Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» На правах рукописи Аунг Кхаинг Пьо РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА ЦИРКУЛИРУЮЩЕЙ МАСЛЯНОЙ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОГО СВЕРЛЕНИЯ Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы) Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .......................................................................................................................... 5 Глава 1. Глубокое сверление ...................................................................................... 11 1.1 Общие сведения о глубоком сверлении................................................................ 11 1.1.1 Определение понятий глубокого сверления и глубокого растачивания ..... 13 1.1.2 Разновидности глубокого сверления .............................................................. 14 1.1.3 Инструменты для сверления глубоких отверстий ......................................... 24 1.1.4 Способы подвода СОЖ в зону резания .......................................................... 30 1.2 Тепловые явления при резании металлов ............................................................. 32 Краткие выводы по главе 1 .......................................................................................... 39 Глава 2. Масляная СОЖ для глубокого сверления .............................................. 40 2.1 Общие сведения о масляной СОЖ ........................................................................ 40 2.1.1 Характеристики и экологические свойства масляных СОЖ ........................ 45 2.2 Индустриальные масла ........................................................................................... 50 2.3 Способы минимизации воздействия СОЖ и индустриальных масел на окружающую среду и человека ................................................................................... 53 2.4 Полициклические арены......................................................................................... 54 2.5 Фенолы ..................................................................................................................... 58 2.6 Хлорбензолы, хлорпарафины, бромбифенилы .................................................... 61 2.7 Трибоэкология ......................................................................................................... 64 Краткие выводы по главе 2 .......................................................................................... 65 Глава 3. Экспериментальное исследование молекулярного состава СОЖ и индустриальных масел ............................................................................................... 66 3.1 Хромато-масс-спектрометрический метод анализа ............................................ 66 3.2 Особо опасные химические вещества ................................................................... 67 3.3 Вредные химические вещества.............................................................................. 69 3.3.1 Азотсодержащие органические компоненты индустриальных масел ........ 69 3.3.2 Кислородсодержащие органические компоненты индустриальных масел 76 3.3.3 Углеводороды индустриальных масел ........................................................... 81 3.4 Исследование зависимости молекулярного состава СОЖ от температуры ..... 86 3.5 Алгоритм оценки молекулярного состава СОЖ для регулирования температурного интервала ........................................................................................... 92 3.6 Качество смазочно-охлаждающих жидкостей и индустриальных масел как составная часть химмотологии .................................................................................... 94 Краткие выводы по главе 3 .......................................................................................... 96 Глава 4. Автоматизация и принципиальная схема циркулирования СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении ............................................................ 97 4.1 Общие сведения об автоматизации ....................................................................... 97 4.2 Автоматизация обеспечения показателей экологичности и безопасности технологий формообразования в машиностроении ................................................ 100 4.3 Принципиальная схема циркулирующей СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении .................................................................................................... 104 Краткие выводы по главе 4 ........................................................................................ 108 Глава 5. Автоматизация регулирования молекулярного состава циркулирующей СОЖ с целью повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления ................................................................................ 109 5.1 Автоматизированная система регулирования молекулярным составом циркулирующей масляной СОЖ ............................................................................... 109 Краткие выводы по главе 5 ........................................................................................ 118 Заключение ................................................................................................................. 119 Список литературы ..................................................................................................... 120 Приложение 1 .............................................................................................................. 131 Приложение 2 .............................................................................................................. 132 Приложение 3 .............................................................................................................. 133 5 Введение Актуальность работы Машиностроение лидирует среди других отраслей промышленности в использовании высоких технологий. Именно машиностроению принадлежит ключевая роль в распространении передовых машин, оборудования и производственных процессов в других отраслях экономики [51]. Проблема качества изделий машиностроения имеет особое значение, связанное с требованием расширения конкурентоспособности изделий на мировом рынке. Обеспечение и повышение качества продукции машиностроения является многоплановой задачей. Это задача решается путем улучшения конструкции машин, компонентов и деталей, использования новых материалов, использования способов нанесения защитных покрытий, автоматизации производственных процессов и т.д. Оценка качественного уровня продукции ведется по группам индикаторов, характеризующих конкретные свойства продукции. Выделяют следующие группы показателей качества: назначения, эстетические, надежности, экономного использования ресурсов, безопасности, патентно-правовые, транспортабельности, эргономические, технологичности, стандартизации и унификации, экологические, стойкости к внешним воздействиям, экономические. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) составляют подавляющее большинство смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), которые являются неотъемлемыми элементами технологических процессов в современных металлообрабатывающих производствах. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) используют для снижения трения при обработке металлов резанием и давлением, уменьшения износа и охлаждения режущего инструмента, и.т.д. При удачном выборе СОЖ ее эффективность во многом зависит от правильного приготовления рабочих эмульсий, использования биоцидов, пеногасителей и 6 реагентов для утилизации, от метода очистки, способа подачи и дальнейшего качественного контроля. Индустриальные масла используют как рабочие жидкости для гидравлических систем станков, прессов, для смазки средне- и легконагруженных зубчатых передач, направляющих качения и скольжения станков. Самая широкая сфера применения масла И-20А ‒ это гидравлические системы индустриального оборудования, смазка строительных машин, эксплуатирующихся на открытом воздухе. Использование данных масел в таких узлах и механизмах зависит от вязкости: чем выше вязкость масла, тем для более нагруженных механизмах его применяют. В [58] приведен молекулярный состав некоторых масляных смазочноохлаждающих жидкостей (СОЖ). Входящие в них полициклические арены обладают потенциальной канцерогенной активностью и могут накапливаться в организме работников и загрязнять окружающую среду. Выбор метода очистки смазочно-охлаждающей жидкости от полициклических аренов зависит от ее состава, качества, условий обработки и характера загрязнений. Разработаны методы очистки СОЖ на масляной основе от полициклических аренов. Для повышения качества процесса целесообразно использовать системы с циркулирующей масляной СОЖ. Следить за качеством можно эффективно путем осуществления автоматизированных систем анализа и управления. Возросшие требования к экологической чистоте машиностроительных производств обусловили ряд новых требований к составам смазочно- охлаждающих жидкостей (СОЖ), без которых многие технологические процессы обработки металлических заготовок резанием невозможны. Современные технологии позволяют проводить контроль состава СОЖ с большей эффективностью, например, используя автоматизированные системы анализа и управления. 7 Поэтому тема автоматизированной циркулирующей безопасности диссертационной системы масляной работы, регулирования СОЖ технологического посвященной молекулярного с целью повышения процесса разработке глубокого состава экологичности и сверления, является актуальной. Целью диссертационной работы является повышение показателей качества процесса глубокого сверления, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека, путем разработки автоматизированной системы регулирования молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи : Определить молекулярный состав СОЖ и индустриальных масел с целью нахождения отдельных соединений, негативно воздействующих на окружающую среду и человека. Исследовать изменение молекулярного состава СОЖ при разных температурах в ходе реализации процесса. Разработать способ регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава СОЖ. Разработать состав и элементы системы автоматического управления процессом глубокого сверления с целью повышения экологичности и безопасности. Методы исследования При исследовании применялись положения теорий автоматического управления, и обработки металлов резанием, термодинамики, аналитической химии. При автоматизированные экспериментальном методы спектрометрическим детектором. исследовании газохроматографического использовались анализа с масс- 8 Научная новизна и теоретическая значимость полученных результатов заключается в : установлении качественных и количественных взаимосвязей между молекулярным составом СОЖ и показателями качества процесса глубокого сверления, характеризующими их воздействие на окружающую среду и человека; получении экспериментальных данных о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел, указывающем на присутствие в них вредных и особо опасных компонентов, негативно воздействующих на окружающую среду и человека. разработке алгоритма регулирования оценки молекулярного температурного интервала состава в ходе СОЖ для реализации технологического процесса; разработке структуры автоматической системы регулирования молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для повышения показателей качества технологического процесса; Практическая значимость заключается в: разработке методики реализации автоматической системы выбора температурного интервала циркулирующей СОЖ на масляной основе в зависимости от содержания в ней вредных компонентов и исключающей возможность её использования при нахождении в ней особо опасных химических веществ. Степень разработанности проблемы В известном справочнике Л.В. Худобина[86] приведены данные о 30 органических веществах – токсичных компонентах СОЖ и продуктах их термоокислительной деструкции, среди которых находится и канцерогенный 3,4бензпирен. В СОЖ на масляной основе и индустриальных маслах как продуктах 9 нефтепереработки находится на несколько порядков больше вредных компонентов, среди которых могут находиться и особо опасные. Однако нам известна только работа Н.В. Ермолаевой[22, 23, 28], посвященная исследованию вопроса повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления с использованием СОЖ марок МР-3К, МР-3, СП-4, содержащих вредные химические вещества. В этих СОЖ особо опасные компоненты, в том числе 3,4-бензпирен, не были обнаружены. Таким образом, степень разработки данной темы низкая. Поэтому настоящая работа обусловлена необходимостью дальнейшего развития вопросов обеспечения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления. На защиту выносятся следующие положения: алгоритм оценки температурного молекулярного интервала, состава построенный СОЖ для с регулирования учетом полученных экспериментальных данных о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел, а также структура автоматической системы управления с разработанным устройством регулирования скорости вращения компрессора. Достоверность результатов обеспечивается: - использованием хромато-масс-спектрометрического метода анализа, позволяющего определить концентрации вредных и особо опасных компонентов в диапазоне 2 нг/г...100 мкг/г, а также тем, что полученные нами данные по зависимости содержания вредных веществ в СОЖ совпали с литературными и расширили температурный интервал (от 20 до 94 ˚С). При этом рабочая область регулирования температурного интервала (25-50 ˚С) находится в средней части изученного диапазона температур, что соответствует теоретическим положениям метрологии. Определение температурной зависимости содержания вредных химических веществ в СОЖ на масляной основе проводили на современном приборе роторно-пленочном испарителе, температуру с отклонением ±0,2˚С. позволяющем поддерживать заданную 10 Реализация работы Результаты «СТАНКИН» по работы использованы направлениям 220700 в учебном процессе «Автоматизация в МГТУ технологических процессов и производств» и 280700 «Техносферная безопасность» в лекциях и на семинарских занятиях как примеры решения экологических проблем средствами автоматизации. Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях : VIII Международной научно-технической конференции «Дни науки - 2012» (г. Прага); XII Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г. Пенза, 2012 г.); Международной научно-технической конференции «Наука, Техника, Инновации 2014» (г. Брянск). XXVII заочной научной конференции Research Journal of International Studies (Екатеринбург, 2014 г.) Соответствие научной специальности Диссертационная работа соответствует п. 3 раздела "Области исследований" Паспорта научной специальности 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)». 11 Глава 1. Глубокое сверление 1.1 Общие сведения о глубоком сверлении Существует две группы процессов обработки металлов. К первым относятся такие, в которых металл изменяет форму и массу. Это процессы резания, строгания, шлифования и т.д. Процессы второй группы не изменяют массу металлов, изменяя их форму. Это прессование, волочение, прокатка, любая другая обработка давлением. Каждая группа процессов характеризуется своими особенностями и предъявляет к СОТС свои особые требования. Технология обработки глубоких отверстий является сложной технологической задачей. При производстве таких деталей, как цилиндры глубинных насосов, трубы спецсистем, трубы радиаторов охлаждения и т.п., временные затраты при их изготовлении в основном определяются временем операций по обработке глубоких отверстий. Это объясняется особой спецификой процессов получения глубокого отверстия и его обработки, что выделило технологию обработки глубоких отверстий из технологий получения и обработки отверстий обычной длины (глубины), характерных для большинства изделий в общем машиностроении. В процессе глубокого сверления СОЖ должна выполнять ряд функций; главные из них – отведение тепла, образующегося в процессе резания и трения, отвод стружки из зоны резания и перевозка ее по отводным каналам, уменьшение сил трения и резания между поверхностью отверстия и направляющими элементами. СОЖ необходимо иметь соответствующие свойства для этого, а оборудование должно обеспечивать подачу СОЖ в зону резания в необходимом количестве при соответствующем давлении и с требуемыми расходами. СОЖ МР3К (ТУ 0258-027-27833685-2004) рекомендуется использовать на операциях глубокого сверления, резьбо- и зубошлифования легированных сталей [47, 48]. СОЖ МР-3К представляет собой высокоочищенное минеральное масло, 12 активированное антифрикционными и противозадирными присадками. Выпускается производственной фирмой «ОЛЕОКАМ» [30, 43]. В частности, при резании особенностями процесса являются высокие удельные нагрузки и температуры в точках контакта инструмента с деталью [2, 12, 53, 58, 59]. Возможно локальное сваривание инструмента с деталью. Предъявляются следующие требования к СОТС: 1) отличные охлаждающие свойства; 2) высокая противозадирная и противоизносная эффективность; 3) способность уменьшить граничное трение в зоне контакта [19]. Глубокое сверление - это типичная технологическая операция с применением системы циркулирующей СОЖ на масляной основе. Для выполнения этой операции требуется создание специальной оснастки, специального оборудования и инструмента. Вследствие значительного развития машиностроения, организации новых отраслей, производящих машины и оборудование различного технологического назначения, номенклатура деталей для сверления глубоких отверстий быстро расширяется. В настоящий момент на предприятиях всех основных отраслей промышленности детали обрабатываются путем применения методов глубоких отверстий ( гильзы, электрогенераторы, втулки и оси экскаваторов, плунжеры прессов и цилиндры, трубы буровых установок, валы и роторы турбин, бандажи прокатных станов и оси, гребные винты и др.) [39, 74]. С увеличением глубины отверстий возрастают сложности их обработки. Глубина отверстий может оцениваться отношением l/d0, где l – длина отверстия, а d0 – его диаметр. При разделении отверстий на неглубокие и глубокие используется это же отношение, и в качестве численной границы принимается l/d0=5, так как отверстия с отношением l/d0< 5, обычными способами и нормальным инструментом можно эффективно обработать, а специальные инструменты и оборудование и особые способы обработки приходится использовать для обработки более глубоких отверстий. В этой связи глубокими отверстиями называются отверстия с l/d0 > 5. [65, 78]. 13 Определенные глубокие отверстия в сплошном материале обрабатываются за несколько операций, делящихся на две группы. Процессы чернового растачивания и сверления, которые являются наиболее сложными, входят в первую группу. Их основным назначением является обеспечение требований для расположения оси отверстия и её прямолинейности. Чистовые и отделочные операции входят во вторую группу (хонингование, чистовое растачивание и др.), основное назначение их заключается в обеспечении точности диаметральных размеров и шероховатости и требуемой формы. При резании температура достигает 1000 ˚С и более[8, 9, 12, 76, 77, 94]. Методы чернового растачивания и глубокого сверления имеют ряд общих особенностей, которые в значительной степени связаны с трудностями, возникающими в процессе операций, например, вынужденное отведение стружки через отверстия с помощью потока СОЖ или другой рабочей среды; нарушения бесперебойности ее отведения приводят к нарушениям или прекращениям процессов обработки. Улучшения методов обработки, которые обеспечивают точность, высокую производительность и экономичность, требуют увеличения диапазона их диаметров и отношений l/d0, рост номенклатуры деталей с глубокими отверстиями, повышение объема выпуска. Непрерывное совершенствование способов и технологической оснастки для обработки глубоких отверстий сопровождается созданием большого числа инструментов, отличающихся принципом работы и конструктивными решениями. 1.1.1 Определение понятий глубокого сверления и глубокого растачивания Из-за отсутствия единой терминологии и классификации инструментов и способов обработки возникают трудности при проведении анализа применяемых инструментов и при использовании положительного опыта. Предлагаемые термины охватывают лишь наиболее характерные способы, принципы работы, 14 виды инструментов и их элементы, оборудование и его узлы. При обработке глубоких отверстий по схемам глубокого сверления практически все является специальным, а в ряде случаев принципиально отличающимся от аналогичного в общем машиностроении [64]. Сложности обработки глубоких отверстий определяются его глубиной, которая характеризуется отношением l/d0. В частности глубина отверстия привела к появлению тех особенностей, которые должны быть рассмотрены как отличительные признаки. Главными характеристиками глубокого растачивания (сверления) следует считать не отношение l/d0, а вынужденное отведение стружки из отверстия с помощью потока СОЖ или другой рабочей среды и размещение инструмента на поверхность отверстия заготовки. Для этого поток СОЖ должен иметь необходимую кинетическую энергию, достаточную для обеспечения силового воздействия на стружки с целью устранения ее из отверстия. Поэтому глубоким растачиванием (сверлением) следует называть метод растачивания (сверления), который характеризуется присутствием вынужденного отведения стружки с помощью потока СОЖ или другой рабочей среды из отверстия и размещением инструмента на поверхность обработанного отверстия. В связи с этим для выполнения способа требуется специальное оборудование и инструмент. 1.1.2 Разновидности глубокого сверления При всем разнообразии оборудования и инструментов технологии сверления глубокого отверстия можно разделить на три основные группы, называемые в зависимости от используемого инструмента. 1. Система глубокого сверления ELB Технология ружейного сверления предопределяет применение так называемых ружейных сверл. В отечественной технической литературе эти сверла определяются как трубчато – лопаточные или как сверла одностороннего 15 резания с внутренним подводом СОЖ. Этот однорезцовый инструмент дал основание применять термин – система глубокого сверления ELB (нем. ELB – Einlippenbohrer – однорезцовое сверло), а процесс сверления как ружейное сверление (нем. Gan – drilling). Трубчато – лопаточные сверла состоят из длинной трубы – стебля, на рабочем конце которого припаяна твердосплавная пластина – резец или твердосплавное сверло. И резцовая часть инструмента и стебель по всей длине имеют образную канавку с углом 110…120˚. СОЖ подается в отверстие стебля, а стружка из зоны резания вымывается по образной канавке. Таким образом, сверло работает по схеме – внутренний подвод СОЖ и наружный отвод стружки. Такая схема не препятствует попаданию стружки между сверлом и просверленным отверстием, что приводит к надирам на поверхности отверстия, ухудшая его шероховатость. Естественно, что наличие канавки на стебле снижает его продольную жесткость по сравнению с аналогичными стеблями у инструментов для глубокого сверления другого типа. Считается, что трубчатолопаточные сверла незаменимы при сверлении отверстий диаметром менее 8 мм и могут быть использованы даже при сверлении глубоких отверстий до диаметра 0,5 мм. Максимальный (рекомендуемый) диаметр сверления этими сверлами составляет 35…40 мм при относительных длинах до 50 d. Трубчато­лопаточные сверла в сравнении со спиральными, шнековыми и другими аналогичными сверлами обеспечивают большие производительность и точность. Так на определенных материалах при сверлении может быть достигнута точность отверстий по Н8 (на малых диаметрах до Н7), увод оси не более 0,01…0,02 мм на 100 мм длины отверстия, получена шероховатость поверхности отверстия с параметром Ra = 0, 63…1, 25 мкм. Благодаря этому зачастую при обработке отверстий после сверления отпадает необходимость выполнять последующие переходы – зенкерование и развертывание. 