно-силового нагружения при наноструктурирующем выглаживании стали 20Х на основе конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя.
3. Определена степень накопленной пластической деформации сдвига в направлении скорости нанострук-турирующего выглаживания сталей 20Х и 20X13 на основе экспериментальных исследований процесса в построчном фрезерном режиме при различных коэффициентах деформационного трения.
4. Установлены предельные зависимости степени накопленной деформации во взаимосвязи с интегральным параметром А^ и коэффициентом трения К по критерию шероховатости наноструктурированного поверхностного слоя.
5. Выявлено, что степень накопленной пластической деформации сдвига при наноструктурирующем выглаживании цементованной стали 20Х(НРС55) может достигать 8н=10 и более при коэффициенте деформационного трения А' =0,35 (обработка в среде углекислого газа мелкодисперсным кубическим нитридом бора). При этом пока-
затель микропрофиляRa >0,2 мкм. Наноструктурирующее выглаживание с коэффициентом трения А' =0,13 (обработка в среде СОТС Rhenus) обеспечивает ен<4, при этом формируется нанопрофиль поверхности cito<0,1 мкм.
6. Наноструктурирующее выглаживание стали 20X13 эффективно при высокой твердости заготовки (НВ>400) и силах выглаживанияРв >600 Н в среде СОТС (А' =0,11).
7. Установлено, что характер изменения микротвердости наноструктурированного поверхностного слоя в полной мере соответствует предельным характеристикам степени накопленной пластической деформации сдвига.
Список литературы
1. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин A.B. Наноструктурирование
поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 286 с.
2. Сегал В.М. Процессы обработки металлов интенсивной пластичес-
кой деформацией //Металлы. - 2006. - №5. - С. 130 - 141.
3. Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с
уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации //Российские нанотехнологии. - 2006. -№1-2. - С. 208-216.
4. Кузнецов В.П., Макаров A.B., Киряков А.Е. Экспериментальные
исследования формирования поверхностного слоя деталей при финишной обработке выглаживанием на токарно-фрезерных центрах (статья) //«Современные проблемы машиностроения»: Труды V Международной научно-технической конференции. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. -С. 571-575.
5. Кузнецов В.П. Макаров A.B., Поздеева H.A. и др. Повышение
прочности, теплостойкости и износостойкости деталей из цементированной стали 20Х наноструктурирующим фрикционным выглаживанием на токарно-фрезерных центрах // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - №9. - С. 3-13.
6. Кузнецов В.П., Макаров A.B., Юровских A.C. и др. Износостойкость
поверхностей деталей из стали 20X13 с субмикро- и нанокрис-таллическими слоями, сформированными выглаживанием на токарно-фрезерном центре // Вестник САМГТУ-2011. - Т. 13. -№4(3). - С. 776-781.
7. Кузнецов В.П., Смолин И.Ю., Дмитриев А.И. и др. Конечно-элемент-
ное моделирование наноструктурирующего выглаживания // Физическая мезомеханика. - 2011. - Т.16. - №6. - С.87-97.
8. Кузнецов В.П., Никонов А.Ю., Дмитриев А.И. и др. Исследование
механизмов наноструктурирования поверхностного слоя при пластическом деформировании скользящим индентором. Моделирование на атомном масштабе // Физическая мезомеханика. - 2012. -Т.17. - №4 (в печати).
9. Пат. 115706 Российская Федерация, U1 МПК В24В39/00 В82ВЗ/00.
Инструмент для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанокристаллической структурой /Кузнецов В.П.; заявл. 09.11.2011; опубл. 10.05.2012.
10. Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя
прецизионных деталей выглаживанием / Кузнецов В.П.; заявл. 09.02.2011; положительное решение от 27.04.2012.
УДК 621.9.658.011.56 A.C.Пухов, И.А.Иванова
Курганский государственный университет
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
Аннотация
В статье рассмотрен синтез автоматизированной системы сбора и контроля дебита нефтяных скважин
Ключевые слова: синтез, автоматизированная установка, контроль.
A.S.Pukhov, I.A.Ivanova Kurgan State University
STRUCTURAL SYNTHESIS OF SYSTEMS OF AUTOMATION
Annotation
The paper discusses the synthesis of the automated system of collection and control of the production rate of oil wells.
Key words: synthesis, automated system, control ofthe production.
Введение
Независимо от назначения все объекты и процессы в технике и проекты в других областях деятельности человека характеризуются структурой и определенными параметрами. Структура является важнейшей исходной характеристикой любого объекта. Она отражает единство его противоположных сторон: расчлененности и целостности. Основой изучения строения объекта является структура с двухуровневой иерархией, при которой рассматриваемый объект представляет верхний уровень, а составляющие его функциональные элементы - нижний. При углублении изучения объекта каждый его элемент рассматривается как самостоятельный объект и в свою очередь также разделяется на элементы и т.д. Так формируется многоуровневая структура сложного объекта, элементами которой являются двухуровневые структурные модули. В статье в качестве примера рассматривается решение проблемы создания (синтеза) безопасных автоматизированных установок сбора продукции нефтяных скважин в коллекторы нефтепромыслов и контроля дебита каждой скважины по компонентам нефти, газа, воды (АУСК НС).
