773

П.В.Привалов

неограниченные); приоритетности обслуживания (с приоритетом и без него); величине входящего потока требований (с ограниченным и неограниченным потоком); структуре системы (замкнутые и открытые); взаимосвязи обслуживающих аппаратов (с взаимопомощью и без нее).

Применительно к технической эксплуатации автомобилей наибольшее распространение находят замкнутые и открытые, одно- и многоканальные СМО, с однотипными или специализированными обслуживающими аппаратами, с одноили многофазовым обслуживанием, без потерь или с ограничением на длину очереди и временем нахождения в ней.

Показателями эффективности функционирования системы массового обслуживания являются:

1)интенсивность обслуживания машин (объектов): = 1/Тв, где Тв — продолжительность обслуживания одного требования;

2)приведенная плотность потока требований на обслуживание машин:

= / , где — параметр потока требований;

3)абсолютнаяпропускнаяспособностьА— количество требованийв единицу времени: А = g, где g — относительная пропускная способность;

4)относительная пропускная способность — доля обслуженных требований от общего их количества;

5)вероятность свободных постов обслуживания Р0, когда все объекты исправны;

6)вероятность отказа в обслуживании Ротк, если имеются потери и ограничения по длине очереди или времени нахождения в ней;

7)вероятность образования очереди П с числом ожидающих требований Wo;

8)среднее время нахождения в очереди объектов: tож =Wo/ ;

9)число требований, связанных с системой, K = Wo + nзан, где nзан — число занятых обслуживающих аппаратов (каналов);

10)время связи требования с СМО: с потерями — tсист = gtg и без потерь —

tсист = tg + tож;

11) издержки от функционированиясистемы:И=С1Wо+C2nсв + (С1 +С2) min, где С1 и C2 — соответственно стоимости простоя машины в очереди и обслуживающего канала, р./ч; Wо — средняя длина очереди (число машин); nсв — число простаивающих каналов обслуживания.

Зависимости для определения указанных параметров функционирования СМО определяются ее структурой. Для СМО с потерями (Wo = 1) эти зависимости приведены в таблице, а для других типов систем — в рассмотренных далее примерах.

Задача оптимизации — распределить число каналов обслуживания (постов, рабочих мест, исполнителей) по различным подсистемам, чтобы И = min. При дискретном изменении параметров (числа каналов n обслуживания) используются методы исследования операций, теории массового обслуживания, линейного и динамического программирования, имитационного моделирования и метод Монте-Карло [1–3].

181

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

Показатели эффективности систем массового обслуживания с потерями (Wo = 1)

* бр —интенсивностьтехническихвоздействиймастеров—наладчиков(каналовобслуживания).

Пример 1. СТО имеет один пост ТО (n = 1) с ограничением длины очереди двумя автомобилями (Wo = m = 2). Определить параметры эффективности работы поста при интенсивности потока требований на обслуживание в среднем= 2 треб./ч и продолжительности технического обслуживания Тв = 0,4 ч .

Решение. При таком условии задачи:

—интенсивность обслуживания

= 1/Тв = 1/0,4 = 2,5 ч–1;

—приведенная плотность потока = / = 2/2,5 = 0,8;

—вероятность наличия свободного поста

—вероятность образования очереди машин на ТО

П= Р2Р0 = 0,82•0,34 = 0,217 ;

—вероятность отказа в обслуживании

— относительная пропускная способность СТО

g = 1 – Ротк = 1 – 0,173 = 0,827;

—абсолютная пропускная способность СТО

А= g = 2•0,827 = 1,654;

—среднее число занятых постов ТО

— среднее время нахождения машины в очереди на ТО

tож = Wo/ = 0,564/2 = 0,282;

— издержки на содержание системы (служб) ТО

И = С1Wо + C2nсв + (С1 + C2) .

