ЛЕКЦИЯ 1 (вводная)

Введение. Основные понятия и определения. Вопросы автоматизации

в литейном производстве. Основные технологические процессы (операции), осуществляемые в литейном производстве. Преимущества

и недостатки автоматических линий.

 Литейное производство – основная заготовительная база современного машиностроения: в массовом отношении  25% в автомобилях, 60% в э/двигателях, до 65% в тракторах,  80% деталей в станках составляют отливки. Рост требований к качеству отливок, развитие массового и серийного производства вызывает необходимость наращивания производительности, стабилизации технологического процесса, исключения влияния человеческого фактора, снижения трудоемкости. Автоматизация производства обеспечивает решение этих задач, а также позволяет решить и чисто экономическую задачу - снижения себестоимости отливок.

На современном литейном производстве насчитывается от нескольких десятков (в специализированных цехах) до нескольких сотен технологических операций и десятки технологических процессов.

Первые автоматы (формовочные, очистные) появились в мире в 20-30-х годах прошлого века. В 1930 г. на заводе «Красный путиловец» был создан первый в СССР механизированный литейный цех с системой конвейеров на межоперационных участках.

В 60-х появились и стали активно внедряться АЛЛ (АФЛ, АСЛ, АЛЛПД, АЛЛПВМ – 1966г.), к концу 70-х в СССР было около 750 АЛ. Современная ситуация в белорусском литейном производстве: массовая модернизация и техническое перевооружение – внедрение новых АЛ и автоматизация существующих производств.

 В современном литейном производстве автоматизации подвергаются (в первую очередь) следующие операции:

- смесеприготовление;

- подготовка и дозирование исходных компонентов: шихты и формовочных материалов;

- изготовление стержней и литейных форм;

- дозирование и заливка жидкого металла;

- плавка металла;

- термообработка отливок;

- выбивка, очистка, обрубка;

- изготовление отливок спец.методами.

- АЛЛ – линия на которой осуществляется получение отливок.

Различают:

- АЛЛ массового производства;

- АЛЛ мелкосерийного производства;

- специализированные АЛЛ.

Современные АЛ – это комплекс (система) взаимосвязанных агрегатов технологических и вспомогательных (транспортирующих, фиксирующих) осуществляющих законченный технологический процесс (или несколько последовательных процессов). В массовом производстве простой АЛ обходится в 50-200 $ США за 1 мин.

Часовая производительность АФЛ – 20-250 ф/ч.

Годовая производительность АЛЛ колеблется от 4 тыс.т до 100 тыс. т отливок (при изготовлении крупных отливок массовыми сериями).

Главные требования к любым АЛ: надежность, точность выполнения всех операций, удобство эксплуатации, простота обслуживания.

Основные принципы организации работы АЛ:

– поточный метод (синхронное, одновременное выполнение различных технологических операций);

– последовательное расположение технологических агрегатов в порядке, соответствующем хронологии исполнения операций;

– территориальное единство всего технологического комплекса;

– транспортная взаимосвязь агрегатов (рольганги, тележки, кран, конвейеры, карусели).

Классификационные признаки деления АЛ на группы и виды:

- степень механизации;

- принципы агрегатирования (или вид используемых в составе АЛ автоматов);

- назначение (стержневая, формовочная, очистная линия и т.д.);

- характер работы (непрерывный, периодического действия);

- количество потоков (одно- и многопоточные (многоветьевые);

- структура (замкнутая, разомкнутая).

Принципы агрегатирования АЛЛ (классификация по виду основных используемых агрегатов):

- многопозиционный – на различных позициях одновременно реализуются различные операции;

- многопоточный – параллельно выполняются одинаковые операции (например, на одном формовочном автомате изготавливается полуформа верха и полуформа низа);

- многоинструментальный - на одной позиции выполняется несколько операций различными инструментами.

Первые 2 варианта (применение многопозиционных и многопоточных автоматов) обеспечивают наибольшую производительность АЛ.

Степень механизации:

- механизированная

- автоматизированная

- автоматическая

Как пример рассмотрим классификацию автоматических формовочных линий:

 АФЛ классифицируют по:

- способу получения отливок (в разовые формы из ПГС, в формы из ХТС, по выжигаемым моделям, по выплавляемым моделям и т.д.);

- типу формы (опочные, в том числе стопочные и безопочные, безопочные в свою очередь делаются на формы с вертикальным и горизонтальным разъемом);

- способу формообразования (прессование, встряхивание, пескодувное, вакуумное, гравитационное, комбинированное и т.д.);

- типу формовочных автоматов (проходные, челночные, карусельные, одно и многопозиционные);

- по способу организации формовки (верх и низ на одном автомате по очереди - попеременный способ; с раздельной формовкой верха и низа на отдельных автоматах; одновременно на одном автомате – с одновременной формовкой);

- по количеству формовочных блоков (автоматов);

- по типу транспортных межоперационных средств (с тележечным конвейером непрерывного или пульсирующего движения, с рольгангами, с ленточным конвейером, с манипуляторами, с подвесным конвейером; с самоходными тележками, с приводными рольгангами и т.д.);

- по типу приводов основных агрегатов (пневмо, гидро, эл./механические)

- по типу межоперационных связей (гибкие и жесткие, смешанные, гибкие – с ветками-накопителями, бункерами отстойниками и т.д.).

