Очистка смазочно-охлаждающих технологических сред тонкослойным центрифугированием в условиях машиностроительного производства

Применение смазочно-охлаждающих технологических сред — СОТС, как элементов машиностроения, связано с дорогостоящими процессами их хранения, приготовления, подачи в зону резания и утилизации, что приносит множество проблем, как экономических, так и экологических.

Обзор отечественной и зарубежной литературы свидетельствует о том, что в современных условиях рыночного производства некоторые страны стремятся отказаться от традиционных методов охлаждения. В частности разрабатываются технологии «сухого» охлаждения, т. е. без СОТС, например, с использованием ионизированного воздуха, подаваемою в зону резания и т. п.

Однако анализ исследований показывает, что современные режущие инструменты более эффективно работают при минимальном количестве СОТС, чем при обработке без них, т. е. при «сухом» охлаждении. В связи с этим новые технологии предусматривают применение универсальных высококачественных СОТС.

В последние годы в России и за рубежом разработаны законодательные документы, а также правила и нормы по обслуживанию.

СОТС. Это обусловлено не только экологическими проблемами, но еще и тем, что количество СОТС, потребляемых в развитых промышленных странах при обработке резанием, остается, по — прежнему, весьма большим и составляет более 5% от общего мирового рынка смазочных материаловгодовая же потребность СОТС, например, во Франции составляет около 70 млн. л., в США — порядка 230 млн. л.

Анализ научно-исследовательских работ, выполненных в ведущих организациях страны (МГТУ «Станкин», МГТУ «МАМИ», УлГТУ, ИвГГУ, НнГТУ и других), подтверждает тот факт, что отечественные СОТС представляют практически все классы сред, как по физико-химическим признакам, так и по назначению и области применения.

Многочисленные исследования Худобина JI.B., Коваленко В. П., Бердичевского ИГ., Клушина М. И., Латышева В.II., Тихонова В. М., Гусева В. Г., Верещака A.C., Кабалдина Ю. Г., Богданова В. В., Обшивалкина М. Ю., Муслиной Г. Р., Теилова В. В., Трощий А. Р., Туромша В. И., Нфимова В. В., Маркова В. В., Кареева П. А., Бушева А. Е., Минеева Л. И., Наумова А. Г., Ромашкина В. Г. и других, свидетельствуют о взаимодействии СОТС с отложениями на поверхностях промышленного оборудования, инструмента, с окружающей средой. Следствием этою является снижение качества как самих СОТС, так и технологического процесса обработки деталей резанием: увеличивается шероховатостьнаблюдается преждевременный выход из строя режущего инструмента из-за ускоренного износа. Кроме того, водосодержащие СОТС способствуют коррозии деталей, что вызывает повреждение узлов станков.

В этих случаях как никогда приобретает первостепенное значение (с точки зрения экономии дорогостоящих СОТС и повышения эффективности процессов резания) качественная очистка СОТС от механических примесей, в частности от стружки гг абразива.

Анализ научно-технической информации свидетельствует о скудности данных, характеризующих изменение показателей эффективности обработки заготовок резанием в зависимости от чистоты СОТС. Поэтому важным является выявление загрязнителей, наиболее влияющих на срок службы СОТС и качество обработки резанием.

Общеизвестно, что твердость некоторых компонентов загрязнения значительно превосходит твердость материалов, применяемых доя изготовления обрабатываемых деталей и режущего инструмента. Так, наиболее твердыми, а значит и опасными, загрязнителями являются кварцевые частицы (твердость кварцевых зерен около 1100 — 1200 кг/мм, а количество кварца в СОТС при различной культуре производства составляет до 20% от общего количества загрязнителей), а также частицы окислов алюминия и железа.

Значительное влияние на процесс резания также оказывает процентное содержание частиц различного размера. Следует помнить, что чем больше в загрязнителе мелких частиц, тем труднее задержать их фильтрами, а значит, они в большем количестве проникают в СОТС и затем в зону резания.