Потери от простоя машин С1 несет не СТО, а ее владелец, поэтому эти издержки не учитываются в данном случае. Если принять издержки от простоя работников ТО равными С2 = 50 р./ч, тогда

И = С2nсв + С2nзан = 50•0,34 + 50•0,66 = 50 р./ч; nсв = Р0 = 0,34; nзан = 0,66.

182

П.В.Привалов

Пример 2. На АТП имеется один пост ТО (n = 1) и длина очереди не ограничена. Определить параметры эффективности работы поста ТО с использованием остальных исходных данных из примера 1.

Решение. Интенсивность ТО и приведенная плотность потока требований на ТО будут те же: = 1/tg= 1/0,4 = 2,5 ч–1; = / = 2/2,5 = 0,8 (загрузка поста);

— вероятность наличия свободного поста ТО

P0 = 1 – = 1 – 0,8 = 0,2;

—вероятность образования очереди на ТО

П= 2•Р0 = 0,82•0,2 = 0,128;

—относительная пропускная способность СТО:g = 1, так как все автомобили пройдут через пост ТО;

—абсолютная пропускная способность СТО

А= = 2 треб./ч;

—среднее число занятых постов ТО

nзан = = 0,8;

— среднее число автомобилей в очереди на обслуживание

— средняя продолжительность нахождения автомобиля в очереди на ТО

— издержки на содержание системы ТО

И= С1Wо + C2nсв + (С1 + С2) = 200•4 + 50•0,2 + (200 + 50)•0,8 = 1010 р./ч.

Пример 3. На АТП имеется два поста ТО (n = 2) — многоканальная система.

Определить параметры работы системы ТО с применением остальных исходных данных из предыдущих примеров.

Решение. Интенсивность ТО и приведенная плотность потока требований на ТО будут те же: = 2,5; = 0,8;

— вероятность того, что оба поста ТО свободны

— вероятность образования очереди на ТО

—относительная пропускная способность СТО g = 1, так как все автомобили пройдут через пост ТО;

—абсолютная пропускная способность СТО

A = = 2 треб./ч;

— среднее число занятых постов ТО

nзан = = 0,8;

— среднее число автомобилей в очереди на обслуживание

183

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

— средняя продолжительность нахождения автомобиля в очереди на ТО

—издержки на содержание системы ТО

И= С1Wo + С2nсв + (С1 + С2) = 200∙0,063 + 50∙1,2 + (200 + 50)∙0,8 = 272,6 р./ч.

Выводы

1.Показатели эффективности функционирования системы массового обслуживания (технических средств ТО) автомобилей в значительной степени зависят от ее структуры.

2.В системе массового обслуживания (СМО) с ограничением по длине очереди только 82,7 % автомобилей пройдут ТО, а 17,3 % автомобилей покинут СМО необслуженными.

3.При переходе от одноканальной системы к многоканальной средняя длина очереди уменьшается более чем в 10 раз.

4.Издержки на содержание двухпостовой СМО в сравнении с однопостовой меньше в 1,3 раза, но при этом потребуются дополнительные капвложения на строительство и оборудование для оснащения одного поста ТО.

Литература

1.Вентцель Е.С., Овчаров В.А. Теория вероятности и ее инженерные приложения: Учеб. пособие для втузов. 2-е изд. М.: Высш. шк., 2000. 288 с.

2.Овчаров В.А.Прикладныезадачи теориимассовогообслуживания.М.:Машиностроение, 1969. 324 с.

3.Кокс Д.Р.,Смит В.В.Теория очередей/ Пер.с англ. под ред.А.Д. Соловьева.М.: Мир, 1966. 264 с.

