Агрегатно-модульный принцип в автоматизации малооперационных технологий

Заключение

В статье был исследован процесс классического выглаживания, в результате чего установлено, что не обеспечивается значение параметра Ra<0,2 мкм. Поэтому целесообразно совершенствовать процесс за счет конструкции инструмента.

Список литературы

1 Кузнецов, В. П. Обеспечение требуемого качества поверхностей деталей на основе управления динамической системой процесса выглаживания [Текст]: учеб. пособие / В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, В. Ф. Губанов, А. Г. Схиртладзе. - Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2005. - 85 с.

УДК. 658.512.012

А.С. Пухов, М.М. Федотова

Курганский государственный университет

АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП В АВТОМАТИЗАЦИИ

МАЛООПЕРАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Аннотация. В статье рассмотрены возможности аг-регатно-модульного принципа при компоновке различных автоматов и автоматических систем, в том числе автоматически перекомпонуемых.

Ключевые слова: агрегатно-модульный принцип, компоновка автоматы, системы, малооперационные технологии.

A.S. Pukhov, M.M. Fedotova Kurgan State University

IINTEGRATED MODULAR PRINCIPLE IN AUTOMATION OF TECHNOLOGIES WITH LITTLE NUMBER OF OPERATIONS

Abstract. The article considers the potential of the integrated modular principle in configuration of various automated devices and systems including automatically repackaged.

Index Terms: integrated modular principle, configuration of automated devices, systems, technologies with little number of operations.

Введение

Агрегатно-модульный принцип (АМП), применяемый при компоновке технических объектов, основан на идее их агрегатирования из нормализованных (унифицированных) узлов, механизмов и деталей. Использование АМП является одним из эффективных направлений в современном машино- и станкостроении. Его применение существенно сокращает сроки проектирования и затраты на изготовление, повышая надежность оборудования и машин. Вначале АМП применялся при создании агрегатных станков для обработки корпусных деталей. Использование нормализованных компонентов в данных станках составило свыше 90%. В дальнейшем на базе АМП в станкостроении осуществлялось создание компоновок оборудования с более сложной кинематической структурой. Например, станки токарной и фрезерно-расточной групп, намного дольше сохранявшие традиционную кинематическую структуру, стали компоноваться на основе АМП посредством создания таких унифицированных блоков, как шпиндельные

узлы, приводы главного и инструментальных шпинделей, приводы подач, устройства управления и т.п.

1 Связь АМП с международной системой ISO

Системный характер развития и расширенного применения АМП получает при создании станков с ЧПУ с использованием Международной системы кодирования информации (ISO) и единого обозначения в ней осей координат В системе ISO ось координат Z принимают всегда параллельной оси главного шпинделя станка (рисунок 2), а ось X - всегда горизонтальной. Вращательные движения вокруг осей X, Y, Z обозначают буквами а, в, с (рисунок 1).

Рисунок 1 - Компоновки токарного станка и промышленного робота с обозначениями осей и движений

Способ обозначений на основе ISO распространился и на другие машины, действие которых связано с координатным перемещением узлов: контрольно-измерительные машины (КИМ); промышленные роботы и др. Основные оси координат, по которым перемещаются узлы КИМ и роботов, обозначаются также в соответствии с системой ISO.

Соединение АМП с ISO позволило снабдить агрега-тированные компоновки математическими свойствами. На основе применения теории множеств и алгебры логики получена возможность рассматривать любую компоновку как упорядоченное множество блоков, а сопряжения блоков - как логические отношения между элементами этого множества. Такой системный поход позволил представлять компоновки структурными формулами и посредством математических операций формализовать процесс получения новых компоновочных решений при создании модулей для автоматизированных систем (АС) [1].