 Состав современной традиционной АФЛ:

- формовочные автоматы с периферией (дозаторы, фиксаторы, приспособления для срезки формовочной смеси, зачистки и т.д.);

- манипуляторы (грузоукладчики, распаровщики, сборщики, кантователи);

- стержнеукладчики;

- автоматы-заливщики;

- устройства для выбивки формовочной смеси (виброрешетки, галтовочные барабаны, устройства выдавливания кома);

- транспортные средства;

- устройства охлаждения;

- АСУ.

Задачи, решаемые при выборе и проектировании любой АЛ:

требуемая производительность, максимальная загруженность оборудования, минимальные простои, эргономика, надежность, экономичность, компактность и т.д.

ЛЕКЦИЯ № 2

Основы проектирования АЛЛ, структура современных АЛЛ,

теория графов.

Автоматическая литейная линия (АЛЛ) – (комплекс) система взаимосвязанного технологического и вспомогательного оборудования, предназначенная для получения отливок требуемого качества. К АЛЛ относятся автоматические формовочные линии, автоматические кокильные линии, автоматические линии изготовления отливок по выплавляемым моделям и др.

Сегодня традиционные комплексные АЛЛ (АФЛ) ведущие производители литейного производства поставляют вместе с смесеприготовительным оборудованием, системами регенерации смеси и подготовки ее исходных составляющих (Disa-GF; HWS; Кюнкель- Вагнер; FTL). Эффективность АЛЛ определяется:

- производительностью;

- качеством получаемых отливок;

- надежностью в эксплуатации;

- эксплуатационными расходами;

- простотой в обслуживании;

- экономическими показателями (стоимость и срок окупаемости);

- эргономичностью;

- экологичностью.

Качество (эффективность) АЛЛ линии должно обеспечиваться на всех этапах ее создания и эксплуатации:

- этап выбора технологии получения конкретной отливки или группы отливок в заданных условиях (не только формообразование, но и регенерация и подготовка смеси), например, для АФЛ – выбор способа формообразования: воздушно-импульсный, вибро-пресс, вакуумно-пленочный методы и т.д.; технико-экономическая, экологическая и эргономическая сравнительная оценка принимаемого решения;

- этап проектирования конструирования (активно применяется унифицированное оборудование, переход на электромеханические приводы, применение мотор-редукторов с различным передаточным отношением и мощностью, использование инверторов, цифровые АСУТП на процессорах и программируемых контроллерах, применение закрытых систем смазки, самосмазывающихся, пар, гидроавтоматики высокого давления, исключение ручной смазки, применение систем САПР и САМ (для моделирования работы механизмов и систем АЛЛ);

- этап изготовления (точность изготовления, контроль на всех стадиях изготовления, испытания на полигоне в условиях соответствующих последующей эксплуатации);

- этап обслуживания и эксплуатации (строгое соблюдение технологической и эксплуатационной документации).

При определении оптимальной технологии приготовления той или иной отливки и принятии принципиальных проектных решений используют различные варианты выбора теории анализа и оптимизации избранного решения:

 теория множеств, в том числе:

1- системно-структурный анализ (Анализ о схеме: «параметр оптимизации»«влияющие факторы», определение этих факторов, их уровней, выбор критериев оценки) и поиск «оптимума» (математический анализ многофакторной задачи);

2 - теория графов (анализ компоновки, структуры АФЛ, взаимосвязей основных элементов АФЛ, ее производительности и надежности);

 теория вероятностей;

 математическая логика и т.д.

В качестве параметров оптимизации (или исходных требований) могут быть выбраны следующие характеристики:

- производительность линии;

- свойства (характеристики) формы;

- габариты будущих отливок и масса;

- надежность линии.

Значение параметра оптимизации (состояния системы, множество структурных схем процесса, качество выполнения основной операции) определяется произведением множеств значений влияющих факторов:

, где и т.д.

Системно-структурный анализ позволяет определить оптимальный вариант функционирования линии, установить рациональные требования к отдельным узлам, входящим в ее состав, оценить и учесть факторы, оказывающие решающее влияние на работоспособность и надежность работы АЛЛ, качество изготавливаемой формы или получаемой отливки. Определим, например, качество получаемой на АФЛ литейной формы по ее прочности Х. На прочность формы будут влиять следующие факторы:

конструктивные факторы технологического оборудования (например, форма прессующего органа)

силовые факторы (например, усилие прессования)

состояние отдельных элементов системы (например, наличие или отсутствие вибрации в процессе прессования)

внешние факторы (изменение состава смеси, например, влажности).

Прочность формы может быть определена как произведение этих факторов:

Х_ф = Р₁Р₂Р₃Р₄

Аналогичным образом можно проанализировать, например, истинную производительность АФЛ (Х_п)

В упрощенном виде Р₁ – нормальная работа (учитывающая остановки выполняемые только в соответствии с технологическим процессом); Р₂ – простой, вызванный отказом оборудования системы; Р_{3 –} отказы, связанные с технологическими причинами, Р₄ - простои, связанные с внешними причинами (отказами внешних систем, оборудования, служб). В общем случае Х_п = Р₁Р₂Р₃Р₄,

как правило, осуществляя системный анализ тех или иных параметров, используют многофакторные математические матрицы.

Графический или структурный анализ построения и функционирования АЛЛ может быть выполнен на основании теории «графов».

