Енергийна ефективност на пресови машини

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2014

Постигането на по-висока ефективност при обработването на металите чрез пластична деформация води до намаляване на производствените разходи, икономия на ресурси и повишена конкурентоспособност.

Основните методи в тази посока обикновено се свързват с подобряване на експлоатационните качества и разширение на технологичните възможности на обработващите машини, увеличаване на мощностите и устойчивостта им за получаване на изделия с висока точност, подобряване на задвижващите технологии, използване на съвременни системи за симулации и управление на процесите, възможности за бърза смяна на инструментите и др.

Като цяло развитието на пресовото машиностроене е насочено към създаването на по-икономични и производителни машини с по-добри индивидуални показатели, позволяващи да се механизират и автоматизират процесите при производство. Производителите се стремят и към повишаване на качеството на използваните елементи в конструкцията на машините, намаляване на теглото и габаритите им, подобряване на условията на труд и техниката на безопасност, съкращаване на срока и подобряване на технологиите за ремонт на оборудването.

Оптимално проектиране на задвижващата технология
Приложението на подходяща за конкретното приложение задвижваща технология създава огромен потенциал за постигане на енергийна ефективност при обработката на металите. Сред основните изисквания, на които трябва да отговарят съвременните технологии за задвижване, са максимална производителност при зададена точност на движенията; лесна и удобна работа с машината; ниска цена и малки експлоатационни разходи; рационална конструкция.

В отговор на тези предизвикателства производителите все по-често залагат на регулируемите електрозадвижвания за пресови машини, които са в състояние да обезпечават различни технологични скорости в зависимост от свойствата на метала, конфигурацията на изделието, температурата на заготовката, използването на маховик и др.

Освен това, ако машината е в състава на автоматична технологична линия, е необходимо да се извършва съгласуване на цикъла й на работа с останалите машини, което може да бъде постигнато чрез изменение на честотата на въртене на главното задвижване. Употребата на задвижвания с регулируема скорост предлага значителни възможности за енергоспестяване; удължен живот на механичното оборудване; намаляване на пусковия ток; по-висок пусков момент; възможност за регулиране скоростта на двигателя под и над синхронната стойност.

Честотният преобразувател променя не само честотата, но и приложеното към мотора напрежение. Чрез това се осигурява необходимият момент на вала на двигателя, без да се стига до прегряване. Изходната честота не зависи от честотата на мрежата и може да бъде както по-голяма, така и по-малка от нея. Честотата и напрежението не са ограничени и асинхронният мотор може да се пуска и ускорява от неподвижно състояние.

Регенерация на кинетичната енергия
Както е известно, при работа всички задвижвания генерират кинетична енергия. С цел повишаване на ефективността на пресите напоследък някои производители внедряват системи за регенерация на кинетичната енергия (KERS - Kinetic Energy Recovery Systems), които дават възможност за съхраняване на енергията при спиране на двигателя и нейното отдаване в мрежата. В този случай двигателят работи в генераторен режим.

Мощността, която се генерира от машината, се връща в захранващата мрежа с помощта на управляем изправител от тиристорен или транзисторен тип, най-често изпълнен по мостова схема. За да се осъществи връщането на енергията в мрежата, е необходимо в генераторен режим едновременно да работят две устройства – управляемият изправител в инверторен режим и ограничителен реактор за връщания в мрежата ток. Регенеративният метод се реализира или с отделен модул за връщане на енергия, или входният модул на преобразувателя на честота съвместява двете функции.

Възможности за икономии при пневматични и хидравлични задвижващи системи
Подобряването на работата на пневматичните системи предлага възможности за спестяване на значителни производствени разходи. Сред най-значимите източници на енергийни загуби в промишлените пневматични системи са утечките. Нередовната и некачествена поддръжка на тръбните съединения, фитингите и крайното оборудване водят до загуби от порядъка на 20 - 30%. Чрез прилагането на мерки за откриване и отстраняване на утечките загубите могат да се сведат до под 10% от производителността на компресорната система.

Обикновено направените за целта разходи се компенсират за по-малко от 6 месеца.
Възникването на нежелани течове в хидравличните системи и ненавременното им отстраняване също води до значителни загуби, свързани с повишено потребление на енергия, влошаване на производствените характеристики на оборудването, намаляване на надеждността, увеличаване на разходите за течност и т. н.