2 Принципы компоновки и свойства

двухпозиционных модулей

Модульный принцип компоновки способствует эффективному созданию из набора унифицированных блоков программно-управляемых двухпозиционных и многопозиционных модулей АС путем наращивания компонентов однопозиционных конструкций. При этом как при встраивании в АС, так и использовании автономных модулей в настоящее время предпочтение отдается двухпозицион-ным, т.к. они более простые в автоматизации и изготовлении, более надежные и удобные в управлении и обслуживании по сравнению с многопозиционными, конструкции которых значительно усложняются с переходом на программное управление. Кроме того, двухпозиционные модули легко настраиваются как для параллельной обработки (в том числе двух разных изделий), так и для последовательной обработки одного изделия, а применение систем с ЧПУ положительно влияет на их компоновку и позволяет значительно расширить технологические возможности.

Название компоновки

Горизонтальная

Вертикальная

Со осно-встреч ная

Соосно-развернутая

Пар алл ельно-развер нутая

Цилиндрическая горизонтальная одно- и двухсторонняя

Цилиндрическая вертикальная

Колокольная

Схемы компоновок

Вид агрегатирования модулей

Параллельное и последовательное

Параллельное, последовательное

Последовательное

Последовательное

Последовательное

Последовательное

Последовательное

Последовательное

Декомпозиционный анализ задачи формирования компоновок двухпозиционных модулей по основным свойствам и признакам - пространственному расположению рабочих органов, виду агрегатирования, наборам требуемых движений, видам (наборам) выполняемых работ и другим структурным признакам - позволил создать морфологическое пространство компоновочных схем. Часть этих схем используется или может использоваться в реальных модулях автоматизированных систем и автономно работающих производственных модулях (таблица 1).

Анализ [2] качественных сторон двухпозиционных программно-управляемых модулей выявил следующие их свойства:

1) возможность обработки деталей с 2-х сторон с автоматической перестановкой или одновременной обработки двух деталей, в том числе разных;

2) возможность установки заготовок или выполнения других подготовительных работ в свободной позиции во время обработки, сборки, испытаний и других работ в рабочей позиции;

3) высокая мобильность, в том числе автоматическая перенастройка по программе, совмещенная с установкой изделия в загрузочную позицию без останова обработки в рабочей позиции;

4) возможность разделения черновой и чистовой обработки по позициям, при этом в «чистовой» позиции мо-

жет производиться контроль параметров с оповещением оператора об износе инструмента или других отклонениях;

5) применение в 1-й позиции автоматических накопителей - загрузчиков для длинномерных заготовок (прутков, труб, другого проката) обеспечивает работу модулей на несколько часов (смену) без участия оператора;

6) использование принципов двухпозиционной компоновки в технологическом оборудовании для различных переделов (обработки резанием, прессования, сборки, испытаний и др.);

7) возможность замены вращательного движения при смене позиций на круговое маятниковое, что значительно упрощает подвод к позициям энергетических и других коммуникаций;

8) время обработки по сравнению с использованием двух однопозиционных модулей сокращается на 50-60%;

9) покупная способность по сравнению с двумя одно-позиционными модулями снижается на 25-30%.

Данные свойства двухпозиционных модулей автоматизированных систем отражают их основные достоинства - улучшение многих количественных и качественных характеристик в сравнении с однопозиционными и значительное упрощение реализации инновационных технических решений в сравнении с многопозиционными модулями.

3 Использование АМП при создании перекомпонуемых АС

Дальнейшее развитие агрегатно-модульного принципа компоновки технологического оборудования привело к созданию перекомпонуемых систем переменной структуры -ПСПС (Reconfiqurable Manufacturinq Sistems - RMS), предназначенных для выпуска меняющейся номенклатуры изделий. В модулях (компоновках, рисунок 2) данных систем используются автоматически сменяемые агрегатированные узлы, в том числе носители деталей (спутники призматической формы с распределенными по граням базами) [3].

В отличие от систем машин с жесткой структурой (АС, АЛ) и систем с частично переменной структурой (ГПС на базе гибких модулей) ПСПС не имеют постоянного значения гибкости, а принимают это значение за календарный промежуток времени (месяц, квартал, год). В ПСПС машины (модули) переменной структуры представляют собой комплекс наборов технических и вспомогательных средств, автоматически скомпонованный в систему машин автоматического действия и агрегатированный для выполнения производственного заказа изготовления изделий требуемых конструкций и объемов выпуска при минимальных затратах живого и овеществленного труда.