Удаление твердых абразивных частиц и стружки из стыка между деталью и инструментом предотвращает повреждение обрабатываемой детали и образование нароста на режущей кромке инструмента, тем самым, повышая чистоту поверхности и продлевая сроки эксплуатации режущего инструмента.

Для получения этого крайне актуальным является необходимое качественное обслуживание СОТС с сохранением их смазочных и охлаждающих свойств.

Это обстоятельство часто недооценивают, полагая, что тщательная очистка СОТС необходима только на операциях абразивной обработки, являющихся, как правило, заключительными в технологическом процессе механической обработки заготовок и формирующими выходные характеристики качества деталей.

Существующие методы очистки СОТС весьма энергоемки, требуют сложных установок, снабженных мощными электродвигателями, редукторами, нагрузочными устройствами, а также в них затруднена автоматизация процессов, в частности разгрузка осадка загрязнения.

Наиболее приемлемым является центрифугирование СОТС, недостатки которого — низкое качество очистки от малых (20мкм и менее) ферромагнитных и неметаллических частиц из-за недостаточной организации потока очищаемой жидкости внутри ротора — вполне устранимы дополнительными исследованиями.

В связи с вышеизложенным, сформулирована ппютеза исследования: если в рогоре центрифуги дополнительно раскрутить поток жидкости до тонкого слоя с помощью, например, лопастного диска и провести трибоэлектризацию твердых частиц загрязнения, то это позволит осадить и удержать па стенке ротора частицы (в том числе неметаллические) меньшего диаметра и, как следствие, повысить качество очистки и ресурс СОТС с возможностью их вторичною использования.

В настоящей работе приняты: объект исследовании — центробежный очиститель смазочно-охлаждающих технологических сред. предмет исследования — процесс тонкослойного центрифугирования СОТС в условиях машиностроительною производства деталей резанием;

1рани1(ы исследования — изменение показателей СОТС на нефтяной основе (И-20А) в пределах отклонений, допускаемых соответствующими ГОСТами на операциях механической обработки деталей.

Допущения и шраничения, принятые в работе:

1. Описание физической модели очистки СОТС от загрязнений относится к очистке от твердых механических примесей, в то время как незначительное количество воды и газообразных включений в СОТС принимается за их полное отсутствие.

2. Форма твердых частиц загрязнения принимается шарообразной.

3. Сила тяжести частицы зафязнения (из-за малости ее размеров) при моделировании не учитывается.

Цель работы: повышение качества центробежной очистки СОТС за счет организации тонкослойного потока и трибоэлектризации очищаемой жидкости.

Научная задача: теоретически обосновать и экспериментально подтвердить эффективность тонкослойною центрифу! ирования СОТС.

Зилами исследования, полученные в результате анализа научной и специальной литературы, рассматривающей вопросы очистки СОТС:

1. Исследовать фактическое состояние СОТС в условиях машиностроительного производства.

2. Теоретически обосновать схему тонкослойно1 о центрифуг ирования.

3. Экспериментально подтвердить гипотезу исследования и теоретические предпосылки с использованием метода математическою планирования опытов.

4. Разработать опытный образец центрифуги и провести её эксплутационную проверку на ОАО «КМЗ».

В работе использовались методы: математическое моделированиетеория планирования и проведения экспериментовсистемный анализ и математическая статистика.

Научнам новизна исследования:

1. Обоснована целесообразность тонкослойной очистки СОТС от гвердых механических частиц загрязнения.

2. Уточнена физико-математическая модель и получены уравнения основных параметров тонкослойного центрифугирования, позволяющие проводить расчеты центрифуг-.

3. Получено уравнение регрессии, позволяющее обеспечить рациональный выбор режимов центрифугирования при одновременном варьировании переменными факторами и минимизации общего числа опытов. Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойного центрифугирования соответствовал коэффициент эффективности, равный 90%.

4. Научно обоснована и решена задача по удержанию твердых частиц загрязнения на стенке ротора за счет их предварительной трибоэлектризации.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика расчета тонкослойной центрифуги позволила обеспечить эффективность очистки СОТС от вредных твердых механических частиц размером до 20мкм и при расходах до 0,8 • 10'3 м3/с.