Течовете могат да доведат и до преждевременна повреда на машинните елементи поради замърсяване на хидравличните течности с прах и други замърсители, навлезли през мястото на теча. Навлизането на замърсители в хидравличната система може да окаже и пряко въздействие върху качеството на произвежданата продукция и да доведе до увеличаване на брака.

Прегряването е вторият най-често срещан проблем при хидравличното оборудване. По време на работа на системата между работната течност и компонентите на хидравличното задвижване възникват сили на триене, което води до повишаване на температурата на течността. С повишаване на температурата намалява вискозитетът на течността, което води и до увеличаване на загубите.

Също така при нагряване на работната течност до висока температура се нарушават условията на смазване на работните повърхности, което може да доведе до силно износване на части от системата. За преодоляване на проблемите с повишаването на температурата в хидравличните системи се използват различни метода. Някои от тях са свързани с намаляване на топлинния товар, а други - с увеличаване на количеството отвеждана топлина.

ЦПУ системите повишават ефективността на пресовите технологии
Съвременните цифрово-програмни управления (ЦПУ) предлагат разширени възможности за повишаване на производителността на пресовите машини и качеството на готовите изделия. С тяхна помощ се настройват всички важни работни параметри на пресите като усилие, ход, скорост, позициониране, управление по няколко оси и др. Също така ЦПУ предлагат визуализация на процесите, измерване и контрол на заготовките и готовия детайл, компенсиране износването на инструментите и отклонението в допуските на материала.

Съвременните ЦПУ извършват автодиагностика на всички системи и устройства в машината. При констатация на програмна грешка по време на симулацията на процеса на обработка се изписва съобщение, на чиято база се отстранява възникналият проблем, като се използват и обясненията за получената аларма от списъка с аларми към техническата документация на всяка машина с ЦПУ.

При изработката на детайла вследствие на констатирана повреда или поради излизане извън зададените граници на параметрите на машината също възникват сигнали за грешки. Съществува и активно следене на цяла група параметри, свързани с геометрията на самата машина, и при излизане от фабрично зададените им граници веднага се алармира операторът за възникналия проблем чрез съобщение на екрана.

По този начин превантивно се избягват, предотвратяват или в най-лошия случай се намаляват значително пораженията вследствие на човешка грешка, като същевременно се предоставят решения на възникналите проблеми чрез локализацията и конкретизирането им.
Освен да сигнализират при възникване на проблем, съвременните ЦПУ постоянно следят и състоянието на всички системи на машината.

Следи се нивото на маслото, служещо за смазване и охлаждане, неговата температура, чистотата на подавания компресиран въздух и неговото налягане. По отношение на профилактиките модерните ЦПУ следят работните часове на машината и чрез текстово съобщение алармират оператора за нуждата от планова профилактика. Основно се следи за смени на маслата и филтрите на машината, както и за проверка на точността и геометрията на машината.

Чрез управление на допълнителни устройства с обратна връзка е възможно да се оптимизират в максимална степен междуоперационните времена и най-вече времето за настройка и програмиране на пресите. Информацията от тези устройства постъпва към ЦПУ, което я записва автоматично и я залага към параметри в желаните от оператора програми.

По този начин процесът се автоматизира и улеснява значително. Управляеми устройства от подобен тип са например измервателните накрайници, свързани с ЦПУ на машината, които служат за замерване на бази на заготовки или приспособления за фиксиране на детайлите към машината. В зависимост от класа на машината това устройство може да се използва и за реални измервания на обработени повърхнини на детайли, без да се мести обработваният детайл.

То директно прехвърля измерената информация в ЦПУ, което, от своя страна, може директно да запише резултатите като корекция на обработващите инструменти, така че да се постигне желаната точност на изработка на дадената повърхнина. За улеснение на измерването в машините има заложени специални измервателни цикли за най-често срещаните ситуации, които автоматично правят замерването. При някои съвременни ЦПУ отпада необходимостта от измерване на положението на фиксиращите приспособления на заготовките, защото самият софтуер завърта автоматично работната координатна система спрямо измерената заготовка.

