Проблемы современного машиностроительного производства и обеспечение экологической безопасности производственных процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы современного машиностроительного производства и обеспечение экологической безопасности производственных процессов

Проблемы машиностроительного производства и методы их решения

К проблемам отечественного машиностроительного производства сегодня можно отнести отсутствие или недостаточно широкое использование новых организационно-управленческих и информационных технологий, а также длительное внедрение ресурсосберегающих, наукоемких и высоких технологий. Следствием вышеперечисленных проблем является низкая конкурентоспособность продукции.

Для решения названных проблем создаются методики расчета и проек- тирования технологических процессов литья, обработки давлением, сборки на основе информационных технологий, а также новые формы организации предприятий по типу виртуальных.

В качестве примера повышения эффективности машиностроительных производств рассмотрим применение автоматизированного проектирования при серийном производстве крупногабаритных тонкостенных отливок из легкого сплава. К технологическому процессу в этом случае дополнительно предъявляют требования по производительности, стабильности размерных параметров, поэтому рационально использовать литье в кокиль. При этом более жестко формулируются ограничения по расходу металла на отливку, актуальные для дорогостоящих сплавов, в частности магниевых, для которых так же строго регламентирована величина используемого возврата. В результате увеличиваются сроки технологической подготовки производ-ства, зачастую связанные с существенной доработкой дорогостоящей литейной оснастки.

Для рассматриваемых отливок очевидна актуальность решения задач проектирования технологического процесса литья на этапе конструирования оснастки, а не ее доводка по результатам апробации. К таким задачам в первую очередь следует отнести расчеты:

· параметров литниковой системы;

· температуры и времени заливки расплава в форму;

· распределения температуры расплава, заполнившего рабочую полость формы;

· затвердевания стенок отливки по ее высоте;

· дистанции действия прибылей по высоте отливки;

· размеров минимально необходимого технологического напуска по высоте отливки;

· требуемого времени затвердевания приливов (бобышек) отливки и параметров холодильников внутреннего песчаного стержня.

Разработаны методики решения приведенных задач, и в частности, адаптированные применительно к корпусным отливкам из магниевых спла- вов кольцевой формы (диаметром до 800 мм) с тонкими стенками (10-15 мм). Эти отливки вертикально расположены в кокиле (высотой до 1200 мм) с песчаным стержнем внутри. Полость отливки представляет собой сложное сочетание ребер жесткости, бобышек и полок различной толщины.

Для расчетов последовательности затвердевания и питания протяжен- ной, вертикально расположенной стенки отливки необходимо знать распре- деление исходной температуры расплава, заполнившего рабочую полость формы при заданной температуре заливки расплава в стояки литниковой системы.

Результаты анализа последовательности затвердевания стенки отливки служат основой для расчета технологического напуска, обеспечивающего ее питание. При этом используют критерий непрерывности фильтрационного питания.

Расчет последовательности затвердевания отливки выполняется на основе аналитического решения задачи в теории затвердевания. Отличие заключается в определении теплообмена в комбинированной форме в виде суммы коэффициентов аккумуляции теплоты кокиля и песчаного стержня. При этом для кокиля рассчитывают эффективный коэффициент аккумуляции теплоты путем замены кокиля эквивалентной в тепловом отношении полуограниченной формой и использования математической модели его температурного поля.

Одним из важных параметров проточно-поперечного заполнения формы расплавом при литье с вертикально-щелевой литниковой системой является максимально возможная длина поперечного растекания расплава в рабочей полости формы.

Питание приливов на внутренней поверхности корпусной отливки обеспечивается в том случае, если время затвердевания прилива меньше времени затвердевания стенки отливки на уровне расположения прилива. Наиболее эффективным средством воздействия на время затвердевания прилива в песчаном стержне является металлический холодильник, установ- ленный на поверхности прилива. Максимально возможное использование холодильника зависит от критерия его охлаждения, определяющего влияние отвода теплоты от холодильника в песчаную форму на его температуру.