16 Ружейное сверление может быть использовано на универсальных токарных станках, дополнительно оснащенных специальными насосными станциями и на специальных станках. И те и другие станки должны иметь насосные станции, обеспечивающими подачу СОЖ с большими расходами и давлениями. Естественно, эти параметры зависят от диаметра сверления. В качестве примера, при сверлении отверстий диаметром 12 мм необходимо подавать в зону резания СОЖ с расходами примерно равными 35…40 л/мин с давлением до 7 МПа, а при сверлении отверстий диаметром 25 мм – расход должен быть равным 80…90 л/мин при давлении около 5 МПа. 2. Система глубокого сверления ВТА Технология глубокого сверления ВТА предполагает подвод СОЖ по зазору между стенкой обрабатываемого отверстия и наружной поверхностью стебля. По этому зазору СОЖ подается в зону резания, где забирает стружку и по отверстию в стебле транспортирует ее в стружкоприемник. Таким образом в данной системе реализуется схема наружной подачи СОЖ и внутренний отвод стружки. Название определено в соответствии с наименованием ассоциации Boring and Trepanning Association (ВТА), объединяющей ряд зарубежных стран по теме исследований и разработок систем глубокого сверления. Еще система ВТА называется системой STS (от англ. Single Tube System – система с одной трубой). Система состоит из сверлильной головки, которая крепится к сверлильной трубе (стеблю) посредством прямоугольной резьбы с крупным шагом – для быстрого и надёжного крепления. Резьба на сверлильной головке бывает внутренняя и наружная, одно- или четырёх- заходная, в зависимости от типа сверла и диаметра сверления. Диаметр сверлильной трубы на 2-3мм меньше диаметра сверлильной головки, что обеспечивает зазор между сверлёным отверстием и наружным диаметром сверлильной трубы. В этот зазор под высоким давлением (10-80 бар) подаётся СОЖ. Такая схема подачи СОЖ позволяет доставлять охлаждающую 17 жидкость непосредственно к режущим кромкам, а большие объёмы прокачиваемой жидкости (по сравнению с однорезцовым сверлением ELB) быстро удаляют из зоны резания стружку. Рис. 1.1. Принципиальная схема глубокого сверления системы ВТА [71] Производительность системы BTA для ряда материалов достигает до 400% в сравнении с производительностью системы ELB (при равных параметрах сверлёного отверстия). Система ВТА покрывает наибольший диапазон диаметров сверления, в сравнении с другими системами (ELB и DTS). Признано, что эта технология самая совершенная из всех технологий сверления глубоких отверстий, хотя и сама сложная. Сложность определяется, прежде всего, необходимостью использовать в работе специального устройства – маслоприемника, обеспечивающего герметизацию стыка: торец заготовки – направляющая втулка для захода сверла. Сложность маслоприемников возрастает для станков при сверлении вращающихся деталей, когда направляющая втулка должна вращаться вместе с деталью, а маслоприемник, к которому от насосной станции подведены шланги подачи СОЖ, размещен в неподвижной стойке станка. При этом маслоприемник должен обеспечить подвод в зазор между стеблем и отверстием 18 большие количества СОЖ (400 л/мин и более для больших диаметров) при громадных давлениях, при определенных условиях достигающих 10 МПа и более. Естественно, что в конструкциях маслоприемников выбор и проектирование уплотнений всегда является проблемой. Технология сверления глубоких отверстий с наружным подводом СОЖ, несмотря на обязательное применение специального оборудования, оснастки и технологических приемов, решает сложнейшие задачи по обработке деталей с глубокими отверстиями, недоступные для решения никакими другими технологиями. Считается экономически выгодным использовать технологию сверления глубоких отверстий с наружным подводом СОЖ в диапазоне диаметров от 7 до 120 мм при относительных длинах отверстий 250 d и более. Так, например, имеется отработанная технология получения отверстий диаметром 12 мм в трубах из термообработанных легированных сталей длиной 6000 мм. Уводы оси отверстия при использовании этой технологии (как и при сверлении других диаметров) не превышают 0,1 мм на 1000 мм. При глубоком сверлении с наружной подачей СОЖ при обработке ряда материалов возможно получение отверстий с точностью 7…8 квалитетов при соответствующей шероховатости, с минимальными уводами оси и кривизны оси получаемого отверстия, и, как следствие, с минимальной разностенностью у деталей труб. Достаточно широко используется рассматриваемая технология и для сверления отверстий вращающимся инструментом в корпусных деталях. Естественно, производительность глубокого сверления с наружным подводом СОЖ в разы больше производительности операций получения отверстий традиционным инструментом. Качество при глубоком сверлении ВТА характеризуется несколькими показателями: - шероховатость просверленного отверстия; - точность диаметра отверстия; 19 - прямолинейность отверстия (эксцентричность – для деталей вращения); - величина облоя на выходной стороне сверлёного отверстия. 3. Система глубокого сверления DTS Технология эжекторного сверления глубоких отверстий предполагает использование инструмента, имеющего два стебля (две трубы). Поэтому ее также называют системой DTS (от англ. Double Tube System система с двумя трубами). Эжекторное сверление обеспечивает практически те же результаты по точности, производительности и качественным характеристикам отверстий, что и глубокое сверление с внутренним и наружным подводом СОЖ. Но позволяет выполнять сверление на универсальных станках (токарных, сверлильных, горизонтально – расточных и др.), лишь дополнив их насосной станцией, стационарной пли перемещающейся по мере надобности от одного станка к другому. При эжекторном сверлении не требуется герметизировать зазоры между заготовкой и кондукторной втулкой, что упрощает наладку и обслуживание станка. Эжекторное сверление можно применить для получения отверстий в самых разнообразных деталях, включая и случаи сверления прерывистых отверстий, например, в коленчатых валах, траках и др. Принципиальная схема эжекторного сверления показана на рисунке 1.2. Основой инструмента являются две трубы: наружная труба – стебель 4 и внутренняя труба 3, которая одним концом стыкуется с установочным конусом 5, а вторым находится в плотном контакте со сверлильной головкой 1. Головка резьбой соединена со стеблем и перед началом сверления базируется в отверстии направляющей втулки 2. Торец втулки должен быть расположен с небольшим зазором (не более 1 мм) относительно поверхности заготовки 7. При сверлении СОЖ от насосной станции по шлангу подается в специальный патрон, в котором своим конусом 5 базируется весь инструмент. Из патрона СОЖ подается через отверстия в конусе 5 в кольцевой зазор между 20 стеблем 4 и внутренней трубой 3. Далее поток СОЖ разделяется на две части. Одна часть СОЖ по кольцевому зазору между трубами подается к сверлильной головке и через радиальные отверстия поступает в зону резания, где подхватывает образующуюся стружку. Рис. 1.2. Схема эжекторного сверления [71] Вторая часть СОЖ из полости хвостовика поступает в имеющиеся во внутренней трубе наклонные прорези – щели 6. Поток СОЖ, выходящий из щелей, направлен по оси отверстия внутренней трубы по направлению к выходному ее концу. Этот поток и представляет своеобразный эжекционный насос, создающий разрежение в отверстии внутренней трубы в зоне от сверлильной головки до щелей эжектора. Происходит отсос поданной в рабочую зону части СОЖ и образованную при резании стружку, которая после прохождения зоны эжектора вместе с СОЖ уже транспортируется в стружкоприемник. При наладке всей системы очень важно распределить потоки СОЖ, подаваемой к инструменту. производительности эжектора Задача состоит обеспечил отсос в из том, зоны чтобы уровень резания всей поступающей туда СОЖ вместе со стружкой. А это очень трудно сделать, поскольку размеры щелей эжектора, как правило, фиксированы изготовителем 21 инструмента для определенных СОЖ и параметров (расходы и давления) ее подвода. Принципиальная схема эжекторного сверления была предложена шведской фирмой Sandvik Coromant и получила определенное развитие. На рисунке 1.3 показан эжекторный инструмент, разработанный отечественной организацией ВНИИинструмент. Рис. 1.3. Эжекторный инструмент ВНИИинструмент [71] Инструмент имеет сборную конструкцию. Он состоит из сверлильной головки 1, наружного стебля 2 и внутренней трубы 3. В хвостовой части внутренней трубы выполнены щели, определяющие эжектор (рисунок 1.3, а). Сверлильная головка (рисунок 1.3, б) выполнена из двух частей – литого корпуса 4 и хвостовика 5, соединенных между собой сваркой. Головка выполнена как трехлезвийной инструмент двухстороннего резания, работающая с делением ширины среза и определенностью базирования с двумя жесткими неподвижными направляющими 6 и 10. Режущие пластины 7, 8, 9 закреплены пайкой. Инструмент разработан и выпускался серийно для диапазона диаметров сверления 20…60 мм и для глубин до 800 мм при горизонтальном сверлении и до 22 глубин 400 мм при вертикальном сверлении. К инструменту прилагался патрон для закрепления с целью использования как невращающийся. Применение эжекторного инструмента выявило определенные особенности его работы и позволило создать (и применить в практике отечественного производства) более совершенную конструкцию. Рис.1.4. Эжекторный инструмент с регулируемым эжектором [71] Эжекторный инструмент (рисунок 1.4) имеет жесткий стебель, поскольку наружная 1 и внутренняя 7 трубы скреплены между собой сварными заклепками. А единый стебель жестко соединен (тоже сварными заклепками 8 с хвостовиком 2. Торец внутренней трубы в зоне хвостовика выполнен с наружным конусом и совместно с внутренним конусом втулки 4 представляет собой кольцевой эжектор, обеспечивающий неразрывный эжекционный поток при работе инструмента. Втулка 4 в отверстии хвостовика 2 крепится винтами 5, а положение конуса втулки в зоне эжектора, а, следовательно, кольцевой зазор, может быть отрегулировано за счет замены мерного кольца 6. 23 Поток СОЖ 3 из патрона поступает через четыре паза в хвостовике к зоне эжектора, откуда расходится по двум направлениям. Одна часть уходит в кольцевую щель эжектора и создает по выходе эжекционный эффект струйного насоса. Вторая часть СОЖ по сферическим канавкам К, которые выполнены вдоль наружной поверхности трубы 7, поступает к сверлильной головке 9 в зону 10, обтекая ее снаружи. Отсюда СОЖ вместе со стружкой отсасывается эжекционным насосом и далее производится транспортировка стружки к стружкоприемнику за пределы хвостовика. Рассмотренная конструкция имеет ряд достоинств. Эжектор можно регулировать на максимальную производительность для заданной СОЖ путем подбора мерных колец (на рисунок 1.4). При засорении (из-за загрязнений СОЖ) эжектор может быть быстро очищен, при щелевом эжекторе очистка представляет определенную проблему. Стебель имеет высокую жесткость, что позволяет работать инструментом на повышенных подачах. Примененная сверлильная головка является универсальной, она жесткая, не имеет зоны радиальных отверстий, ее можно эффективно использовать не только для эжекторного, но и для сверления глубоких отверстий по схеме с наружной подачей СОЖ. Использование инструмента в практике производства показало его высокую эффективность и надежность при работе по схеме как с невращающимся, так и с вращающимся инструментом. Как показал опыт, область применения эжекторного сверления определяется возможностями эжекционного насоса в инструменте путем создания (отсасыванием) необходимой скорости потока СОЖ для отвода стружки из зоны резания, а также видом стружки. При этом возможно по ряду материалов получение точности отверстий до 8…9 квалитетов, шероховатости поверхности обработанных отверстий до Ra = 1,25 мкм при уводах не более 0,05 мм на 100 мм глубины отверстия. По ряду материалов при сверлении может быть стабильно обеспечена производительность до 300 мм/мин. 24 Однако эжекторное сверление практически не удается применить при обработке вязких сталей (жаропрочных, коррозионно–стойких и др.), так как при их сверлении не удается стабильно получить мелкодробленую стружку. Как и при любой схеме глубокого сверления станку необходима насосная станция. Правда, для эжекторного сверления параметры насосной станции сравнительно невысоки. Так, при сверлении отверстий диаметром 60 мм для работы инструмента достаточно подавать СОЖ в количестве 120…150 л /мин при давлении до 1,5 МПа [71]. 1.1.3 Инструменты для сверления глубоких отверстий При сверлении отверстий стандартными спиральными сверлами на глубину l > 3d возникают трудности с подводом СОЖ в зону резания и удалением стружки из отверстия, в обеспечении прямолинейности оси отверстия, его размеров и формы в радиальном и продольном сечениях. Поэтому отверстия глубиной l > 5d относят к глубоким отверстиям, а их обработка ведется специальными сверлами и головками [46]. Для освобождения сверла от стружки в этом случае применяется периодический автоматический ввод-вывод сверла из отверстия. Отвод стружки из отверстия можно улучшить путем увеличения угла наклона канавок спиральных сверл до 40...60˚ и надежным дроблением стружки. Для сверления отверстий глубиной до (30...40)d в деталях из хрупких материалов, образующих сыпучую стружку, эффективно применение шнековых сверл. Они имеют большой угол наклона винтовой канавки (ω = 60˚), увеличенный диаметр сердцевины d0 = (0,3...0,35)d, полированные канавки треугольного профиля с рабочей стороной, перпендикулярной оси сверла. Заточка таких сверл значительно сложнее, чем спиральных сверл. Для обеспечения хорошего дробления стружки и транспортирования ее из отверстия применяют спиральные быстрорежущие сверла с канавками для 25 внутреннего подвода СОЖ. Они выпускаются диаметром 10...30 мм, но имеют большую трудоемкость изготовления [65]. При сверлении глубоких отверстий возникают большие трудности с обеспечением заданного допуска на увод оси отверстия, под которым понимается отклонение центра выходного отверстия (конца отверстия) от заданной чертежом осевой линии отверстия. Одним из эффективных способов уменьшения увода оси отверстия является применение схемы одностороннего резания с определенностью базирования инструмента (рисунок 1.6). Рис. 1.5. Спиральные сверла для сверления глубоких отверстий [46]: а –четырехленточное с длинным хвостовиком; б – шнековое; в – с внутренним напорным охлаждением Конструкция инструмента предусматривает такое расположение и геометрию режущих кромок, при которых возникает неуравновешенная 26 радиальная составляющая силы резания 𝑅𝑌𝑍 = √𝑃𝑌2 + 𝑃𝑍2 , прижимающая опорные элементы корпуса к обработанной поверхности отверстия. По схеме одностороннего резания работают пушечные и ружейные сверла, эжекторные сверла, сверлильные головки типа ВТА. Они могут иметь одну или несколько режущих кромок, но обязательным является условие, чтобы равнодействующая сила RYZ проходила между опорными пластинами. Рис. 1.6. Схема сил, действующих на сверло одностороннего резания с определенностью базирования в плоскости, перпендикулярной оси сверла[65]: 1– Режущая пластина; 2 – направляющие (опорные) пластины; 3 – корпус сверла; 4 – обработанное отверстие На увод оси отверстия значительное влияние оказывает кинематика процесса сверления, которое может осуществляться по трем схемам: 1) заготовка неподвижна (или совершает движение подачи), вращается сверло; 2) заготовка и сверло вращаются в противоположных направлениях; 3) вращается заготовка, а сверло совершает движение подачи. Наименьший увод оси наибольший — при первой. наблюдается при второй схеме сверления, 27 Пушечные сверла (рисунок 1.7, а) [46] в настоящее время применяются редко, так как не обеспечивают непрерывный отвод стружки, имеют низкую поперечную жесткость, работают с большой шириной срезаемого слоя, склонны к вибрациям. Рис. 1.7. Сверла одностороннего резания для сверления глубоких отверстий [46]: а – пушечное (d =3...36 мм); б – ружейное (d = 1...30 мм); 1 – режущая часть; 2 – стебель; 3 – хвостовик Ружейные сверла (рисунок 1.7, б) имеют внутренний канал для подвода СОЖ и наружную канавку для отвода стружки и СОЖ (пульпы). Их применяют 28 для сверления отверстий диаметром d = 1...30 мм, глубиной (5...100)d на специальных станках в крупносерийном и массовом производстве. Ружейные сверла обеспечивают точность JT 8–9 и шероховатость поверхности Ra = 0,32...1,25 мкм. Ружейное сверло имеет режущую часть 1 в виде твердосплавного наконечника с отверстиями для подачи СОЖ, трубчатый стебель 2 из конструкционной стали с V-образной канавкой, полученной методом пластического деформирования, и цилиндрический хвостовик 3 для крепления на станке. На передней части (торце) трубчатого стебля (стержне) фрезеруется паз, в который устанавливается и припаивается твердосплавная пластинка. Геометрические параметры режущей части ружейного сверла приведены на рисунке 1.7, б. Для снижения составляющей силы резания РY главная режущая кромка делается ломаной, т. е. из двух полукромок с углом в плане 20 и 30˚. Важным параметром геометрии сверла является размер m, который должен быть больше 2S (где S — подача на один оборот сверла), чтобы исключить врезание торцов направляющих пластин в дно отверстия. При настройке операции сверления необходимо обеспечить соосность шпинделя станка и сверла 0,01 мм, а также соосность кондукторной втулки и шпинделя 0,005 мм. СОЖ должна быть на масляной основе с противозадирными присадками (S, CI, Р) для снижения трения направляющих пластин об обработанную поверхность и исключения вибраций. Ружейные сверла имеют малую поперечную и крутильную жесткость и плохо работают с большими подачами. Отвод СОЖ со стружкой осуществляется через отверстия в головке и стебле. Благодаря большой жесткости трубчатого стебля сверло может работать с большими подачами (в 2–4 раза большими, чем ружейное сверло), а стружка удаляется по внутреннему каналу и не повреждает обработанную поверхность отверстия. Однако при этой схеме сверления возникают трудности с удалением стружки через внутренний канал небольшого сечения и возможна закупорка канала стружкой. 29 При малых диаметрах сверл (рисунок 1.8, а) твердосплавные режущие и направляющие пластинки напаиваются непосредственно на трубчатый стебель, а при больших диаметрах – на головки, навинчиваемые на стебель (рисунок 1.8, б, г) [46]. Рис. 1.8. Сверлильные головки ВТА [46]: а – однокромочное сверло с напайной Т-образной твердосплавной пластиной (d = 6... 18 мм); б – однокромочная напайная головка (d = 18.. .30 мм); в – однокромочная головка с механическим креплением режущих и направляющих пластин (d = 18... 65 мм); г – многокромочная напайная головка БТА (d = 18... 65 мм); д – многокромочная головка с механическим креплением режущих и направляющих пластин (d > 65 мм) 30 Головки бывают различных конструкций: однокромочные и многокромочные, перетачиваемые и неперетачиваемые, с напайными или сменными (при d ≥ 20 мм) режущими и направляющими пластинами. Они имеют толстостенный стебель кольцевого сечения большой жесткости. Проблема дробления стружки решается путем затачивания стружкодробящих уступов, создания сферических мелких лунок на СМП, деления стружки по ширине в многокромочных головках. На корпусе головки устанавливаются направляющие планки из твердой пластмассы, которые обеспечивают более устойчивое положение сверла в отверстии. Дробление стружки осуществляется путем заточки уступа на передней поверхности режущего лезвия или кинематическим методом (наложением колебаний на движение подачи сверла). 1.1.4 Способы подвода СОЖ в зону резания Эффективность влияния СОЖ на процесс резания зависит не только от ее свойств, но и от способа подвода СОЖ к зоне обработки. Конструкция системы ее подачи зависит от использования той или иной смазки (эмульсии). Способ смазки выбирается в зависимости от выпускаемого изделия [49]. Полив свободно падающей струей является старым, универсальным и достаточно надежным способом подачи СОЖ в зону резания. При охлаждении свободно падающей струей жидкость следует подводить непрерывной струей, начиная с момента врезания, а струю направлять в то место, где отделяется стружка. Это позволяет отводить наибольшее количество тепла. Скорость падения струи 60-80 м/мин, а расход жидкости зависит от вида обработки. Достоинствами метода является простота и надежность, а недостатками – сильное разбрызгивание жидкости при высоких скоростях резания; невозможность наблюдения за местом обработки; большой расход жидкости и ее постепенный нагрев. 31 При использовании напорно-струйного охлаждения СОЖ направляется под давлением 1,5 ‒ 2 МПа к режущей кромке резца со стороны его задней поверхности. Расстояние от отверстия до режущей кромки должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить рассеивание струи. Вследствие давления частицы жидкости интенсивнее проникают в микротрещины и зазоры зоны контакта. Этот способ охлаждения особенно эффективен для резцов из быстрорежущей стали. Их стойкость возрастает в 3 ‒ 7 раз по сравнению со стойкостью при охлаждении свободно падающей струей, и в 10 - 20 раз – при резании без охлаждения. К недостаткам этого метода следует отнести трудность обеспечения точного направления струи в зону резания, сложность защиты от брызг, необходимость оснащения станка специальным насосом. Охлаждение распыленной жидкостью. При этом способе охлаждения СОЖ с помощью сжатого воздуха распыляется и в виде тумана с высокой скоростью (до 300 м/с) подается в зону резания. Расход жидкости очень мало, а стойкость инструмента увеличивается в 2-4 раза по отношению к охлаждению свободно падающей струей. Кроме того, не требуется точное направление струи на зону обработки. Распыленная жидкость представляет собой прозрачную смесь мельчайших капелек жидкости с воздухом. Распыленная жидкость оказывает повышенное смазочное и охлаждающее действие. При сверлении отверстий стандартными спиральными сверлами на глубину l > 5d возникают трудности с подводом СОЖ в зону резания и удалением стружки из отверстия, в обеспечении прямолинейности оси отверстия, его размеров и формы в радиальном и продольном сечениях. Поэтому отверстия глубиной l > 5d относят к глубоким отверстиям, а их обработка ведется специальными сверлами и головками. С использованием сверла ВТД глубина отверстия может составить при вертикальном положении оси до 50 d, а при горизонтальном - до 100 d. 32 Эжекторные сверла можно использовать на универсальных станках и обрабатывать отверстия глубиной до 4000 мм [65]. Механизм действия распыленной СОЖ следующий. На выходе из сопла смесь воздуха и жидкости расширяется, следовательно, температура ее снижается. Распыленные частицы жидкости, попадая на разогретую поверхность металла, легко испаряются, интенсивно поглощая дополнительное тепло. Распыленная жидкость, имея меньшую вязкость, легче проникает в микротрещины. Охлаждающий и смазочный эффект увеличивается. Недостатком этого способа является слишком громкий свист истекающей струи воздуха. 