Введение к работе
Актуальность проблемы. Литейное производство является основной заготовительной ба->й машиностроения, так как в нем доля литых заготовок по массе составляет 50-70%, а их качесг-) оказывает большое влияние на эксплуатационные характеристики, металлоемкость и надеж-эсть машин и механизмов.
Украина обладает развитым универсальным литейным производством, которое способно к ліуску сложных отливок любой массы из всех применяемых в машиностроении сплавов. Дсми-крующим технологическим процессом является изготовление отливок в разовых песчаных фор» ах, в которых получают 65-70% заготовок. Он реализуется в крупносерийном и массовом проиэ-вдстве с помощью комплексов автоматизированного и роботизированного оборудования.
Формирование структуры и основных параметров производственного процесса литейного sxa происходит на стадии проектирования его, при этом принципиальная перестройка может ать осуществлена только в период реконструкции цеха. Поэтому эффективность работы литей-эго цеха в значительной степени определяется качеством и обоснованностью проектных решс-;(й.
Проблема реконструкции старых литейных цехов уже является актуальной и станет особо строй в ближайшие годы, поскольку технический уровень основных фондов литейного производ-гва Украины не соответствует современным требованиям. Производство отливок в стране сосре-мочено в 1340 цехах. Значительное число литейных цехов строилось в довоенное время, а спе-иализированные литейные заводы, которым принадлежит значительная доля в выпуске отливок, ікже нуждаются в реконструкции в связи с новым экономическим положением Украины.
К сожалению, в практике проектирования и реконструкции литейных цехов распространен ширический подход, при которой принятие технических и организационных решений основыва-гея на нормативных данных и профессиональном опыте проектировщиков и производственников, то же время, опыт их эксплуатации показывает, что оценка вариантов струюуры и параметров роизводственного комплекса на основе знания характеристик отдельных агрегатов без достаючого количественного анализа их взаимодействий и учета отдельных факторов на динамику функ-нонирования оборудования может привести к грубым просчетам. Так, из-за наличия простоев по-жциальные возможности автоматических формовочных линий реализуются в среднем на 40-9%. Поэтому вопросы синхронизации работы подсистем литейного цеха, а также обеспечения адежности их работы необходимо решать уже на стадии проектирования.
Повышение эффективности работы подразделений литейного цеха является одной из акту-иьных научных и практических задач литейного производства, так как их функционирование і онечном счете определяет производительность цеха и уровень качества отливок.
Исследования в области проектирования, реконструкции и повышенна эффективности і боты литейных цехов соответствуют направленности тематики Государственной научи технической программы 06.03 «Создание конкурентоспособных способов имитационного модел рования сложных систем, повышения их надежности и эффективности» Министерства Украш по вопросам науки и технологий и использованы при выполнении проекта 4/006 К-95 «Страта ческие направления энерго- и ресурсосбережения в металлургии и литейном производстве» ' приоритетного направления Миннауки Украины "Экологически чистая энергетика и ресурсов ругающие технологии".
.-.,.; . Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы является поиск и ді работка направлении оптимизации технологических решений в условиях реконструкции литейш цехов с использованием математического и имитационного методов моделирования.сложных те
НИЧЄСКИХ СИСТеМ. . ,;.:--
Доя этого разработаны принципы и методы реконструкции и повышения эффективное .экепдуатируюшихся объектов литейного производства на основе использования методологии си темного анализа, математических методов исследования сложных систем, теории структурной параметрической надежности систем, а также выработаны на их базе новые технические решен В области технологии и оборудования литейного производства, обеспечивающие выпуск задакн го количества качественных отливок с оптимальными затратами ресурсов. .-, , Для достижения этой цели необходимо было решить следующие научно-технические заг чи; ^ ::.-:,-.: -: выполнить анализ структур цехов и их подразделений на основе использования теор
графов;
обосновать и выбрать математический аппарат для описания работы литейных цехої целом и их подсистем;
разработать общие математические модели, компьютерные программы для их реалиэ ции, описывающие динамику функционирования систем и подсистем литейных цехов;
на базе результатов экспериментальных исследований работы основных, агрегатов с» темы определить влияние полученных параметров на основные показатели работы л тейного цеха;
разработать и внедрить мероприятия по повышению эффективности работы литейш цехов и подразделений на стадии их эксплуатации и реконструкции.
