Повышение надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации и управления дозированием порошковых компонентов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Грибков, Андрей Армович

• Грибков, Андрей Армович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Грибков, Андрей Армович

Введение

1. Анализ современного состояния проблемы, постановка цели и задач исследований

1.1. Надежность твердосплавного инструмента и точность дозирования при его производстве.

1.2. Базовые направления повышения точности и производительности измерения и дозирования

1.3. Частные методы повышения точности и производительности измерения и дозирования.

1.4. Выводы.

2. Основы технологии поэтапного дозирования

2.1. Новая технология поэтапного дозирования.

2.2. Основные положения метода поэтапного дозирования.

2.3. Синтез дозаторов поэтапного действия.

2.4. Семейство дозаторов поэтапного действия.

2.5. Выводы.

3. Оптимизация режима поэтапного дозирования

3.1. Постановка задачи и критерий оптимизации режима поэтапного дозирования.

3.2. Оптимизация режима поэтапного весового дозирования.

3.3. Оптимизация режима поэтапного объемно-весового дозирования.

3.4. Сравнительный анализ поэтапного и одноэтапного дозирования.

3.5. Выводы.

4. Иллюстративные примеры 95 4.1. Оптимизация весового дозирования по критерию производительности

4.2. Оптимизация весового дозирования по критерию К.

4.3. Оптимизация объемно-весового дозирования по критерию производительности.

4.4. Оптимизация объемно-весового дозирования по критерию К.

5. Программа ОптДоз для расчета оптимального режима дозирования

6. Повышение надежности резьбонарезных пластин 108 Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации и управления дозированием порошковых компонентов»

Одной из главных причин снижения надежности твердосплавного режущего инструмента в настоящее время является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компонентов. Дозирование смеси компонентов до последнего времени оставалось наименее изученным этапом технологического процесса производства инструмента. Между тем, без высокоточного дозирования невозможно обеспечить соответствие физико-механических свойств твердосплавного материала установленным стандартам качества. В результате снижается надежность твердосплавного инструмента.

Автоматизация порошковой металлургии, в частности производства твердых сплавов, требует создания все более широкой номенклатуры автоматизированных систем дозирования порошковых материалов, повышения точности дозирования. Последнее требование особенно актуально в силу того, что дозирование является базовой технологической операцией, определяющей качество материала и возможность его дальнейшего использования.

Наблюдающийся рост производства высокоточного дозирующего оборудования существенно отстает от ^величенияпотребности в нем. В значительной мере это связано с отсутствием стройной методики синтеза дозирующих систем, недостаточной проработкой методов повышения точности и производительности дозирования. Кроме того, обширная элементная база дозирующих систем до последнего времени должным образом не обобщена.

В настоящее время, как в отечественной промышленности, так и за рубежом проблема повышения точности и производительности дозирования решается путем значительного усложнения конструкции и применения дорогостоящих элементов. Это связано с тем, что точность дозирования в современных дозирующих системах резко снижается с повышением производительности. Поэтому для высокопроизводительного точного дозирования приходится использовать элементы с высоким быстродействием и стабильностью параметров. Также возникает необходимость усложнения конструкции дозирующей системы для компенсации возникающих динамических погрешностей. При этом необходимо использовать измерительные устройства, имеющие одновременно большой диапазон и высокую чувствительность измерения. В силу указанных обстоятельств сложность и стоимость дозирующих систем чрезвычайно возрастают [11]; [17].

Вопрос повышения производительности дозирования заданной точности в литературе рассматривается недостаточно. В известных работах [3]; [16]; [35] решение задачи повышения производительности связывается со снижением точности, а решение задачи повышения точности обуславливается снижением требований по производительности. Между тем, в настоящее время в связи с ростом^нален^доз11рования задача повышения точности при сохранении высокой производительности является основной задачей проектирования дозирующих систем.

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в повышении надежности твердосплавного инструмента на основе оптимизации конструкции дозирующей системы и управления режимами дозирования на этапе приготовления смеси порошковых компонентов.

В работе впервые получены следующие научные и практические результаты:

- Для повышения надежности твердосплавного инструмента разработана методика поэтапного дозирования, заключающаяся в оптимальном разбиении дозирования порции сыпучего материала на этапы с определенной длительностью и интенсивностью подачи материала;

- Предложен критерий оптимизации «приведенная погрешность времени дозирования», характеризующий точность элементов дозирующей системы для двух основных типов поэтапного дозирования (весового и объемно-весового);

- Построена математическая модель дозирования, позволяющая находить оптимальный режим при заданной производительности, точности дозирования и установленных ограничениях на величину и характер регулирования интенсивности подачи материала.

- Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение надежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного отклонения наработки до отказа;

- Создано семейство дозаторов поэтапного действия, наилучшим образом удовлетворяющих требованиям высокоточного дозирования порошковых компонентов твердых сплавов;

- Получены зависимости и приведены практические рекомендации для различных случаев дозирования, которые могут быть использованы при решении конкретных задач синтеза дозирующих систем и оптимизации режима их работы.