Граф – топологическая модель технологического процесса (графическое отображение функционирования системы). При анализе АЛ, граф иллюстрирует состав АЛ и взаимосвязи внутри линии, количество операций и переходов.

С формальной точки зрения граф G=(х, u) – совокупность (вершин) точек (x_i), соединенных линиями (ребрами) (u_i). Если линии имеют определенные направления, указанные стрелками, их называют дугами, а сам граф ориентированным (орграф). Ребра соединенные последовательно называются маршрутом, число ребер определяет длину маршрута, если ребра не повторяются, маршрут называют цепью, если начальная и конечная вершины совпадают – имеет место цикл. Вершины – переменные факторы (или тех. операции), ребра - коэффициенты передачи (транспорт, соединяющий технологическое и вспомогательное оборудование).

Граф может иллюстрировать работу механизма, АЛЛ, электрической цепи, сети ж/д , этапы строительства и др.

Коэффициент передачи, выраженный дугой (u_ij) может быть представлен через вершины, соединенные этой дугой:

где x_i и x_j – время выполнения операций в узлах (вершинах).

Коэффициент интенсивности потока (или к-т передачи звена: «дуга-вершина-дуга») может быть представлен выражением:

где u_j, u_i+1 – интенсивности (скорости) потока до и после вершины х_j.

В сложных процессах зачастую вершины можно связать между собой множеством дуг: параллельных операций или последовательных переходов и операций.

Для упрощения функциональной схемы параллельные дуги могут быть объединены в одну, при этом коэффициент передачи W_ij будет равен сумме промежуточных коэффициентов .

При необходимости упростить маршрут объединяют последовательные вершины

Х₁Х₂Х₃…Х_n

Коэффициент передачи последовательно соединенных вершин от Х₁ к Х_n будет равен произведению передаточных чисел 

Ориентированные графы (структура и функционирование АЛЛ) могут быть представлены в виде матрицы (М), количество столбцов и строчек, которой соответствует количеству вершин графа (матрицы «смежности» или матрица вершин). На рис. 2.1 представлен орграф техпроцесса и его матрица смежности:

Матрица орграфа Орграф

Х₁ Х₂ Х₃ Х₄

Х₁ 0 1 0 0

Х₂ 1 0 3 0

М _с = Х₃ 0 0 0 1

Х₄ 0 1 0 1

Рис. 2.1

Орграф и матрица смежности

Если главная диагональ матрицы содержит только нули, то в орграфе

нет петель, если в столбце или строке - все нули граф является незамкнутым. Над диагональю располагаются прямые связи, под – обратные, соотношение суммы членов матрицы под диагональю (обратный поток) к сумме над диагональю (прямой поток) называют коэффициентом ассиметричности графа (k_ас). Если k_ас = 1 – граф является симметричным, если k_ас = 0 – граф является однонаправленным. Определитель (произведение всех членов матрицы) характеризует компактность (простоту автоматической линии), вид матрицы характеризует взаимосвязи между элементами графа и его структуру (т.е. структуру АЛ, которую граф описывает). Для представленной матрицы коэффициент симметричности будет равен:

При анализе техпроцесса, автоматической линии и т.п. k_ас характеризует поточность:

- коэффициент поточности АЛ.

Помимо матрицы смежности, которая позволяет оценить производительность линии, ее поточность, структуру и т.п., может быть составлена матрица маршрутов (расстояний), позволяющая оценить компактность АЛ. Матрица расстояний для орграфа, изображенного на рис. 2.1, представлена на рис. 2.2.

Х₁ Х₂ Х₃ Х₄

Х₁ 0 1 2 3

Х₂ 1 0 1 2

М_рас= Х₃ 0 0 0 1

Х₄ 2 1 0 0

Рис. 2.2.

Матрица расстояний.

Члены матрицы расстояний указывают, сколько ветвей отделяют данную вершину от других.

Пример применения графов для анализа АФЛ представлен на рис. 2.3. При составлении матриц использованы правила сложения смежных вершин, агрегатами (вершинами) орграфа, определяющими количество строчек и столбцов матрицы выбраны только те, на которых совершается несколько операций.

Х₁ Х₂

Х₁ 0 5+3

М_с^ = Х₂ 4 0

Х₁  Х₂

Х₁ 0 1 0

М_с^ =  0 1 2

Х₂ 4 0 0

Рис. 2.3. Графы автоматических формовочных линий.

Рассмотрим только те связи, которые соединяют сложные узлы.

Определители приведенных матриц соответственно равны: ₁= 32, ₂ = 16: схема II проще, однако ее поточность хуже и производительность меньше, чем у линии (М¹_с).

Коэффициенты ассиметричности ;

Коэффициенты поточности ;

Структурными элементами автоматической линии (соответственно вершинами орграфа) могут быть не только механизмы и автоматы, но и рабочие места, расположенные по ходу АФЛ, на которых осуществляются операции, входящие в состав техпроцесса (окраска стержней, их простановка в формы и т.п.).

Лекция 3

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМИ ЛИНИЯМИ.

Для управления АЛ используют АСУТП – автоматизированные системы управления технологическими процессами. Все АСУТП можно разделить на 2 класса.