1.2 Тепловые явления при резании металлов Теплота является одним из основных физических показателей процесса резания; она определяет оптимальные значения скорости резания, а следовательно, стойкость инструмента и производительность процесса резания. Резание материалов сопровождается появлением множества сложных процессов и явлений, таких, как разрушение кристаллической решетки металлического сплава, механическое взаимодействие компонентов системы резания, пластические и упругие деформации, формирование новой поверхности, теплообмен между компонентами и рассеяние энергии, коррозии, адсорбции под механическим напряжением, облучение элементарными частицами, появление поверхностных трещин и многие другие явления. В зоне резания металлов вследствие пластических деформаций и трения возникает теплота, которая оказывает влияние на коэффициент трения, характер наростообразования, износ инструмента, качество обработанной поверхности и другие показатели процесса [40]. При обработке металлов резанием возникают источники теплоты как результат превращения механической энергии в тепловую. Распространение теплоты этих источников в обрабатываемом предмете, инструменте, стружке и 33 окружающей среде представляет собой сложный физический процесс. Если тем или иным путем установить температурное поле в обрабатываемой детали, то можно определить деформации и напряжения, возникающие под действием теплоты, наметить пути снижения этих деформаций и напряжений, содействуя тем самым повышению точности изделий в процессе производства и, что самое важное, повышению надежности и долговечности их в процессе эксплуатации. Исследования показывают, что между температурой контактных поверхностей инструмента и износом этих поверхностей имеется достаточно ясно наблюдаемая связь. Нахождение связи между условиями резания и температурой контактных поверхностей инструмента позволяет формулировать требования к материалам режущих инструментов в отношении их твердости в нагретом состоянии и инертности к взаимному диффузионному растворению с обрабатываемым материалом. Сложные физические явления в процессе резания тесно связаны между собой. Возникая как результат трения и деформации, температура резания и теплота, в свою очередь, оказываются влияние трения на контактных поверхностях инструмента и на ход процесса деформации обрабатываемого материала. Поэтому температура резания занимает важное место среди других факторов, определяющих условия образования или исчезновения нароста, качество обработанной поверхности, остаточные напряжения, прижоги и трещины в поверхностных слоях деталей. Для различных металлов и сплавов выход тепла различен и зависит он от физико-механических свойств металла, условий деформирования и скорости деформации. Скорость деформации оказывает большое влияние на температуру деформированного металла. Основными причинами возникновения тепла в зоне стружкообразования являются: пластическое деформирование (внутреннее тепло); трение на передних и задних поверхностях инструмента (внешнее тепло). Процесс резания металлов всегда сопровождается выделением значительного количества тепла, вследствие чего деталь, режущий инструмент и 34 стружка нагреваются. Повышение температуры в зоне резания происходит в результате превращения затрачиваемой на процесс резания механической энергии в тепловую. Считается, что вся работа, затрачиваемая на процесс резания, переводится в тепло. Эту работу подсчитывают как произведение силы резания Рz на скорость резания v: A = Pzv. В первом приближении общее количество тепла, выделяемого при этом, можно найти по формуле[66]: 𝑄= 𝐴 𝑃𝑧 𝑣 = 427 427 где Q – количество теплоты в кал/мин; 427 – механический эквивалент тепла в кг·м/кал. В принципе не вся работа резания обращается в теплоту: незначительная часть ее превращается в потенциальную энергию. Поэтому более правильно формулу выразить так: 𝑄= 𝐴 𝑃𝑧 𝑣 = 𝛼 , 427 427 0 где α0 – коэффициент. На основании количество тепла, образующегося при резании, определяется тремя источниками тепловыделения, соответствующим трем зонам, в которых совершается механическая работа (рисунок 1.9). Рис. 1.9. Источники образования тепла в зоне резания [66] 35 Тепло деформации Qд образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига; тепло трения Qmп на передней поверхности – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной C; тепло трения Qmз на задней поверхности – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом шириной C2. Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом. При этом устанавливаются следующие тепловые потоки (рисунок 1.10): в стружку, инструмент и деталь. Рис. 1.10. Потоки тепла в стружку, инструмент и деталь[66] Часть тепла деформации Qдс от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Qmп − Qп , где Qп − тепло, уходящее в инструмент. В результате интенсивность теплового потока в стружку определяется: Qc = Qдс +Qтп - Qп. Часть тепла деформации Qд дет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Qmз − Qз , где Qз − тепло, уходящее в инструмент. В результате суммарный тепловой поток в деталь можно представить формулой: Qдет = Qддет + Qтз - Qз. 36 Температурное поле режущего инструмента определяется тепловым потоком: Qи = Qп + Qз. Расход тепла, образовавшегося при резании, можно выразить уравнением, называемым уравнением теплового баланса: Q = Qс + Qдет + Qи + Qср, где Qср − количество тепла, уходящего в окружающую среду[66]. Тепло, выделяющееся за счет деформации и трения, также распределяется неравномерно при обработке различных групп металлов и при различных скоростях резания. Доля тепла, выделяющегося за счет деформации, уменьшается с увеличением скорости резания. Максимальная температура в зоне резания находится в тонких поверхностных слоях контакта трущихся тел – инструмент, деталь, стружка. Состояние и распределение температуры в зоне резания называется температурным полем. Известно, что температурный режим глубокого сверления является одним из главных факторов, лимитирующих производительность обработки, точность межосевого расстояния получаемых отверстий и увод оси режущего инструмента. Для того чтобы выбрать материал режущей части инструмента, его геометрию и режимы резания, необходимо определить температуры, возникающие при резании. Теоретически определить температуру в различных точках пространства температурного поля очень трудно. Предлагаемые для этих целей уравнения сложны и не полностью отражают действительную картину распределения тепла. Поэтому для практических целей применяются в основном эмпирические уравнения, которые приближенно отражают физическую сущность явлений и позволяют судить о температуре резания в зависимости от условий обработки [1]. 37 С точки зрения работоспособности инструмента наибольший интерес представляет не столько общее количества тепла, переходящего в резец, заготовку и стружку, сколько высокая местная концентрация температуры в тонких поверхностных слоях контакта этих тел. Повышенная температура в тонких слоях поверхностей трения инструмента снижает его износостойкость, а в отдельных случаях делает и совсем неработоспособным. Отсюда необходимо так управлять тепловыми явлениями, чтобы выделяющееся тепло облегчало процесс деформации и не перегревало инструмент. Рис. 1.11. Схема температурного поля в зоне резания [31] Основными свойствами, обусловливающими различия режимов механической обработки пластмассы и металлов, являются температура плавления, теплопроводность и жесткость материала. Тепло, выделяемое в процессе резания, влияет на износ инструмента, на его стойкость и качество обрабатываемой поверхности. Пониженная теплопроводность затрудняет отвод тепла из зоны резания; это повышает интенсивность износа инструмента, вызывает явления налипания и схватывания, разрушает режущий клин. 38 Количество выделяющейся в процессе резания теплоты эквивалентно затраченной работе. Рост температуры имеет не только положительные влияния, но и отрицательные. Положительные влияния проявляются как повышение вероятности перехода материала в область пластического резания и снижение сдвиговой прочности при пластической деформации материалов. Отрицательными факторами являются ускорении диффузионного и усталостного изнашивания инструмента. Повышение температуры из-за интенсивного нагрева рабочего инструмента за счет трения обуславливает невозможность обеспечения сохранности замороженных и летучих компонентов в отбираемых образцах. В зависимости от геометрии инструмента, режимов резания, свойств обрабатываемого металла, температура резания может колебаться в широких пределах – от нескольких десятков градусов до 1000 ˚С и выше. Вследствие этого отрицательное влияние тепловыделения действует на заготовку[1]. Тепло, образующееся при резании, распределяется между стружкой, деталью и инструментом весьма неравномерно. Под действием температуры, равной 0,4 от температуры плавления, начинается диффузия атомов с поверхности, формируются газообразные соединения. Повышение подвижности атомов приводит к выходу атомов на границу срезаемого слоя после прохода сверла, а также к снижению прочности и пластичности металла. Из-за температурных деформаций заготовки, приспособления, режущего инструмента и станка, уменьшается точность и качество обработки. 39 Краткие выводы по главе 1 1. Показано, что СОЖ является неотъемлемым элементом процесса глубокого сверления и выполняет ряд функций: вывод стружки, охлаждающий, смазывающий и другие функции. 2. Поскольку процесс глубокого сверления протекает при повышенных температурах, возможно образование продуктов термоокислительной деструкции СОЖ и других опасных для здоровья работников и окружающей среды компонентов. Поэтому необходимо иметь данные о СОЖ и ее молекулярном составе. 40 Глава 2. Масляная СОЖ для глубокого сверления 2.1 Общие сведения о масляной СОЖ Выбор смазочно-охлаждающих жидкостей и технологических смазок зависит от типа оборудования и изделия [6, 73]. СОЖ не должна вызывать коррозии обрабатываемого материала, деталей станка и инструментов. СОЖ должна быть по возможности более стабильной, т.е. с течением времени и под действием различных загрязнений не подвергаться химическому и бактериологическому разложению. При минимально необходимой скорости потока СОЖ, отвод стружки надежно обеспечивается с помощью кинетической энергии потока, которая будет достаточна для движения стружки вдоль отводных каналов. Минимально необходимый расход СОЖ определяется минимально необходимой скоростью СОЖ и выбранной площадью поперечного сечения отводного канала для СОЖ и стружки. В свою очередь расход СОЖ и ее вязкость можно определить (при выбранной их протяженности, форме каналов и площади) давлением СОЖ и мощностью, которая затрачивается на прокачку СОЖ по каналам подвода отвода, по формуле [77]: N0 = 103ρQ, где N0 – мощность, которая затрачивается на прокачку СОЖ, кВт; Q – расход СОЖ, м3/с; ρ –давление подаваемой насосом СОЖ, МПа. В зависимости от длины и диаметра обрабатываемого отверстия расход СОЖ обычно составляет 0,001-0,009 мЗ/с при ρ = 10 ÷ 0,5 МПа в процессах глубокого сверления (растачивания). Затраты мощности на прокачку для указанных диапазонов ρ и Q могут составлять 6-10 кВт, а в некоторых случаях могут превышать затраты мощности на резание, поэтому очень важно снизить 41 затраты мощности на подвод СОЖ и отвод стружки. Использование маловязких СОЖ - это один из способов снижения затрат мощности, что положительно влияет также на снижение её потерь в виде отходов вместе со стружкой и ее очистке (фильтрации). Но выбрать вязкость СОЖ только на основе снижения её потерь со стружкой и сокращения затрат мощности не следует потому, что она сказывается на процессе обработки ( в частности, благотворно сказывается на условиях работы направляющих элементов). Таким образом, исследования[77] показали, что уменьшение вязкости ниже (8 ÷ 10) 10-6 м2/c при определенных давлениях может привести к исчезновению СОЖ и пленки смазки под направляющими элементами, а это в свою очередь может привести к повышению трения на направляющих, появлению или усилению колебаний инструмента, его износу и поломке. При использовании СОЖ с вязкостью менее (8 ÷10) 10-6 м2/c повышаются утечки через зазоры в насосе, что при высоких давлениях может приводить к сильному уменьшению их скорости расхода. Хорошие моющие свойства СОЖ способствуют успешному отводу частиц износа инструмента и стружки. Снижение сил трения и резания получают вследствие применения смазочных свойств СОЖ, а также свойств для облегчения резания, за счет эффекта П. А. Ребиндера[77]. Путем добавления соответствующих присадок и ПАВ (поверхностно-активных веществ) в СОЖ создаются эти свойства. Хлор, сера, и фосфор используются в качестве присадок в отечественной и зарубежной практике. При операции обработки глубоких отверстий охлаждающие жидкости попадают в зону резания под давлением, проникают в микротрещины и микрощели в области стружкообразования, взаимодействуют с материалом заготовки и инструмента, формируя пленки на их поверхностях, экранирующих трущиеся поверхности. Химические пленки выдерживают высокую температуру (сульфидные не разрушаются до температуры 1000˚С, фосфатные – до 700˚С и хлоридные – до 500˚С) и высокие нормальные давления. Однако эти пленки 42 обладают низким сопротивлением сдвигу, которые снижают коэффициент трения. Все присадки способствуют появлению определенных пленок, образующихся и сохраняющихся при вполне определенных условиях, которые являются последствием совокупного влияния несколько факторов. Активность определенной присадки повышается в присутствии другой. Появление различных видов трения в разных областях контактирующих поверхностей элементов обрабатываемого обусловлено инструмента наличием разных и направляющих условий режущих функционирования инструмента. Это достигается путем использования СОЖ с необходимой вязкостью и хорошими смазывающими свойствами. Действие СОЖ по снижению сил трения и резания легко исчисляет суммарный крутящий момент МК (момент от сил трения и резания на направляющих) и суммарное осевое усилие (сумма осевых составляющих сил трения и резания на направляющих). В соответствии с этими критериями проведенное сравнение ряда отечественных СОЖ при сохранении постоянными всех других параметров процесса показало, что затраты энергии на трение и резание в значительной степени зависят от совокупности свойств отработанных СОЖ. Каждая СОЖ имеет свою зону оптимальных температур, и для большинства СОЖ затраты энергии на трение циркулирующей и СОЖ. резание Зона изменяются оптимальной с колебанием температуры температуры циркулирующей смазочно-охлаждающей жидкости соответствует оптимальным условиям для существования оптимальной вязкости и химических пленок, при которых необходимо сохранить контактно-гидродинамическую смазку. Поддержание температуры циркулирующей СОЖ от 30 до 50 ˚С рекомендуется для снижения энергетических затрат[77]. В процессе глубокого сверления снижение тепла с помощью СОЖ достигается попутно, наряду с отводом стружки, являющейся первичным назначением СОЖ. При циркуляции большого объема смазочно-охлаждающих жидкостей в единицу времени вызывается ее нагрев. И снижение тепла 43 достигается предпочтительно потоком СОЖ и за счет конвективной теплоотдачи между нагретой поверхностью инструмента и заготовкой. Поток СОЖ, скорость перемещения, теплопроводность и расход СОЖ, разность температур в охлаждаемых поверхностях влияют на интенсивность снижения тепла. При глубоком сверлении и растачивании следует использовать теплообменники, чтобы поддержать оптимальную температуру СОЖ в станке. А перед выполнением операции глубокого сверления и растачивания следует прогреть циркулирующую СОЖ до 25 – 30 ˚С. Из-за нестабильности процесса резания и поломок инструмента, при температурах СОЖ меньше 20 ˚С, сверление отверстий диаметром до 30 мм, с отношением l/d0 ≈ 100 практически невозможно. При достижении температуры выше 50 – 60 ˚С происходят интенсивные колебания инструмента и испарения СОЖ и могут ухудшаться санитарно-гигиенические условия, возможно возгорание паров СОЖ. И вследствие усиления окисления СОЖ она теряет свои свойства. В отечественном и зарубежном деле масляные СОЖ и реже – водные эмульсии минерального масла в основном используются при глубоком растачивании и сверлении. При сравнении охлаждающих свойств, эмульсии обладают лучшими, чем масляные СОЖ, но менее стабильными при хранении, легко поражаются микроорганизмами, теряют свои операционные свойства и они не позволяют прониканию масла из системы смазки станка. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо проследить за стабильностью состава и сохранением свойств эмульсии и др. При обработке глубокого отверстия широко используются масляные СОЖ. До недавнего времени, в процессе обработки использовались сульфофрезол (ГОСТ 122-54) - осерненное минеральное масло с коричневым цветом, которое состоит из шпиндельного масла с добавлением серы в свободном состоянии и в виде химического соединения (не менее 1,7 %) и нигрола (до 20 %). Керосин (до 10 %) или дизельное топливо часто добавляется, чтобы снизить вязкость, но температура вспышки практически не снижается. Сульфофрезол обладает 44 высокой токсичностью, и органы здравоохранения РФ ограничивают его применение. Известно[65], что при использовании масляных СОЖ, в составе которых имеются хлорсодержащие химические вещества, возможно появление межкристаллитной коррозии аустенитной стали. Такие СОЖ нельзя использовать при обработке глубоких отверстий в оборудовании атомных электростанций[65]. При сверлении глубоких отверстий возможно применение лишь небольшого количества марок СОЖ, что связано с особой спецификой процесса. До сравнительно недавнего времени основным заменителем сульфофрезола при обработке растачивания и глубокого сверления коррозионно-стойких и легированных конструкционных сталей была определена СОЖ марки МР-3. Это светло-коричневое маловязкое минеральное масло, в котором содержатся фосфор и примеси серы. В современных условиях отдельные фирмы и организации представляют для глубокого сверления как указанные выше, так и иные марки СОЖ, показывая свое видение процесса. Естественно, изготовители дают и свою характеристику всей производимой ими продукции, и свои рекомендации. Для каждой конкретной СОЖ зона оптимальных температур с точки зрения минимума Р0 и Мк может смещаться в зависимости от подачи. Чтобы вести процесс обработки при оптимальных температурах, необходимо для конкретной СОЖ и принятых режимов резания знать границы оптимальной зоны, которые желательно определять экспериментально до начала выполнения операции. Кроме рассмотренных функциональных свойств, СОЖ не должна вызывать коррозию поверхностей деталей оснастки и оборудования, обладать низкой стоимостью и быть безопасной для рабочих, которые выполняют операцию глубокого сверления. СОЖ необходимо обеспечивать расширение стойкости инструмента, и для этого должно сделать очистку СОЖ от частиц износа инструмента и маленьких частиц стружки. Очистка должна обеспечивать улучшение качества обработанной поверхности. Различные фильтры и магнитные 45 сепараторы применяются при очистке СОЖ, а также проводится периодическая очистка емкостей от отстоя, которые образуются при неработающих станках[77]. В работах Е.С. Киселева [40, 41] отмечается, что для интенсификации процессов, которые происходят в зоне резания, необходимо использовать энергию ультразвукового поля. При этом эксплуатационные действия СОЖ усиливаются и существенно влияют на производительность и качество поверхностного слоя обработанной детали. В зоне резания кавитации СОЖ может в корне изменить условия для формирования новых поверхностей [78]. 2.1.1 Характеристики и экологические свойства масляных СОЖ В процессе глубокого сверления, масляные СОЖ играют большую роль, поэтому проведен анализ их экологических состав, требований к ним, областей применения, а также методов их оценки. В работе [45] показывается важность унификации СОЖ для резания металлов. На заводе-потребителе рабочие растворы масляной СОЖ можно приготовить непосредственно из концентрата присадки, являющейся наиболее применительным для унификации по мнению авторов[45], путем растворения концентрата в минеральные масла. Представитель такого типа СОЖ - MP-99, которая представляет собой нефтяное активированное противозадирными масло селективной очистки, и противоизносными присадками с содержанием серы - не более 3,5 - 5 %, хлора - не более 1,3 %. В зависимости от типа процессов режимов резания, обрабатываемых материалов и др. меняются концентрации рабочих растворов (от 5 до 70%). По мнению авторов [45], многообразие СОЖ, которые применяются на процессах лезвийной обработки легированных и конструкционных сталей, можно заменить использованием СОЖ MP-99 с улучшением санитарно-гигиенических условий труда, уменьшением шероховатости обработанных поверхностей, повышением режущего инструмента. 46 Воздействие СОЖ на окружающую среду может привести к токсическому воздействию на людей в непосредственном контакте с СОЖ, пожароопасности, загрязнению атмосферы, образуя дым и масляный аэрозоль. В результате утечек, практически СОЖ может попасть в воду и почву. Масляные СОЖ имеют низкие биоразлагаемости, вследствие чего может надолго привести к загрязнению окружающей среды[58]. 1) Токсичность При воздействии СОЖ на организм кожа, нервно-сосудистая система и бронхолегочный аппарат являются наиболее ранимыми. Поражения кожи (дерматиты, масляные фолликулиты) имеют большинство станочников, которые работают с СОЖ. Нефтяное масло, которое используется в качестве основы СОЖ, является одной из главных причин кожных заболеваний, которые возникают при работе с СОЖ. Если степень очистки базовых масел для смазочно-охлаждающей жидкости выше, тогда поражаемость кожи ниже. Отдельные случаи повышения заболевания кожи работников на машиностроительных заводах может объяснить только с помощью использования в композитных отечественных СОЖ серии ЛЗ, МР и ОСМ плохо очищенных нефтяных масел[58]. Тем не менее поражения кожи, за счет действия смазочно-охлаждающей жидкости зависят не только от степени очистки. Нарушение правил эксплуатации жидкостей и гигиенических требований, присадки, вредные примеси, которые присутствуют в СОЖ, являются причинами профдерматитов. Оценка токсичности необходима, чтобы установить совокупность свойств СОЖ, которые определяются возможностью вредного воздействия на человека при реальных условиях применения и производства, и разработать защитные и предупредительные мероприятия. При однократном повторном поступлении СОЖ в организм оценены токсичность СОЖ качественно и количественно по коэффициенту накопления, смертельному эффекту, сенсибилизирующему и кожно-резорбтивному действию. хроническому, 47 Присутствие хлорсодержащих присадок, являющихся одним из нежелательных компонентов, повышает токсичность СОЖ. Даже концентрация хлора в СОЖ менее 0,2% вызывает ряд проблем, которые связаны с применением и утилизацией смазочно- охлаждающей жидкости. Вследствие попадания воды в хлорсодержащую СОЖ существует риск образования высокотоксичных веществ, например - диоксинов. Даже при сжигании отработанных СОЖ, в которых содержитcя хлор, имеется такая опасность[20]. Следует отметить, что масляные СОЖ, в которых содержится хлор, не применяются в процессе глубокого сверления аппаратов атомного машиностроения. С установлением средней смертельной концентрации или дозы, определяется токсичность веществ. (СЛ50 или ДЛ50). Средней летальной дозой является количество вещества, которое вызывает гибель 50% от стандартной группы экспериментальных животных в течение эксперимента. Способностью СОЖ к накоплению определяется в значительной степени их опасность для человека, т.