Эффективные стратегии функционирования производственного комплекса «нагрев - обработка металла давлением»
- Авторы: Афиногентов А.А.1, Деревянов М.Ю.1
-
Учреждения:
- Самарский государственный технический университет
- Выпуск: Том 23, № 3 (2015)
- Страницы: 162-167
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/20118
- DOI: https://doi.org/10.14498/tech.2015.3.%25u
- ID: 20118
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Рассмотрены стратегии выпуска продукции на производственном комплексе «нагрев - обработка металлов давлением», включающем индукционную нагревательную установку и гидравлический пресс. В качестве основного показателя эффективности функционирования производственного комплекса рассматривается себестоимость выпускаемой продукции. При фиксированных постоянных затратах проанализирована зависимость расхода энергии на выпуск единицы продукцииот скорости прессования и температуры нагрева заготовок. Установлено, что стратегии максимальной производительности и минимального энергопотребления являются конкурирующими. На основе анализируемых стратегий формулируются и решаются задачи оптимального управления производственным комплексом.
Полный текст
Основной целью работы является исследование эффективности стратегий функционирования производственного комплекса «нагрев - обработка металла давлением» на примере широко распространенной технологии прессования на горизонтальных гидравлических прессах предварительно нагретых в индукционных печах заготовок цилиндрической формы для получения изделий из алюминиевых сплавов [1, 2]. Производственный комплекс «нагрев - обработка металла давлением»состоит из трех последовательных стадий технологического цикла тепловой обработки заготовок:нагрев в индукционной нагревательной установке, передача нагретой заготовки к прессу и процесс прессования(рис. 1). В процессе функционирования комплекса для придания требуемых пластичных свойств металла используется стадия предварительного нагрева обрабатываемой заготовки в индукционной печи, а для получения прочностных характеристик и требуемого профиля заготовки осуществляется прессование.Технология прессования в рассматриваемом производственном комплексевключает операцию выдавливания алюминия из замкнутой полости через фильеру матрицы, соответствующей сечению прессуемого профиля. Каждая стадия обработки металла характеризуется изменением прочностных свойств и температурных кондиций, которые тесно взаимосвязаны. Рис. 1. Стадии обработки заготовки в производственном комплексе «нагрев - обработка металла давлением» Актуальные задачиприкладных научных исследований в области моделирования и оптимизации взаимосвязанных электромагнитных, температурных и деформационных полей до недавнего времени решались независимо друг от друга и отдельно для процессов индукционного нагрева металлов (ПИНМ) и пластической деформации [1, 2].В настоящее время разработан ряд математических проблемно-ориентированных на использование в оптимизационных процедурах численно-аналитических моделей различного уровня сложности, описывающихизменяющееся во времени температурное распределение по объему заготовки в процессе нагрева и прессования, которое ввиду определяющей роли температурного фактора можнорассматривать как управляемую функцию состояния объекта [3, 4]. Под эффективностью функционирования производственного комплекса «нагрев - обработка металла давлением» понимается соответствие технико-экономического показателя работы всех его компонентов требованиям, предъявляемым к производительности и (или) энергоэффективности. Себестоимость выпускаемой продукции определяется суммой статей расходов , на изготовление продукции комплекса и будет рассматриваться в качестве основного показателя эффективности: (1) где - стоимостные коэффициенты статей расходов, определяемые тарифами на энергетические ресурсы и стоимостью сырья; - условно-постоянные затраты, к которым относятся коммунальные и арендные платежи, заработная плата обслуживающего персонала и т. п. Анализ основных статей затрат в (1) показал, что основную долюв себестоимости продукции занимают энергетические затраты на нагрев и прессование [1-4]. Энергетические затраты комплекса определяются величиной потребления электрической энергии. Трансформации электрической энергии в полезную работу зависит от КПД нагревательной установки и деформирующего оборудования. КПД индукционной установки равен произведению электрического итермического КПД[4]: , (2) где - полная мощность, определяемая полезной мощностью нагрева и тепловыми потерями через изолирующий цилиндр , - электрическая мощность, подведенная к индуктору. Полезную мощность , необходимую для нагрева заготовки, можно определить по формуле [4] , (3) где - теплоемкость нагреваемого металла; - длительность нагрева; - масса заготовки; - величина нагрева, усредненная по объему заготовки. Тогда с учетом (2) и (3) удельный расход электроэнергии, необходимой для нагрева единицы массы металла, определяется выражением[4] . (4) Полный КПД пресса определяется произведением КПД насосной установки , гидросистемы и механического КПД гидроцилиндра [4]: , (5) где -энергия потока жидкости; -индикаторная энергия гидроцилиндра; -полезная работа деформации; - величина затраченной электрической энергии в процессе прессования. Величина работы деформации определяется произведением силы , приложенной к заготовке, на путь пуансона : , (6) здесь - величина давления на пресс-шайбе; - объем металлической