Предложенные методики расчетов составили основу пакета приклад- ных программ проектирования технологического процесса литья корпусов из легких сплавов (рис. 14.1). Автоматизированное проектирование расширяет возможности и повышает надежность решения производственных задач.

Рис. 14.1. Блок-схема пакета прикладных программ проектирования технологичес- ких процессов литья в кокиль с песчаным стержнем, крупногабаритных корпусов типа цилиндрической оболочки из легких сплавов: ЛС - литниковая система; ИД - исходные данные; ППТР - проточно-поперечное течение расплава

Практика применения САЕ-систем при разработке технологичес- ких процессов обработки металлов давлением. Публикации, посвященные CALS-технологиям, применяемым на конструкторско-технологической стадии подготовки производства, главным образом затрагивают проблемы, связанные с работой CAD-систем, меньшее внимание уделяется САМ- и PDM-системам. Однако наименьшее число публикаций приходится на долю программных продуктов, используемых для математического модели- рования проектируемых изделий и процессов, т. е. САЕ-систем, что говорит о недостаточно широком применении этого класса продуктов. Это объяс- няется рядом причин: высокой стоимостью подобных систем, нехваткой подготовленных специалистов, наличием альтернативных способов расчета, базирующихся на классических безмашинных методах анализа. Следует заметить, что стоимость рабочего места, оснащенного «тяжелой» CAD-систе- мой, соизмерима со стоимостью подобного рабочего места с САЕ-системой. Однако внедрение CAD-систем идет на производстве значительно более высокими темпами, особенно на предприятиях, экспортирующих свою продукцию за рубеж, так как информационная поддержка изделия подразумевает прежде всего его конструкторское сопровождение. Следует также учитывать, что информация о технологической подготовке может содержать производственные секреты, поэтому остается внутри предприятия. Похожая ситуация и с результатами математического моделирования, представляющими собой основу для ноу-хау, в связи с чем на западных предприятиях конкуренция заставляет производственников активно приме- нять САЕ-системы. На отечественном рынке, сориентированном, к сожале- нию, в сторону сырьевых отраслей, должная конкуренция, за исключением современных высокотехнологических производств, пока отсутствует, что тормозит широкое внедрение САЕ-технологий.

Работа современных САЕ-систем базируется, как правило, на методе конечных элементов (МКЭ), который относится к группе проекционно- сеточных методов. В его основе лежит замена искомой непрерывной функ- ции ее дискретной моделью. Для этого исследуемую область разбивают на множество подобластей - конечных элементов, представляющих собой фигу- ры в виде плоских либо объемных многоугольников с узловыми точками в их вершинах, а для комплекс-элементов - дополнительными узлами на сторонах многоугольников. В рамках каждого конечного элемента искомая функция аппроксимируется полиномом, который в узловых точках приобретает опре- деленные значения. Эта замена на уровне конечных элементов представляет собой первый этап моделирования - локальную аппроксимацию, которая позволяет легко задавать и контролировать граничные и начальные условия решения задачи. Для рассмотрения зоны деформации как единого целого переходят ко второму этапу - глобальной аппроксимации. Объединение ко- нечных элементов в единую модель осуществляется путем уравновешивания значений полиномов соседних элементов в каждой их совместной узловой точке. Искомые значения функции определяют различными методами. В ито- ге математическая модель заменяется системой алгебраических уравнений.

Значительным преимуществом МКЭ является возможность моделиро- вания деформационных нестационарных процессов. Для этого на базе разра- ботанной модели получают ряд последовательных решений с определенным шагом по времени. Причем решение, найденное на предыдущем шаге, применяют как предварительное (опорное) для последующего шага.