1. Этапы создания систем автоматизации
Рассматриваемый метод построения структуры как исходного облика объекта базируется на философских категориях «часть» и «целое», характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчленен-ного представления о целом (видимая часть проблемы), затем переходит к анализу - расчленению целого на части (истинная проблема) и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого (решение проблемы). При такой постановке решение задачи создания нового объекта (процесса, проекта) осуществляется в три этапа.
Этап 1. Структуризация проблемы (целей и задач) создания объекта на основе сведений о его потребности и желаемого о нем представления.
Этап 2. Декомпозиционный анализ задачи создания объекта - разделение ее на части, образованные относительно независимыми признаками (свойствами) с указанием множеств альтернатив реализации каждого из признаков.
Этап 3. Синтез решения, осуществляемый «сверткой» поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе 2.
Несмотря на важность 1-го этапа в создании новых объектов, с целью сокращения объема статьи в ней в сжатой форме рассматриваются только 2-й и 3-й этапы синтеза. Итак, на втором этапе осуществляется декомпозиция задач, определенных на этапе 1. Результатом этого анализа является декомпозиционная схема (ДС), при построении которой следует исходить из 2-х основных положений. Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на 1-ом уровне решения задачи, исходя из по-
требности (назначения) объекта определяются основные его свойства (признаки), формирующие концепцию его строения в виде множества структурных характеристик образующих п блоков 1-го уровня декомпозиции. Во-вторых, принимается во внимание важное обстоятельство, что проблема создания нового объекта не является полностью неизвестной. Для реализации каждого признака 1-го уровня на 2-м уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х<^ е х£, выбираемых на основе анализа известных решений, кажущихся нереализуемыми (фантастическими), включая идеальные решения, обладающие свойствами типа: масса и размеры объекта (главного его элемента) приближаются к нулю, а функция выполняется.
2. Декомпозиционная схема систем автоматизации Построенная на основе приведенных выше правил ДС представляет собой п-мерное поисковое пространство Р" = {X}, в котором структура (облик) объекта задается вектором х е Общее количество вариантов таких структур определяется произведением множеств альтернатив, реализующих все п признаков X:
1\1 = Пг™ (1)
где гтп - количество альтернатив реализации ¡-го признака X.
При построении декомпозиционной схемы задачи создания АУСК НС (табл. 1) на основе рассмотренного подхода в качестве основных определены следующие виды признаков - блоков 1-го уровня декомпозиции Х^: функциональные, технологические, экологические и безопасности, специальные. На 2-м уровне декомпозиции для реализации выбранных признаков Х<^ определены наборы альтернативных решений .
Предложенный в работе [1] метод двухступенчатого ранжирования и расчета «весов» для выбираемых альтернатив Х= предусматривает на 1-й ступени выделение из п блоков Х^ блоков, содержащих альтернативы, несущие целевые условия Хэг Набор целевых условий Хэ1 формирует э-мерную цель
Х8 = {Х8}1=1,...8,/? = 1,...,т. (2)
Выбранные целевые условия (локальные цели) Хэы как правило, неодинаково влияют на формирование решения, поэтому должны ранжироваться с помощью некоторого оценочного параметра по принципу:
Л1>Л2>...>Лз- ЕА=1- (3)
На 2-ой ступени синтеза решения необходимо сформировать g-мepнoe решение - ограничение Xg, выбрав «наилучшие» альтернативы в g блоках ^п-в):
Х0={ХЧ}, (4)
где Хс-альтернатива, реализующаяблокДС и при этом удовлетворяющая всем э целевым условиям множества (2).