е. суммированию негативных последствий на организм повторных доз смазочно-охлаждающих жидкостей, когда поступит последующая доза в организм перед концом предыдущего действия. Зависимостью от их влияния на живой организм во время длительного воздействия в небольших концентрациях (дозах), определяют хронический эффект СОЖ. В результате определяются зависимость доза СОЖ – негативные последствия (эффект) и устанавливается селективность повреждения индивидуальных органов ( легких, печени, почек и др.) или систем( нервной, сердечно-сосудистой и др.). При однократных и повторных экспериментах на двух типах животных: морских винтах и породы шиншиллы или кроликах-альбиносах, производится исследование кожно-раздражающего эффекта СОЖ. По помощи наличия трещин, покраснения кожи, кровоизлияния и т.д. визуально определяются признаки раздражения кожи. Тем не менее по степени опасности кожно-резорбтивного 48 действия химические вещества можно разделить на четыре класса: чрезвычайно опасные (I класс); высокоопасные (II класс); умеренно опасные (III класс); малоопасные (IV класс). Из-за результатов оценки токсичности следует отметить, что некоторые масляные СОЖ являются малотоксичными продуктами. Канцерогенное действие СОЖ. Вредное воздействие масляных СОЖ на человека существенно снижается путем использования присадок и нефтяных масел с высокой степенью очистки в их составах, которые практически не содержат смол и полициклических ароматических углеводородов, вызывающих раковые заболевания [30, 32, 35]. Уделяется особое внимание бенз(а)пирену который очень часто присутствует в составах различных продуктов и имеет высокую канцерогенную активность, продуктов встречающихся на производстве и в быту [37]. Тем не менее, возможность вызывать канцерогенные (раковые) имеют многие ароматические углеводороды с конденсированными кольцами, например, перилен, хризен, 9,10-диметил-1,2-бензантрацен, их метальные производные и др[42]. Обнаружены[58] канцерогенные вещества не только в масляных СОЖ, но и в воздухе металлорежущих цехов, где они применяются. Таким образом количество смолистых веществ, содержащихся в СОЖ "Сульфофрезол", представляет 5,2%(мас.) (в свежем продукте), после ее использования 9,7%(мас.); но в случае 1,4-бензпирена, концентрация увеличивается от 5 нг/г до 10000 нг/г. 2) Пожароопасность Каждая из масляных СОЖ является огнеопасной. Данные вещества можно отнести к 3 и 4 классам огнеопасности в зависимости от их температуры вспышки (выше 120 °С и ниже 120 °С соответственно). Определяя огнеопасности СОЖ помимо класса опасности необходимо принимать во внимание также 49 температуру самовоспламенения, температуру вспышки, температурные пределы воспламенения паров в воздухе и температуру воспламенения. Кроме того, иногда проводятся ряд исследований, в которых имитируется реальные условия появления пожаров, такие, как воспламеняемость нефтепродукта в контакте с нагретыми до высоких температур металлическими поверхностями и воздействие искры короткого замыкания на воспламеняемость паров. Поскольку в процессе глубокого сверления и скоростного шлифования СОЖ подают под давлением, это может повредить трубопроводы системы подвода и отвода СОЖ, поэтому должно быть проведено определение воспламеняемости струи СОЖ, которые распыляются под давлением. Основные факторы воздействия, которые осуществляются технологической системой, в том числе СОТС, на персонал и окружающую среду: 1. Потребление ресурсов 1.1. Расход режущего инструменты. 1.2. Пожаро- и взрывобезопасность 1.3. Энергопотребление. 2. Воздействие на веществ газоаэрозольный смеси, которые выделяются в ходе процесса резания, воздух и атмосферу рабочей зоны. Поступление таких веществ в организм человека через дыхательные пути. 3. Поступление смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и продуктов их деструкции в сточные воды предприятия и почву. 4. Попадание СОТС и продуктов их термоокислительной деструкции в организм человека через кожу [87]. При обследовании 63 рабочих, контактирующих в течение рабочего дня с СОЖ МР-7 и имеющих стаж работы от 4 месяцев до 1,5 лет, кожные поражения выявлены у 54 из них (86%). В Англии было отмечено большое число бородавчатых разрастаний, папиллом и случаев рака кожи среди работавших с нефтяными смазочными маслами [79]. 50 2.2 Индустриальные масла В зависимости от назначения индустриальных масел, они делятся на 4 подгруппы (табл. 2.1), а по кинематической вязкости при 40 °С — на 18 классов (табл. 2.2). Деление масел по вязкости соответствует ISO 3448–75, а по назначению ISO 3498–79 и ISO 6743/0–81. Пример обозначения индустриального масла: И-Г-С-32 — индустриальное масло (И) подгруппы Г, подподгруппы С, класса вязкости 32. Другие важные свойства (например, сжимаемость и вязкость) непосредственно связаны с плотностью. Плотность имеет значительное влияние на передаваемую гидропередачей мощность и определяет количество энергии в масле в процессе его циркуляции. С целью уменьшения размеров гидропередачи при той же мощности применяются масла высокой плотности. Таблица 2.1 Подгруппы индустриальных масел по назначению Соответствие Группа подгруппы по Область применения ISO 6743/0–81 Легконагруженные узлы (шпиндели, подшипники и Л F Г Н Гидравлические инфраструктуры Н G Направляющие скольжения Т С Тяжклонагруженные узлы (зубчатые передачи) сопряженные с ними соединения) При повышении давления плотность масел возрастает вследствие их сжимаемости: 51 Давление, МПа 0,1 Плотность, кг/м3 35 105 140 885 895 920 930 Для индустриальных масел специального назначения дополнительно нормируют такие показатели качества, как липкость, смываемость, эмульгируемость, стабильность вязкости загущенных масел. степень чистоты и др. Таблица 2.2 Классы вязкости индустриальных масел по ISO 3448–75 Класс вязкости v40, мм2/с Класс вязуости v40, мм2/с 2 1,9–2,5 68 61–75 3 3,0–3,5 100 90–110 5 4,0–5,0 150 135–165 7 6,0–8,0 220 198–242 10 9,0–11,0 320 288–352 15 13,0–17,0 460 414–506 22 19,0–25,0 680 612–748 32 29,0–35,0 1000 900–1100 46 41,0–51,0 1500 1350–1650 Современная ситуация в России с сырьевой базой производства смазочных масел не очень благоприятная в связи с переработкой, в основном западносибирских нефтей с низким потенциалом высокоиндексных компонентов, с высоким содержанием полициклоаренов, подлежащих удалению. Хорошие 52 смазочные материалы производили в бывшем СССР из бакинских нефтей, высоким отбором масел характеризуются волгоградские и пермские нефти, перерабатываемые на нефтеперерабатывающих заводах компании «ЛУКОЙЛ». При гидрооблагораживании масляных фракций при давлении 4 – 7 МПа и температуре 360˚С степень обессеривания и деазотирования составляет около 70 и 40% соответственно. Для гидрирования ароматических углеводородов температура процесса должна быть более высокой (≥ 400˚C), при этом степень гидрирования аренов повышается до 30 %. В США и Западной Европе процесс гидрокрекинга получил широкое применение для производства смазочных масел высокого качества [13]. Доля индустриальных масел в общем объеме производства смазочных масел в бывшем СССР превышает 30%. Цифра, показывающая в марках всех индустриальных масел, является значением кинематической вязкости (сст) при 50˚С. В составе масла серии «И» не содержатся присадки. В качестве адсорбентов при очистке и сернокислотной доочистке очистке масел образуюся применяют кислые природные эфиры, глины. средние При эфиры, сульфокислоты. В работе [4] рассмотрены гидрокаталитические процессы, в том числе для гидрообессеривания. Некоторые авторы предлагают разделять потенциально токсичные элементы в нефтях на мало- или умеренно токсичные (Ir, Nb, Re, Rb, Sc, Ti, Y), токсичные (As, Co, Cr, Cu, Ni, Mn, Se, Ni, Ta, V, Zn) и высокотоксичные (Be, Cd, Hg, In, Mo, Sb, Sn, Te, Pb). Вследствие переноса воздушными потоками высокодисперсные частицы или газы, содержащие потенциально токсичные элементы, могут переноситься на очень большие расстояния от источника их образования [81]. При изучении характеристик и особенностей индустриальных масел и СОЖ было определено, что наиболее вредными компонентами являются полициклические арены, в связи с чем необходимо было ознакомиться с общей информацией о полициклических аренах, источниками их поступления в 53 окружающую среду, и их канцерогенностью. Учитывая возросшие требования к экологичности и безопасности технологического процесса, присутствие в СОЖ особо опасных канцерогенных полициклических аренов, например, 3,4- бензпирена, признано недопустимым. 2.3 Способы минимизации воздействия СОЖ и индустриальных масел на окружающую среду и человека Принятый в скандинавских странах (Швеция, Норвегия и др.) знак «Белый лебедь» (White Swan) объявлен как нейтральная, независимая и первая в мире многонациональная схема экомаркировки. Этого экологического знака качества могут быть удостоены только продукты, удовлетворяющие жестким экологическим требованиям, на основании объективных оценок, в том числе и СОЖ для металлообработки [61]. Одним из таких способов является применение биоразлагаемых смазочных масел; наиболее значительный рынок последних в настоящее время имеется в ФРГ. Возрастающим экологическим требованиям соответствуют также поли-αолефиновые масла [90]. Эффективным способом минимизации воздействия СОТС на окружающую среду и человека является такое микрокапсулирование СОТС [12, 67]. На примере использования магнитных микрокапсул индустриального масла с присадками йода в работе [68] рассмотрена возможность использования жидких кристаллов в качестве компонентов СОТС при лезвийной обработке металлов. Установлено, что использование жидких кристаллов в виде микрокапсул может значительно расширить интервал температур, при которых жидкие кристаллы, используемые в качестве компонентов СОТС, дают максимальный эффект. При этом повышается экологическая чистота и безопасность при использовании СОТС. 54 2.4 Полициклические арены С точки зрения эколого-аналитического мониторинга суперэкотоксикантов интeрес представляют и полициклические арены из-за их высокой биологической (в частности, мутагенной и канцерогенной) деятельности [42]. Формирование и поступление полициклических аренов в окружающую среду значительно влияет на антропогенные факторы (сжигание топлива, промышленность, транспортные выхлопы и др.), и высокотемпературные процессы, происходящие в природе (вулканическая деятельность, лесные пожары) [20]. Поскольку высокочувствительные методы анализа активно используются в последнее время, обнаружены гетероциклические аналоги, иногда более канцерогенные, чем исходные соединения, в окружающей среде наряду с их незамещенными полициклическими аренными. Полициклические арены - это органические соединения, содержащие бензольное кольцо в качестве основного элемента. Помимо незамещенных полициклических аренов, имеется большое количество полициклических соединений, в кольце или в боковой цепи которые содержатся разные функциональные группы (амино-, нитро-, альдегиды, кетоны, эфиры, сульфопрoизводные и др.). Большая часть полициклических аренов являются кристаллическими соединениями (кроме случаев некоторых производных нафталина) с высокой температурой плавления (табл. 2.3). В таблице видно, что полициклические арены плохо растворяются в воде. При наличии в органических растворителей растворимости полициклических аренов увеличиваются и зависят от молярной массы. Как правильно, растворимость полициклических аренов уменьшается, в результате повышения количества алкильных радикалов и ароматических колец. Нитропроизводные, многие из которых являются прямыми канцерогенами, образуется из полициклических аренов вследствие присутствия оксидов азота. Исследования показали, что температура и концентрация NOх в атмосфере 55 значительно влияют на образование нитросоединений. Полициклические арены легко взаимодействуют с сильными окислителями. Так, на взаимодействие полиароматических углеводородов с NО2, О3 и другими оксидантами, можно влиять путем присутствия некоторых мутагенов в окружающей среде. В отличие от превращений полициклических аренов в атмосфере, важным путем их удаления из водных сред является биологическая деградация. Обнаружено, что микрофлора сточных вод может уничтожить до 40% полициклических аренов, в частности бенз(а)пирен [20]. Следует заметить, что многие полициклические арены, которые хорошо растворяются в воде, не являются канцерогенами, но в результате действия УФ-излучения могут переходить в остро токсичные соединения для водных организмов. Микроорганизмы также способны окислять полициклические арены в почве. Таким образом, в почвах, имеющий рН = 7,2, в течение первых 10 дней разрушается только от 18 до 80% внесенного бенз(а)пирена, но в то время как в почвах, имеющий рН = 4,5 - от 95 до 99% [20]. Такие факторы, как температура, ферментативная активность микроорганизмов, метаболизм в растениях, играют значительную роль в процессе самоочищения почв от полициклических аренов. В северных районах этот процесс протекает медленнее, чем в южных. Канцерогенность - это один из основных показателей токсичности полициклических аренов. Бенз(а)пирен и 1,2,5,6–дибензантрацен обладают наибольшей канцерогенной активностью, среди обычного набора незамещенных ароматических углеводородов, которые содержатся в воде и других природных средах. Большое количество нитропроизводных полициклических аренов имеет канцерогенная активность, (например, l-нитропирен являющийся токсичным канцерогенным и мутагенным веществом) [20, 42]. Следует представителей заметить, что биологическая полициклических аренов деятельность зависит не определенных только от продолжительности воздействия и их концентрации, экологического состояния в 56 целом, но и от индивидуальных особенностей организма. Она определяется также погодными и климатическими, физико-географическими условиями. Присутствие полициклических аренов в поверхностных водах указывает на угрозу для здоровья [20]. Образование и выбросы нефтеперерабатывающей полициклических промышленности аренов связываются с в процессами утилизации высококипящих изделий, преимущественно кубовых остатков и битумов. Установки по производству кокса и термическому крекингу, являются основными источниками канцерогенов[20]. В последние годы отмечается незначительное снижение поступления полициклических аренов в окружающую среду. В принципе, оно происходит путем принятия мер по ограничению токсичности транспортных и промышленных эмиссий, а также сокращения сжигания угля [42]. Фоновые содержания бенз(а)пирена в атмосфере крупных регионов мира в 80-ых годы ХХ веке показаны в табл. 2.3. В осадках наибольшая вблизи концентрация крупных промышленных бенз(а)пирен и тесно центров связана с обнаружена концепцией полициклических аренов воздуха в тех регионах, где они выпали. Концентрация полициклических аренов в поверхностных водах часто достигается высокими значениями. Аналогично донным отложениям, почва является местом накопления полициклических аренов в результате глобального переноса и поступления из антропогенных источников. Фоновые концентрации полициклических аренов в почвах сильно зависят от их типа и характера использования. Обычно содержание бенз(а)пирена в поверхностном слое почвы в сельских районах, удаленных от промышленных центров, не превышает 5-8 нг/г сухого веса [42]. Значительное количество полициклических аренов образуется при курении. Основной источник поступления полициклических аренов в организм человека – пища, где полициклические арены образуются, прежде всего, при жарении и 57 копчении. Кроме того, полициклические арены могут попадать в пищу из воздуха и воды. Также полициклические арены аккумулируются органами и тканями водных организмов. Таблица 2.3 Фоновые концентрации бенз(а)пирена в атмосферном воздухе различных регионов мира [42] Регион Диапазон Средняя концентраций концентраций нг/м3 нг/м3 Северная Америка 0,01 - 2,2 0,3 Западная Европа 0,01 - 5,0 0,5 Восточная Европа 0,04 - 5,0 0,5 0,2 - 1 0,4 Азиатская территория СНГ 0,1 - 0,4 0,2 Арктика 10-4 - 10-3 0,002 Антарктида 10-4 - 10-3 0,001 Атлантической океан 10-3 - 10-2 0,003 Тихий океан 10-3 - 10-1 0,01 Индийский океан 10-3 - 10-2 0,005 Европейская территория СНГ Практически все компоненты, входящие в состав продуктов их термоокислительной деструкции, а также СОЖ, имеют ПДК. СОЖ, являющиеся сложными смесями, могут оказывать неблагоприятные воздействия на здоровье человека. Поскольку на основе теоретического анализа это воздействие достоверно прогнозировать затруднительно, токсикологическая оценка СОЖ 58 является обязательным этапом при определении их опасности. В зависимости от токсикологической оценки определяются LD 50, LC50, класс опасности, сенсибилизирующие и мутагенные свойства, способность раздражать слизистые и кожу. Итак представляет значительно интерес определение молекулярного состава индустриальных масел для того, чтобы находить отдельные соединения - потенциальные загрязнители окружающей среды, которые являются необходимыми при проведении производственного экологического мониторинга [84]. Большинство органических веществ обладает опасностью для природной среды. Наиболее сильные канцерогены в нефтяных маслах представляют собой олефины (1...10 мг/м3), ароматические углеводороды (ПДК 0,01.. 100 мг/м3), а также соединения азота, кислорода и серы. 2.5 Фенолы Во всех отраслях производных фенолов: промышленности имеется широкое применение в производстве поверхностно-активных и дубильных веществ, стабилизаторов, лаков и красок, пластификаторов, антисептиков, ядохимикатов, синтетических смол и др. [18, 83]. Вследствие этого они обеспечивают более высокое фоновое содержание в окружающей среде по сравнению с другими наиболее распространенными классами приоритетных органических загрязнителей. Низшие представители гомологического ряда фенолов, растворяющиеся в воде, составляют многоатомные фенолы. На воздухе фенолы постепенно окисляются с образованием менее токсичных продуктов окисления. В зависимости от их природы меняется токсичность фенолов; наряду с увеличением количества алкильных заместителей в ядре и длины, как правило, уменьшается токсичность (табл. 2.4), но увеличивается способность к 59 накоплению в живых организмах и персистентность[56]. Поэтому нонилфенолы и октилфенолы входят в число персистентных органических загрязнителей. Токсичность фенолов повышается в присутствии галогенов. Хлорфенолы поступают в окружающую среду в основном из-за загрязнения почв и водоисточников хлорированными фенольными пестицидами или с промышленными выбросами и сбросами, содержащими хлорфенолы, а также в процессе водоподготовки при хлорировании питьевой воды, недостаточно очищенной от фенолов. Таблица 2.4 Физико-химические и санитарно-гигиенические характеристики некоторых фенолов [56] Температура, ˚С Соединение Растворимость ПДКвод, ПДКвоз* плавления кипения в воде, г/л мг/л мг/м3 Фенол 40,9 181,8 67 0,001 0,003 2-Метилфенол 30,9 191 31 0,003 0,02 3-Метилфенол 11,0 203 ‒ 0,004 0,028 4-Метилфенол 31,8 202 ‒ 0,004 0,02 2,5-ДиМетилфенол 74,8 211 ‒ 0,25 0,01 2,6-ДиМетилфенол 45,6 201 ‒ 0,25 0,01 3,4-ДиМетилфенол 65,1 227 ‒ 0,25 0,01 3,5-ДиМетилфенол 63,3 211 – 0,25 0,01 2-Хлорфенол 7,0 176 20,2 0,001 0,02 4-Хлорфенол 49,9 217 20,0 0,001 0,003 2,4-Дихлорфенол 45,0 210 0,46 0,002 0,012 2,4,6-Трихлорфенол 67,0 246 0,8 0,004 0,003 Пентахлорфенол 191,0 309 0,03 0,03 0,02 * Среднесуточная или ОБУВ. 60 Воздействие пентахлорфенола в условиях производства даже в невысоких дозах приводит к поражению печени и почек [56]. Под влиянием внешних факторов хлорфенолы конденсируются в воде, образуя полихлорированные дибензо-и-диоксины предшественники и дибензофураны. диоксинов Непосредственные представляют собой структурные соединения ряда 2- феноксифенола, которые часто присутствуют в качестве примесей в технических хлорфенолах [44]. Они могут образоваться при фотохимической и термической димеризации хлорфенолов и пестицидов - производных феноксикислот. На основании исследований токсикологических характеристик фенола и его производных установлены гигиенические критерии для хлорированных фенолов [44]. Токсические свойства фенола и его хлорпроизводных, а также персистентность и способность многих из них аккумулироваться в природных средах и живых организмах явились причиной того, что 9 соединений этого ряда включены в список № 1 приоритетных загрязнителей воды в США и в странах Европы [56]. И в данном списке они являются одними из первых мест, в связи с большим объемом мирового производства. В поверхностных водах могут присутствовать фенолы природного происхождения, выделяющиеся из древесины и/или продуцируемые водорослями. Из-за того, что фенол и его производные обладают достаточно низким порогом запаха и вкуса в воде (некоторые соединения имеют 1мкг/л), концентрация отдельных фенолов и хлорфенолов, которая присутствует в питьевой воде, по органолептическим требованиям не должна превышать 0,1 мкг/л. При отсутствии хлорирования по органолептическим свойствам фенолы могут присутствовать в воде на уровне 100 мкг/л. Однако, учитывая распространенность метода хлорирования для обеззараживания питьевой воды, для удаления фенолов из воды следует применять эффективные методы очистки перед стадией хлорирования, а также необходимо предохранить источники воды от их загрязнения. 61 Особенно сильно страдают от загрязнения фенолами обитатели водной среды и растительность. Установлено, что рыбы, живущие в районах стока вод химических производств, имеют нарушения эндокринной системы. Исследования показали, что они обладают синергизмом, т.е. совместное токсическое действие нескольких веществ превышает сумму эффектов отдельных соединений. Поэтому в ряде стран требуют более тщательной проверки гормонального действия алкилпроизводных фенола перед их применением. Однако для таких исследований необходимы большие затраты, а результаты можно будет получить только через 50 лет[56]. 