Согласно схеме (рисунок 2) позиция (модуль) ПСПС содержит следующие узлы: носитель (спутник) 4 в виде куба, на гранях которого установлены обрабатываемые заготовки 7; автоматически сменяемые обрабатывающие узлы 8 и несущие их узлы 6, установленные на постоянном основании. В качестве транспортного комплекса используются рамочная система 9 и транспортные пути 1, 2,

3, 5 (на рисунке 2 не показаны).

Цикл структурно-компоновочного преобразования ПСПС (рисунок 3) включает в себя композиционное и декомпозиционное моделирование, интегрированное в одной автоматизированной системе.

Согласно рисунку 3 перевод ПСПС из скомпонованного состояния в дескомпонованное сопровождается процессом декомпозиционного моделирования, а перевод дескомпонованного в скомпонованное - композиционным моделированием.

Заключение

Таким образом, развитие агрегатно-модульного принципа в рассмотренной системе доведено до «сквозной» автоматизации видоизменения структуры и компоновки ПСПС. При этом обеспечены жесткость и точность модулей системы за счет оптимального членения узлов-носителей, использования их внутреннего сочленения методом вложения и других эффективных мер.

Список литературы

1 Кузнецов, Ю. Н. Повышение эффективности токарных автоматов

[Текст]/ Ю. Н. Кузнецов, Л. Н. Срибный. -Киев: Техника, 1989. -168 с.

2 Пухов, А. С. Синтез решений при поисковом проектировании

автоматизированных систем [Текст]: монография /

А. С. Пухов. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2009. -154 с.

3 Царев, А. М. Разработка интегрированной системы

оптимизационного синтеза технологических процессов и систем машин переменной структуры [Текст]/ А. М. Царев // Новые материалы и технологии : сб. статей. - М.: МГАТУ, 1996. - С. 96-99.

Рисунок 2 - Рабочая позиция (модуль) ПСПС

j Композиционное моделирование Пространстбо технических Зксплуишиция системы машин 1

1 1 Управление процессами кимпизиции Скомпонованное состояние УпроЬление процессами функцианиробания 1

1 1 1 J

1 | Декомпозиционное пространство Декомпозиционное моделиробание 1 1 J.

1 I j Дескомпоноданное состояние Управление процессами декомпозиции 1 !

Рисунок 3 - Схема цикличных структурно-компоновочных преобразований ПСПС

УДК 621.86.065.4+531

С.В. Марфицын, В.П. Марфицын Курганский государственный университет

О МЕРАХ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ПОЯВЛЕНИЮ ТРЕЩИН В ФОНТАННОЙ АРМАТУРЕ

Аннотация. Рассматривается вопрос об условиях появления трещин в фонтанной арматуре. Решение находится в нормальных напряжениях и сравнивается с допускаемым напряжением, приведенным в международных стандартах ANSI/API-6A.2009.

Ключевые слова: процесс разрушения, предел текучести при нормальных напряжениях, ударная вязкость.

S.V. Marfitsyn, V.P. Marfitsyn Kurgan State University

ABOUT PREVANTIVE MEASURES AGAINST CRACKING IN THE X-TREE

Abstract. The article examines the problem about cracking conditions in the X-tree. The problem solving is in the normal stress, which is compared with the working stress given in the international safety standards ANSI/API-6A.2009.

Index Terms: deterioration process, normal yield strength under normal stress, impact elasticity.

Произошедшая авария на нефтяной скважине в Карибском море в 2010 году и ряд других аварий показали необходимость пересмотреть подход к прочности фонтанной арматуры, в частности к прочности устья скважин.