Автоматические системы первого класса выполняют свои функции по заранее заданной программе (т.е. закону и порядку) без свободы выбора (выходящей за пределы программы) и вне зависимости от условий фактического протекания процесса; поэтому в подобных системах контрольная, рабочая информация или вообще отсутствует или имеет вспомогательное значение. Подобные автоматические системы называются циклическими, или детерминированными (безрефлексными, или с жестким управлением). Такие системы управляют, например, работой машин-автоматов, иногда автоматических линий и т.п. Очевидно, что при весьма ограниченном объеме используемой контрольной информации проектирование рассматриваемых систем должно основываться на очень большом количестве априорной информации из-за отсутствия свободы выбора при функционировании. Таким образом, работа детерминированной системы фактически предопределена заранее и полностью обусловлена самой конструкцией АЛ и предварительной настройкой исполнительных механизмов.

Автоматические системы второго класса функционируют в зависимости от фактического протекания некоторых заранее заданных процессов, т.е. на основе получаемой контрольной информации. Подобные автоматические системы называются ациклическими, или информационными, или рефлексными. Естественно, что при разработке информационных систем объем требуемой априорной информации обычно меньше, чем при разработке детерминированных систем.

В информационной автоматической системе, состоящей из объекта управления и управляющей им системы, происходит постоянный обмен информацией (контрольной и управляющей) между управляемым объектом и управляющей системой (регулируемые параметры и сигналы управления). Кроме того, как на объект, так и на управляющую систему могут действовать внешние возмущающие воздействия, характеризующие влияние внешней среды на функционирование автоматической системы. Имеются еще и входные переменные (для объекта и управляющей системы), изменение которых задается условиями, не зависящими от процессов, происходящих внутри автоматической системы. На некоторые параметры объекта управления могут накладываться условия, ограничивающие их изменение. В итоге в общем случае получается некоторая совокупность переменных величин, характеризующих состояние управляемого объекта.

Управляющая система, исходя из поставленной перед ней цели, а также в результате получения и переработки информации (о регулируемых входных и выходных переменных и возмущающих воздействиях) вырабатывает сигналы управления путем реализации алгоритма управления.

Информационные автоматические системы управления могут классифицироваться по различным признакам. Важнейшими из них являются следующие три:

характер алгоритма функционирования;

характер алгоритма управления;

способность к самоприспосабливанию.

По характеру алгоритма функционирования различают три основных вида автоматических систем: стабилизирующие, программные и следящие.

Стабилизирующие системы обеспечивают сохранение стабильного (постоянного) значения параметров техпроцесса (независимо от внешних воздействий); программные системы управления обеспечивают изменение параметров процесса по заданной программе; следящие - обеспечивают изменение параметров техпроцесса в соответствии с управляющим (заданным) фактором, значение которого заранее неизвестно (например, в соответствии с траекторией движения какого-либо внешнего объекта).

По характеру алгоритма управления автоматические системы делятся на два вида: системы с разомкнутой цепью воздействий и системы с замкнутой цепью воздействий.

При разомкнутой цепи воздействий управляющая система реагирует на входные и возмущающие (относительно системы) воздействия без получения контрольной информации о значениях регулируемых параметров, а следовательно, без сопоставления результатов своей работы с заданием и без возможности ее корректировки, т.е. система управления контролирует состояние объекта (технологического процесса), его параметры до начала обработки (воздействия на объект), в соответствии с полученной информацией и поставленной задачей воздействует на объект, но не контролирует результаты этого воздействия.

При замкнутой цепи воздействий управляющая система получает также еще и контрольную информацию о значениях регулируемого параметра, сопоставляет эти значения с предписанными (требуемыми) и корректирует на этой основе свою работу. Замыкание цепи воздействий осуществляется обратной связью от управляемой системы к управляющей.

Автоматические системы с замкнутой цепью воздействий в свою очередь делятся также на два типа: автоматическая система регулирования и автоматическая система поиска.

В автоматических системах регулирования САР управляющее воздействие вырабатывается в результате сравнения действительного значения управляемой величины с предписанным (заданным) значением (в каждый момент времени). Разность заданного и действительного значений параметра называется рассогласованием величина воздействия на регулируемый процесс равна величине рассогласования.

В автоматических системах поиска САП результирующие управляющие воздействия вырабатываются с помощью пробных управляющих воздействий и анализа их результатов, т.е. система приближается к заданному результату маленькими «шажками» (воздействиями) заданного размера.

По способности к самоприспосабливанию автоматические системы делятся на системы без самоприспосабливания (их часто называют обыкновенными) и самоприспосабливающиеся (адаптивные).

В процессе эксплуатации автоматических систем без самоприспосабливания основные динамические характеристики, включая структуру системы управления, автоматически не изменяются. Предусматривается лишь возможность ручных операций, перенастройки элементов системы в определенных пределах, переключения цепей, коммутирования и т.п.

Самоприспосабливающиеся системы – более сложные системы, обладают способностью автоматически изменять свои характеристики (включая и структуру) и настройку для улучшения работы и учета изменяющейся обстановки функционирования. Эти так называемые контролируемые изменения осуществляются на базе получаемой рабочей информации в процессе функционирования.

Важнейшими видами самоприспосабливающихся систем являются самонастраивающиеся и самоорганизующиеся системы. У первых автоматически осуществляются изменения настройки и характеристик управляющей части, а у вторых – изменения ее структуры.