2.6 Хлорбензолы, хлорпарафины, бромбифенилы В ряду галогенопроизводных ароматических углеводородов наиболее широко применяются хлорпроизводные бензола. Многие из них обладают инсектицидными, фунгицидными и гербицидными свойствами [70]. Так 1,4-дихлорбензол был предложен ещё в 1911 году как средство для предохранения шерстяных изделий от повреждения молью. Биологическая активность хлорбензолов возрастает по мере увеличения числа атомов хлора в молекуле. Наибольшую активность проявляют три- и тетрахлорбензолы. Хлорбензолы применяют также в промышленном органическом синтезе и в качестве растворителей. При стандартных условиях хлорпроизводные бензола представляют собой высококипящие жидкости или твердые вещества с плотностью 1,1 ‒ 2,1 г/см3, нерастворимые в воде, более или менее растворимые в этиловом спирте, диэтиловом эфире и бензоле. Монохлорпроизводные имеют специфический запах. Они термически и химически стабильны, поэтому могут длительное время сохраняться в почве и попадать в пищевые цепочки человека и животных и в женское молоко. Токсичность хлорбензолов повышается с увеличением числа атомов хлора в кольце, как правило, n-изомеры токсичнее m-изомеров. 62 Присутствие хлорбензолов в липидах способствует крови поражению и тканях высоких центральной концентраций нервной системы, изменению крови, раздражению слизистых оболочек, нарушению функции печени. Тетра- и гексахлорбензолы обладают кумулятивным эффектом. В организме человека они частично подвергаются дехлорированию с образованием три- и дихлорбензолов, которые окисляются до хлорфенолов. В зависимости от длины углеродной цепи хлорпарафины подразделяются на короткоцепные (С10 – С13), с цепью средней длины (С14 ‒ С17) и длинноцепные (С18 – С35). Сфера применения хлорпарафинов зависит от степени хлорирования. Монохлоралканы с содержанием хлора 5‒10 % применяют в качестве полупродуктов для получения алкилбензол–сульфонатов при производстве синтетических моющих средств. Полихлоралканы C25H45Cl7 применяют в качестве растворителей, пластификаторов полимеров, диэлектриков, присадок к маслам, понижающих температуру их застывания. Они занимают второе место после гидроксида алюминия по объему использования в огнестойких пластиках. Физические и химические свойства хлорпарафинов зависят от их состава. Растворимость хлорпарафинов в воде уменьшается по мере увеличения длины углеродной цепи и не превышает 1 мкг/л [56]. Они хорошо растворяются в CCl4, бензоле и других органических растворителях, имеют низкую летучесть, высокую пластичность и электроизоляционную способность. В окружающую среду хлорпарафины, в основном, поступают с выбросами и сбросами химических предприятий и из полимеров, масел, красок при применении последних в промышленности и в быту. Аккумуляция хлорпарафинов уменьшается с увеличением длины углеродной цепи и содержания хлора. Так, при анализе 52 проб яиц морских птиц длинноцепные (С24) хлорпарафины были обнаружены только в одной пробе (на уровне 0,06 мкг/г), тогда как короткоцепные (С12) хлорпарафины содержались в 13 пробах. Поэтому внимание исследователей сосредоточено, в основном, на хлорпарафинах с короткой цепью. 63 Хлорпарафины с большой степенью хлорирования задерживаются преимущественно в жировой ткани и печени. Далее, при воздействии микросомальных ферментов данные вещества дехлорируются и разделяются на углеводородные фрагменты, подвергающиеся метаболической детоксикации. Скорость метаболизма увеличивается с уменьшением степени хлорирования и длины углеродной цепи. Бромбифенилы применяются в качестве антипиренов в производстве полимерных материалов и в средствах огнетушения. Технические продукты представляют собой смеси различных конгенеров (чаще всего гекса- и октаконгенеры). Потребление молочных продуктов от больных животных послужило причиной заболеваний фермеров и членов их семей, а также других потребителей молока. Химические свойства и токсическое действие бромбифенилов аналогичны таковым для полихлорированных бифенилов. Наибольшую токсичность проявляют орто-замещенные бромбифенилы. При поступлении в организм человека и животных они вызывают общее истощение, поражение печени, почек и лимфатической системы. Характерно развитие хлоракне. Кроме того, бромбифенилы являются индукторами ферментной системы печени, в частности монооксигеназной, обладают эмбриотоксическим и тератогенным эффектом. В организме человека они концентрируются, в основном, в богатых липидами тканях, причем могут задерживаться в них на протяжении всей жизни. В США использование и производство бромбифенилов прекращено, их применение запрещено в большинстве стран Европы и в России. Они внесены в список стойких органических загрязни гелей, производство которых должно быть прекращено, а имеющиеся запасы уничтожены. Следует заметить, что бромбифенилы образуются при сжигании бромсодержащих соединений (отходы производства, медицинские препараты и др.) и присутствуют на фоновом уровне во всех средах. 64 2.7 Трибоэкология Трибоэкология как научная и техническая дисциплина изучает контакт поверхностей при их относительном движении, производственные отходы, возникающие при действии трения, смазки и износа в машине, их воздействие на окружающую среду и на изменение функциональных свойств машин, а также меры защиты окружающей среды[52]. Задачей трибоэкологии является исследование контакта, смазки, трения и износа технических поверхностей в машине чтобы получить подробное представление их связи и воздействия на окружающую среду с последующим усовершенствованием механизмов для уменьшения их экологического влияния на окружающую среду. Определение формирования такой технической и научной дисциплины осуществляется путем универсального значения контакта, трения и экологии в современном мире. Основными загрязнителями гидросферы являются черная металлургия, химическая, целлюлозно – бумажная промышленность и машиностроение [52]. Большой вред окружающей среде и человеку наносят СОЖ. 65 Краткие выводы по главе 2 1. Показано, что экспериментальные данные о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел являются необходимыми условиями для разработки автоматизированной системы регулирования температуры в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления. 2. Обнаружение в СОЖ хлорсодержащих органических соединений будет говорить о невозможности ее использовании при сверлении глубоких отверстий в изделиях атомного машиностроения из-за вероятности межкристаллитной коррозии. 3. Наиболее вредными компонентами СОЖ являются полициклические арены и фенолы. Показано, что нахождение в СОЖ на масляной основе 3,4бензпирена и других канцерогенов с точки зрения экологичности и безопасности процесса недопустимо. 4. Поэтому важным фактором является знание молекулярного состава используемых СОЖ. Исследованию данного фактора посвящена глава 3. 66 Глава 3. Экспериментальное исследование молекулярного состава СОЖ и индустриальных масел 3.1 Хромато-масс-спектрометрический метод анализа Содержание компонентов определяли хромато-масс-спектрометрическим методом. Из так называемых «гибридных» методов исследования, сочетающих в одном процессе разделение анализируемых компонентов, идентификацию и определение их количества, наиболее разработанным и эффективным в настоящее время является сочетание газохроматографического разделения с масс-спектрометрическим анализом выходящих из хроматографической колонки веществ. Гибрид газовой хроматографии и масс-спектрометрии обьединяет преимущество уникальными помощи газовой хроматографии возможностями данной системы – эффективное масс–спектрометрического возможны разделение, разделение детектора. с При идентификация и количественный анализ компонентов смеси [57]. Временные хроматографов и и концентрационные масс-спектрометров параметры столь современных удачно газовых согласуются, что объединение их в единный прибор – хромато-масс-спектрометр – приводит к одновременной реализации и взаимному дополнению уникальных возможностей газовой хроматографии в разделении ничтожных количеств компонентов сложных смесей и главных преимуществ масс-спектрометрии в получении важной информации о составе и строении этих компонентов [34]. Исследуемый образец разбавляли дихлорметаном в 10 раз и вводили в хроматограф. Хроматографические эксперименты проводили на газовом хроматографе Agilent 6850 (Agilent Technologies. США), снабженном масс- спектрометрическим детектором Agilent 5973N (Agilent Technologies, США). Разделение проводили на колонке длиной 60 м и диаметром 0,25 мм, 67 заполненной неподвижной фазой (ZB-WAX) толщиной 0,25 мкм (Phenomenex, США). Программа градиента температур колонки: начальный изотермический участок 40 ˚С (5 мин); подъем температуры со скоростью 10˚С/мин от 40 до 230 ˚С; конечный изотермический участок 230 ˚С (7 мин). Объем вводимой пробы 1 мкл. Температура испарителя и детектора составила 230˚С. Ионизацию проводили электронным ударом энергией 70 эВ. Детектирование осуществляли в режиме сканирования ионов в диапазоне m/z от 45 до 500. Сбор и обработку данных осуществляли с использованием программно-аппаратного комплекса ChemStation версии D 02.00.275 (Agilent Technologies, США) [97, 99, 100, 102]. Заметим, что фирма Agilent Technologies выпускает также портативный хроматограф Agilent 3000 А Micro GC, успешно эксплуатируемый ООО "Газпром ВНИИгаз" для определения компонентного состава природного газа в условиях экстремальных климатических и вибрационных нагрузок ОАО "Газпром" России и газовых предприятий стран СНГ [29]. В данной работе исследован молекулярный состав индустриального масла марки И-20А двух партий, одна из которых произведена на ООО «ЛУКОЙЛНижегороднефтеоргсинтез» (образец 1), а вторая – на ОАО НТК «Славнефть» (образец 2), а также марки И-40А двух партий, одна из которых произведена на Новоуфимском НПЗ (образец 3), а вторая – на ООО «ЛУКОЙЛ- Нижегороднефтеоргсинтез» (образец 4). 3.2 Особо опасные химические вещества В исследованных образцах обнаружено более 200 токсичных веществ, в том числе 5 особо опасных. Они присутствуют, в основном, в количестве 0,12 .... 40 мкг/г. Их физические и физико-химические свойства представлены в табл. 3.1. Идентифицированной гетероциклических соединений мутагенным эффектом. среди азотсодержащих индометацин обладает пятичленных тератогенным и плавления 1,327 160 499,4 126,18 304,48 378,43 412,07 Местанолон О,О,О,О -Тетрапропил дитиодифосфат Лептофос 191 – 416,1 223,7 1,66 1,174 71......73 – 444,4 381,6 Фосфорорганические соединения 1,064 1,256 - 1,05∙10-6 - + - - - - - - + + + - + - - - - - 4 3 1 2 И-40А Марка масла И-20А 3,49∙10-6 0,00369 0,47 3,11∙10-4 Растворимость кипения в воде, г/100г (при P, (при t) кПа) Температура, ˚С Азотсодержащие органические соединения Плотность, г/см3 при 20˚С (или при t) Кислородсодержащие органические соединения 357,80 Меркаптофенол Индометацин Название Молярная масса, г/моль Таблица 3.1 Физические и физико-химические свойства особо опасных компонентов индустриальных масел 68 69 Среди кислородсодержащих органических соединений особенно опасны 2 вещества, одним из них является меркаптофенол, являющийся одновременно и фенолом, и меркаптаном. Особенно сильно страдают от загрязнения фенолами обитатели водной среды и растительность. Данные вещества обладают синергизмом, т. е. совместное токсическое действие нескольких веществ превышает сумму эффектов отдельных соединений. Обнаруженный в образце 3 местанолон является канцерогеном. Кроме того, обнаружено 2 фосфорорганических веществ : О,О,О,О-тетрапропилдитиодифосфат (аспон) и лептофос. Эти особо опасные вещества крайне токсичны для водных организмов и могут быть причиной долговременных неблагоприятных условий в водной среде. Структурные формулы указанных веществ представлены в приложении. Из представленных данных следует, что образцы одного и того же индустриального масла, изготовленного на разных предприятиях, кардинальным образом различаются по содержанию особо опасных компонентов. 3.3 Вредные химические вещества 3.3.1 Азотсодержащие органические компоненты индустриальных масел В смолах и асфальтенах азот, в основном, присутствует в виде гетероциклических соединений, содержащих ядра пиридина, пиперидина, пиррола или более сложных конденсированных систем (хинолина, индола). В нефтях Западной Сибири низкомолекулярные азотистые соединения представлены смесью слабых и сильных оснований. Общее содержание азота в изученных нефтях составляет в среднем 0,1 масс. %[94]. Наиболее представительным классом обнаруженных нами веществ, физико-химические свойства которых представлены в табл. 3.2, являются гетероциклические соединения. 70 Среди пятичленных гетероциклических соединений нами идентифицированы два вещества, содержащие ядро пирролидина: 1-(1-оксо-10октадеценил)пирролидин и 1-(3,7,11,15-тетраметилгексадецил)-2-пирролидон. Пирролидинное ядро встречается во многих сложных естественных органических веществах [85]. Так, например, среди аминокислот, образующихся при гидролизе белковых веществ, содержится пролин (пирролидин-α-карбоновая кислота). Среди продуктов распада некоторых алкалоидов обнаружена N- метилпирролидин-α-карбоновая (гигриновая) кислота. Отметим, что 1-(3,7,11,15-тетраметилгексадецил)-2-пирролидон содержит изопреноидный радикал. Ранее уже было отмечено [16], что наиболее важным открытием в области химии нефти и органической геохимии явилось обнаружение в нефтях, углях, сланцах и рассеянном органическом веществе большого числа изопреноидных алифатических углеводородов. Некоторые изопреноиды были идентифицированы нами в масляных СОЖ [14]. Рис. 3.1. Циметидин В состав идентифицированного нами в образце № 3 циметидина (см. рисунок. 3.1) входит ядро пятичленного гетероциклического соединения с двумя атомами азота - имидазола. Среди производных последнего следует отметить также гистидин - одну из аминокислот, образующихся при гидролизе белков [86]. Молекула циметидина является рекордсменом по числу атомов азота в своем составе: их шесть. Циметидин одновременно является производным цианистого водорода и амином. 71 Известны пятичленные гетероциклы, содержащие три и четыре атома азота - соответственно, три- и тетразол. Нами идентифицирован 2-(2-фторфенил)-2Н1,2,3-триазол-4-карбальдегид, содержащий триазольное ядро. В исследованных нами образцах индустриального масла идентифицированы два диазина - вещества, содержащие шестичленные кольца, в состав которых входит два атома азота. Простейшими из них являются изомерные пиридазин, пиримидин и пиразин. Ядро пиримидина представляет интерес в том отношении, что оно встречается во многих продуктах животного и растительного мира, а также в синтетически получаемых веществах, имеющих значение в производстве фармацевтических продуктов [86]. Производными пиримидина являются пурин и многие уреиды, например, барбитуровая кислота. Производные пиримидина образуются также при распаде нуклеиновых кислот. Естественно, они содержатся и в нефтях. Одним из обнаруженных нами диазинов, содержащих пиримидиновое ядро, является пиримидин-4,6-диол. Пиразиновое ядро встречается в многочисленных азотистых веществах как само по себе, так и в комбинации с бензольными ядрами. При восстановлении пиразин присоединяет 6 атомов водорода и превращается в сильное основание пиперазин. Ядро указанного вещества входит в состав второго идентифицированного нами диазина - тиопроперазина (см. рисунок. 3.2). В его состав входит также один из тиазинов - веществ с шестичленными кольцами, содержащими по одному атому азота и серы - тиодифениламин, образующихся при сплавлении дифениламина с серой[86]. Тиопропиразин токсичен. Превышение дозы может привести к тяжелой дисфагии, сопровождающейся интенсивным слюноотделением, постоянно возрастающей гипотермией, легочной недостаточностью, состоянию шока с бледностью и потоотделением, за которыми могут последовать кризис и кома. 72 LD50 для мышей составляет 70 мг/кг внутривенно, 120 мг/кг при введении в желудок, 500 мг/кг подкожно и 830 мг/кг перорально. Рис. 3.2. Тиопроперазин В исследованных нами образцах индустриального масла идентифицированы также два триазина - вещества, содержащие шестичленные кольца, в состав которых входит три атома азота. Из трех имеющихся изомеров практическое значение имеет 1,3,5-триазин, или симмтриазин [7]. Именно его производные содержатся в образцах индустриального масла. Состав каждого из идентифицированных производных 1,3,5-триазина посвоему интересен. В молекуле 2,4,6-три(пентафторэтил)-1,3,5-триазина, обнаруженного в образце № 2, все атомы водорода замещены на атомы фтора. Идентифицированный в образце № 3 4,6-бис(этиламино)-1,3,5-триазин-2(1Н)-он содержит дополнительно две аминогруппы. Заметим, что идентифицированный нами девятичленный гетероцикл с одним атомом азота (1-азациклононан-2-он) содержит карбонильную группу. В индустриальных маслах нами идентифицировано также 5 нитрилов. Нитрилы ядовиты. Механизм их токсического действия связан способностью нарушать функцию фермента цитохромоксидазы, подавляя процесс переноса кислорода из крови к клеткам организма. Отравление может произойти при вдыхании паров нитрилов, при попадании их в желудочно-кишечный тракт или через кожу. Из обнаруженных 73 нами нитрилов наиболее опасен нонандинитрил, поскольку он имеет небольшую молярную массу и содержит две цианогруппы. Нами также обнаружено 3 нитросоединения. Многие из обнаруженных веществ имеют в своем составе несколько функциональных групп. В частности, бронопол (2-нитро-2-бромпропан-1,3-диол) нитропроизводным, но и двухатомным является спиртом. не Бронопол только (2-нитро-2- бромпропан-1,3-диол) оказывает токсическое воздействие при попадании на кожу и в глаза. Кроме того, в индустриальных маслах нами идентифицированы три амина. Алифатические амины поражают нервную систему, вызывают нарушение проницаемости стенок кровеносных сосудов и клеточных мембран, функций печени и развитие дистрофии. Ароматические амины вызывает образование метгемоглобина, угнетающего центральную нервную систему. Некоторые ароматические амины - канцерогены. Обнаруженные в индустриальных маслах азотсодержащие органические соединения не обязательно имеют "нефтяное" происхождение. Известно [5, 54, 60], что такие антиокислительных, вещества нашли широкое противокоррозионных и применение антимикробных в качестве присадок к топливам и смазочным маслам. Например, метиленоксиаминопроизводные 1пропилтиогептана являются антимикробными присадками к смазочным маслам. Показано, в частности, что 1-пропилтио-2-(N,N-диэтиламинометиленокси)гептан при концентрациях 0,5 - 1,0 масс. % эффективно подавляют рост микроорганизмов в масле М-11 [60]. Однако и присадки вносят свой "вклад" в загрязнение окружающей среды. При этом, как видно, концентрации вредных веществ, используемых в качестве присадок превосходят таковые азотсодержащих органических соединений, обнаруженных нами в индустриальных маслах, на 4 порядка. С экологической точки зрения это недопустимо. 74 Из представленных данных следует, что образцы одного и того же индустриального масла, изготовленные на разных предприятиях, существенно различаются по составу азотсодержащих органических соединений. Как известно [21], среди многочисленных способов очистки нефтепродуктов от кислород-, азот- и серосодержащих органических соединений, а также непредельных углеводородов, гидрирование является самым экологичным. Эффективность этого метода можно значительно увеличить, используя в качестве катализаторов современные наноматериалы [38, 55]. Такую очистку необходимо проводить, на наш взгляд, на нефтеперегонных заводах, а потребителям поставлять экологичные СОЖ и индустриальные масла. При этом к каждой партии масла должен быть, если можно так выразиться, "индивидуальный подход", поскольку они существенно различаются по составу вредных веществ, усугубляющих экологическую обстановку. Такую работу следует проводить совместно с технологами-разработчиками, технологами предприятия и специалистами по токсикологии. По мнению ряда авторов[29, 69], решение экологических проблем в России сталкивается с самым главным препятствием – отсутствием необходимого экологического воспитания населения, низким уровнем экологической культуры преобладающего числа руководителей предприятий и государственных служащих. Гетероатомные соединения подвергаются гидрогенолизу (гидрированию) быстрее, чем углеводороды. Гетероатомы удаляются из сырья в виде сероводорода, аммиака и воды. Легче всего удаляется сера, далее следует кислород, наиболее устойчив азот. Этот порядок совпадает с порядком изменения прочностей химических связей с учетом энергии образования новых связей осколков молекул с поверхностными атомами катализатора. Данные величины для никеля составляют (ккал/моль): С‒С C‒N С‒О C‒S 45 26 4 5 75 Эти показатели совпадают с данными об относительной легкости деструкции связей углерода о гетероатомами. Углеводороды, имеющие ненасыщенный характер (ароматические и олефиновые), а также осколки гетероциклических соединений присоединяют водород и превращаются в соответствующие нафтеновые и парафиновые углеводороды. Парафиновые и нафтеновые углеводороды подвергаются реакциям изомеризации и расщепления. В зависимости от условий процессов возможны гидрокрекинг и частичное гидрирование полициклических ароматических и смолисто-асфальтовых соединений. По литературным данным [35, 38, 55, 98], меркаптаны гидрируются до сероводорода и соответствующего углеводорода: Сульфиды гидрируются через образование меркаптанов: Дисульфиды гидрируются аналогично: Циклические сульфиды, например тиофан и тиофен, гидрируются с образованием соответствующих алифатических углеводородов: Бенз- и дибензтиофены гидрируются по схеме 76 По литературным данным [35, 38, 55, 98], азот в нефтяном сырье находится преимущественно в гетероциклах в виде производных пиридина и пиррола. Гидрирование их протекает в общем аналогично гидрированию сульфидов: 3.3.2 Кислородсодержащие органические компоненты индустриальных масел Кислородсодержащие органические соединения присутствуют во всех нефтях, но данные о их составе весьма ограничены. По данным [37], главными из кислородсодержащих компонентов нефти являются карбоновые кислоты и их эфиры; в меньших количествах обнаружены также спирты, лактоны, фенолы, производные фурана. При этом фенолов содержится мало, они встречаются лишь в некоторых нефтях. В бензиновых фракциях кислородные соединения практически не присутствуют, а в вакуумных и средних дистиллятах их доля может составлять 4 – 6 %. Из более поздних данных известно, что фенолы – производные аренов С6 – С8 – содержатся в нефтях в количестве 0,003 … 0,05 %. Плотность, г/см3 при 20˚С (или при t) 112,09 141,21 183,21 191,17 252,34 337,59 365,65 435,05 446,64 150,23 209,39 223,41 237,43 251,46 199,30 199,99 265,36 289,51 359,60 482,02 1-Азациклононан -2-он 4,6-Бис(этиламино)-1,3,5-триазин-2-(1Н)-он 2-(2-Фторфенил)-2Н-1,2,3-триазол-4-карбальдегид Циметидин 1-(1-оксо-10-октадеценил)пирролидин 1-(3,7,11,15-Тетраметилгексадецил)-2-пирролидон 2,4,6-Три(пентафторэтил)-1,3,5-триазин Тиопроперазин Нонандинитрил Тетрадеканнитрил Пентадеканнитрил Гексадеканнитрил Гептадеканнитрил 6-Нитроундец-5-ен 2-Нитро-2-бромпропан-1,3-диол (бронопол) n-Нитрофенилнониловый эфир Тетрадециланилин Каптодиамин Три-4-бромфениламин - 1,084 - Амины 1,029(25) 2,019 - Нитросоединения 1,4448(25) 0,8160(40) - 0,8281(19) 0,917 Нитрилы 1,238 1,727 - - 1,273 1,357 1,349 0,928 - - - - - - - 34.....35,5 31 - 19 - - - - - 141 - - - - - 466,1 - 380,7 358,0 - 208(1,33) 251,5(13,3) - 169(1,73) 318,8 612,2 197,2 - - 488 360,4 263,8 267,7 - (при P, Па) кипения Температура, ˚С плавления Гетероциклические соединения г/моль 4,6-Пиримидиндиол Название Молярная масса, - Нерастворимый -4 - 3,89*10 -5 + - - - 8,46*10-6 - - - - - - - - + - + - Нерастворимый - Нерастворимый Нерастворимый - Нерастворимый 