Методология управления показателями качества продукции в технологиях метизного производства на основе моделей с элементами нечеткой логики (стр. 3 )

На основе нечеткого отношения предпочтения была определена форма поперечного сечения четырехстороннего периодического профиля (ромбическая с углами при вершине°), обеспечивающая благоприятные условия формирования показателей качества при профилировании прокаткой в двухвалковом калибре.

Были разработаны номограммы для определения геометрических параметров четырехстороннего периодического арматурного профиля с ромбической формой поперечного сечения и диаметра заготовки под профилирование по заданным значениям критерия анкеровки Рема и номинального диаметра арматурной проволоки. В лабораторных условиях были проведены исследования для определения характера формоизменения и наследования показателей качества по механическим свойствам арматурной проволоки в процессе прокатки четырехстороннего периодического профиля.

Были получены математические модели, описывающие взаимосвязь параметров управления при профилировании с геометрическими показателями качества четырехстороннего арматурного профиля:

(16)

где - критерий подобия, характеризующий изменение размеров поперечного сечения профиля по вертикали; - критерий подобия, характеризующий изменение размеров поперечного сечения профиля по горизонтали; - критерий, характеризующий относительную высоту выступа; критерий, характеризующий угол при вершине калибра; - критерий подобия, характеризующий прочностные свойства заготовки под профилирование; - критерий подобия, характеризующий диаметр профилирующего валка.

При оценке технологического наследования показателей качества, характеризующих механические свойства арматурной проволоки было установлено, что в области формирования требуемой высоты выступа пластические свойства существенно зависят от показателя фактора формы очага деформации . Так, при £ 2,0 коэффициент технологического наследования по показателю качества «относительное удлинение» составлял значение , при = 2,5 - , а при ³ 3,0 - .

Результаты исследований преобразовали к форме в виде функций принадлежности, характеризующих предпочтительность технологических режимов профилирования, используемых при управлении показателями качества проволоки.

Для управления показателями качества проволоки на этапе получения заготовки под профилирование на основе обобщения экспертной информации и литературных источников и было сформировано нечеткое отношение предпочтения режимов волочения. Были выполнены экспериментальные исследования для выяснения влияния параметров управления процессом волочения на показатели качества холоднотянутой проволоки из низкоуглеродистых сталей и характер их технологического наследования. Было установлено, что благоприятные условия технологического наследования показателей качества по механическим свойствам проволоки – заготовки под профилирование, обеспечиваются одновременным увеличением значений степени единичной деформации при волочении и уменьшением углов рабочего конуса волоки. Однако при таком сочетании параметров управления значительно возрастают энергетические затраты на волочение, нагрузки на волочильный инструмент, ослабевает экономическая целесообразность процесса.

Учитывая высокую пластичность низкоуглеродистых сталей в состоянии поставки, для получения промежуточной круглой заготовки под профилирование был предложен и экспериментально обоснован новый способ холодной прокатки проволоки в системе калибров «круг-гладкая бочка-круг». На основе результатов исследований определено нечеткое отношение предпочтения режимов прокатки. Параметрическую идентификацию функции принадлежности выполнили на основе установленных в ходе исследований значений фактора формы очага деформации и феноменологического критерия устойчивости при прокатке, обеспечивающих равномерность параметров состояния материала при стабильном протекании процесса деформации и благоприятное технологическое наследование показателей качества проволоки по механическим свойствам (табл. 3).

Таблица 3

Значения функции принадлежности нечеткого отношения предпочтения

режимов прокатки проволоки в системе калибров «круг-гладкая бочка-круг»

Х1 Х2	Степень деформации плоскоовальной полосы в круглом калибре,%
20-24	24-28	28-32	32-36	36-40
Степень деформации на гладких валках,%	20-24	0	0	0,4	0,2	0
24-28	0	0,2	0,8	0,8	0,4
28-32	0,2	0,6	0,9	1,0	0,8
32-36	0	0,6	0,8	0,8	0,4
36-40	0	0,4	0,4	0,2	0

Установленные в результате исследований нечеткие отношения предпочтения были использованы при проектировании промышленных режимов обработки арматурной проволоки периодического профиля диаметрами 6,0 - 10,0 мм, обеспечивающих заданный уровень качества готовой продукции по геометрическим показателям и механическим свойствам.