Особым классом задач являются задачи обработки металлов давлением (ОМД), в которых требуется учитывать нелинейный характер взаимосвязи между напряжениями и деформациями в пластической области, что в существенной мере усложняет решение по сравнению с другими областями механики. Поэтому в качестве неизвестных функций при построении мате- матических моделей деформационных процессов рассматривают скорости перемещения узловых точек либо скорости деформации. Метод конечных элементов позволяет с большой точностью исследовать динамику и кинема- тику деформационных процессов в любой части исследуемой области с уче- том реологических особенностей деформируемых материалов как гомоген- ного, так и гетерогенного строения. В отличие от аналитических методов, МКЭ дает возможность строить более совершенные математические модели, в том числе и объемные, основанные на значительно меньшем числе допуще- ний и ограничений. Поэтому результаты исследований, полученные с его помощью, более объективны. Метод конечных элементов представляет собой весьма универсальный метод, имеющий простую физическую основу и мате- матическую форму, которая реализуется с помощью гибкого алгоритма, хорошо приспособленного для решения на ЭВМ.

Появление нового поколения программных средств заставляет совер- шенно по-новому взглянуть на ситуацию, возникшую на стадии конструк- торско-технологической подготовки производства. С одной стороны, инженеры-практики получили мощное средство для проектирования техно- логических процессов, дающее исчерпывающую информацию о динамике изменения напряженно-деформированного состояния при пластическом течении материала. С другой стороны, еще не накоплено достаточного опыта и навыков применения новых методов при проектировании технологических процессов и конструировании штамповой оснастки.

Современные САЕ-системы можно условно разделить на два класса. К первому классу относятся системы, ориентированные главным образом на конструкторов и разработчиков новых изделий. Их применяют для модели- рования работы технических объектов при различных режимах эксплуата- ции. Это, как правило, универсальные продукты, позволяющие решать широкий круг прикладных задач, в том числе связанных с анализом техно- логических процессов. Универсальность подобных продуктов обеспечива- ется за счет предоставления пользователю больших возможностей на препро- цессорной стадии моделирования, поэтому при построении математической модели могут быть учтены всевозможные особенности изучаемого объекта. Однако для получения адекватных результатов требуется высокая квалификация пользователя, который должен хорошо разбираться не только в сложном интерфейсе подобных систем (Ansys/LS DYNA, Nostran, Portran и

др.), но и в особенностях конечно-элементного анализа.

Вторую группу программных продуктов используют для исследования технологических процессов. САЕ-системы этого класса, как правило, ориентированы на решение узкого круга задач и позволяют изучать конкретные виды технологических процессов. Хотя эксплуатация подобных систем максимально упрощена разработчиками, квалификация пользователей должна быть высокой.

Занимаясь математическим моделированием сложных многопарамет- рических процессов, к числу которых, безусловно, относятся процессы ОМД, нужно иметь в виду, что даже самые совершенные модели отличаются от реальных предметов или процессов. Получаемые результаты конечно- элементного анализа позволяют исследователю понять основные тенденции изучаемого процесса и получить по нему довольно точные количественные данные по распределению температурно-скоростных полей и компонентов тензоров напряжений и деформаций.

В настоящее время накоплен некоторый опыт применения программ математического моделирования для анализа пластического формоизменения гомогенных и гетерогенных материалов в процессах ОМД: решаются задачи исследования пластического течения металлов в процессах прокатки, прессования, волочения, гибки и объемной штамповки.

В связи с использованием математического моделирования в среде QForm разработан новый научно обоснованный технологический процесс получения изделий однопереходной горячей штамповкой. В ходе исследования моделировали течение металла в ручье штампа в зависимости от геометрических параметров заготовки и реализуемой схемы деформиро- ванного состояния. Результаты моделирования позволяют выбрать оптималь- ную схему штамповки, частично или полностью отказаться от дополнитель- ных технологических припусков, что в конечном счете не только уменьшает расход металла и объем механической обработки, но и дополнительно повышает качество проработки металла штампованной поковки.