Пример – нагрев заготовки в газовой нагревательной печи:

1) Без регулировки газа (безрефлексная АС);

2) С регулировкой подачи газа (регулятор давления) в зависимости от давления в трассе (рефлексная с разомкнутой цепью) с регулированием по возмущению;

3) С регулировкой подачи газа в зависимости от температуры в печи (рефлексная с замкнутой цепью) с регулированием по отклонению.

Автоматическое регулирование для многих отраслей промышленности является решающим и важнейшим средством совершенствования отдельных локальных процессов и машин при частичной автоматизации производства, когда его отдельные звенья управляются самостоятельно, но необходима взаимная координация работы отдельных автоматических систем регулирования.

Автоматическая система состоит из отдельных конструктивно обособленных частей – функциональных блоков (элементов), выполняющих определенные функции. Совокупность этих функциональных блоков и связей между ними образует функциональную структуру автоматической системы (или ее части), а графическое изображение ее – функциональную схему автоматической системы (или ее части).

На рис. 3.1 показана типовая функциональная схема САР. Задающий блок 3д фиксирует предписания, соответствующие заданному алгоритму управления, и значения задающих величин, а воспринимающий блок Вс воспринимает контрольные воздействия (действительные значения регулируемой величины) регулируемого процесса. Блок сравнения Ср сравнивает предписанное для данного момента значение y₃(t) регулируемой величины (т.е. выходной сигнал задающего блока) и действительное значение регулируемой величины процесса у_П(t) (т.е. выходной сигнал воспринимающего блока). В блоке сравнения устанавливается наличие, знак и величина рассогласования (ошибки):

,

Рис. 3.1.

Функциональная схема системы автоматического

регулирования.

Сигнал ошибки поступает в управляющий блок У_n. В нем преобразуется полученный сигнал и вырабатывается командное воздействие на исполнительный блок И_с в соответствии с заданным алгоритмом управления. Исполнительный блок в свою очередь вырабатывает управляющие воздействия (посредством регулирующего органа РО) на регулируемый процесс РП путем изменения потока энергии Q (регулирующего агента), подводимого к объекту регулирования (0).

Автоматическая система после осуществления заданных управляющих воздействий на процесс для подготовки себя к повторному действию может потребовать вмешательства человека или обойтись без него. Автоматическая система в первом случае называется однократной, во втором – многократной.

По виду передаваемой информации, автоматические системы управления делятся на непрерывные (логические) и дискретные (цифровые). В непрерывных системах (плавного действия) информация передается в виде непрерывных, плавно изменяющихся величин, например, сила тока, давления, температуры в дискретных – в виде дискретных (прерывистых) сигналов, квантованных по уровню, или по времени, или одновременно по уровню и по времени. Автоматические системы управления воспроизводятся (описываются) математическими моделями, которые выбираются с некоторой идеализацией действительности и пренебрежением второстепенными факторами в той мере, в которой это допускается требуемой точностью инженерных методов расчета. Математические модели, отображающие реальные системы, могут быть линейными и нелинейными: первые описываются линейными дифференциальными (иногда разностными) уравнениями, а вторые – нелинейными.

В зависимости от постоянства во времени их динамических свойств автоматические системы (как линейные, так и нелинейные) могут быть стационарными и нестационарными (переменными).

Современные АСУТП строятся на микропроцессорной технике-контроллерах, обрабатывающих логические (непрерывные) и цифровые (дискретные) сигналы, используют быстродействующие каналы связи RS 485/232/, оптоволоконные линии и т.д.

ЛЕКЦИЯ 4

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

АЛЛ, РАСЧЕТ СРОКА ОКУПАЕМОСТИ И ОЖИДАЕМОГО ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Экономический эффект от внедрения автоматической линии в производство получают за счет снижения себестоимости изделий, повышения их качества, увеличения производительности труда, увеличения выпуска продукции. При этом сокращается или полностью заменяется ручной и тяжелый физический труд, улучшаются санитарно-гигиенические условия на рабочих местах.

Для определения технико-экономических показателей и доказательства необходимости внедрения автоматической линии капитальные вложения по новому и базовому вариантам должны сравниваться в сопоставимых условиях. С этой целью количество оборудования заменяемого производства пересчитывается на тот объем выпуска продукции, который обеспечит автоматическая линия.

При внедрении АЛЛ расчет себестоимости литья может производиться только по изменившимся статьям, например, затратам на основные материалы, формовочную смесь, заработную плату основных и вспомогательных рабочих, амортизацию оборудования, электроэнергию и сжатый воздух, текущий ремонт и содержание оборудования. Остальные статьи себестоимости остаются такими же, как и в базовом варианте и в расчете могут не участвовать.

Критерием экономической эффективности являются минимальные приведенные затраты:

где С_i – текущие затраты (себестоимость изделия) по i-му варианту, руб/т;

Е – нормативный коэффициент сравнительной эффективности капиталовложений (доля возврата ассигнований на основные фонды, фактически этот коэффициент должен соответствовать уровню рентабельности производства), принимаемый равным по станкостроению 0,15; по автотракторостроению 0,20; по народному хозяйству в целом 0,12;

К_i – удельные (отнесенные к единице продукции) капитальные вложения по тому же варианту, руб/т;

К_ом - удельные потери от омертвления капиталовложений, руб/т  = К_ал%_кред/V_год.