184

Н.М.Чернов,К.А.Медведев

Чернов Николай Меркурьевич — доктор технических наук,

профессоркафедры«Технологиятранспортногомашиностроенияи эксплуатациямашин»Сибирскогогосударственногоуниверситета путейсообщения.В1966г.окончилКрасноярскийинститутцветных металловим.М.И.Калинина.С1960по2001г.работалнаКрасноярскоммашиностроительномзаводе,металлургическомзаводе«Сиб- электросталь»,горно-химическомкомбинате,НАПОим.В.П.Чкало- ва.С2001г.работаетвСГУПСе.Имеет88печатныхработ,втомчисле 15авторскихсвидетельствипатентов,являетсяавтором1монографии.

Медведев Константин Александрович родился в 1980 г. В 2003г.окончилСибирскийгосударственныйуниверситетпутейсообщения. В 2006 г. защитилдиссертационную работу на соискание ученойстепеникандидататехническойнаук.Внастоящеевремя— доценткафедры«Технологиятранспортногомашиностроенияиэксплуатациямашин»,имеет20печатныхработ.

УДК 621.74.045

Н.М. ЧЕРНОВ, К.А. МЕДВЕДЕВ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И РЕГЛАМЕНТА ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ (ЛВМКД)

В статье представлены результаты экспериментальных исследований режимов технологического процесса ЛВМКД коррозионно-стойких сталей, разработанная методика проектирования технологического процесса и технологический регламент изготовления ЛВМКД отливок из коррози- онно-стойкихсталей.

Коррозионно-стойкие стали 08Х18Н10Т, 0Х18Н10Б применяют в производстве деталей энергомашиностроения и других отраслях промышленности.

Изделия энергомашиностроения имеют сложную конфигурацию в виде цилиндров, колец, патрубков с внутренними перегородками или ребрами и содержат плоские протяженные поверхности с тонкими стенками. Их изготавливают из проката или поковок механической обработкой с последующей сваркой. В результате многостадийного процесса изготовления деталей или узлов велики безвозвратные потери высоколегированной стали при производстве слитков, поковок, листового или сортового проката, рубке заготовок из листа и механической обработке на стружку. Производство характеризуется высокой трудоемкостью изготовления и контроля полуфабрикатов и изделий.

В процессе изготовления изделия подвергаются многократному нагреву и деформациям, в результате сталь теряет пластичность, снижается уровень усталостнойи коррозионной долговечности. Ихмасса завышена из-затребований

185

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

упрощения конструкции детали и потерь потенциала механических и коррозионных свойств в процессе многократных технологических переделов.

Поэтому в производстве изделий энергомашиностроения, ккоторым предъявляются высокие требования по плотности, коррозионной стойкости и к уровню механических свойств, перспективно применение технологиилитья по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД).

Сущность процесса ЛВМКД состоит в том, что металл из плавильной печи переливают в металлоприемник, а затем под давлением заполняют керамическую форму (КФ), которое сохраняют до конца затвердевания отливки [1].

Для обоснованного принятия решения о переводе штампосварных узлов на литье провели опытные работы по изготовлению типовой детали «корпус» методом ЛВМКД.

Корпус из стали 08Х18Н10Т изготавливают из двух поковок, соединенных между собой сваркой. Далее после механической обработки внутрь большего цилиндра вваривают 4ребра толщиной 5мм, которые изготавливают посредством механической обработки из листового проката. Опытную партию корпусов заливали сталями 12Х18Н9ТЛ и 10Х18Н11БЛ с химическим составом по ГОСТ 977–88 без механической обработки внутренней поверхности и с минимальными припусками с внешней стороны, равными 2,5 мм.

Припроведенииопытных работсовершенствовалитехнологические процессы плавки сталей 12Х18Н9ТЛ и 10Х18Н11БЛ и изготовления КФ.

Методом компьютерного моделирования с использованием программного продукта НПО МКМ «LVMFlow» исследовали температурные поля в металлоприемнике и отливке.

Химический состав сталей определяли в процессе плавки и окончательно на квантометре ДФС-36 и экспресс-анализаторе углерода АН 7028. Механические свойства — по литым заготовкам образцов, прилитых к детали размерами11 мм и длиной 55 мм для испытаний на растяжение и сечением 11 11 мм длиной 55 мм для испытаний на ударную вязкость по ГОСТ 977–88.