заготовки. Величина среднего прироста температуры в пластической зоне за счет теплового эффекта деформации пропорциональна величине давления на пресс-шайбе: , (7) где z - коэффициент, определяемый теплофизическими характеристиками прессуемых материалов [5]. В результате определяетсязависимость, связывающая величину прироста температуры пластической зоны с объемом потребления электрической энергии в процессе прессования: ; (8) , (9) откуда удельный расход электрической энергии ,отнесенный к единице массы металла, можно определить как , (10) где - плотность металла. Скорость прессования оказывает значительное влияние на прирост температуры пластической зоны в процессе прессования. С ростом скорости прессования происходит увеличение теплового потока контактного трения и повышение интенсивности внутренних источников тепла, определяемых энергией пластического формоизменения [3, 5]. Рис. 2. Зависимость скорости прессования от максимального прироста температуры пластической зоны при различных температурах нагрева T0 На рис. 2 приведен график изменения скорости прессования от максимального прироста температуры пластической зоны при различных температурах нагрева T0. При этом скорость прессования изменялась в диапазоне от 0 до 11 мм/с, а температурное распределение перед прессованием по длине и радиусу заготовки принималось равномерным. При анализе работы производственного комплекса, которая базируется на жестких технологических инструкциях, прежде всего необходимо учитывать ограничения на максимально допустимую температуру в процессе прессования . На рис. 3 показаны зависимости удельного расхода электрической энергии при предварительном нагреве в индукционной печи , прессовании и суммарном потреблении электрической энергии от скорости прессования (а) и максимальной температуры нагрева (б) при, , , , , . а б Рис. 3. Зависимости удельногорасходаэлектрической энергии при предварительном нагреве в индукционной печи , прессовании и суммарном потреблении электрической энергии от скорости прессования (а) и максимальной температуры нагрева (б) Выводы Анализ зависимостей (см. рис. 3) показал, что увеличение производительности комплекса «нагрев-обработка металла давлением» приводит одновременно к увеличениюрасхода электрической энергии на пресс и уменьшению на нагрев в индукционной печи. Это объясняется тем, что прирост температуры пластической зоны увеличивается при больших скоростях прессования, а это, в свою очередь, приводит к понижению температуры нагрева заготовки в индукторе и росту требуемого усилия прессования. Кроме того, установлено, что электрический КПД индукционной установки выше аналогичного КПД пресса, поэтому повышение производительности комплекса приводит к росту суммарного удельного расхода электрической энергии. Таким образом, стратегии минимального энергопотребления и максимальной производительности являются конкурирующими, а выбор весовых коэффициентов критерия (1) должен осуществляться исходя из текущих требований по выпуску продукции. На основе выбранной стратегии функционирования комплекса «нагрев - обработка металла давлением» при соответствующей фиксации отдельных весовых коэффициентов критерия (1) могут быть сформулированы соответствующие задачи оптимизации режимов работы комплекса. В частности, в [6, 7] сформулирована и решена задача совместной оптимизации температурных режимов индукционного нагрева и обработки металла давлениемпо критерию максимального приближения к режиму изотермического прессования с управляющим воздействием по начальному температурному состоянию прессуемой заготовки, которое, в свою очередь, обеспечивается на этапе нагрева в индукционной нагревательной установке с заданным градиентом температуры по длине заготовки.×
Об авторах
Александр Александрович Афиногентов
Самарский государственный технический университет(к.т.н.), доцент кафедры «Трубопроводный транспорт» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Максим Юрьевич Деревянов
Самарский государственный технический университет(к.т.н.), доцент кафедры «Управление и системный анализ теплоэнергетических и социотехнических комплексов» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Список литературы
- Rudnev V.I. et al. Handbook of induction heating. N.Y.: Marcel Dekker. 2003. 797 p.
- Rapoport E., Pleshivtseva Yu. Optimal Control of Induction Heating Processes. London, N.Y.: CRC Press, Taylor & Francis Group. Boca Raton. 2007. 349 р.
- Афиногентов А.А. Моделирование процесса деформации металлических заготовок цилиндрической формы // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физико - математические науки. - 2007. - №2(15). - С. 170-172.
- Афиногентов А.А. Моделирование и оптимальное управление технологическим комплексом «нагрев - обработка металла давлением»: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.13.06 / Самара: Самар. гос. техн. ун - т, 2008. - 22 с.
- Перлин И.Л., Гайтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 448 с.
- Плешивцева Ю.Э., Афиногентов А.А. Оптимальное управление энерготехнологическими процессами в производственных комплексах // Изв. вузов. Электромеханика. - 2008. - №3. - С. 51-55.
- Плешивцева Ю.Э., Афиногентов А.А., Коршиков С.Е. Параметрическая оптимизация температурного профиля нагреваемой заготовки перед прессованием // Вестник Самарского государственнго технического университета. Сер. Технические науки. - 2010. - №2(26). - С. 196-203.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)