Пятая глава посвящена моделированию и экспериментальным исследованиям процессов формирования эксплуатационных свойств высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал современных магистралей и разработке, структурной и параметрической идентификации математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества готовой продукции.

Предложена и обоснована с позиций теории технологического наследования технологическая схема производства высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм из кремнистых сталей марок 40С2 и 55С2 для железобетонных шпал, состоящая из технологического блока холодной пластической деформации, включающем операции волочения подката на размер под профилирование и нанесения периодического профиля, и блока финишного термического упрочнения. Такое сочетание методов холодной пластической деформации и термической обработки обеспечивает гибкость и мобильность при смене сортамента, выпуск малотоннажных партий, получение стабильных однородных механических свойств арматуры.

Для получения исходной информации и последующей структурной и параметрической идентификации математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества арматуры в предлагаемом сочетании технологических блоков выполняли теоретические и экспериментальные исследования процессов холодной пластической деформации и термической обработки.

Изучение напряженного состояния при холодной пластической деформации и его влияния на качество арматурного профиля, подвергаемого термообработке, является необходимым условием для выработки управляющих решений при проектировании результативных режимов обработки и выпуска продукции с заданным уровнем качества.

Для расчета напряжений в очаге деформации при волочении использовали метод линий скольжения. Для автоматизации расчетов, построения и визуализации полей напряжений было разработано и зарегистрировано в установленном порядке программное обеспечение. С его использованием установлено количественное влияние технологических факторов волочения на возможность возникновения неблагоприятного напряженного состояния с преобладанием напряжений растяжения в очаге деформации. Такое напряженное состояние приводит к снижению сопротивления проволоки, разрушению и появлению "разрыхления", что сделает невозможным достижение заданного уровня показателей качества продукции на этапе окончательной термообработки.

Программный продукт предусматривает расчет критериев и , оценивающих характер напряженного состояния в очаге деформации при волочении. Критерий характеризует протяженность зоны напряженного состояния всестороннего растяжения в радиальном направлении:

(17)

где - текущий радиус проволоки в очаге деформации, до которого действуют растягивающие радиальные напряжения; - начальный радиус проволоки до волочения.

Критерий характеризует отношение максимального растягивающего напряжения на оси проволоки к величине константы пластичности:

, (18)

где - максимальное растягивающее напряжение в очаге деформации;

- константа пластичности материала.

В ходе моделирования было установлено, что условием возникновения неблагоприятного напряженного состояния на этапе волочения промежуточной заготовки под профилирование арматуры являются такие сочетания параметров управления, при которых значения критериев по выражениям (17) и (18) составляют и , соответственно.

Для нанесения на поверхность круглой холоднотянутой проволоки двухстороннего периодического профиля арматуры с серповидными выступами применили двухвалковую клеть - волоку со смещенными парами валков. С целью анализа условий профилирования рассчитывали интегральный коэффициент неравномерности высотной деформации , коэффициент охвата и степень ограничения уширения. Было установлено, что процесс нанесения серповидного профиля на поверхность круглой заготовки характеризуется равномерной высотной деформацией и высоким значением коэффициента охвата , что положительно сказывается на напряженном состоянии арматуры и создает благоприятные условия для реализации пластических свойств обрабатываемого металла.

В результате экспериментальных исследований с помощью методов планирования эксперимента была получена математическая модель управления геометрическими показателями качества арматуры в процессе холодного профилирования в клети - волоке со смещенными парами валков:

Y1 = 0,5 + 0,095Х1 + 0,065Х2; (19)

Y2 = 0,25 - 0,086Х1 - 0,052Х2,

где Y1 и Y2 - высота выступа и овальность периодического профиля, характеризуемая разницей размеров по вертикальному и горизонтальному направлениям, Х1 и Х2 - абсолютное обжатие круглой заготовки в первой паре валков и временное сопротивление разрыву заготовки под профилирование.