0,11 2,29*10 3,13*10 - - -6 - Нерастворимый - - Нерастворимый 0,743 + 1 - - + - - - + + - - - - + + - - - - - - 2 - + - + + - + + + + + - - - + + - + + - 3 4 И-40А Марка масла И-20А - Растворимость в воде, г/100г (при t) Физические и физико-химические свойства вредных азотсодержащих органических компонентов индустриальных масел - - - - - + - - - - - - - - - - + Таблица 3.2 77 78 По литературным данным [35, 38, 55, 98], кислород в нефтяных фракциях можно представить соединениями типа эфиров, фенолов, спиртов и нафтеновых кислот. В нефтяных остатках и газойлевых фракциях кислород находится, главным образом, в мостиковых связях и в циклах смолисто-асфальтовых и полициклических ароматических соединений нефти. При гидрировании кислородных соединений образуются соответствующие углеводороды и вода: H2 R COOH CH3 + H2O Тип и строение гетероорганических соединений сильно влияют на кинетику реакций гидрогенолиза. Скорость гидрогенолиза возрастает в ряду тиофены < тиофаны < сульфиды < дисульфиды < меркаптаны. С повышением количества циклопарафиновых и ароматических колец в молекуле сероорганического соединения его реактивности относительно гидрогенолиза уменьшается [35, 38, 55, 98]. С помощью процессов гидроочистки достигается ряд целей, в том числе: улучшение запаха, цвета и окислительной способности смазочных масел; удаление ароматических углеводородов и соединений серы, азота и кислорода путем глубокого гидрирования (гидрокрекинга при высоком давлении) смазочных масел [93]. Работа [50] посвящена подбору и оптимизации состава выщелачивающих сред и условий процесса удаления избыточного алюминия из интерметаллидных сплавов с целью получения высокоэффективных нанокатализаторов процесса гидрообессеривания дизельного топлива. Однако применение нанокатализаторов может привести вред здоровью человека. Наиболее типичными для нанотехнологических объектов рисками 79 являются химические и биологические воздействия. По этой причине при проектировании с учетом безопасности и выборе программ совершения операций основное внимание следует уделять именно этим направлениям [82]. Повышенные концентрации кислородсодержащих соединений обычно встречаются в нефтях из очень молодых или неглубоко погруженных залежей [37]. Среди обнаруженных нами в индустриальных маслах одноатомных спиртов физико-химические свойства которых представлены в табл. 3.3, преобладают предельные первичные спирты. Заметим, что 1-гексакозанол является единственным веществом из рассматриваемых в настоящей работе, которое идентифицировано во всех образцах индустриальных масел. Три обнаруженных в индустриальных маслах спирта ‒ 3,7,11-триметилдодеканол, фитол и 3,7,11,15-тетраметилгексадеканол - имеют изопреноидный скелет. Тем не менее, вследствие повторного вдыхания паров спиртов они могут накапливаться в организме, что особенно опасно в случае отравления метанолом за счет его специфической токсичности. Пары влияют на раздражение слизистых. Пристрастие к спиртам может сопровождаться развитием неспецифически повышенной стойкостью организма, тем не менее, в дальнейшем обнаружены признаки интоксикации [80]. Обнаруженный нами в образце 3 непредельный олеиновый спирт токсичен. Наиболее сильное воздействие на организм человека он оказывает при попадании на кожу. Нами идентифицированы также три двухатомных спирта. Все они содержат четное число атомов углерода. Известно, что токсичность двухатомных спиртов очень мала и снижается с увеличением молярной массы. В главе (2), мы подробно останавливались на фенолах и их производных. В индустриальных маслах обнаружено несколько фенолов. Как видно из таблицы, они отсутствуют только в образце 2. 80 Токсичность фенолов осуществляется в зависимости от их природы; возрастание количества и длины заместителей в ядре, как правило, снижает токсичность, но повышает способность к накоплению в живых организмах и персистентность. Именно поэтому нонил- и октилфенолы входят в число стойких органических загрязнителей. Особенно сильно страдают от загрязнения фенолами обитатели водной среды и растительность. Установлено, что рыбы, живущие в районах стока вод химических производств, имеют нарушения эндокринной системы. При этом самцы начинают вырабатывать белки, которые присутствуют в икринках самок. Так, после катастрофического выброса сточных вод во Флориде (США) в 1980 г. наблюдалось рождение стерильных крокодилов. Действие фенола и его производных имеет еще одну неприятную сторону. Исследования показали, что они обладают синергизмом, т. е. совместное токсическое действие нескольких веществ превышает сумму эффектов отдельных соединений. Как мы уже упоминали, индустриальные масла являются основой для получения масляных смазочно-охлаждающих жидкостей. При этом к маслам чаще всего добавляют различные присадки, в частности, фенолы и их производные. Бактерицидными и фунгицидными свойствами обладают производные 2-пропенил- и 4-изопропенилфенолов. С экологической точки зрения это недопустимо. Среди обнаруженных нами в исследованных индустриальных маслах альдегидов преобладают цис-изомеры - производные алкенов. Они отсутствуют только в образце № 4. Среди кетонов, как видно из приведенных в таблице данных, преобладают производные циклоалкенов. Особенностью состава индустриальных масел является отсутствие нафтеновых кислот. В то же время нами обнаружено несколько цис-изомеров ди- и триеновых карбоновых кислот. Из приведенных данных видно также, что среди обнаруженных сложных эфиров отсутствуют производные нафтеновых кислот. 81 Необходимо источников оценивать воздействия на пространственные окружающую и среду, временные которые масштабы могут иметь катастрофические последствия для отдельных видов, популяций и сообществ, привести к экологической катастрофе. Все это заставляет считать контроль над уровнем вредных компонентов содержащихся в объектах окружающей среды, одной из самых важных задач, которые прямо связываются с возможностью существования человечества. При помощи анализа обнаруженных веществ на рабочих можно осуществлять обеспечение оценки их количества, идентификации их природы и на этой основе можно оценивать их вредное влияние. Среди многочисленных способов очистки нефтепродуктов от кислородсодержащих органических соединений гидрирование является самым экологичным. Эффективность этого метода можно значительно увеличить, используя в качестве катализаторов современные наноматериалы. Такую очистку необходимо проводить, на наш взгляд, на нефтеперегонных заводах, а потребителям поставлять экологичные СОЖ и индустриальные масла. Обязательным также является экологический мониторинг индустриальных масел [22, 28] на всех стадиях производства и дальнейшего использования. При этом к каждой партии масла должен быть, если можно так выразиться, "индивидуальный подход", поскольку они существенно различаются по составу вредных веществ, усугубляющих экологическую обстановку. Такую работу следует проводить совместно с технологами-разработчиками, технологами предприятия и специалистами по токсикологии. 3.3.3 Углеводороды индустриальных масел В литературе имеются немногочисленные данные о молекулярном составе индустриальных масел. В частности, по данным [75], пики н-парафинов с числом атомов углерода от 14 до 25 идентифицированы на хроматограммах 82 индустриальных масел И-8А, И-12А и других. Кроме того, дифференцирующим признаком минеральных (нефтяных) масел также является во многих случаях присутстве изопреноидов: 2,6,10,14–тетраметилпентадекана (пристана) и 2,6,10,14-тетраметилгексадекана (фитана). Из полученных нами данных, частично представленных в табл. 3.4, состав углеводородов одной и той же марки индустриальных масел, изготовленных на разных предприятиях, существенно отличается друг от друга. Как видно из представленных в табл. 3.4 данных, нами в индустриальных маслах обноружены пергидрополициклические арены. Ранее такого типа соединения отсутствовали как в нефтях, так и в продуктах термоокислительной деструкции масляных СОЖ. В то же время имеются сведения о присутствии полициклических аренов в нефтях [36, 101] и в масляных СОЖ [58]. Например, в нефти [101] обнаружены 2-метилфенантрен и 1, 8-диметилфенантрен, а в масляной СОЖ марки сульфофрезол – 3, 4-бензпирен [58]. Все это говорит о том, что пергидрополициклические арены имеют «нефтяное» происхождение, но ранее не были обнаружены в нефтях. Либо в процессе переработки нефти имеющиеся в ней полициклические арены при гидрогенизации превратились в пергидрополициклические арены, как, например : В последнее время широко используются различные нанокатализаторы процесса гидрирования [38, 55]. Возможно, при определенных условиях, они могут дать такой эффект. Известный эколог Н.Ф. Реймерс подчеркивал [69], что одной из важнейших задач экологизации экономики является избавление последней от интенсивного распыления сложных органических соединений. Таблица 3.3 Физические и физико-химические свойства спиртов и фенолов индустриальных масел Название 1 Моляр -ная масса, г/моль 2 Плотность, г/см3 при 20 0С (или при t) 3 Температура (оС) плавления 4 кипения (при Р, кПа) Растворимость в воде, г/100г (при t) Марка масла И-20А И-40А № партии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Одноатомные спирты 128,22 - - - - - - + - 3,5,5-Триметил-2-циклогексан-1-ол 140,23 - - - - - - + - 2-Метил-5-(1-метилэтил)циклогексанол 156,27 - - - - - + - - 1-Бутил-4-(1,1-диметилэтил)циклогексанол 212,38 - - - - - + + - 3,7,11-Триметилдодеканол-1 228,42 - - - - - + + - 11-Гексадецен-1-ол 240,43 - - - - - + + - 2-Гексил-1-деканол 242,45 - - - - - - - + -6 цис-9-Октадеценовый (олеиновый) спирт 268,49 0,849(25) 0 ... 5,0 207(1,7) 2,37*10 - - + - Октадеканол 270,50 0,8124(59) 59 210,5(1,7) Нерастворимый - + - - н-Нонадеканол-1 284,53 - 62 ... 63 166 ... 167(0,043) - - + + - 3,7,11,15-Тетраметил-2-гексадецен-1-ол (Фитол) 296,54 0,852 - 203 ... 204(1,2) 3,27*10-7 - - + - 3,7,11,15-Тетраметилгексадеканол-1 298,56 - - - - + + + - 83 1-Этилциклогексанол Продолжение табл. 1-Докозанол (Бегеновый спирт) 326,61 - 65 ... 73 180(0,029) Нерастворимый + + + - 1-Трикозанол 340,64 - - - - - - + + н-Тетракозанол-1 354,67 - - - - - - + - 1-Гексакозанол (Цериловый спирт) 382,72 - 79,5 ... 79,8 305(2,7) разл. Нерастворимый + + + + 1-Гептакозанол 396,75 - 81,2 ... 81,6 - - + + + - Двухатомные спирты 230,39 - - - - - + - - 1,16-Гексадекандиол 258,45 - - - - - + - - 1,22-Докозандиол 342,61 - - - - - + + - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 358,0 Нерастворимый - - + - Производные двухатомных спиртов 2-Нитро-2-бромпропан-1,3-диол (Бронопол) 199,99 2,019 Одноатомные фенолы 2,4,6-Три(1-метилэтил)фенол 220,36 - - - - - - - + 4,6-Дибутил-м-крезол 220,36 - - - - - - - + - - - - - + - - - - + - - - Двухатомные фенолы 2,5-Бис(1,1-диметилэтил)-1,4-бензолдиол 222,33 Кетоны 2-Пентил-2-циклопентен-1-он 152,24 - 84 1,2-Тетрадекандиол Продолжение табл. 2,2,2-Триметил-1-(2-метилциклобут-2-енил)гепта-4,6-диен-3-он 218,34 - - - - - - - + Альдегиды цис(3,3-Диметилциклогексилиден) ацетальдегид 152,24 0,955 - 226,63 9,62*10-3 - - + - цис-9-Тетрадеценаль 210,36 - - - - - - + - цис-7-Гексадеценаль 238,42 - - - - + + - - цис,цис,цис-9,12,15-октадекатриеновая (α-линоленовая) кислота 278,44 0,9046 11,1 2,31 (2,27) Нерастворимый - - + - цис,цис-9,12-октадекадиеновая (линолевая) кислота 280,45 0,9025 -11 230 (2,13) Нерастворимый - - + - Сложные эфиры Циклогексиловый эфир 4-метилбензойной кислоты 218,30 - - - - - + - - 11,13-Диметил-12-тетрадеценовый эфир уксусной кислоты 282,47 - - - - - - - + Метиловый эфир 2-оксооктадекановой кислоты 312,50 - - - - - + - - Диметиловый эфир докозандиовой кислоты 398,63 - - - - + - - - 85 Карбоновые кислоты 86 3.4 Исследование зависимости молекулярного состава СОЖ от температуры В литературе имеются сведения об определении температуры в зоне резания. Как было показано в первой главе, она может достигать 800-1000 ˚С [8, 9, 94]. Однако для процесса глубокого сверления провести такие эксперименты технически очень сложно, и до сих пор они пока не проведены. По данным Н.Ф. Уткина, отвод тепла при глубоком сверлении с помощью СОЖ решается попутно, наряду с ее главным назначением - отводом стружки. Отвод тепла производится преимущественно путем конвективного теплообмена между нагретыми поверхностями инструмента и заготовки и потоком СОЖ. Интенсивность отвода тепла в значительной степени зависит от расхода СОЖ, ее скорости перемещения и теплопроводности, разности температур охлаждаемых поверхностей и потока СОЖ. Сверление отверстий диаметром до 30 мм с отношением l/d0≈100 при температуре ниже 20˚С практически невозможно из-за поломок инструмента и неустойчивости процесса резания. Интенсивные вибрации инструмента возникают при увеличении температуры выше 50 – 60˚С. В результате этого испаряется СОЖ и ухудшаются санитарно-гигиенические условия. Поэтому интервал температур циркулирующей СОЖ от 30 до 50˚С - оптимальный. В литературе [72] известны результаты исследования температурной зависимости концентрации нескольких предельных углеводородов с изопреноидным скелетом (2,6,10,14-тетраметилпентадикана и других), одного непредельного углеводороды с двойной связью - цис-2-тетрадецена - и нескольких полициклических аренов, в том числе 9-метилатрацен в СОЖ на масляной основе марки МР-3К. Исследования были проведены на лабораторном роторно-пленочном испарителе в водяной бане при поддерживаемых контактным термометром температурах от 20 до 80˚С. Таблица 3.4 Физические и физико-химические свойства вредных Углеводородов индустриальных масел Название 1 Молярная Масса, г/моль 2 Плотность, г/см3 при 20˚С (или при t) Температура, ˚С Плавления 3 4 Кипения (при P, кПа) 5 Марка масла Растворимость в воде, г/100г (при t) И-20А И-40А № партии 1 2 3 4 6 7 8 9 10 - - + - Пергидрополициклические арены 194,36 Не расворим 2-Бутил-5-гексилоктагидро-1Н-инден 264,50 Не расворим 9-додецилтетрадекагидрофенантрен 360,67 0,873 137,4 553,4 Не расворим + + + - 9-додецилтетрадекагидроантрацен 360,67 0,873 137,4 553,4 Не расворим + + + - Арены 1-Циклогексилэтил бензол 188,32 + - - - Пентадецил бензол 288,52 - + - - Гексадецил бензол 302,55 - - + - н-Гептадецил бензол 316,58 - + + - 1-Метилгексадецил бензол 316,58 + - - - 11-Фенил генейкозан 372,68 - - + - - - + - Алкены 2,5-Диметил-2-ундецен 182,35 2,2,3,5,5,6,6-Гептаметил-3-гептен 196,38 + 87 2-Бутилдекагидронафталин Продолжение табл. цис-7-Тетрадецен 196,38 1-Гептадецен 238,46 - - - + цис-2-Метил-7-октадецен 266,51 - - + - 1-Нонадецен 266,51 + + + + 1-Эйкозен 280,54 - + + - 1-Докозен 308,60 + + + + цис-9-Трикозен 322,62 + + + 11-Трикозен 322,62 - - - + цис-12-Пентакозен 350,68 - - - + 1-Гексакозен 364,70 - - - + 9-Гексакозен 364,70 - - - + 17-Пентатриаконтен 490,95 - - - + + 88 89 В соответствии с использованной методикой от 40 до 90 г СОЖ в течение 1,5 часов перемешивали на водяной бане при скорости вращения роторнопленочного испарителя 2 об/сек. Рис. 3.3. Лабораторный роторно-пленочный испаритель В лабораторном роторно-пленочном испарителе (рисунок. 3.3) смазочноохлаждающая жидкость в виде тонкой пленки распределяется по поверхности указанного испарителя, в результате чего интенсивно перемешивается. Вся масса смазочно-охлаждающей жидкости имеет одинаковую температуру. В СОЖ нет местного перегрева. При этом быстро достигается равновесие между жидкостью и паром. Как было показано в литературе[72], при повышении температуры концентрация указанных химических веществ в СОЖ на масляной основе снижается на 15-20%, следовательно, они загрязняют воздух в зоне пребывания работников. 90 14 12 1 ω мкг/г 10 8 2 3 6 4 4 2 0 0 20 40 60 80 100 Температура (˚С) Рис. 3.4. Температурная зависимость содержания некоторых непредельных углеводородов с двойной связью и предельных углеводородов с изопреноидным скелетом (ω, мкг/г) СОЖ марки МР-3К: 1 – цис-2-тетрадецен; 2 – 2,6,10-триметилпентадекан; 3 – 2,6,10,14-тетраметилпентадекен; 4 – 2,6,10,14-тетраметилгексадекан: ○ – наши данные; ● – литературные данные[72]. С целью уточнения полученных ранее данных нами были проведены испытания того же образца СОЖ марки МР-3К на том же оборудовании и по той же методике. Эксперименты были проведены при температуре 20˚С и практически максимально возможной при работе на водяной бане температуре 94˚С. Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 3.4. Как видно из полученных результатов, наши данные идеально совпадают с литературными[72] при 20˚С и согласуются с результатами, полученными при температурах 40, 60 и 80˚С[72]. 91 Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунке 3.4. С увеличением температуры от 20 до 94˚С содержание вредных химических веществ, в частности, цис-2-тетрадецена в СОЖ на масляной основе снижается на 17 – 28%, следовательно они загрязняют воздух в зоне пребывания работников и, в конечном итоге, окружающую среду. В связи с этим для минимизации воздействия содержащихся в СОЖ вредных химических веществ на работников предприятия и окружающую природную среду необходимо как можно больше уменьшить температурный интервал масляной СОЖ. Представленные на рисунке 3.4 данные о температурной зависимости содержания некоторых непредельных углеводородов с двойной связью и предельных углеводородов с изопреноидным скелетом позволяют рассчитать массу вредных примесей, выделяющихся из СОЖ в ходе технологического процесса в зависимости от интервала температур по соотношению: mвр = a∙V∙ρ∙Δt∙T где, m – масса вредной примеси, мг; V – расход циркулирующей СОЖ, м3/с; ρ – плотность СОЖ, кг/м3; T – время, с; Δt – температурный интервал, ˚С; а – тангенс угла наклона; Δt – t1-t2; t1 – температура СОЖ на выходе из отводного канала; t2 – температура СОЖ на выходе из охлаждающего контура; Приведем расчет для цис-2-тетрадецена и расхода СОЖ 0,0063 м3/с за 1 час работы при условии, что охлаждающий контур снижает температуру СОЖ с 50 до 25 ˚С. 92 а= 12,5 − 9,1 мкг мг = 0,046 = 0,046 94 − 20 г℃ кг℃ Тогда, m = 0,046∙0,0063∙890∙25∙3600 = 23186 мг = 23,2 г На основе проведенных исследований рассмотрим ход технологического процесса глубокого сверления. 3.5 Алгоритм оценки молекулярного состава СОЖ для регулирования температурного интервала Алгоритм оценки молекулярного состава масляной СОЖ для регулирования температурного интервала в ходе реализации технологического процесса глубокого сверления, разработанный на основе результатов проведенных исследований, представлен на рисунке 3.5. Данный алгоритм, оптимизированный для технологического процесса глубокого сверления, является основой для разработки структуры автоматической системы регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ с учетом возможного нахождения в ней особо опасных компонентов для повышения показателей качества технологического процесса, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека. Поставляемая на машиностроительной завод масляная СОЖ подвергается хромато-масс-спектрометрическому анализу на содержание в ней, во-первых, особо опасных и, во-вторых, вредных компонентов. Если она содержит особо опасные вещества (концентрация Соп > 0), то такую СОЖ необходимо подвергнуть дополнительной очистке на заводеизготовителе СОЖ (подробнее о методах очистки конкретных веществ говорится 93 Начало Поставка СОЖ на машиностроительный завод Хромато-массспектрометрический анализ нет Соп = 0 да да Свр ≥ Свр2 нет Технологический процесс Возврат СОЖ на завод-изготовитель Отбор пробы отработанной СОЖ из бака Конец Хромато-массспектрометрический анализ да Свр = Свр1 нет нет Свр < Свр2 да Уменьшение температурного интервала Рис. 3.5. Алгоритм оценки молекулярного состава масляной СОЖ для регулирования температурного интервала: Соп – концентрация особо опасного компонента; Свр – концентрация вредного компонента в данный момент времени; Свр1 – концентрация вредного компонента масляной СОЖ до поступления в технологический процесс; Свр2 – пороговое значение концентрации вредного компонента (в данном случае максимально допустимое). 94 в диссертации). При отсутствии таких веществ ( Соп = 0, точнее, фоновому значению Соп = Сфон ) ход технологического процесса зависит от концентрации в масляной СОЖ вредных компонентов. Предположим, что концентрация вредного химического вещества может изменяться в диапазоне от Свр1 до Свр2 (Свр2 > Свр1). При концентрации Свр1 температура циркулирующей масляной СОЖ в процессе глубокого сверления может поддерживаться при любом значении в пределах рекомендуемого Уткиным интервала (30 – 50 ˚С). Если содержание вредного вещества равно Свр2, то СОЖ должна быть очищена от вредных компонентов на ее заводе-изготовителе. Если Свр1 < Свр < Свр2, то температурный интервал должен уменьшаться по мере роста концентрации вредного компонента Свр. По результатам хроматографического анализа с масс-спектрометрическим детектором и дается заданное значение содержания вредной примеси Свр. Приведеный алгоритм положен в основу разработки структуры автоматизированной системы регулирования температуры в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ с учетом возможного нахождения в ней особо опасных и вредных компонентов. 3.6 Качество смазочно-охлаждающих жидкостей и индустриальных масел как составная часть химмотологии Вопросы, посвященные изучению молекулярного состава масляных СОЖ и индустриальных масел, характеризующего качества последних, является составной частью интенсивно развивающейся науки – химмотологии. Впервые термин химмотология предложил использовать К.К. Папок в 1964 г. Химмотология – наука о технологических процессах, свойствах, качестве и методологии рационального использования топлив, масел, смазок и технических жидкостей при эксплуатации техники. 95 Главной задачей химмотологии на современном этапе является оптимизация требований к качеству, составу и эксплуатационным свойствам топлив, смазочных материалов и технических жидкостей с учетом запасов первичных источников энергии, достижений научно-технического прогресса в развитии техники, особенностей ее конструкции и условий эксплуатации, экологических и экономических требований. Теоретические и инженерные основы химмотологии состоят, среди прочего, в разработке теории и установлении закономерностей, которые связывают качество горюче-смазочных надежностью, материалов долговечностью, и технических экологичностью, жидкостей экономичностью с и эффективностью работы техники [2]. Особое значение в химмотологии имеет контроль качества горючесмазочных материалов на пути от производителя до потребителя. Применение указанных материалов с завышенными показателями качества (уровнем качества) приводит к повышению затрат в сфере их производства, а с заниженными – к увеличению затрат в машиностроении и при эксплуатации техники. 96 Краткие выводы по главе 3 1. По данным автоматизированного хроматографического анализа с массспектрометрическим детектором в индустриальном масле марки И-20А двух партий и марки И-40А двух партий обнаружено более 200 токсичных веществ, в том числе 5 особо опасных. Они присутствуют, в основном в количестве 0,12 ... 40 мкг/г. 2. Установлено, что образцы одного и того же индустриального масла, изготовленного на разных предприятиях, кардинальным образом различаются по содержанию особо опасных компонентов. 