Сложность математического моделирования процесса прессования через язычковую матрицу заключается в особенностях течения металла при ее использовании. В этом случае в очаге деформации истекающий материал разделяется на два потока, огибает иглу матрицы, а затем сваривается под высоким давлением в рабочей зоне. Для задач математического моделиро- вания процессов ОМД процесс сваривания не характерен, к тому же в программах моделирования деформируемый материал, как правило, задает- ся сплошной неразрывной средой и эффект разделения материала и после- дующее его смыкание интерпретируют как появление зажима. Поэтому для данной задачи необходимо использовать те средства моделирования, где программно реализована возможность сваривания материала в очаге дефор- мации. Расчет прессования через язычковую матрицу можно выполнить в программе DeForm. машиностроительный металл давление

Совершенно иным классом задач является моделирование процессов формоизменения гетерогенных материалов и получения изделий из волокнистых композиционных материалов (ВКМ) методами ОМД. Особенностью данных материалов является сочетание пластичной матричной составляющей и жесткого упрочняющего волокна. В этом случае целесообразно использовать универсальные конечно-элементные программы, например ANSYS-DYNA.

В настоящее время растет потребность в конструкционных силовых элементах большой прочности и малой массы. Для этих целей могут быть применены гнутые профили и оболочки из ВКМ системы Al-В. Получение данных изделий связано с проектированием многофакторного технологи- ческого процесса, основанного на критериальных подходах. Оценить вклад каждого из факторов (температура, деформация, время процесса и т. п.) можно, используя средства моделирования. В среде ANSYS-DYNA построены конечно-элементные математические модели заготовок изделий ВКМ под последующую гибку и обкатку.

Следует отметить, что пока еще не каждая модель процессов ОМД может быть реализована, а время расчетов наиболее сложных моделей исчис- ляется сутками. Однако, учитывая темпы прогресса в области информацион- ных технологий, можно предположить, что уже через несколько лет в стан- дартном арсенале рядового технолога появятся САЕ-системы и аппаратное обеспечение, возможности которых позволят в режиме реального времени моделировать альтернативные схемы проектируемых процессов.

Экономические проблемы. Организация виртуальных машино- строительных предприятий. Благодаря широкому распространению совре- менных информационных технологий в промышленности развитых стран мира складываются новые виды организационных структур, в частности так называемые виртуальные предприятия или виртуальные производственные объединения. Виртуальное производственное объединение, как правило, сос- тоит из агентов ??специализированных предприятий, выпускающих ком- плектующие изделия или производственные услуги, и головного предприя- тия ??носителя бренда и системного интегратора продукции агентов, состав которых периодически меняется.

Следует отметить, что такое объединение является добровольным и не предполагает жесткого закрепления связей между предприятиями. Члены объединения связаны лишь общими экономическими интересами, а также единой информационной средой, содержащей в цифровой форме данные об изделии.

Для организации виртуальных предприятий в отрасли требуется выполнение, по меньшей мере, двух условий:

необходимо внедрение на всех предприятиях отрасли CALS-техноло- гий, позволяющих всем участникам жизненного цикла изделий (разработ- чикам, производителям, эксплуатирующим и ремонтным организациям) в режиме реального времени обмениваться данными об изделиях, а именно о конструкции изделий данного типа, технологии их производства и обслуживания, а также об их эксплуатации и техническом состоянии;

необходимо наличие потенциальных агентов, т. е. специализированных предприятий-поставщиков различных комплектующих изделий и производ- ственных услуг. Потенциальных предприятий-поставщиков комплектующих изделий и производственных услуг каждого вида должно быть несколько, чтобы головные предприятия имели возможность выбора.

Направления природосбережения при проектировании машиностроительных производств

Выбросы промышленных предприятий в атмосферу, водоемы и недра на современном этапе достигли таких размеров, что в крупных промыш- ленных центрах превышают допустимые санитарные нормы. В отдельных случаях возможно загрязнение окружающей среды тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфракрасными, световы- ми и ионизирующими излучениями. При рассмотрении вопросов, связанных с защитой окружающей среды, следует учитывать неблагоприятное влияние шума, инфразвука и вибрации на жизнедеятельность человека.