Внутренние дефекты отслеживали до и после механической обработки радиографическим методом, поверхностные — методом люминесцентного контроля (люмконтроля).

Плотность стали 12Х18Н9ТЛ и 10Х18Н11БЛ определяли гидростатическим взвешиванием образцов, изготовленных ЛВМ и ЛВМКД.

Стали 12Х18Н9ТЛ и 10Х18Н11БЛ плавили в высокочастотной индукционной печи ИСТ-016 с источником питания повышенной мощности ТПЧТ-320.

Для повышения жесткости крепления индуктора в корпусе печи верхнюю асбестоцементную плиту заменили на алюминиевую тонкостенную с ребрами жесткости.

Тигель футеровали плавлеными шпинельными порошками (Al2O3 •MgO) по технологии института ВостНИИ «Огнеупор».

В качестве шихтовых материалов применяли железо прямого восстановления 008ЖР, феррохром, никель листовой, ферросилиций, ферромарганец, ферротитан и возврат собственного производства.

Предварительно раскисляли сталь ферромарганцем, ферросилицием и алюминием из расчета 0,05 % от массы металла в печи. Окончательно раскисляли расплав перед выпуском из печи лигатурой ФС30РЗМ30.

186

Н.М.Чернов,К.А.Медведев

Модели детали и литниковой системы из состава МВС-3А запрессовывали на шприц-машине в алюминиевые тонкостенные пресс-формы, а затем методом пайки собирали в модельные блоки (МБ). МБ перед нанесением первого слоя огнеупорного покрытия обрабатывали в водном растворе ПАВ, приведенном в турбулентно-вихревое состояние двумя параллельными струями сжатого воздуха посредством труб, вваренных около днища бака из нержавеющей стали.

образованы ребра жесткости. Таким образом, без изменения конструкции детали достигнуто повышение гидравлической прочности керамических форм, что подтвердилось при их заливке под давлением.

Керамические формы после нанесения каждого слоя ОП сушили в вакуумноаммиачных камерах. Модельный состав из КФ выплавляли в расплаве МВС3А при температуре 120–130 °С. После выплавления прокаливали в электропечах сопротивления при температуре 950 °С в течение двух часов.

После охлаждения до комнатной температуры КФ заформовывали в контейнеры для литья, одновременно облицовывали металлоприемники жидкостекольной смесью. Контейнеры и металлоприемники перед заливкой нагревали в электропечах с выкатным подом до температуры 500 °С.

Контейнеры с КФ подавали на установку ЛВМКД с помощью тележек, закрепляли их на верхнем столе, а на нижний стол устанавливали металлоприемник. Жидкий металл из плавильной печи выпускали при температуре 1600 °С в чайниковый ковш, нагретый в прокалочной печи до температуры 900 °С. Замеряли температуру стали в печи платино-платинородиевой термопарой ПР

187

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

30/6 с записью на диске модернизированного прибора КСП-3 с увеличенной скоростью его вращения, 1 об. за 22 мин.

После перелива металла из плавильной печи в металлоприемник его температура составляет 1470±10 °С. Производят включение гидроцилиндра прессования и заполняют КФ под давлением, с последующей выдержкой в течение 1,5 мин, после чего гидроцилиндр автоматически возвращается в исходное положение и происходит отрыв пресс-остатка от стояка. Форма вместе с металлоприемником на тележке снимается с установки ЛВМКД, а на их место подаются новые, и процесс повторяется.

После выбивки КФ из контейнера, отбивают керамику и отрезают литниковую систему, производят пескоструйную очистку металлическим песком и передают отливки на рентгенконтроль и люмконтроль.

Термообработку прилитых образцов производят совместно с деталями по режиму — нагрев до 1100 °С, 1 ч — охлаждение в воде.