Дальнейшее достижение заданного уровня показателей качества арматуры осуществляется в блоке термического упрочнения. Прогрессивный вариант организации поточной технологии термического упрочнения арматуры предполагает использование тепла индукционного нагрева. В этом направлении наибольший интерес представляет изучение поведения закаленной стали при индукционном отпуске. Условия индукционного отпуска моделировались нагревом образцов до температур 500, 550 и 600ºС в ванне с расплавом солей KNO3 и NaNO3, обогреваемой электрическим током. Учитывая темп проведения закалочных операций, время пребывания образцов при отпуске в расплаве соли принимали равным 10, 20, 30, 40 и 60 сек. По результатам исследования получили уравнения зависимости показателей качества термически упрочненной арматуры периодического профиля от температуры и времени проведения скоростного отпуска (табл. 4).

Таблица 4

Зависимость показателей качества арматуры периодического

профиля от температурно-временных параметров отпуска

Марка стали	Временное сопротивление разрыву , МПа	Относительное удлинение после разрыва , %
40С2
55С2

Полученные в ходе исследования знания о деформационном и термическом воздействиях на сталь марок 40С2 и 55С2 послужили основой для разработки математических моделей с элементами нечеткой логики для управления показателями качества арматуры.

Выполнена структурная и параметрическая идентификация модели управления качеством арматуры на этапе холодной пластической деформации. Модель содержит две входные лингвистические переменные, базу логических правил управления и одну выходную лингвистическую переменную.

В качестве входных лингвистических переменных использовали параметры управления процессом волочения, а именно, полуугол рабочего конуса канала волоки и относительное единичное обжатие, которые задавали в виде:

, (20)

. (21)

Функции принадлежности нечетких множеств, соответствующих термов для входных лингвистических переменных и приведены на рис. 3.

Рис. 3. Функции принадлежности термов входных переменных,

характеризующих параметры управления процессом волочения

Выходную лингвистическую переменную, характеризующую напряженное состояние в очаге деформации при волочении (НС), выразили как:

(22)

где - критерий оценки напряженного состояния по выражению (18) .

Функции принадлежности для термов выходной лингвистической переменной (рис. 4) были построены на основе количественного значения критерия , характеризующего уровень напряженного состояния в зависимости от параметров управления процессом волочения. С использованием результатов математического моделирования была разработана база логических правил управления напряженным состоянием арматуры при волочении, связывающих лингвистические значения входных , и выходной переменных в виде «если…то» (табл. 5).

Рис.4. Функции принадлежности нечетких множеств для термов выходной переменной «HC», характеризующей напряженное состояние в очаге деформации

Таблица 5 База логических правил управления напряженным состоянием при волочении № R1 малый малое неблагоприятное R2 малый среднее удовлетворительное R3 малый высокое предпочтительное R4 средний малое неблагоприятное R5 средний среднее удовлетворительное R6 средний высокое предпочтительное R7 большой малое неблагоприятное R8 большой среднее неблагоприятное R9 большой высокое удовлетворительное

Аналогичным образом выполнена структурная и параметрическая идентификация математической модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества арматуры на этапе термического упрочнения. Модель содержит две входные лингвистические переменные, базу нечетких правил управления и две выходные лингвистические переменные.

В качестве входных лингвистических переменных использовали параметры управления процессом скоростного отпуска - температура и время отпуска , сек.

Лингвистические переменные, характеризующие параметры управления, задавали в следующем виде:

, (23)

(24)

Выходные лингвистические переменные соответствовали регламентированным показателям качества арматуры: временному сопротивление разрыву , МПа (далее «прочность») и относительному удлинению (далее «пластичность») и выражались следующим образом:

, (25)

. (26)

Параметрическую идентификацию и формирование логических правил «если…то» выполнили на основе экспериментальных исследований влияния параметров управления процессом отпуска на показатели качества холоднопрофилированной арматуры из сталей марок 40С2 и 55С2. Процесс построения функций принадлежности термов лингвистических переменных, характеризующих показатели качества арматуры, выполнили на основе их количественных значений, заданных в нормативно-технической документации.

На рис. 5 приведен фрагмент расчета в среде FuzzyTECH Professional по модели управления показателями качества арматуры из стали марки 40С2 на этапе окончательной термической обработки.

Рис.5. Фрагмент расчета по математической модели с элементами нечеткой логики для управления показателями качества арматуры на этапе