Модерните ЦПУ притежават и функционални възможности за връзка в Ethernet мрежа чрез сериен порт или USB. Посредством използване на постпроцесори могат да се генерират сложни програми, без да се използва стандартният софтуер на ЦПУ. Дори не е нужно да се създава стандартен чертеж на детайлите.

Просто се използва 3D обектът на детайла, като се посочва начинът на обработка заедно с всички инструменти и съответните им режими, и на тази база се генерира NC програма чрез съответния постпроцесор, която машината може да прочете. Така за оператора остава само да дефинира положението на заготовката спрямо машината и да постави нужните инструменти.

Развитието на цифрово-програмните управления е в тясна връзка с напредъка в софтуерните системи за моделиране и симулация на процесите, а тяхната симбиоза спомага за пълноценната оптимизация на процесите на пластична деформация.

Моделиране и симулация на процесите
Моделирането и симулирането на процесите на пластична деформация предлага възможност за съкращаване на времето за проектиране и обработка, съкращаване на разходите и намаляване на брака. Необходимото време и разходи по проектирането на даден технологичен процес за ново изделие драстично се намаляват когато се елиминират различните реални технологични опити и се заменят с виртуални опити от вида “проба – грешка”.

Този тип виртуални експерименти позволяват предварителната корекция на нежелани грешки при обработката. Така например в случаите на горещо щамповане моделирането позволява много бързо да се придобие представа за изтичането на материала в различни варианти на един процес. Това е възможно поради гъвкавостта на метода и възможността за лесна и бърза промяна на геометрията на изследвания инструмент.

Използването на симулиране позволява получаването на коректни данни по отношение на: установяване начина на течене на щампования материал и определяне на окончателните размери на инструментите; откриване на дефекти, причинени от начина на изтичане на метала в щампата; проверка на запълването на кухината на инструментите; определяне на състоянието топлообмен и контактното триене в щампата; определяне на разпределението на напреженията, деформациите и температурата на изковката и щампата.

Правилното интерпретиране на тези данни, в комбинация с подходящи корекции на параметрите на процеса на деформиране и геометрията на инструментите и заготовките, води до намаляване на броя на неуспешните резултати; намаляване на времето за проектиране; увеличаване на трайността на инструментите; подобряване на качеството на изковките.

Софтуерните пакети, предназначени за симулиране на технологичните процеси, дават възможност да се предвидят и еластичните деформации, възникващи в инструментите. Това е особено полезно при разработване на процеси на точно щамповане. Подобни симулации позволяват да се получи информация за реалните, а не за номиналните размери на изковките след изваждането им от инструмента и след тяхното изстиване. С това се осигурява възможност за корекции в размерите или конструкцията на щампите още в процеса на проектиране.

Висококачествени машинни елементи
Освен повишаване устойчивостта на машините за получаване на изделия с висока точност, производителите се стремят и към повишаване качеството на използваните елементи в конструкцията на машините, което значително повишава тяхната ефективност. Вграждането на висококачествени машинни елементи като лагери, сачмено-винтови двойки, редуктори, сервозадвижвания и други компоненти, свежда до минимум разходите за престой, поддръжка и сервизно обслужване, и осигурява дълъг експлоатационен срок.

Разработка на нови материали
Сред фокусните точки в усилията за оптимизация на процесите е разработката на нови, по-леки и по-лесни за обработка материали. Металите, които представляват интерес за обработването чрез пластична деформация, са стомани (в това число HSS и AHSS), алуминиеви сплави, магнезиеви сплави и титанови сплави. Изследват се възможностите за замяна на стоманата с алуминиево-магнезиеви сплави и композитни материали. От една страна, това е повлияно от увеличението на цените на суровините, а от друга - от екологичното законодателство.

Така например високите изисквания към рециклирането и оползотворяването на излезлите от употреба превозни средства направиха тези аспекти много важни за автомобилната индустрия. Специалисти изчисляват, че алуминият, за разлика от стоманата, може да осигури до 6-8% икономия на гориво за всяко намаление на теглото на автомобила с 10%, като освен това предлага почти пълно последващо оползотворяване.

Поради тези причини материалите играят важна роля в процеса на постигане на енергийна ефективност. Разбира се, приложимостта им зависи от възможностите да се използват процеси на пластична деформация върху тях, както и от конкретното приложение.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top