- Создана программа ОптДоз, позволяющая выполнять для заданного технического задания автоматический расчет оптимального режима дозирования, обеспечивающего повышение производительности, точности, надежности дозирования, а также снижение требований к точности элементов дозирующей системы.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры Высокоэффективные технологии обработки МГТУ «СТАНКИН», Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве — 2006» в Воронежском государственном техническом университете, 5-ой Всероссийской юбилейной научно-практической конференции в Алтайском государственном техническом университете (г. Бийск), а также на рабочем совещании на Московском инструментальном заводе.

По теме диссертации опубликовано б печатных работ и получен патент на изобретение.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы заведующему кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Грибков, Андрей Армович

3.5. Выводы

1. В данной главе изложена методика оптимизации режима поэтапного дозирования. Установлено, что возможны два направления оптимизации: оптимизация по критерию производительности и оптимизация по критерию К (приведенной погрешности времени дозирования), отражающему точность элементов ДС;

2. Показана возможность однозначного решения задачи оптимизации по обоим критериям для случая весового и объемно-весового дозирования; Р

3. Произведено сравнение весового и объемно-весового поэтапного дозиро- ) вания, в результате чего очерчено возможное разграничение областей их ' применения. В частности, выявлена эффективность трехэтапного объемно-весового дозирования по сравнению с поэтапным весовым дозированием при допустимой погрешности свыше 0,5%. В остальных случаях поэтапное весовое дозирование предпочтительней.

4. Иллюстративные примеры

4.1. Оптимизация весового дозирования по критерию производительности

Оптимизация без ограничения интенсивности подачи

Пример №1. Два этапа дозирования. Пусть дозируемая масса М = = 10 кг, абсолютная допускаемая погрешность Ад = 0,01 кг, приведенная погрешность времени дозирования К — 0,1 с, коэффициенте запаса по компенсации погрешности С = 3. Проведем оптимизацию вначале точно, затем приближенно, а потом сравним полученные результаты.

Интенсивность подачи материала на втором этапе определяется из допустимой погрешности дозирования и приведенной погрешности времени дозирования (см. 33): Q2 = 0,1 кг/с.

Время дозирования на первом этапе (см. 35) Ti = 5,18 с.

Время дозирования на втором этапе (см. 34) Т2 = 5,48 с.

Интенсивность дозирования на первом этапе (см. 37): Qi = 1,83 кг/с.

Проведем теперь оптимизацию приближенно (см. 36, 37): Т = 5,48 с, Qi = = 1,73 кг/с.

При точной оптимизации суммарное.время составило Ti+T2 — 10, при

Как можно заметить, результаты достаточно близкие, а значит, приближенный метод оптимизации вполне может быть использован.

Пример №2. Три этапа дозирования. Пусть условия те же, что и в примере 1, но п = 3. Проведем вначале точную оптимизацию. Интенсивность подачи материала на третьем этапе будет (38): Q3 = 0,1 кг/с. Для определения интенсивности подачи материала на первом этапе необходимо решить уравнение (42):

Используем метод итераций Ньютона (или программу EqSolver, см. диск):

7 & приближенной оптимизации 2Т = 10,95 с. (Qi) = Qi ~ 111Д Qi + з,з = о. ч> (Qi) = Q1 f(Qi) =n Qi -111,1 Qi + з,з

Qi) 4/1 4Q!-iii,i '

Заключение

На основе исследований, проведенных в данной работе, могут быть сформулированы следующие основные выводы:

1. Анализ работы твердосплавного инструмента показал, что одной из основных причин снижения надежностр^инструмента является недостаточная точность дозирования при приготовлении смеси порошковых компонентов;

2. На основе известных методов повышения точности и производительности измерения и дозирования автором выявлены три базовых направления, одно из которых положено в основу нового, поэтапного метода дозирования. Этот метод позволяет повысить точность высопроизводительного дозирования сыпучих компонентов при производстве твердых сплавов и в результате повысить надежность твердосплавного инструмента;

3. Метод поэтапного дозирования реализуется посредством новой технологии. В рамках разработки данной технологии найдены режимы дозирования и определены технические средства для ее реализации, выявлены достоинства и недостатки различных типов дозаторов поэтапного действия. Исследования показали возможность однозначного решения задачи оптимизации по критерию производительности и по критерию приведенной погрешности времени дозирования (характеризующей точность элементов дозирующей системы) для двух основных типов поэтапного дозирования (весового и объемно-весового);

4. На многочисленных примерах продемонстрирована высокая эффективность предлагаемой технологии, позволяющей многократно повысить производительность точного дозирования;

5. Технологию поэтапного дозирования рекомендуется применять при высоких требованиях к точности, причем чем выше требования по точности, тем выше ее эффективность. При допустимой погрешности свыше 2% для весового дозирования и 3,5% для объемно-весового дозирования использование предлагаемой технологии нецелесообразно;

6. Сравнение весового и объемно-весового дозирования, проведенное в работе, позволило очертить возможное разграничение областей их применения. В частности, выявлена эффективность трехэтапного объемно-весового дозирования по сравнению с поэтапным весовым дозированием при допустимой погрешности свыше 0,5%. В остальных случаях поэтапное весовое дозирование предпочтительней;