3. При увеличении температуры от 20 до 94 ˚С содержание в СОЖ на масляной основе марки МР-3К вредных химических веществ снижается на 1728%, следовательно они загрязняют воздух в зоне пребывания работников и, в конечном итоге, окружающую среду. 4. Полученные данные хорошо согласуются с литературными, проведенными в более узком температурном интервале, что говорит об их надежности. Рабочая область температур циркулирующей СОЖ (30...50 ˚С) находится внутри этого интервала. 5. Система автоматизации циркулирования СОЖ должна рассматривать СОЖ, как химический объект регулирования, в объеме полученной информации. 97 Глава 4. Автоматизация и принципиальная схема циркулирования СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении 4.1 Общие сведения об автоматизации Стратегия развития современного машиностроительного производства предполагает созидание принципиально новых материалов, значительное увеличение уровня автоматизации управления и производственного процесса для обеспечения требуемого качества выпуска продукции по минимальным стоимостям в заданный срок. Современная техника машиностроения развивается в жестких конкурентных условиях, и его развитие идет в направлениях уменьшения времени обработки на новых станках из-за технических усовершенствований; значительного улучшения качества продукции; повышения интеллектуального оборудования машиностроительной промышленности. Главным резервом возрастания экономических показателей машиностроительного производства остается увеличение степени непрерывности рабочего процесса, в первую очередь, путем уменьшения вспомогательного и подготовительно- заключительного времени. В машиностроении решают эту задачу, в основном, путем автоматизации или механизации производственного процесса и улучшением управления процессом. Полная или частичная замена операторов в рабочих операциях машинами и механизмами с применением различных видов энергии называется механизацией производства. Основная цель механизации — облегчение труда и повышение его производительности. Эффективность производства может повышаться путем автоматизации. Под автоматизацией производства понимается процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполняемые 98 человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам. Автоматизация производства постоянно связывается с установлением различных систем управления, производственных выполняющих и функции технологических контроля процессов, и заменяя управления человека. В современной автоматизации объединились достижения различных областей знаний — математики, электроники, физики, химии, вычислительной техники и др. Автомат — устройство, действующее самостоятельно, или совокупность устройств, которые выполняют по заданной программе без непосредственного участия человека процессы преобразования, получения, передачи и использования информации, материалов и энергии. Автоматизация производства приводит к усложнению объектов, расширению функций и задач управления и неизменно связана с созданием различных систем управления. Для настоящего этапа развития машиностроения характерным является: - переход от технологическими управления процессами, от отдельными управления объектами отдельными к управлению участками к управлению предприятием; - широкое использование средств вычислительной техники для реализации оценки качества управления и алгоритмов, создания систем управления с управляющей вычислительной машиной (УВМ), многопроцессорных систем управления, реализации диалога «человек — система управления», повышения эффективности проектирования и др. Каждое управление основано на анализе информации о состоянии управляющего объекта, сравнивания ее с целями формирования и управления по результатам этого сравнивания которые соответствуют управляющие воздействия. Все эти проблемы решаются при помощи управляющего устройства, в качестве которого в автоматизированных и автоматических системах 99 управления обыкновенно используются средства вычислительной техники, из-за сложность управляемых процессов и повышения их интенсивности. Развитие вычислительной техники привело к возможности автоматизации буквально всех областей деятельности человека, в том числе по созданию и эксплуатации машин. Если раньше механизация и автоматизация в машиностроении ставили своей задачей облегчить физический труд людей, освободить их от монотонных ручных операций, то современные кибернетические системы позволяют облегчить и физический, и умственный труд. Наряду с развитием и массовым использованием ЭВМ все большее применение получает оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ), обрабатывающие центры (ОЦ), промышленные роботы (ПР), которые следует рассматривать как технологический исполнительный орган вычислительной техники. Проводятся работы по созданию новых видов этого оборудования, отличающихся технологическими возможностями, гибкостью, конструктивным исполнением, системами управления. Принципиальное отличие этого оборудования от традиционного — широкое применение средств вычислительной техники для управления работой, оптимизация технологических и производственных процессов и процессов управления, контроль и диагностика технического состояния и др. Переход от жестких технологических систем к гибким, сочетающих прогрессивные технологии с автоматизацией управления и использования технических средств на базе вычислительной техники для различных видов оборудования, является одним из главных направлений реконструкции и существенного повышения эффективности машиностроительного производства. Важным обстоятельством является широкое использование таких средств, как система автоматизированного проектирования и расчетов (САПР), которая 100 осуществляет выбор оптимальной структуры построения производственных систем, оборудования и сокращения сроков проектирования, производит автоматизированную разработку технологических процессов изготовления деталей и технологическую подготовку производства. Технической базой таких систем является автоматизированное рабочее место (АРМ). Создание и эксплуатация подобных систем автоматизации на промышленном предприятии перестали быть функциями только специалистов по автоматическому или автоматизированному управлению, требуются различные формы участия практически всех групп инженерно-технического и административно-управленческого персонала [10]. 4.2 Автоматизация обеспечения показателей экологичности и безопасности технологий формообразования в машиностроении Современные условия требуют от производителя высококачественного изделия в соответствии с общеевропейскими стандартами. В настоящее время в России в машиностроении по ряду причин не везде и не всегда соблюдаются требования к качеству по всем стандартным требованиям к группам показателей качества. Чаще всего это относится к требованиям надежности, долговечности, трудоемности изделий, энерго- и ресурсосбережению, а также, что не менее важно, к безопасности и экологичности технологических процессов и производств. Действительно, в большинстве европейских стран больщее внимание уделяется выполнению требований международных систем стандартов, связанных с безопасностью (ISO – 9000, ISO – 14000, OHSAS - 18001), с учетам реализации «петли качества», ориентирующей производителя и потребителя на выполнение требований стандартов на весь жизненный цикл существования изделия. При этом особое внимание уделяется показателям качества 101 технологических процессов, характеризующих их безопасность для работника и окружаюшей среды. В этой связи имеется необходимость изменения в России существующих подходов, связанных с использованием высокопроизводительных машиностроительных технологических процессов формообразования деталей машин с возможностью управления качеством этих процессов с учетом взаимосвязей с другими показателями качества. Следует отметить, что таким важнейшим показателям качества как показатели безопасности технологических процессов для человека и окружающей среды, комфортность труда часто не уделяется должного внимания, хотя именно эти показатели в значительной степени определяют конкурентоспособность машиностроительного производства, формируют важнейшие направления создания конкурентоспособных технологий формообразования. Решение задачи минимизации воздействия на человека и окружающую среду машиностроительных технологий формообразования часто приводит к изменению, а иногда технологических и к процессов. улучшению Это требует других показателей установления качества качественной и количественной взаимосвязи между показателями качества технологических процессов и модернизации на этой основе алгоритмов управления такими показателями качества, как точность формы и размеров, свойства и характеристики поверхностного слоя, производительность, воздействия на окружающую среду и человека, включая энергоемкость технологических процессов и др. Следует технологий отметить, что формообразования показатели в качества большинстве машиностроительных случаев оказываются взаимосвязанными. По этой причине решение задачи обеспечения показателей безопасности средствами автоматизации может привести к изменению других показателей качества технологических процессов. Это приводит к необходимости решения оптимизационной задачи при построении систем автоматического 102 обеспечения показателей качества, т.е. задачи, заключающейся в определении максимального количественного улучшения показателей безопасности при условии сохранения других показателей качества в допустимых пределах. Минимизацию формообразования воздействия на машиностроительных окружающую среду и человека процессов предпочтительно осуществлять с помощью средств автоматизации. Это позволит минимизировать опасность непосредственно в источниках возникновения, вести управление показателями безопасности в реальном маштабе времени и, в конечном итоге, обеспечить на рабочих местах нормативные условия труда. Основные задачи инженерного обеспечения безопасности производственной среды: 1) ориентированное на безопасность проектирование технологического оборудования; 2) создание ориентированных на безопасность машиностроительных технологических процессов формообразования; 3) ориентированная на безопасность автоматизация технологических процессов и производств [91, 92]. Построены системы автоматического управления концентрациями гексана и фенола при термодеструкции СОЖ в рабочей зоне при токарной обработке и при плоском шлифовании. Для решения задачи автоматизации концентрации гексана в качестве традиционного параметра используется скорость резания [33]. Многие задачи инженерного обеспечения безопасности производственной среды для обработки изделий взаимосвязаны и требуют тесного взаимодействия инженера по безопасности с инженерами других технических специальностей – конструктора, технолога, управленца. Только в этом случае будет обеспечено функционирование техническую, производственной технологическую и среды, учитывающее экономическую не эффективность, только но и эффективность, связанную с обеспечением безопасности. Только эта взаимосвязь позволит решить комплексную инженерную проблему – проблему формирования безопасного машиностроительного 103 производства, обеспечивающего полную или частичную нейтрализацию вредного воздействия на окружающую среду и человека производственной среды, проблему, имеющую важнейшее экономическое и социальное значение для отечественной промышленности. Путем автоматизации целесообразно проводить минимизацию воздействия компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей на человека и окружающую среду [89, 91, 92]. В [12, 62] изложены структуры микропроцессоров и микроЭВМ, алгоритмическое и программное обеспечение, указаны особености применения в системах управления станков и промышленных роботов, приведены тенденции развития микропроцессорного управления электроприводом металлорежущих станков. В работе [17] изложены особенности процессов обработки резанием в условиях автоматизированного производства, включающего автоматическое металлорежущее оборудование с компьютерными системами управления и развитое технологическое оснащение. В работах [11, 88] рассмотрен вопрос автоматизации экологичности обоснованного выбора СОТС и систем их применения на основе интегральной базы данных, представлено методическое обеспечение выбора СОТС. В диссертации [11] решена задача рационального выбора СОТС, в том числе и масляных СОЖ, и систем их применения, реализованная с использованием разработанной интегральной базы данных БД «ЭКО СОТС», особенностью которой является объединение экономических, экологических и технологических показателей технологической системы с применением СОТС. Применение результатов работы на предприятии ОАО МТЗ ТРАНСМАШ показало возможность использования разработанных методики и алгоритма для автоматизированного принятия решений по выбору СОТС и систем их применения при реализации технологических процессов. 104 4.3 Принципиальная схема циркулирующей СОЖ на масляной основе при глубоком сверлении Специфика операций глубокого сверления состоит в том, что при осуществлении процесса в зону резания к инструменту(сверлу) подается смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) под большими давлениями и с большими расходами, обеспечиваемых существенно насосными отличающимися системами обычного по величине от металлорежущего оборудования [30]. При глубоком сверлении подвод СОЖ и отвод стружки осуществляются по специально предусмотренным каналам. Один из каналов располагается внутри инструмента и называется внутренним. Наружный канал создается между наружной поверхностью инструмента и поверхностью обработанного отверстия в заготовке. Подвод СОЖ и отвод стружки по внутреннему каналу называется соответственно внутренним подводом СОЖ и внутренним отводом стружки, а по наружному каналу – наружным подводом СОЖ и наружным отводом стружки. Вид подвода СОЖ и вид отвода стружки являются основными признаками, характеризующими способ подвода СОЖ и отвода стружки, причем вид отвода стружки считается главным из них. На практике применяют два основных способа подвода СОЖ и отвода стружки: 1) наружный подвод СОЖ и внутренный отвод стружки; 2) внутренный подвод СОЖ и наружный отвод стружки. В данной работе за основу принят первый из этих способов, схема которого заимствована из книги Уткина и представлена на рисунке 4.1. При этом СОЖ поступает в зону резания по кольцевому зазору между инструментом 2 и стенками отверстия в заготовке 1 при помощи маслоприемника 3. СОЖ вместе со стружкой выводится из зоны резания по центральному отверстию в инструменте 105 2, после чего по не показанному на схеме лотку, который размещен на подающей каретке, перетекает в стружко-приемную тележку 5, перемешающуюся вместе с кареткой и имеющую устройство для сцепления с ней. В сетчатом дне тележки оседает большая часть стружки, а освобожденная от нее СОЖ стекает по имеющему небольшой уклон в сторону слива корыту 6 во вспомогательную емкость 7. Рис. 4.1. Схема системы наружного подвода масляной смазочноохлаждающие жидкости и внутреннего отвода стружки и СОЖ при глубоком сверлении [77] Для окончательной очистки СОЖ от стружки служит магнитный сепаратор 8. Излишки СОЖ в случае переполнения вспомогательной емкости 7 по трубе попадают в основную емкость 9, в которой находятся три блока шестеренных насосов 11. Очищенная фильтрами 10 СОЖ под давлением до 6 МПа через обратные клапаны поступает в коллектор 12 и затем к маслоприемнику 3 при помощи гибкого шланга. Предохранительный клапан с переливным золотником 106 13 обеспечивает необходимое давление в коллекторе (около 6 МПа). При помощи манометра 4, имеющего реле для отключения станка при чрезмерном изменении необходимого давления, проводится контроль последнего. Расход СОЖ зависит от глубины и диаметра отверстия и меняется ступенчато в интервале (1,66 ... 6,3) ∙ 10-3 м3/с. Маслоприемник — устройство, используемое на станках для глубокого растачивания и сверления при наружном подводе СОЖ. Маслоприемник, устанавливающийся в направляющей стойке станка, обеспечивает подвод потока СОЖ в зазор между стенками отверстия в заготовке и инструментом (стеблем), уплотнение в местах стеблевой частью инструмента и соприкосновения его деталей с заготовкой, а также направление и координацию режущей части инструмента в начале работы с помощью кондукторной втулки. Зачастую маслоприемник используется для гашения вибрации инструмента, а также для базирования конца заготовки, обращенного к маслоприемнику. На практике используют маслоприемники как с неподвижной, так и с вращающейся кондукторной втулкой. Маслоприемники с неподвижной кондукторной втулкой позволяют устранить часть погрешности просверленного отверстия, образующейся вследствие биения поверхности отверстия во вращающейся кондукторной втулке. Признано целесообразным контролировать концентрации особо опасных и вредных компонентов циркулирующей масляной СОЖ в течение всего процесса глубокого сверления. Для анализа молекулярного состава масляных СОЖ и индустриальных масел нами был выбран хромато-масс-спектрометрический метод. В зависимости от характера и целей решаемых задач хромато-массспектрометр можно рассматривать как универсальный масс-спектрометр с усовершенствованной системой напуска, позволяющей работать с неочищенными веществами и весьма сложными смесями, содержащими вcего 10-10 ÷10-14 г 107 определяемого компонента, что в милиарды раз меньше требуемых для обычных масс-спектрометров количеств веществ. С другой стороны, он представляет собой хроматограф с универсальным детектором, обладающим обширными возможностями идентификации и структурного анализа определяемых веществ при произвольно изменяемом селективности детектирования. и практически неограниченном выборе 108 Краткие выводы по главе 4 1. Повышение характеризующих их показателей качества воздействие на технологического окружающую среду и процесса, человека, целесообразно осуществлять с использованием средств автоматизации. 2. Для определения молекулярного состава СОЖ и индустриальных масел целесообразно использовать хромато-масс-спектрометрический метод. 109 Глава 5. Автоматизация регулирования молекулярного состава циркулирующей СОЖ с целью повышения экологичности и безопасности процесса глубокого сверления 5.1 Автоматизированная система регулирования молекулярным составом циркулирующей масляной СОЖ Автоматизация производства неизменно связана с созданием различных систем управления, которые выполняют функции контроля и управления производственных процессов, заменяя человека. Для управления необходимо проанализировать информацию о состоянии управляемого объекта, сопоставить её с целями управления, по результатам которого сформировать соответствующие управляющие воздействия. Для решения этих задач используются управляющие устройства. Переход от жестких технологических систем к гибким, сочетающих прогрессивные технологии с автоматизацией управления и использования технических средств на базе вычислительной техники для различных видов оборудования, является одним из главных направлений существенного повышения эффективности машиностроения. В последние годы наметилась тенденция комплексной автоматизации в условиях серийного и мелкосерийного производства на основе гибких производственных систем. Необходимым требованием к разрабатываемой системе является её непрерывное функционирование, что достигается путем наличия в ней 1) замкнутой системы циркулирующей масляной СОЖ; 2) автоматизированного хромато-масс-спектрометрического анализа; 3) системы «охлаждающий контур + датчик температуры»; 4) обратной связи между элементами системы. Средства контроля переносят непосредственно в цех, откуда и управляют технологическим процессом. В систему вводят промышленной автоанализатор 110 химического состава, проводящий все процедуры анализа автоматически и являющийся частью информационно измерительной системы. Схема системы «охлаждающий контур + датчик температуры» для рассмотренной выше системы подвода-отвода СОЖ, представленная на рисунке 5.1, включает также узел автоматизации. Рис. 5.1. Состав системы автоматического регулирования температуры СОЖ на масляной основе [77] Автоматическая система регулирования температуры СОЖ включает в себя состав: – датчик температуры, – модуль преобразования непрерывного сигнала в дискретный, – модуль сравнения, – модуль заданных значений, – модуль формирования управляющего сигнала, и – исполнительный механизм. 111 Датчик температуры установлен непосредственно на технологическом узле установки в трубе отводного канала с диапазоном измерения -30...+180 ˚С. Аналоговый сигнал, поступающий с датчика температуры, поступает в модуль преобразования непрерывного сигнала в дискретный (цифровой сигнал). В модуле сравнения осуществляется сравнение с заданным значением температуры, которое устанавливается экспериментальным путем и хранится в базе данных. В случае отклонения измеряемой температуры от диапазона заданного значения формируется сигнал управления исполнительным механизмом. Исполнительный механизм предназначен для перемещения регулирующих органов в процессами системах в автоматического соответствии с регулирования командными сигналами технологическими автоматических регулирующих и управляющих устройств. После поступления сигнала от управляемого устройства (в том случае, от модуля формирования управляющего сигнала) этот сигнал преобразуется во вращательное движение выходного вала, в соответствии с которым исполнительный механизм включает в работу фреоновую холодильную установку 14, которая состоит из компрессора, фильтра, терморегулирующего вентиля и испарителя. При этом температура СОЖ снижается до требуемой величины, что приводит к минимизации загрязнения рабочей зоны и окружающей среды. При температуре СОЖ ниже заданного значения, вырабатывается команда для выключения холодильной установки исполнительным механизмом с целью снижения стоимости производства и поддержания оптимальной температуры для обработки резанием. Разработанная схема позволяет осуществлять постоянный контроль соответствия температуры СОЖ заданному значению, а также обеспечивает более устойчивую и надежную работу устройства и не требует ручной настройки. 112 Предполагаемая система автоматического регулирования температуры СОЖ имеет децентрализованную структуру и возможность встраивания в общую систему управления технологическим оборудованием. На основе проведенных исследований (представлены на рисунке 3.5) разработаны представленная на рисунке 5.2 схема автоматизированной системы регулирования температурного интервала в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ при обработке глубоких отверстий, которая позволяет повысить показатели качества технологического процесса, характеризующие их воздействие на окружающую среду и человека. Она включает в себя как автоматический хромато-масс-спектрометрический молекулярный анализ содержащихся в циркулирующей масляной СОЖ особо опасных и вредных компонентов, так и автоматизированный блок регулирования её температуры в зависимости от концентрации указанных компонентов. При сверлении уделяется большее значение эвакуации стружки, поскольку обработка в ограниченном пространстве отверстия накладывает определенные требования в отношении контроля за стружкообразованием. Высокое качество фильтрации является необходимым условием для небольших сверл и отверстий с высокими требованиями к качеству обработанной поверхности. Поэтому отработанные СОЖ должны быть очищены с помощью комбинации различных фильтров или эффективной системой фильтрации для более качественной её очистки, а также повторного пользования. Для очистки смазочно-охлаждающей жидкости от магнитных частиц металлического шлама использован магнитный сепаратор. Металлические частицы накапливаются в лоток, по которому затем отходы перемещаются в специальный бак. Картриджные фильтры с тканевым или бумажным носителем используются для удаления металлических частиц-около 5 мкм из СОЖ. Это оборудование должно использоваться только после грубой очистки, чтобы избежать закупорки. 