Годовой экономический эффект от внедрения автоматической линии в производство определяется по формуле:

Здесь З_ – приведенные затраты производства единицы продукции по базовому варианту, руб/т;

З_i – то же по внедряемому варианту, руб\т;

N_i – годовой объем выпуска продукции, т.

Срок окупаемости линии ( в годах) составит:

где К – капитальные затраты на внедрение предлагаемого варианта или разница капзатрат на два сопоставляемых варианта:

где К_ал – стоимость автоматической линии, включая затраты на строительно-монтажные и пуско-наладочные работы;

Т_с – срок окупаемости АЛ;

% - процентная ставка по возврату кредита.

Как правило, срок окупаемости АЛЛ составляет 2-4 года, рентабельность  15%.

Производительность АЛЛ.

Различают технологическую производительность АЛЛ (П) - количество основных технологических операций, которые автомат (линия) выполняет в единицу времени.

Цикловую производительность (Q) - количество изделий (рабочих циклов), которое машина, линия может обработать, изготовить за единицу времени:

где t_ц – время полного цикла

в качестве единицы времени, как правило, выбирают 1 час.

Технологическая производительность включает в себя только время, необходимое для изготовления изделия (выполнения операции), не учитывая холостой ход:

Таким образом,

где  - коэффициент производительности, характеризующий затраты времени на х.х. или степень непрерывности протекания технологического процесса на АЛЛ, _мах = 1:

если t_х.х.= 0, то П = Q b  = 1.

Простои (t_пр) АЛ могут происходить по:

- технологическим причинам

- техническим причинам

- организационным причинам

- из-за остановок смежного оборудования.

Фактическая производительность;

где N_ф – фактическое количество годных изделий (форм для АФЛ) за период наблюдений (t_н).

Как правило, рассматривают Q_ф за год при этом t_ф – годовой фонд рабочего времени, зависящий от сменности работы оборудования:

- при 1 сменной работе  1900 часов (в год)

- при 2 сменной  3700-3800 часов

- при 3 сменной  5400 часов.

t_н cкладывается из рабочего времени и простоев t_н = t_р +t_пр

Q_ф = R_n Q_ц, где R_n – коэффициент полезного использования АЛ:

Как правило, R_n даже для очень надежных линий, при высокой организации работы линии, все равно не превышает 0,65-0,75.

На стадии проектирования АЛ необходимо также учитывать и ожидаемый (исходя из статистических данных) брак отливок и специфику применяемой технологии. Так, например, количество форм Q_ф, которое должно быть изготовлено на стадии проектирования, считают исходя из годовой программы выпуска отливок с учетом ожидаемого брака отливок и форм:

где (1,04-1,06) – коэффициент брака отливок и форм.

Казалось бы, чем больше в линии автоматов, выполняющих параллельно различные операции, тем выше производительность АЛ. Однако на самом деле каждый новый агрегат снижает надежность линии и увеличивает время различного рода простоев, т.е. существует некоторое оптимальное количество автоматов в составе АЛ и позиций в составе автомата.

Свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, называется надежностью.

Автоматическая линия как ремонтируемая система многократного действия может находиться либо в процессе эксплуатации, либо в планово-предупредительном ремонте. Поэтому различают эксплуатационную и общую надежность.

Эксплуатационная надежность отражает работоспособность линии в период ее эксплуатации и обусловлена безотказностью и долговечностью наиболее часто выходящих из строя элементов, а также ремонтопригодностью с точки зрения устранения случайных отказов.

Общая надежность обусловлена теми же показателями, но охватывает весь срок службы линии, в том числе и периоды планово-предупредительных ремонтов.

Все показатели надежности можно разделить на две категории: частные и обобщенные (комплексные).

Частные показатели надежности включают характеристики безотказности, ремонтопригодности и долговечности.

Безотказность – это свойство элемента или системы сохранять работоспособность в течение некоторого времени без вынужденных перерывов в работе, т.е. без отказов. Наиболее распространенным показателем безотказности является вероятность безотказной работы, т.е. вероятность того, что в заданном интервале времени не возникнет отказа элемента. Функциональная зависимость вероятности безотказной работы от проработанного времени называется функцией надежности Р(t). Она может принимать любые значения между нулем и единицей и для элементов, работающих непрерывно, подчиняется экспоненциальному закону:

где t – время работы или наблюдения;

- среднее время работы элементов (машины) между двумя соседними отказами или наработка на отказ; t₁ – время работы элемента системы от момента его включения до момента первого отказа; t₂ – время работы элемента от первого до второго отказа и т.д.; n - количество отказов элемента за время наблюдения.

Для автоматических систем и линий t_ср подсчитывается как среднее время между двумя соседними отказами системы за исследуемый период.

Ремонтопригодность – это свойство изделий, механизмов, систем, заключающееся в их приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов в результате проведение ремонта и технического обслуживания. Характеристикой ремонтопригодности является среднее время восстановления t_вос, т.е. время, в течение которого обнаруживается и устраняется отказ на линии.

Среднее время устранения отказа на АЛЛ не должно превышать 5 мин, иначе короткая остановка перерастет в длительный простой из-за нарушения технологического процесса (подсыхает формовочная смесь, переохлаждается металл и т.п.). Так, в результате вынужденной остановки линии на 15 минут требуется 1,5-2 часа для ее пуска.