Объекты исследования - литейные цехи массового и крупносерийного производства для изі товления отливок в разовых песчаных формах и литьем под давлением.
з Научная новизна
-
Сформулированы общие направления использования методологии системного анализа, а также аппарата математического и имитационного моделирования для решения комплекса теоретических, вычислительных и прикладных задач оптимизации технологических решений при эксплуатации и реконструкции технических систем литейного цеха.
-
Установлено, что качество проектных решений при эксплуатации и реконструкции литейных цехов определяется помимо основных факторов также динамикой изменения во времени надежности оборудования, используемой технологией и ее математической моделью, наличием программного обеспечения, что позволяет свести задачу оптимального решения к поиску наилучшего значения целевой функции в условиях ограничений, накладываемых на отдельные переменные.
-
На основе сравнительной оценки различных математических моделей предложена такая, которая впервые в практике литейного производства позволяет увязать параметры надежности работы оборудования с используемой технологией.
-
Впервые разработана с использованием иерархических структур теории графов, аппарата вероятностных автоматов и метода имитационного моделирования система математических моделей, адекватно описывающая работу основных подразделений литейных цехов. Такие модели представляют собой научную базу для анализа при проектировании и реконструкции литейного производства.
-
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов, приводящих к возникновению внезапных и постепенных отказов литейного оборудования, сформулированы методы управления надежностью подсистем в процессе их эксплуатации.
-
На базе разработанной методики структурной оптимизации подсистем литейного цеха заложены основные принципы оптимального их проектирования.
-
Предложена и проверена методика расчета состава оборудования литейного цеха на основе вероятностно-автоматного подхода с использованием экономического критерия по минимуму приведенных затрат.
-
На основе полученных кинетических кривых и уравнений процесса графитизации, а также параметрического метода распознавания образов создана и проверена методика прогнозирования длительности модифицирующего эффекта при использовании модификаторов различных типов для обработки серого чугуна.
-
Применительно к методу литья под давлением разработана имитационно-вероятностная модель, с помощью которой решаются оптимизационные задачи работы таких цехов.
Достоверность основных результатов обусловлена использованием фундаментальных юложений системного анализа, определяется экспериментальными исследованиями и промыш-
ленными экспериментами, совпадением результатов, полученных различными численными и ан . литическими методами, и данными производства, а также эффективностью использоваши пол ченных практических рекомендаций при реконструкции литейных цехов и усовершенствован) технологии изготовления отливок.
Теоретическая ценность. Определены основные закономерности управления эффективн стью работы литейного цеха и уровнем качества отливок в условиях существующих производств
Математические модели программное обеспечение и результаты исследований могут бы использованы:
дій оценки эффективности работы существующих литейных цехов и их подразделенш
для выбора оптимальных условий производства отливок, получаемых по различны технологическим схемам;
при разработке новых литейных технологий;
...... при реконструкции литейных цехов с различной номенкалатурой и серийностью прои
водства;
в базе данных экспертных систем;
в системах автоматизированного проектирования и управления технологическими пр цессами, структурными подразделениями и цехом в целом;
. - в системе обучения студентов литейных специальностей.
Практическая значимость работы. Разработан комплекс организационных и технич ских мероприятий, направленных на решение задачи повышения эффективности функционир вания литейного цеха, в том числе:
1. Для реализации САПР литейного цеха, предназначенного для производства отливок в тра
'>- торном и сельхозмашиностроении, разработано математическое обеспечение этапа реконс
рукции литейных цехов. На основе разработанных экономико-математических моделі
можно осуществить выбор типа и количества основного и вспомогательного оборудовани
основных параметров технологических транспортных потоков и организовать взаимодейс вне функциональных подразделений литейного цеха.
-
Разработаны и внедрены классификация, система кодирования и учета на ПЭВМ прост» оборудования.
-
Разработана и внедрена методика расчета экономической эффективности от сокращен) простоев автоматических литейных линий, смесеприготовительных и плавильных систем.