2. На базе тонкослойной центрифуги разработана установка для заправки СОТС, позволяющая за счет повторного использования очищенной дорогостоящей СОТС сократить её расходы на 37%.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивались достаточным объемом экспериментов, а также выполнением рекомендаций соответствующих стандартов на испытания и анализы, корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения, выводы и практические рекомендации обоснованы результатами аналитических и экспериментальных исследований полученными в ходе выполнения данной работы.

Реализация работы:

1. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также конструктивные решения реализованы в установке для очистки СОТС в производстве ОАО «КМЗ».

2. Результаты исследования (регрессионная модель) и конструкция центробежного очистителя использованы в ООО «БУТТ» — Бузулукское управление технологического транспорта и позволяют улучшить состояние смазочно — охлаждающих систем.

3.Уточненная математическая модель тонкослойного центрифугирования используется при чтении курса «Эксплуатационные материалы» на МТФ КГГА.

Апробации работы. Основные положения диссертационного исследования доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях КГТА и ВАМ (г. Рязань), в апреле и феврале 2006 г. На 49-ой Международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественною автотракторос гроеиия и подготовки инженерных и научных кадров», прошедшей в МГТУ «МАМИ» (г. Москва) 23 -24 марта 2005 г, а также на расширенном заседании кафедры ТиКМ КГГА 15 сентября 2006 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы автором лично и в соавторстве опубликованы 7 статей, в том числе 5 в издательствах, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель, положительное решение на изобретение. Общий объем материалов публикаций — 3,0 п. л., в том числе авторский вклад составляет 1,7 п. л.

На защиту выносятся:

1. Технология и установка для центробежной активации СОТС ог твердых частиц механических примесей.

2. Теоретическое обоснование целесообразности тонкой очистки СО ГС.

3. Уточненная математическая модель процесса тонкослойного центрифугирования и предварительной трибоэлектризации СОТС.

4. Регрессионная модель центрифугирования СОТС.

5. Результаты экспериментальной и производственной проверок гипотезы исследования и теоретических предпосылок.

Структура н объем работы: диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 29 рисунков и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 88 наименований и 26 приложений.

4.6. Выводы по главе 4.

Производственная проверка эффективности тонкослойной центробежной очистки СОТС по разработанной методике показала:

1. При сверлении отверстий в изделии «В» — крышка снижение концентрации загрязнения от 4 г/л до 0,01 г/л уменьшает отклонение от округлости на 22%. При этом шаговые параметры микропрофиля обработанных отверстий уменьшаются на 21 — 28%, а износ сверла снижается с 1,5 до 0,2 мм.

2. Аналогично изменяются параметры при точении — операция подрезания, растачиванияизнос резца снижается сЗ, 7 до 0,7 мм.

3. По результатам испытаний тонкослойной цен грифу! и разработаны: заправочная система и технолошя заправки станочного оборудования, позволяющая выполнить операции откачки, промывки, транспортировки и центробежной очистки СОТС с расходом до 0,44−10″ 3 м3/с;

— техноло! ический процесс подвода СОТС в зону резания с предварительным тонкослойным центрифу! ированием жидкости и, при необходимости — ее аэрированием.

4. Экономические показатели использования тонкослойного центрифугирования СОТС лучше нормативных. Годовая экономическая эффективность (при изготовлении детали «Крышка») составила 2765 рублей (за счет вторичного использования СОТС).

Заключение

.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по разработке эффективной очистки СОТС центрифугированием в условиях машиностроительного производства.

Проведенный анализ научной и специальной литературы, способов и методов очистки СОТС, а также полученные результаты теоретическою, расчетно-аналитическою и экспериментального исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Применение СОТС в настоящее время связано с дорогостоящими процессами их хранения, приготовления, ггодачи в зону резания и утилизации, что приносит множество проблем, как экономических, так и экологических. В этих случаях как никогда приобретает первостепенное значение — качественная очистка от механических примесей. Комплексное исследование фактической загрязненности СОТС в станках показала, что содержание механических примесей достигает высокого уровня и находится в пределах от 0,08% до 0,30% масс. В то время как вязкость изменяется в пределах, допустимых по ГОСТ 50 558–93.