После предварительноймеханической обработкидетали производятповторно рентгенконтроль и люмконтроль и вместе с результатами химического анализа и испытаний механических свойств передают заказчику.

Методика разработки технологического процесса изготовления детали методом ЛВМКД включает: проектирование литниковой системы и модельного блока; расчет размеров металлоприемника, стояка и контейнера; расчет температурного поля в металлоприемнике; анализ направленности затвердевания отливки; корректировка сечения питателей и элементов литниковой системы по результатам компьютерного моделирования.

При проектировании литниковой системы исходили из учета конфигурации детали, течения расплава в полости формы при заполнении ее снизу под напором давления на расплав в металлоприемнике сплошным потоком и направленности затвердевания отливки сверху вниз [4].

Давление на расплав в металлоприемнике в процессе ЛВМКД пропорционально давлению рабочей жидкости в гидроцилиндре прессования. В начале процесса оно равно давлению при холостом ходе, а после заполнения формы давлению, задаваемому при кристаллизации отливки.

Скорость подъема стола при холостом ходе гидроцилиндра прессования в процессе заполнения формы падает до нулевого значения в конце заполнения формы. Средняя скорость движения металла в стояке vст будет пропорциональна средней скорости подъема стола при холостом ходе vхх и составит:

где D — диаметр металлоприемника; d — диаметр стояка.

Диаметр металлоприемника 220 мм и диаметр стояка 40 мм приняты одинаковыми для отливок всей номенклатуры. Скорость подъема стола при холостом ходе определяется экспериментально в зависимости от давления рабочей жидкости под поршнем гидроцилиндра прессованияркр, задаваемого при кристаллизации (табл. 1).

Литниковая система для осуществления процесса ЛВМКД состоит из стояка, коллектора и питателей. Питатели конструктивно выполняют в пресс-форме. Коллектор расположен горизонтально и перпендикулярно стояку. Он предназначен для монтажа на нем модели, равномерного распределения потока металла

188

Н.М.Чернов,К.А.Медведев

на входе в полость формы, удержания неметаллических включений и питания отливки.

При проектировании МБ узлы питания отливки располагают в направлении коллектора.

Коллектор взависимости от конфигурации детали конструктивно выполняют в виде бруска, плиты, диска или исходящих от стояка четырех-шести брусков, расположенных симметрично относительно друг друга (лучевая литниковая система).

Для детали «корпус» спроектирована шестилучевая литниковая система, к которой при сборке МБ припаивают модели образцов для испытаний.

Шесть питателей расположены напротив наиболее массивных узлов корпуса и обеспечивают их направленное затвердевание. Толщина питателей принята в 1,5 раза больше толщины узла питания отливки.

После проектирования литниковой системы определяют размеры металлоприемника и высоту стояка. На рис. 2 показана расчетная схема проектирования литниковой системы и металлоприемника.

Рис. 2. Расчетнаясхема проектированиялитниковой системы и металлоприемника

189

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

Общая высота металлоприемника hм равна:

где hк — расстояние от коллектора до дна контейнера.

После подстановки значения высоты стояка из формулы (3) в формулу (2) определяют высоту металлоприемника, а затем высоту стояка.

Размеры контейнера принимают с учетом обеспечения между его стенками и МБ зазора, равного 40 мм.

После этого выдают задание на проектирование пресс-формы отливки и литниковой системы, металлоприемника и контейнера.

Применительно к процессу ЛВМКД разработали методику моделирования процессов охлаждения расплава в металлоприемнике, заполнения КФ и затвердевания отливки.

Методика распределения температуры расплава по сечению металлоприемника для начальной температуры на входе в форму 1470 °С приведена на рис. 3, а результаты сведены в табл. 2.

Рис. 3. Размещениеконтрольных точек в металлоприемнике

Таблица 2

Распределение температуры по сечению металлоприемника при начальной температуре расплава 1470 °С

190