-
Разработаны технические решения по повышению надежности отдельных узлов и агрегаті систем литейного цеха. На предложенные технические решения получено 4 авторских свид тельства.
-
Разработана и внедрена компьютерная система расчета оптимального графика планово-предупредительного ремонта оборудования литейного цеха.
-
Опробованы и внедрены в производстве пакеты прикладных программ на ПЭВМ для:
оптимального расчета шихты чугунных и стальных отливок;
расчета оптимального количества плавильного оборудования литейных цехов массового и крупносерийного производства;
моделирования работы плавильных, формовочных и сиесеприготовительных систем литейного цеха;
обеспечения металлом комплексов литья под давлением.
-
Применительно к производству отливок из серого чугуна разработан и практически опробован метод прогнозирования продолжительности модифицирующего эффекта, предложены варианты управления «живучестью» модификаторов различных типов.
-
Для оперативного принятия решений на основе результатов промышленных экспериментов разработаны номограммы, позволяющие корректировать технологические параметры процессов смесеприготовления и получения серого чугуна.
С использованием результатов выполненных исследований в Харьковском государствен-том политехническом университете созданы новые учебные курсы: «Математические модели и иетоды оптимизации в литейном производстве», «САПР технологических процессов литейного іроизводства», «Проектирование автоматических литейных линий». Изданы два учебных пособия > грифом Министерства образования Украины на русском и украинском языках «Выбор и расчет эборудования плавильных отделений литейных цехов» и «Методы расчета шихты для выплавки шгейных сплавов. Системный подход», выполняются курсовые и дипломные проекты.
Результаты работы внедрены на АО «Гипротрактрорсельхозмаш», ОАО «Харьковский гракторный завод», ОАО "Купянский литейный завод" (КЛЗ), АО "Кременчугский завод дорож-шх машин" («Кредмаш») г.Кременчуг.
Апробация работы . Материалы диссертационной работы докладывались на Ш съезде ли-гейщнков России (г.Владимир, 1997 г.); Международной научно-технической конференции г.Киев, 1997 г); 11 Всесоюзной конференции (г.Горький, 1989 г.); Всесоюзном семинаре г.Устинов, 1986 г.); Международных научных конференциях (г.Харьков, 1994, 1995,1996, 1997, 1998 г.г.); семинарах Ленинградского Дома научно-технической пропаганды (г.Ленинград, 1989, 1991 г.г.); зональных научно-технических конференциях (г.Андропов, 1993 г.); научно-гехническом семинаре на ВДНХ СССР (г.Москва, 1985 г.); Республиканской научно-технической сонференции (г.Запорожье, 1994 г.>, научно-технических совещаниях (г.Барнаул, 1988 г.); Регио-іальньгх научно-технических конференциях (г.Челябинск, 1988 г.); научно-технической конфе-)енции (г.Минск, 1988 г.); Республиканской конференции (г.Киев, 1990 г.); Республиканских на-
б учно-техчичесшх конференциях (г.Одесса, 1990 г., 1995 г.); научных сешшарах кафедры «Литеі ное производство» Харьковского государственного политехнического университета. На защиту выносятся:
1. Принципы и методы проектирования, реконструкции и повышения эффективности работ
эксплуатирующихся объектов литейного производства на основе использования методол<
гаи системного анализа, математического и имитационного моделирования сложных литеі
. пых систем.
-
Разработанные методическое, математическое и программное обеспечения задач оптимиз, ции технологических решений в литейном производстве.
-
Разработанные в процессе исследовании вераятоспю-автоматые модели литейного цеха его.подсистем, позволяющие увязать параметры надежности оборудования с используемо технологией.
я 4. Методы и результаты адаптации существующих математических моделей и компьютерны программ к объектам литейного производства. 5. Полученные в результате методы управления эффективностью работы литейных цехов г - -стадиях их проектирования и эксплуатации. .. 6. Оригинальные методики и способы обработки результатов экспериментальных исследов; ;ний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; шести глав, каждая из которых заканчивается выводами; заключения (основные выводы), содержащего наиболее значимые ^результаты, списка используемой литературы, который содержит 327 наименований работ отечес венных и зарубежных авторов, приложений.