За последние 50 лет наблюдается появление и развитие сравнительно нового направления в механике и физике прочности - механика разрушения. Здесь материал рассматривается как некоторая «сплошная среда, но с изменяющимися в процессе накопления повреждений свойствами; исследование зарождения взаимодействия и развития нарушений структуры материала на дислокационном и других уровнях» [1].

В реальном теле этот процесс (процесс разрушения) начинается с изменений на микроскопическом или субмикроскопическом уровне. В телах разных типов эти изменения могут иметь разный характер. Так, в металлах изменения микроструктуры, влекущие разрушение, тесно связаны с изменениями в процессе пластической деформации [2].

Почему же случаются величайшие катастрофы века из-за человеческого фактора? Дело в том, что не учитываются напряжения образования трещин. Нужно найти это предельное термодинамическое состояние, когда материал «готов» к образованию трещин.

Согласно международному стандарту ANSI/API-6A specification 2009 п. 4.3.3.2, в котором сказано, что «Методология конструирования, описанная в ASME, раздел VIII, глава 2, приложение 4, может использоваться для расчета при конструировании оборудования, работающего под давлением. Напряжение, допустимое в конструкции, ограничено следующим критерием 2

5 = —S

где 5,„- интенсивность напряжений конструкции при нормальном рабочем давлении, 5__- минимальный предел текучести материала» [3].

Термодинамический запас прочности при этом составляет, например, при 16с"С 0,7686/0,6667 (15,28%) [3]. Чтобы перейти к нормальным напряжениям, воспользуемся условием Мизеса, связывающим касательные напряжения с нормальными.

Существует внутренняя термодинамическая связь между пределом текучести и минимальным напряжением образования трещин [5]. Как бы мы ни повышали предел текучести материала, это соотношение остается. Все дело в самой структуре материала: кованый он или нет, какова его ударная вязкость.

Как справедливо отметил Л.И. Слепян [1], случаи хрупкого разрушения происходят и с пластичными материалами «без всяких видимых причин и в последнее время участились. Это связано с использованием новых высокопрочных материалов, которые при стандартных испытаниях обнаруживают высокую прочность. Но при некоторых условиях конструкции из них разрушаются путем распространения трещины задолго до исчерпания расчетной несущей способности».

Если т_ - предел текучести при чистом сдвиге, то на основании условия Мизеса [2]

& 0j576o"T =>[т];

% J

0,576[сг]

Критическое напряжение т вероятности образования трещин [5]:

т^ = ОД 163. тТ .

Отсюда критическое напряжение вероятности образования трещин, выраженное через нормальное напряжение - предел текучести ат, будет равно: т* = 0,4163 * 0,576ат = 0,2398ат .

Это значит, что критическое напряжение т* , необходимое для вероятности образования трещин, значительно меньше допускаемого для нефтегазовой арматуры по ASМЕ. А именно: 2

[а]=-3 а« 0,667а,

т.е.

0,576 * 0,667а

т*

= 1,6021

0,2398а

Таким образом, когда рабочее напряжение будет равно допускаемому по ASМЕ, в изделии появляется вероятность образования трещины с соответсвующим напряжением. С учетом представленных формул для стали 09Г2С, применяемой в устьевом оборудовании с пределом ат =294 МПа и допускаемым напряжением, равным

[а] = 0,667ат = 0,667 * 294МПа = 196МПа,

[т]« 0,576 [а] = 112,9МПа,

это напряжение будет равно т* = 0,4163 * 0,576ат = 0,4163 * 0,576 * 294МПа = 70,4979МПа

70,4979 < 112,9.

То есть значительно меньше, чем допускаемое напряжение по ASМЕ, поэтому имеется вероятность появления трещины. Чтобы этого не произошло, надо использовать материалы с более высокими механическими характеристиками, т.е. с большим пределом текучести ат . Например, если взять сталь марки 30ХГСА с ат =835МПа, то для нее критическое напряжение вероятности образования трещин равно т* =0,2398*835МПа=200,2330МПа. Тогда 200,2330/70,4979=2,8403 раза больше. Данная сталь