120
ВЕСТНИК КГУ. 2012. № 2 (24)
Таблица 1
Декомпозиция задачи синтеза структуры автоматизированной установки сбора и контроля продукции нефтяных скважин (АУСК НС)
Первый уровень декомпозиции X" Второй уровеньдекомпозицииХ^
X, Количество подключаемых нефтяных скважин X', X* Х31 х;. До 9-и До 12-ти До 15-та До 20-ти
Х2 Распределение нефтегазовой смеси в АУСКНС х2 х 2 X 2 Централизованное через многоходовой переключатель скважин Децентрализованное независимое переключение потока от каждой скважины Смешанное распределение
Хз Конструктивное решение распределителя потоков х;3 X з Х3з С шаровым поворотным элементом С конической поворотной пробкой без осевой фиксации после поворота С конической поворотной пробкой с автоматическим осевым поджимом и с дополнительным аварийным переключателем потока на слив
х4 Привод распределителей х'4 х324 X 4 Гидравлический автономный Гидравлический групповой (от одной гидростанции) Электромеханический автономный
х5 Контролируемый компонент X 5 Жидкость, газ Нефть, вода, газ
х6 Способ измерения параметров скважин х'б Х26 Х36 Автоматическое измерение аналитическим путем поданным приборов Экспериментально-аналитическое измерение по данным приборов Визуально-аналитическое измерение
Ху Управление технологическим процессом х> X 7 Х37 Автоматическое, дистанционное Автоматическое, дистанционное с возможностью перехода на ручной режим Автономный режиме ручнымуправле-
х8 Предотвращение разлива нефтепродуктов по местности X'. Х28 Автоматическое переключение потока смеси «на слив» в коллектор до распределителя АУСК НС Ручное переключение потока «на слив» в коллектор по сигналу АСУ
х9 Обеспечение взрывобезопас- ности X', Х2Э Использование стандартных электроаппаратов только во взрывобезопасном исполнении То же с использованием датчиков и аппаратов в герметичном исполнении
Хю Очистка воздуха в блок-контейнере АУСК НС X ю Хз10 X 10 Постоянная вентиляция с кратностью воздухообмена не менее 10 Периодическая вентиляция Вентиляция с включением через датчик концентрации газов
Хц Обеспечение комфортности обслуживания Х211 X 11 Только освещение и вентиляция Освещение, вентиляция и обогреве автоматическим регулированием температуры
Х12 Охранные мероприятия X 12 X 12 Отсутствуют Сигнализация несанкционированного доступа (входа) к блок-контейнеру АУСКНС
присваивается численное значение. Полученные результаты для удобства дальнейшей обработки заносятся в таблицу.
3. В каждом блоке Хс] выбирается наилучшая альтернатива.
4. Формируется в виде множества X* эффективное решение - оптимальный по Парето вариант структуры (облика) создаваемого объекта:
Х*={ХХ*0}- (5)
5. В соответствии с декомпозиционной схемой производится распечатка множества (5) с редактированием описания структуры объекта. Для более полного представления о создаваемом объекте к описанию прилагаются иллюстрации в виде структурных схем, эскизов и т.п.
В рассматриваемом примере синтеза автоматизированной установки сбора и контроля дебита продукции нефтяных скважин уравнение (5) имеет вид:
Х*= {Х72Х82Х11Х22Х33Х42Х52Х62Х92ХЮ1Х112х122}. (6)
В результате структурного синтеза (6) получена новая конструкция АУСК НС, схема которой приведена на рис. 1. В установке используются автоматические краны-перекпючатели 7, распределяющие посредством группового гидропривода 5 потоки нефтегазовой смеси либо «на слив» в коллектор, либо «на замер» через сепарацион-ную емкость 10.
В качестве оптимизационного подхода при нескольких локальных целях синтеза целесообразно формирование паретовского множества альтернатив. Альтернатива Х0] оптимальна по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних локальных целей Хв3., в то же время будет менее предпочтительной для других целей. Таким образом, эффективное решение - ограничение Х0определяется паретов-ским множеством альтернатив при «мягкой» конкуренции всех целевых условий Хй. Для решения данной задачи выполняются следующие шаги:
1. Каждой альтернативе Х0] в g блокахХ0. по каждому целевому условию Хв1 присваивается оценка Zíaj в виде кода (ранга), например, по трехступенчатой шкале: «лучшая альтернатива (решение)» - код 1; «альтернативы в блоке Хет по отношению к данной Хз| равноценны» - код 2; «в блоке есть альтернатива с кодом 1» - код 3.
2. Каждой оценке гЮ] в соответствии с ее кодом
Рис. 1. Схема автоматизированной установки сбора и контроля дебита нефтяных скважин
Кроме того, такой же кран 4 используется и для разделения фракций при измерении дебита скважин по жидкости и газу. Краны ручного переключателя 8 используется при профилактическом осмотре и ремонте кранов 7, переключая потоки смеси от скважин непосредственно в коллектор, что предотвращает закрытие скважины, а, следовательно, и возможность порыва трубопроводных магистралей и разлив нефтепродуктов на местности нефтепромысла.
Обсуждение результатов
По результатам проведенных исследований можно сделать выводы о преимуществе новой установки сбора и контроля продукции нефтяных скважин. Преимуществами являются:
1. Повышенная степень автоматизации процессов сбора и контроля параметров нефтяных скважин;
2. Повышенная надежность работы за счет исключения сложных устройств переключения потоков нефтегазовой смеси;
3. Улучшенная экологичность конструкции, безопасность и комфортность ее обслуживания.
Список литературы
1. Пухов А. С. Синтез решений при создании автоматизированных
объектов: Учебное пособие.-2-е изд., перераб. и доп. - Курган: Изд-
во Курганского гос.ун-та, 2006. -142 с.