Последние зарубежные исследования показали, что все возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на окружающую среду привело ее на грань кризиса. Среди различных составляющих экологического кризиса (истощение сырьевых ресурсов, нехватка чистой пресной воды, возможные климатические катастрофы) наиболее угрожающий характер приняла проблема загрязнения невосстанавливаемых природных ресурсов (воздух, вода и почва) отходами промышленности, где не последнее место занимает металлургическая промышленность.

В связи с этим в современном обществе резко возрастает роль инженерной (технической) экологии, призванной на основе оценки степени вреда, приносимого природе индустриализацией производства, разрабаты- вать и совершенствовать инженерно-технические средства защиты окружаю- щей среды, всемерно развивать основы создания замкнутых и безотходных технологических циклов и производств.

При литье и обработке давлением металлов и сплавов в окружающую среду выделяется ряд вредных веществ. Данные вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими и газообразными и оказывать вредное воздействие непосредственно при химических превращениях и после них в процессе изготовления изделий совместно с другими веществами, участвующими в процессе.

Промышленная пыль образуется в результате механической обработки исходных материалов (дробление, размол и др.), тепловых процессов (плавление, прокаливание, сушка), транспортировки сыпучих материалов (погрузка, просеивание, классификация).

Жидкие загрязняющие вещества образуются при конденсации паров, распылении и разливе жидкостей, в результате химических реакций.

Газообразные загрязнители формируются в результате химических реакций, например, окисления, обжига руд и нерудного минерального сырья. Присжигании топлива образуется огромное количество газообразных соединений. Мощным источником загрязнения окружающей среды также являются электрохимические процессы, например производство алюминия.

Ежегодно только в цветной металлургии потребляется около 1200 млн м3

свежей воды, которая сбрасывается в гидросферу загрязненной минераль- ными примесями. В настоящее время существуют технологии создания замкнутого цикла использования промышленных вод, однако внедрение этих технологий требует больших капитальных затрат.

Утилизация отходов производства продолжает оставаться одной из серьезных проблем.

При условии сохранения замкнутого водооборота и решения задачи почвосбережения, наиболее загрязняемым объектом является воздушная среда.

Исследование реальных экологических ситуаций по данным контроля за антропогенными изменениями окружающей среды составляет одну из основных задач инженерно-экологического анализа природно-технической геосистемы. Можно выделить два класса задач такого анализа:

определение возможных экологических последствий на стадии форми- рования промышленной экосистемы (включая проектирование и производ- ство объектов промышленного и строительного техногенеза);

определение экологических последствий на этапе функционирования искусственных объектов.

В инженерно-экологическом цикле особое место занимает проектиро- вание с экологической ответственностью, поскольку обеспечение на этом этапе необходимого природоохранного потенциала во многом определяет закладываемый уровень экологической безопасности, а следовательно, и воз- можные материальные затраты на его устойчивое сохранение в процессе функционирования природно-технической геосистемы.

До настоящего времени отсутствуют единые методы природосберегаю- щего проектирования и технологического нормирования какой-либо природно-технической системы с экологической ответственностью. Так, например, несмотря на имеющиеся технологии создания замкнутого водного цикла в металлургических и литейных цехах, проблема загрязнения атмо- сферы остается нерешенной и уровень техногенного воздействия снижается только при использовании широкого диапазона очистных сооружений.