Долговечность – это свойство системы или механизма сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние наступает тогда, когда дальнейшая эксплуатация линии становится невыгодной экономически, даже если она технически пригодна. При этом износ может быть не только физическим, но и моральным (линия устаревает, так как появляются новые, с более совершенными технико-экономическими показателями).

Чтобы быть уверенным в том, что АЛЛ обеспечивает заданную в проекте производительность, необходимо на стадии проектирования хотя бы в первом приближении оценить ее надежность. Это можно сделать, рассчитав по структурным схемам АЛЛ проектный коэффициент надежности готовности.

Отдельные элементы АЛЛ имеют такие коэффициенты надежности готовности, установленные по результатам обработки хронометрических данные:

Формовочные автоматы - 0,96

Распаровщики - 0,99

Сборщики форм - 0,98

Выбивные установки - 0,96

Литейные конвейеры - 0,98

Разрабатывая систему управления линией, по значению функции надежности Р(t), входящих в нее агрегатов, оценивают надежность линии в целом. С точки зрения надежности последовательным называется соединение элементов, в котором отказ одного элемента приводит к отказу всего соединения, а параллельным – в котором схема отказывает лишь при отказе всех входящих в него элементов.

При последовательном и параллельном соединениях элементов надежность схемы рассчитывают соответственно по формулам:

Здесь P_i (t) – надежность i-го элемента схемы; t – время работы системы.

Если схема смешанная, то сначала определяют вероятность безотказной работы параллельных соединений, а затем – последовательных в «приведенной» схеме.

ЛЕКЦИЯ 5

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ МЕТОДОМ ПРЕССОВАНИЯ.

80% отливок сегодня получают в разовые литейные формы, соответственно абсолютное большинство создаваемых и используемых сегодня автоматических литейных линий (АЛЛ) – это линии изготовления отливок в разовые литейные формы (АФЛ). При этом наиболее трудоемкая операция этого техпроцесса – изготовление разовой песчаной формы.

Одними из первых АФЛ были линии изготовления форм из ПГС прессовым, вибропрессовым методом и методом встряхивания с подпрессовкой. Сегодня существует огромное множество АФЛ, отличающихся по методам формообразования, по типу используемых смесей, по компоновочным схемам, виду используемых межоперационных (транспортных) связей, формовочных автоматов и т.д.

Классификация АФЛ по признакам поточности, по степени автоматизации, структурным признакам, характеру работы, принципу агрегатирования (виду автоматов встроенных в линию) соответствует общей классификации АЛЛ.

Поэтому подробнее остановимся на классификационных признаках деления присущих именно АФЛ:

- по способу формообразования (с учетом наиболее часто используемых сегодня АФЛ):

 Прессованием (чистым прессованием, последовательным прессованием, вибропрессовым методом);

 Встряхиванием (встряхивание с подпрессовкой);

 Пескодувно (пескострельно) - прессовым методом;

 Воздушно - прессовым методом (сейатсу-процесс);

 Вакуумно-пленочным методом;

 Импульсным методом (воздушно-импульсным, формовка взрывом, высокоскоростным прессованием);

 Замораживанием;

 Пескометным способом;

 Гравитационным способом (насыпная, наливная формовка);

 Магнитная формовка;

 Линии литья по выплавляемым моделям;

 Линии литья по выжигаемым моделям.

Последние три типа АФЛ могут быть отнесены еще и к так называемым АЛ специальных методов литья.

- по типу формы: опочные АФЛ и безопочные АФЛ;

- по виду формовочной смеси:

 с песчано-глинистыми смесями

 с холодно-твердеющими смесями

 без связующего.

Традиционная АФЛ включает в свой состав следующие основные агрегаты (блоки):

- формовочный автомат (или несколько автоматов);

- распаровщик опок;

- сборщик форм;

- простановщик стержней;

- кантователи и/ или установщики форм;

- заливочное устройство;

- устройство выбивки форм;

- грузоукладчик;

- АСУ автоматической линией.

На формовочных автоматах, как правило, выполняются следующие операции:

- замена модельной оснастки;

- обдув и опрыскивание модельного комплекта;

- установка опоки;

- установка наполнительной рамки;

- подача смеси в дозатор;

- дозирование порции смеси;

- предварительное уплотнение смеси;

- окончательное уплотнение;

- срезка излишков смеси;

- образование заливной воронки;

- накол каналов для выхода газов;

- извлечение моделей;

- удаление полуформы.

Формовочные автоматы принято классифицировать:

- по способу уплотнения (прессование, встряхивание, импульс);

- по типу автомата (проходной, челночный, карусельный);

- по числу позиций (1, 2 или многопозиционный);

- по способу дозировки (шиберные дозаторы, коробчатые, секторные, с жалюзийным затвором и др.);

- по способу протяжки модели (штифтовый, рамочный, с поворотом на 180⁰).

АФЛ изготовления форм прессованием.

Уплотнение литейных форм прессованием – старейший и наиболее известный способ изготовления литейных песчано-глинистых форм.

Основные его преимущества:

 бесшумность и простота процесса;

 возможность создания давления прессования любой величины;

 относительно низкая энергоемкость.

Однако этот способ имеет существенный недостаток – значительную неравномерность распределения плотности смеси по высоте опоки и в околомодельном пространстве, переуплотнение смеси над моделью особенно, если модель имеет большую верхнюю плоскость, недоуплотнние смеси в узких карманах, в силу чего он пригоден только для изготовления форм с невысокими моделями.

Сегодня прессование используется не как самостоятельный способ, а в комбинации с другими, например, встряхиванием, пескострельным процессом, вибрацией и др. Прессование несет основную силовую нагрузку; другие же процессы играют, хотя и вспомогательную, но чрезвычайно важную роль, так как они создают предварительную плотность смеси в околомодельной зоне оснастки и, тем самым, обеспечивают технологически необходимую равномерность уплотнения по всей высоте полуформы.

Методы прессования классифицируются по следующим признакам:

 по направлению движения смеси при уплотнении относительно опоки: верхнее, нижнее и двустороннее прессование;

 по способу профилирования без и с предварительным профилированием смеси: по ладу и контрладу;

 по принципу действия или типу прессовой головки: прессование жесткой плоской плитой, профильной плитой, эластичным элементом, многоплунжерной колодкой, прессование решетчатым элементом, роторной головкой, лопастным рабочим органом и др.;

 по давлению прессования: низкое (0,3-0,7 МПа), среднее (0,7-2,0 МПа), высокое (2,0 МПа и выше).

Первые прессовые АФЛ в СССР были созданы в конце 60-х начале 70-х годов ХХ века ВНИИЛитмашем.

Одними из первых отечественных АЛЛ, внедренных в производство, были линии с карусельным четырех- и шестипозиционными прессовыми формовочными автоматами. Линии имели горизонтально замкнутые непрерывно движущиеся или пульсирующие литейные конвейеры. Применялись опоки с размерами от 420х300х70 до 900х720х250 мм. Формы уплотняли прессованием под высоким удельным давлением ( 2 МПа).

Применение таких линий, даже при всем их несовершенстве (сложность конструкций механизмов, малая надежность, отсутствие накопителей, дублирующих структурных элементов и др.), способствовало сокращению количества занятых рабочих, значительному улучшению условий труда и повышению производительности.

На рис. 5.1. показана АЛЛ модели 22821 для мелкосерийного и серийного производства отливок из чугуна и стали – одна из первых в СССР серийных автоматических формовочных линий. Линия может иметь два или три формовочных блока (8) и различные варианты компоновки оборудования (в зависимости от условий и требований производства).

Формовочный блок представляет собой четырехпозиционный автомат карусельного типа: позиция I – замена, обдувка и опрыскивание модели; II – кантование опоки, засыпка и предварительное прессование смеси; III – встряхивание и допрессовка смеси; IV – протяжка модели и кантование полуформ.

Состав АЛЛ:

1 – литейный конвейер; 2 – установка выбивки форм и перестановки опок;

3 – приводной рольганг-накопитель пустых опок; 5 – наклонный рольганг; 7 – устройство очистки платформ (тележек) конвейера; 6 – распаровщик опок; 10 – сборщик форм; 4 – толкатель, 9 – участок простановки стержней, 13 – охладительная ветвь литейного конвейера; 8 – формовочный блок (карусель); 11 – механизм передачи форм на литейный конвейер; 12 – нагружатель литейных форм (следящий конвейер на участке заливки форм).

Производительность одного формовочного блока 120 форм/ч. Металлоемкость формы 20-30 кг при размерах опок 500х400х150/150 мм. Наличие нескольких формовочных блоков на одном литейном конвейере обеспечивает высокую технологическую гибкость АЛЛ. Следует отметить, что многопозиционные карусельные автоматы не нашли широкого применения из-за громоздкости и низкой надежности и сейчас применяются редко.

ВНИИЛитмаш и его Харьковский филиал в середине 70-х разработали АЛЛ модели 3Л22914 на базе трехпозиционных формовочных автоматов с челночным перемещением опок для производства мелких и средних чугунных отливок в условиях крупносерийного и массового производства (рис. 5.2). Формообразование осуществляется методом встряхивания с прессованием либо последовательным прессованием.

Линия представляет собой горизонтально замкнутый тележечный конвейер пульсирующего типа, внутри которого размещены два формовочных блока для отдельного изготовления нижних и верхних полуформ. В трехпозиционных формовочных автоматах (12, 13) на центральной позиции устанавливают опоки на модельную плиту, дозируют и засыпают смесь, а также протягивают модель после формовки. На крайних позициях, оснащенных пневматическими механизмами безударного встряхивания и прессовыми гидроцилиндрами, производится уплотнение смеси в опоке.

После изготовления нижние полуформы кантуются, с них срезают излишки смеси и затем механизмом (5) ставят на участок (6) литейного конвейера, который служит для простановки стержней. Изготовление верхних полуформ отличается от изготовления нижних тем, что при формовке в них сверлится литниковая воронка, а напуск смеси не срезается.

После сборки (п.7) формы нагружаются с помощью поперечного грузоукладчика (9) и поступают на заливку (10). Залитые и охлажденные в охладителе (11) формы идут на позицию выдавливания кома 2, откуда ком смеси с отливкой толкателем подается на транспортер дополнительного охлаждения (1), а затем на выбивную решетку (18). Освобожденные опоки очищаются (17) и передаются на распаровку (15), а затем – к формовочным автоматам.

Производительность линии 120 форм/ч при опоках размерами 900х700х350/350 мм.