7. Исследования показали, что дальнейшее увеличение числа этапов дозирования до четырех-пяти нерационально, так как это связано с повышением требований к быстродействию систем автоматики. Указанные требования вызывают усложнение и удорожание конструкции, а в некоторых случаях не могут быть удовлетворены при современном уровне измерительной техники и автоматики;

8. Использование разработанной технологии поэтапного дозирования при производстве твердосплавного инструмента обеспечивает повышение надежности инструмента за счет уменьшения в 1,5 раза среднеквадратичного отклонения наработки до отказа и некоторого увеличение ее среднего значения;

9. Для практического применения метода поэтапного дозирования автором создана программа ОптДоз для автоматического определения оптимального режима дозирования для всех основных случаев оптимизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Грибков, Андрей Армович, 2006 год

1. Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем. Кн. 1, 2. Москва, Мир, 1992.

2. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. Москва, Энергия, 1970.

3. Видинеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. Москва, Энергия, 1978.

4. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Оптимизация технологии поэтапного объемно-весового дозирования // Техника и технология, №5, 2006, с. 68-72

5. Грибков А.А. Оптимизация поэтапного объемно-весового дозирования // Законодательная и прикладная метрология, №8, 2002, с. 32-36

6. Грибков А.А. и др. Патент РФ №2110773 (весовой автоматический дозатор).

7. Грибков А.А. Новый подход к структуре дозирующих систем // Законодательная и прикладная метрология, №3, 2001, с. 71-75

8. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Оптимизация точности элементов дозирующей системы // Техника и технология, №5, 2006, с. 73-79

9. Гроссман И.Я., Шнырев Г.Д. Автоматизированные системы взвешивания и дозирования. Москва, Машиностроение, 1988.

10. Гуманюк М.Н. Магнитоупругие силоизмерители. Киев, Техника, 1981.

11. Деревянкин Н.А., Капитонов Е.Н. Современное оборудование для подачи сыпучих материалов. Москва, ЦИНТИхимнефтемаш, 1988.

12. Иванов М.Н. Детали машин. Москва, Высшая школа, 1998.

13. Исакович Е.Г. Весы и весовые дозаторы: метрологическое обеспечение. Москва, Издательство стандартов, 1991.

14. Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. Расчет и конструирование. Москва, Машиностроение, 1971.

15. Каталымов А.В., Любартович В.А. Дозирование сыпучих и вязких материалов. Ленинград, Химия, 1990.

16. Киясбейли А.Ш., Лифшиц Л.М. Первичные преобразователи систем измерения расхода и количества жидкостей. Москва, Энергия, 1980.

17. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. Москва, Машиностроение, 1976.

18. Кремлевский П.П. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. Москва, Издательство стандартов, 1980.

19. Лидерман И.С., Зудашкин Н.А. Измерение влажности сыпучих материалов. Москва, ЦНИИТЭИнефтехим, 1970.

20. Лоншаков И.П., Хлепетин Ю. М. Измерение давления, расхода и количества жидкостей и газов. Свердловск, 1990.

21. Маликов С.П., Михайловский С.С. Весы и дозаторы весовые: справочник. Москва, Машиностроение, 1981.

22. Медников Ф.М., Конюхов Н.Е., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин. Москва, Машиностроение, 1987.

23. Немировский А.С. Интеграторы измерительных приборов. Москва, Стан-дартгиз, 1960.

24. Низе В.Э., Антик И.В. Справочник по средствам автоматики. Москва, Энергоатом издат, 1983.

25. Трифонов О.Н., Иванов В.И., Трифонова Г.О. Приводы автоматизированного оборудования. Москва, Машиностроение, 1991.

26. Фарзане И.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. Москва, Энергоатомиздат, 1983.

27. Федорец В.А., Педченко М.Н., Пичко А.Ф., Псресадько Ю.В., Лысенко B.C. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика станков. Киев, Выща школа, 1987.

28. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. Ленинград, Энергоатомиздат, 1983.

29. Чириков В.И., Кирилина Р.С., Шабалин С.А. Манометры, вакууметры, мановакууметры. Москва, Издательство стандартов, 1993.

30. Шполянский В.А., Курицкий A.M. Программно-временные задатчики. Москва, Машиностроение, 1984.

31. Авторское свидетельство №390374.

32. Авторское свидетельство №303523.

33. Abdulah F. London: Mathematical modeling and design if a shear force load cell transducer. Measurement of Force and Mass 1978, №312.

34. Oahle 0. The Torductor and the Pressductor — Two Magnetic Stressganger of New Type ASSEA 7421 Ea/Reg 5693.

35. Kaza K.R., Jackson R.//Powd. Technol.,1982, v 33.

36. McCobe Robert E. Metering pumb handbook — New York: Industr. press, 1984.

37. Murfitt P.C., Bransby P.L.//Powd. Technol., 1980, v 27.

38. Pickering F.W. Level measuring and controlradar. Chemical process, 1974, v 20, №.

39. Wilms H.//Aufbereitungs Technic, 1984, №11.