Важную роль для сохранения экологического баланса играет грамотное проектирование производственных цехов. Прежде всего следует знать объем производства по видам заготовок с учетом реальной перспективы его расши- рения. Мощность производства всегда следует планировать с некоторым запасом по отношению к потребности обрабатывающих цехов, так как последняя обычно довольно быстро возрастает в связи с расширением производства, увеличением производительности оборудования, внедрением новых, легко обрабатываемых сплавов и др. Чаще всего отделения цеха размещают в одном здании, однако в целях предотвращения загрязнения атмосферы необходимо размещать в изолированном помещении отделения переработки шлаков, сплавления и размола флюсов и переплава низкосортных отходов. Помещения для этих отделений должны быть оборудованы специальной вентиляцией и сооружениями для очистки выбросов. При выборе основного технического оборудования главными задачами являются обеспечение высокого качества металла и высокой производительности труда при минимальных капиталовложениях и низкой себестоимости заготовок.

Требование экологической чистоты при создании объектов и промыш- ленных производств продиктовано необходимостью минимизации негатив- ного воздействия на окружающую природную среду. В настоящее время разработано много технологических процессов, при которых исключаются потери и выбросы в окружающую среду отходов-загрязнителей. В таких процессах наиболее полно реализуются принципы безотходной технологии. Многочисленные экологические исследования показали, что строительством очистных сооружений невозможно полностью решить задачу по предотвращению загрязнения объектов гео- и биосферы. Более того, общество потребляет огромное количество разнообразных веществ, которые перерабатываются с большими отходами и выбрасываются в окружающую среду. Ценное сырье в ряде случаев перерабатывают по схеме так называемого однократного неполного использования, что сопровождается выбросом значительной его части со всеми отрицательными последствиями для окружающей среды.

Одним из основных условий ускорения темпов внедрения безотходной или малоотходной технологии является разработка новых инженерно-эколо- гических принципов проектирования и организации промышленных произ- водств, отвечающих требованиям максимальной экологической безопасности. В настоящее время отсутствие в должной мере учета экологических вопросов при проектировании объектов и технологических процессов приводит к тому, что главную нагрузку в области охраны среды в ближайшее десятилетие будут по-прежнему нести водо- и газоочистные сооружения. В лучшем случае, учитывая рост количества и мощностей указанных сооружений, повышением эффективности их работы можно будет добиться стабилизации накопления веществ-загрязнителей.

В целях ускорения темпов внедрения безотходной или малоотходной технологий в металлургии в последние годы совершенствовались конструк- ции и эффективность работы оборудования. Так, например, существенно усовершенствована конструкция печных горелок с целью повышения эффек- тивности ее работы и снижения выбросов в атмосферу. При этом сущест- венно изменились методы управления работой горелок, усовершенствованы системы компьютерного регулирования, в том числе программное обеспе- чение для регулирования заданного соотношения воздух/топливо и способы управления циклом настройки регенеративных горелок.

Каждый формируемый объект и промышленное производство наделе- ны комплексом техногенных свойств, обусловливающих потенциально опасный уровень антропогенных изменений природных объектов в соответствии со спецификой взаимодействия с окружающей средой.

Снижение шлакообразования - одна из основных задач совершенство- вания процессов управления печью и обеспечения оптимальных показателей работы печи, особенно в отношении температурного режима: повышенная температура расплавленного металла приводит к росту захвата водорода и интенсивному шлакообразованию.

С термодинамической точки зрения промышленная экосистема (типа

«искусственный объект - окружающая среда», «производственный цикл - окружающая среда» и др.) находится в равновесии в том случае, если среднестатистические значения параметров ее состояния остаются постоянными в регламентированных пределах.

Направленное техногенное воздействие, являющееся внешним по отно- шению к экосистеме, обусловливает ответную реакцию системы, выражаю- щуюся в плавном или скачкообразном изменении антропогенных свойств.

Таким образом, для создания экологически безопасной промышленной экосистемы при организации и планировании природоохранной деятельности на предприятии, а также при проектировании промышленной экосистемы необходимо учитывать следующие инженерно-экономические аспекты:

проектирование безопасного оборудования;

проектирование замкнутой промышленной экологической системы; комплексный подход при модернизации производства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК