Математичні підходи при дослідженні енергоефективності промислового обладнання

УДК 62-1/-9:62-822

О.П. Космач,к.т.н., ст. викл.

А.В. Білоус, студ.

Чернігівський національний технологічний університет

 

математичні підходи при дослідженні енергоефективності промислового обладнання

В умовах промислового виробництва все гостріше постає проблема ефективного використання різних видів енергії та енергоносіїв. Це обумовлено тим, що в більшості розвинених країн світу промисловий сектор потребує використання значної кількості енергії. Наприклад, в Германії галузь промисловість витрачає 28% від загальних витрат енергії країни [1]. Використання електричних стандартів та вимог до способів і засобів перевезення виготовленої продукції посприяло достатньо низькому коливанню енергетичних витрат виробництва, які на сьогодні коливаються в межах 1…2 порядків. При цьому споживана ефективна потужність обладнання більшості розвинених підприємств складає в межах 5…50 кВт [2]. Слід відмітити, що поряд з цим потоки різних видів матеріалів можуть коливатися в межах 10 порядків. В зв’язку з цим, важливою складовою сучасних технологій є не тільки мінімізація часових витрат на виготовлення продукції, але й мінімізація енергетичних витрат, а також їх загальна енергоефективність. Наприклад для верстатів, які мають загальну потужність декілька тисяч кВт, загальна ефективність може складати менше 0,2, що, безумовно, буде відображатися на продуктивності та собівартості виготовленої продукції [3].

В зв’язку з цим математичний опис процесів енергетичних витрат на кожному етапі виробництва є водночас актуальною та складною задачею. Тому більшість існуючих моделей енергетичних витрат можна розділити на декілька ієрархічних рівнів найнижчими з яких будуть мікропоказники окремих процесів, які пов’язані з виготовленням готової продукції. На найвищому рівні розглядаються макропоказники енергоефективності самого виробництва, а на більш нижчих рівнях аналізуються окремі складові виробничого процесу, наприклад, виробниче обладнання. Так в [4] для опису енергетичних витрат, які пов’язані з виготовлення продукції в кількості N на пресовому обладнанні використовується вираз виду

                                                ,

де        – енергетичні витрати, які пов’язані з формоутворенням поверхонь;

             – енергетичні витрати, які пов’язані з ремонтними та відновлювальними роботами інструменту та рухомих з’єднань;

            , і – відповідно, кількість деталей які одночасно виготовляються та загальна кількість переходів.

Альтернативним варіантом зменшення енергетичних витрат при виробництві продукції в даному випадку буде використання лазерних технологій, що не потребує додаткових енергетичних витрат на відновлення обладнання.

Загальний макропоказник ефективності будь-якого виробничого обладнання описується виразом виду

                                                      ,

де  – витрати потужності в часі, які пов’язані безпосередньо з процесам формоутворення поверхонь;

 – витрати потужності в часі, які враховують загальну споживну потужність обладнання.

В свою чергу енергетичні витрати, які пов’язані з процесом різання згідно [3] описуються виразом виду

,

де         –потужність на шпинделі, кВт;

Z – швидкість відділення матеріалу від заготовки, см³/хв;

 – ефективність обладнання, яка залежить від методу обробки.

З точки зору мінімізації енергетичних витрат, особливу увагу слід приділяти аналізу складової рівняння , яка враховує вагому частку втрат енергії через тертя, механічне зношування, пружні коливання, акустичне та теплове випромінювання тощо.

При дослідженні процесів енергоефективності можуть використовуватися і макропоказники процесів, які враховують лише корисну складову при витратах енергії. Так, наприклад, в [4] при дослідженнях найпоширеніших методів обробки матеріалів використовується не принцип енергетичних витрат, а концепція ексергії, яка враховує потенціал матеріалів для здійснення корисної роботи в одиницях Дж. Аналіз ексергії складається з двох етапів: 1 – визначення меж системи; 2 – визначення вхідних  та вихідних  показників ексергії. Втрати ексергії  визначають як різниця цих значень згідно виразу виду .

При дослідженні мікропоказників енергоефективності обладнання максимально враховуються окремі стадії їх роботи, які характеризують процеси енергетичних витрат. Наприклад, роботі шпиндельного вузла виділяють декілька стадій енергетичних витрат: 1 – вмикання та пов’язані з цим перехідні процеси; 2 – вихід на стаціонарний режим змащування опор; 4 – встановлення заготовки; 5 – процес обробки, який залежить від визначеного методу формування поверхонь; 6 – зміна умов змащування та зменшення швидкості обертання; 7 – зняття заготовки;   8 – вимикання шпинделя.

Результати багатьох досліджень показують, що підготовчі та заключні етапи роботи шпиндельного вузла складають більшу частину енергетичних витрат в умовах обробки, а  процесу різання відповідає  5…20 % загальних енергетичних витрат. Слід відмітити, що мінімізація енергетичних витрат на процес різання є окремим напрямком наукових досліджень. Наприклад, підбір матеріалу різальної частини дозволяє скоротити енергетичні витрати на обробку пазу різанням полікарбонату в межах 1 % від загальних енергетичних витрат [5].

Список посилань

1. Hesselbach, J. Energy Efficiency through optimized coordination of production and technical building services / J. Hesselbach and other // In: Conference  Proceedings LCE2008 - 15th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, 17-19 March 2008, The University of New South Wales, Sydney, Australia, 2008, ISBN 1-877040-67-3, S. 624–628.
2. Gutowski, T. Electrical Energy Requirements for Manufacturing Processes / T. Gutowski, J. Dahmus, A. Thiriez // 13th CIRP International Conference of Life Cycle Engineering, Lueven, May 31st – June 2nd, 2006 – pp. 1–5.
3. Draganescu, F.  Models of machine tool efficiency and specific consumed energy / F. Draganescu, M. Gheorghe, C.V. Doicin // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol.141. – pp. 9–15.
4. Dietmair, A. Energy consumption forecasting and optimisation for tool machines / A. Dietmair, A. Verl // Energy Consumption Forecasting and Optimisation for Tool Machines. – 2009. – pp. 62 – 67.
5. Diaz, N. Energy Consumption Characterization and Reduction Strategies  for Milling Machine Tool Use / N. Diaz, E. Redelsheimer, D.Dornfeld // Sustainability in Manufacturing - Energy Efficiency in Machine Tools. – 2011. – pp. 263–267.