2. Анализ влияния механических примесей на процесс резания показал, что силы трения, возрастают, что соответственно вызывает дополнительный износ режущего инструмента и снижение качества обрабатываемой поверхности детали. Впервые получена формула для численного анализа сил трения в зоне резания.

3. Применяемые методы и средства активации СОТС, в том числе центрифугирование, не обеспечивают качество СОТС из-за малоэффективной организации потока очищаемой жидкости в роторе центрифуги. Исследования показали, что повысить качество очистки СОТС можно за счет организации тонкослойного потока с помощью раскручивающего устройства — лопастного диска, а также удержанием осевших на стенке ротора частиц за счет их предварительной трибоэлектризации.

4.В результате анализа уравнений гидродинамики Д. Кернулли, Вейсбаха были получены зависимости, позволяющие с большей точностью определить основные расчетные параметры горизонтальной тонкослойной центрифуги, снабженной раскручивающим лопастным диском. Теоретически исследовано влияние расхода жидкости на толщину слоя жидкости, на тонкость очистки, а также определена критическая скорость жидкости на стенке ротора.

5. При математическом планировании экспериментов в качества главного фактора планирования принят коэффициент эффективности работы, центрифугиполучено уравнение регрессии, позволяющее обеспечить рациональный выбор режимов центрифугирования при одновременном варьировании переменными факторами и минимизации общего числа опытов по критерию Фишера. Оптимальному сочетанию параметров процесса тонкослойною центрифугирования соответствовал коэффициент эффективности, равный 90%.

Экспериментально проверены теоретические предпосылки, и после экстраполяции полученных зависимостей выявлены следующие основные результаты:

1. Тонкость очистки СОТС составила 20 мкм при расходе до 1,66 -10'3м3/с. При этом выбран диск с усеченными лопатками, загнутыми назад на 45° с целью обеспечения безударного входа жидкости.

2. Унос осевших на стенки частиц начинается при расходе жидкости 0,416 • 10'3м3/с.

3. За счет предварительной трибоэлектризации жидкости и частиц загрязнения эффективность их удержания на стенках ротора центрифуги повысилась на 15,1%.

4. Результатом инженерных исследований конструкция тонкослойной центрифуги с автоматической разгрузкой осадка загрязнения, спроектированная на основе проведенных теоретических и экспериментальных изысканий.

5. Разработана технолог ия заправки станков от специальной установки, основным элементом которой является центрифуга для тонкой очистки СОТС. 11роизведенная проверка эффективности тонкослойного центрифугирования СОТС показала, что снижение концентрации загрязнения с 4 г/л до 0,01 г/л приводит увеличению точности обработки отверстий на 22% и повышению качества обработанных поверхностей изделия типа «В» — крышка на 21−28%, износ режущего инструмента снизился с 0,6 до 0,2 мм. Предложенная технология реализована в машиностроительном производстве ОАО «КМЗ».

6. С использованием тонкослойной центрифуги также разработан техпроцесс подачи СОТС в зону резанья с очисткой ее от механических примесей и (в зависимости от скорости резанья) аэрацией. (Заявка на изобретение). Особенно это важно при обработке глубоких отверстий, где условия работы режущего инструмента усложнены вследствие плохого отвода тепла и стружки.

7. Экономический эффект от внедрения разработанной установки и техпроцесса очистки СОТС от загрязнения составил 2 765 руб. в год на изделие типа «крышка» (за счет вторичною использования).

8. Дальнейшие направления исследований:

— экспериментальная и теоретическая проверка метода и технологии подачи СОТС в зону глубокого сверления;

— применение тонкослойного центрифугирования для активизации СОЖ на водной основе;

— использование разработанных мероприятий для обслуживания станочных I идроприводов.