113 Центрифуги производят тонкую очистку водных и масляных СОЖ от магнитных и немагнитных частиц. Смазочно-охлаждающая жидкость, содержащая различные загрязнения, подается в барабан, вращающийся с высокой скоростью. Центробежная сила действует на частички загрязнения, вследствие чего грязь скапливается на стенках барабана, а очищенная жидкость выталкивается и подается далее. Эффективная система очистки создает более благоприятные условия и для технологического процесса, и для работы хроматографа. Пробы отбираются из основной емкости 9(представлена на рисунке 5.1), куда собирается очищенная от механических примесей СОЖ. Анализ СОЖ проводится на описанном в главе 3 оборудовании с требуемым временным интервалом. При обнаружении в СОЖ особо опасных компонентов технологический процесс останавливается, а СОЖ возвращается на завод-изготовитель для дополнительной очистки. При увеличении содержания вредных химических веществ охлаждающий контур будет уменьшать температурный интервал СОЖ, а также при условии превышения их концентрации до максимально-допустимых, технологический процесс будет прекращен для предотвращения загрязнения окружающей среды и негативного воздействия на здоровье человека. С помощью контура охлаждения и хладагентов, температура СОЖ, отводящейся из зоны резания, снижается до требуемого интервала для минимизации загрязнения окружающей среды и повышения эффективности производства. В качестве хладагента используется газ фреон. Для того чтобы агрегат работал в штатном режиме, в нем должно находиться определенное количество фреона, которое зависит от мощности системы и длины трассы для прокачки фреона. Рассчитаем, в качестве примера, теплоту, выделяемую СОЖ за 1 час работы при условии, что охлаждающий контур снижает температуру СОЖ с 50 до 25 ˚С при расходе СОЖ 0,0063 м3/с. 114 Теплота, выделяемая СОЖ за 1 час работы: Q1 = c∙V∙ρ∙Δt∙T где, Q1 – теплота СОЖ, кДж; с – теплоемкость СОЖ, кДж кг℃ ; V – расход циркулирующей СОЖ, м3/с; ρ – плотность СОЖ, кг/м3; T – время, с; Δt – температурный интервал, ˚С; В нашем случае, теплоемкость СОЖ = 1,68 кДж/кг˚С, плотность СОЖ = 890 кг/м3 Q1 = 1,68∙0,0063∙890∙25∙3600 = 847,8∙103 кДж Следует заметить, что количество теплоты, выделяемое из СОЖ в единицу времени, меняется в зависимости от температурного интервала между нагретой и требуемой величиной, мощности и производительности охлаждающего контура. А также в зависимости от условий и режимов резания, требуемой СОЖ, способов ее подачи и других факторов; расход СОЖ и ее плотность тоже меняются. Поэтому при установлении охлаждающего контура, необходимо учитывать эти факторы с целью обеспечения требуемой производительности охлаждающего контура в данный момент времени. Для того, чтобы обеспечить постоянный расход СОЖ в данный момент времени необходимо регулировать холодопроизводительность охлаждающего контура. В этом случае, холодопроизводительность должна быть равна количеству теплоты СОЖ, которое необходимо отбирать за данный момент 115 времени. Таким образом, холодопроизводительность можно рассчитать по формуле: Qx = mq, где, Qх – холодопроизводительность; q – удельная массовая холодопроизводительность; m – массовый расход хладагента в единицу времени. Массовый расход хладагента может регулироваться путем повышения или снижения скорости вращения компрессора по формуле: 𝑚= (𝑁𝑉х )𝜂 , [96] 𝑣х где, Vх – объемная производительность компрессора или объём, описанный поршнями компрессора(м3/c); N – частота вращения коленчатого вала (об/c); vх – удельный объем хладагента (м3/кг). η - объёмный КПД. При Qсож = Qx, 𝑄сож = (𝑁𝑉х )𝜂 ∙ 𝑞∙𝑇 𝑣х . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (𝑄х = 𝑚𝑞), cсож ∙ Vсож ∙ ρсож ∙ Δt ∙ T = откуда, 𝑁 = (𝑁𝑉х )𝜂 𝑣х ∙ 𝑞∙𝑇 , cсож ∙Vсож ∙ρсож∙ 𝑣х 𝑉х ∙ 𝜂 ∙ 𝑞 N = К ∙ Δt ......... (К = ∙ Δt , cсож ∙Vсож ∙ρсож ∙ 𝑣х 𝑉х ∙ 𝜂 ∙ 𝑞 ) где, К – коэффициент пропорционального регулирования скорости вращения компрессора по изменением температуры. 116 Зона обработки Т1 Аппараты для очистки СОЖ Исполнительный Очищенные Отработанные механизм СОЖ СОЖ Теплообменник Задатчик состава вредных Усилитель хромато-масс- сигнала спектрометр Nр П– Компрессор регулятор Nз Кл1 Задатчик состава особо опасных + A – B Ттре Рис. 5.2. Функциональная схема автоматизированной системы регулирования температуры в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ при обработке глубоких отверстий: Nз = Заданная частота вращения; Nр = Реальная частота вращения; Т1 – Температура СОЖ отводимая из зоны резания; Ттре – Требуемая температура. 117 В данной автоматизированной системе пропорциональный регулятор(Прегулятор) позволяет котролировать холодопроизводительность охлаждающего контура путем регулирования скорости вращения компрессора. При поступлении сигнала с задатчика состава вредных, охлаждающий контур начинает работать для того, чтобы соответствовать определенной холодопроизводительности путем регулирования скорости вращения компрессора с помощью пропорционального регулятора. При условии ΔT ≤0, частота вращения компрессора соответствует режиму холостого хода даже при наличии вредных веществ в СОЖ. Рабочая точка нелинейного элемента находится в области А. При ΔT>0 рабочая точка смещается в область B, и при замыкании ключа(Кл1) сигнал разности температур поступает на пропорциональный регулятор. Для успешного решения проблемы требуется тесное взаимодействие технологов-разработчиков, конструкторов, технологов машиностроительного предприятия и завода-изготовителя СОЖ, экологов и специалистов по токсикологии. Внедрение практическое предложенной значение, автоматической поскольку она системы повышает имеет большое показатели качества технологического процесса, характеризующих их воздействие на окружающую среду и человека за счет: 1) исключения воздействия на них особо опасных и 2) минимизации воздействия вредных компонентов СОЖ. Кроме того, повышение экологичности и безопасности технологического процесса в значительной степени повышает конкурентность машиностроительного производства. Изображенную на рисунке 5.2 схему автоматизированной системы рекомендовано применять в машиностроении при использовании системы циркулирующей СОЖ на масляной основе. 118 Краткие выводы по главе 5 1. Для более качественной очистки СОЖ необходимо дополнительно установить ряд аппаратов. Это улучшит качество обрабатываемой поверхности и создаст благоприятные условия для работы хроматографа с масс- спектрометрическим детектором. 2. Установлено, что в качестве регулятора компрессорной установки охлаждения СОЖ может быть использован П-регулятор. Найдена формула расчета его коэффициента. 119 Заключение С помощью полученных результатов можно сделать следующие заключения по работе: 1. Установлены качественные и количественные взаимосвязи между молекулярным составом СОЖ и показателями качества процесса глубокого сверления, характеризующими их воздействие на окружающую среду и человека. 2. Получены экспериментальные данные о молекулярном составе масляных СОЖ и индустриальных масел, указывающем на присутствие в них вредных и особо опасных компонентов, негативно воздействующих на окружающую среду и человека. 3. Показано, что особо опасными компонентами индустриального масла марок И-20А и И-40А, присутствие которых недопустимо с точки зрения экологичности и безопасности технологического процесса, являются местанолон, индометацин, меркаптофенол, О,О,О,О-тетрапропилдитиодифосфат и лептофос. Даны рекомендации по методам очистки масел от указанных веществ. 4. Разработан алгоритм оценки молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для регулирования температурного интервала в ходе реализации технологического процесса. 5. Разработана структура автоматизированной системы регулирования температуры в зависимости от изменения молекулярного состава циркулирующей масляной СОЖ для повышения показателей качества технологического процесса, включающая в себя газовый хроматограф с масс-спектрометрическим детектором. На основе анализа сигналов детектора в случае необходимости изменения температурного интервала СОЖ производится замыкание контура регулирования холодопроизводительности компрессора или остановки технологического процесса при обнаружении в ней особо опасных компонентов. 120 Список литературы 1. Аверьянов, О. И. Резание материалов : Учебное пособие / О. И. Аверьянов, В. В. Клепиков. – М.: МГИУ, 2008. – 116 с. 2. Аксенов, А.Ф. Современная парадигма и перспективы развития химмотологии / А. Ф. Аксенов, Е. П. Серегин, Л. С. Яновский, С. В. Бойченко // Химия и технология топлив и масел. – 2013. –№4. – С. 13 – 19. 3. Артамонов, Е.В. Резание металлов и температурный фактор : Учебное пособие / Е. В. Артамонов, Д. В. Васильев, М. Х. Утешев. – Тюмень: Тюм ГНГУ, 2012. – 150 с. 4. Ахметов, С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа : Учебное пособие для вузов / С. А. Ахметов. – Уфа : Гилем, 2002. – 672 с. 5. Байрамов, М.Р. 2-пропенил- и 4-изопропенилфенолов в качестве антимикробных присадок к нефтепродуктам / М. Р. Байрамов, А. М. Магеррамов, Г. М. Мехтиева и др. - Нефтехимия. – 2010. – Т. 50. – №1. – С. 69 - 73. 6. Белосевич, В. К. и др. Смазка для холодной обработки металлов давлением / В. К. Белосевич и др. // Открытие. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. – 1980. – №22. – 164 с. 7. Березин, Б. Д. Курс современной органической химии / Б. Д. Березин, Д. Б. Березин. – М.: Высшая школа, 1999. ‒ 768 с. 8. Бобров, В. Ф. Развитие науки о резании металлов / В. Ф. Бобров, Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев и др. – М.: Машиностроение, 1967. – 416 с. 9. Бобров, В. Ф. Резание металлов самовращающимися резцами / В. Ф. Бобров, Д. Е. Иерусалимский. – М.: Машиностроение, 1972. – 112 с. 10. Брюханов, В. Н. Автоматизация производства / В. Н. Брюханов, А. Г. Схиртладзе, В. П. Вороненко; под ред. Ю. М. Соломенцева. – М.:Высш. шк., 2005. ‒ 368 с. 121 11. Бутримова, О. В. Автоматизация выбора смазочно-охлаждающих технологических средств и систем их применения в машиностроении на основе интегральной базы данных : Автореферат дисс...канд. техн. наук. / О. В. Бутримова – М.: МГТУ «Станкин», 2011. – 32 с. 12. Васин, С. А. Резание материалов : Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании : Учеб. для техн. вузов / С. А. Васин, А. С. Верешака, В. С. Кушнер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 448 с. 13. Гайле, А. А. Процессы разделения и очистки продуктов переработки нефти и газа : Учеб. пособие / А. А. Гайле, В. Е. Сомов. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2012. – 376 с. 14. Голубков, Ю. В. Изопреноиды в масляных смазочно-охлаждающих жидкостях / Ю. В. Голубков, Н. В. Ермолаева // Химия и технология топлив и масел. – 2012. – № 2. – С. 41 – 43. 15. Голубков, Ю. В. Определение молекулярного состава индустриального масла И-20А / Ю. В. Голубков, Н. В. Ермолаева, Аунг Кхаинг Пьо // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2012. – №6. – С. 11 – 15. 16. Гордадзе, Г. Н. Углеводороды нефти и их анализ методом газовой хроматографии / Г. Н. Гордадзе, М. В. Гируц, В. Н. Кошелев. – М.: МАКС Пресс, 2010. ‒ 237 с. 17. Григорьев, С. Н. Обработка резанием в автоматизированном производстве: Учебник / С. Н. Григорьев, А. Р. Маслов. – М.: Машиностроение, 2008. – 372 с. 18. Грушко, Я. М. Вредные органические соединения в промышленных сточных водах: Справочник / Я. М. Грушко. – Л.: Химия, 1982. – 216 с. 19. Данилов, А.М. Введение в химмотологию / А. М. Данилов. – М.: Издательство «Техника», 000 «ТУМА ГРУПП», 2003. – 464 с. 20. Евдокимов, А. Ю. Смазочные материалы и вопросы экологии / А. Ю. Евдокимов и др. – М.: МАНГ, 2002. – 315 с. 122 21. Евдокимов, А. Ю. Смазочные материалы и проблемы экологии / А. Ю. Евдокимов, И. Г. Фукс, Г. Н. Шабалина, Л. Н. Багдасаров. – МГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. – 424 с. 22. Ермолаева, Н. В. Безопасность жизнедеятельности / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков. ‒ 2010. ‒ №12. ‒ С. 36 ‒ 40. 23. Ермолаева, Н. В. Загрязнение окружающей среды компонентами индустриальных масел / / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Экология и безопасность жизнедеятельности : Сборник статей XII международной конференции. – Пенза : РИО ПГСХА, 2012. – С. 50 – 53. 24. Ермолаева, Н. В. Минимизация воздействия масляных смазочно- охлаждающих жидкостей на окружающую среду и человека средствами автоматизации / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Вастник МГТУ «Станкин». – 2013. – №1(24). – С. 70 – 75. 25. Ермолаева, Н. В. Минимизация воздействия масляных смазочно- охлаждающих жидкостей на здоровье человека / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Materialy VIII mezinarodni vӗdecko-prakticka konference “ Dny vӗdy – 2012. Dil 70/ Lekarstvi, Ekologie. – Praha: Publishing House «Education and science» s.r.o., 2012. – Str. 80 – 82. 26. Ермолаева, Н. В. Определение молекулярного состава индустриального масла И-40А / / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – М.: ОАО "ВНИИОЭНГ, 2011.– №3. – С. 49 – 53. 27. Ермолаева, Н. В. Сравнительная характеристика молекулярного состава индустриального масла марки И-20А разных партий / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков, Аунг Кхаинг Пьо // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2013. – №1. – С. 28 – 31. 28. Ермолаева, Н. В. Экологическая безопасность при работе с СОЖ на масляной основе и мониторинг окружающей среды / / Н. В. Ермолаева, Ю. В. Голубков // Безопасность жизнедеятельности. – 2010. – №12. – С. 36 - 40. 123 Жильцов, И. Н. Прецизионный газохроматографический экспресс-анализ 29. компонентного состава природного газа / И. Н. Жильцов, В. В. Чупин // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. – М.: ОАО "ВНИИОЭНГ, 2011. – №3. – С. 77 – 81. 30. Звонцов, И. Ф. Технологии сверления глубоких отверстий : Учебное пособие / И. Ф. Звонцов, П. П. Серебреницкий, А. Г. Схиртладзе. – СПб.: Издательство «Лань», 2013. – 496 с. 31. Зорев Н. Н. Развитие науки о резании металлов / Н. Н. Зорев, Г. И. Грановский, М. Н. Ларин, Т. Н. Лоладзе, И. П. Третьяков. – М.: Изд-во, 1967. – 416 с. 32. Иванова, Н. А. Минимизация химического загрязнения как один из способов обеспечения экологической безопасности технологических процессов с применением СОТС / Н. А. Иванова // Безопасность жизнедеятельности. – 2006. – №6. – С. 16 – 18. 33. Иванова, Н. А. Улучшение условий труда на примере снижения химического фактора при реализации технологических процессов с применением СОТС / Н. А. Иванова // Производство. Технология. Экология: Монография. Выпуск №14. – М.: ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2011. – С. 42 – 48. 34. Иоффе, Б. В. Новые физические и физико-химические методы исследования органических соединений: Учеб. Пособие / Б. В. Иоффе, И. Г. Зенкевич, М. А. Кузнецов, И. Я. Берштейн. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. – 240 с. 35. Каминский, Э. Ф. Глубокая переработка нефти : технологический и экологический аспекты / Э. Ф. Каминский , В. А. Хавкин. – М.: Изд-во «Техника», ООО «ТУМА ГРУПП», 2001. – 384 с. 36. Камьянов, В. Ф. Высококипящие ароматические углеводороды нефтей : Препринт №4 / В. Ф. Камьянов, А. К. Головко, Е. А. Кураколова, Л. Л. Коробицына. – Томск : Институт химии нефти, 1982. – 52 с. 124 37. Камьянов, В. Ф. Основы химии нефти / В. Ф. Камьянов. – Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1981. – Ч. 1. – 132 с. 38. Караханов, Э. А. Наночастицы палладия на дендример-содержащих носителях как катализаторы гидрирования непредельных углеводородов / Э. А. Караханов, А. Л. Максимов, А. В. Золотухина и др. // Нефтехимия. – 2012.– Т. 52, №5, – С. 323 – 332. 39. Кирсанов, С. В. Инструменты для обработки точных отверстий / С. В. Кирсанов, В. А. Гречишников, А. Г. Схиртладзе, В. И. Кокарев. – М.: Машиностроение, 2005. – 336 с. 40. Киселев, Е. С. Интенсификация процессов механической обработки с использованием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие / Е. С. Киселев. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 186 с. 41. Киселев, Е. С. Эффективность ультразвуковых устройств для подачи СОЖ при шлифовании заготовок и правке абразивных кругов / Е. С. Киселев, А. Н. Унянин // СТИН. – 1995. – №2. – С. 24 - 28. 42. Клар, Э. Полициклические углеводороды / Э. Клар. – М.: Мир, 1976. – 852 с. 43. Клауч, Д. Н. Применение новых конструкций режущего инструмента и смазочно-охлаждающих сред в энергомашиностроении / Д. Н. Клауч, М. Е. Кущева // Энергомашиностроение. – 1986. ‒ №7. – С. 47 – 48. 44. Клюев, Н. А. Фенолы – глобальные загрязнители экосферы и предшественники диоксинов / Н. А. Клюев, Г. В. Мальцева // Диоксины. Супертоксиканты XXI века. Озеро Байкал. Регионы России. Выпуск №6. – М.: ВИНИТИ, 2001. – С. 173 – 212. 45. Кобилинский, охлаждакнцих К. жидкостей Н. для Эффективность обработки универсальных резанием смазочно- конструкционных и легированных сталей / К. Н. Кобилинский, А. П. Олейников, С. Н. Лютый // Вопросы химии и технологии смазочных материалов : Сб. научн. тр. – М .: 125 ЦНИИТЭнефтехим. – 1981.– Вып. 17. – С. 78 - 87. 46. Кожевников, Д. В. Режущий инструмент / Д. В. Кожевников, В. А. Гречишников, С. В. Кирсанов и др. – М.: Машиностроение, 2004. – 511 с. 47. Кокарев, В. И. Виброэжекторное сверление глубоких отверстий / В. И. Кокарев. – М.: Крук, 2013. – 224 с. 48. Кокарев, В. И. Интерфейсно-кубиковая технология создания обрабатывающих систем / В. И. Кокарев. – М.: Курк, 2013. – 123 с. 49. Кокорин, В. Н. Применение смазочно-охлаждающих технологических жидкостей в производстве прокатки листового материала : учебное пособие / В. Н. Кокорин, Ю. А. Титов. – Ульяновск : УлГТУ, 2004. – 55 с. 50. Колесников, С. И. Повышение активности CBC-нанокатализаторов гидроочистки дизельных топлив путем подбора вышелачивающих агентов / С. И. Колесников, В. Н. Борщ, М. Ю. Кильянов, Е. В. Иванов, В. И. Юхвид, П. А. Гущин // Химия и технология топлив и масел. – 2012. – №5. – С. 7 – 10. 51. Кондратьев, В. Б. Глобальный рынок машиностроения / В. Б. Кондратьев// Главный механик. – 2014. ‒ №1. – С. 13 – 27. 52. Косов, М. Г. Трибоэкология / М. Г. Косов, А. П. Кузнецов.– М.: МГТУ «Станкин», Янус-К, 2013. – 240 с. 53. Кугультинов, С. Д. Технология обработки конструкционных материалов / С. Д. Кугультинов, А. К. Ковальчук, И. И. Портнов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 678 с. 54. Кулиев, А. М. Химия и технология присадок к маслам и топливам / А. М. Кулиев. ‒ М.: Химия, 1972. ‒358 с. 55. Магдалинова, Н. А. Наноалмазы, содержащие палладий, в гидрировании и гидроаминировании / Н. А. Магдалинова, П. А. Калмыков, М. В. Клюев. // Нефтехимия. – 2012. – Т. 52, №5. – С. 333 – 338. 56. Майстренко, В. Н. Эколого-аналитический мониторинг стойких органических загрязнителей / В. Н. Майстренко, Н. А. Клюев. – М.: БИНОМ. 126 Лаборатория знаний, 2004. – 323 с. 57. Мак-Махон, Дж. Аналитические приборы. Руководство по лабораторным, портативным и миниатюрным приборам : Пер. с англ. / Дж. Мак-Махон. – СПб,: ЦОП «Профессия», 2009. – 352 с. 58. Малиновский, Г. Т. Масляные смазочно-охлаждающие жидкости для обработки металлов резанием: Свойства и применение / Г. Т. Малиновский. ‒ М.: Химия. 1993. ‒ 160 С. 59. Мальшев, В. И. Очерки истории науки о резании материалов : монография / В. И. Мальшев. – Тольятти : ТГУ, 2011. – 216 с. 60. Мамедбейли, Э. Г. Метиленоксиаминопроизводные 1-пропилтиогептана в качестве антимикробных присадок к смазочным маслам / Э. Г. Мамедбейли, И. А. Джафаров, К. А. Кочетков и др. – Нефтехимия. – 2009. – Т. 49. – №6. – С. 532 - 536. 61. Манг, Т. Смазки. Производство, применение, свойство : Справочник; Пер. 2-го англ. изд./ Т. Манг, У. Дрезель(ред.). –СПб.: ЦОП «Профеция», 2010. – 944 с. 62. Михайлов, О. П. Микропроцессорное управление приводами металлорежущих станков / О. П. Михайлов, О. В. Веселов. – М.: НИИмаш, 1982. – 56 с. 63. Некрасов, С. С. Обработка материалов резанием / С. С. Некрасов. – М.: Агропромиздат,1988. – 336 с. 64. Овсеенко, А. Н. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения / А. Н. Овсеенко, В. И. Серебряков, М. М. Гаек. – М.: «Янус-К», 2003. – 296 с. 65. Овсеенко, А. Н. Формообразование и режущие инструменты : Учебное пособие / А. Н. Овсеенко, Д. Н. Клауч, С. В. Кирсанов, Ю. В. Максимов; под ред. А. Н. Овсеенко. – М.: ФОРУМ, 2010. – 416 с. 66. Рагрин, Н. А. Обработка материалов и инструменты. Учебник / КГТУ им. И. Раззакова; Н. А. Рагрин. – Б.: ИЦ «Текник», 2012. – 161 с. 127 67. Раднюк, В. С. Влияние микродоз йода как компонента СОТС на обработку резанием титановых сплавов и труднообрабатываемых сталей / В. С. Раднюк, А. Г. Наумов; под ред. В. Н. Латышева // Физика, химия и техника требосистем : межвуз сб. научн. тр.– Иваново : Иван. гос. ун-т, 2013. – Вып. 11. – С. 100 – 102. 68. Раднюк, В. С. Некоторые аспекты применения йода в качестве компонента СОТС / В. С. Раднюк, А. Г. Наумов, В. Н. Латышев, Е. А. Баранцева // Жидкие кристаллы и их практическое использование. – 2012. – №2(40). – С. 96 – 104. 69. Реймерс, Н. Ф. Экология: теории, законы, правила, принципы и гипотезы / Н. Ф. Реймерс. – М.: Россия молодая. – 1994. – С. 367. 70. Ровинский, Ф. Я. Финовый мониторинг загрязнения экосистем суши хлорорганическими соединениями / Ф. Я. Ровинский. – Л., 1990. 71. Серебреницкий, П. П. Технология сверления глубоких отверстий / П. П. Серебреницкий // Журнал «РИТМ», 2009. – №9. – С. 11 – 14. 72. Скорописцева, Н. В. Влияние температуры при обработке глубоких отверстий резанием на содержание вредных компонентов в смазочно- охлаждающих жидкостях на масляной основе / Н. В. Скорописцева, Ю. В. Голубков, М. Е. Кущева // Химия и технология топлив и масел. – 2010. – №1. – С. 51 - 53. 73. Стоба, С. С. Эмульсия для обработки металлов давлением / С. С. Стоба и др. // Открытие. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. – 1984. – №13. – 18 с. 74. Схиртладзе, А. Г. Технологические процессы автоматизированного производства : Учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / А. Г. Схиртладзе, А. В. Скворцов. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 400 с. 75. Тагиров, Т. К. Комплексное исследование смазочных материалов на основе синтетических, смешанных и нефтяных масел / Т. К. Тагиров, Д. Ю. Поляков. – М.: Государственное учреждение Российский федеральный центр судебной 128 экспертизы при Министерстве юстиции Российской Федерации, 2009. – 204 с. 76. Трент, Е. М. Резание металлов / Е. М. Тренг. – М.: Машиностроение, 1980. – 264 с. 77. Уткин, Н. Ф. Обработка глубоких отверстий / Н. Ф. Уткин, Ю. И. Кижняев, С. К. Плужников и др. – Л.: Машиностроение, 1988. – 269 с. 78. Фесенко, А. В. Повышение эффективности шлифования при активации и рациональном использовании СОЖ / А. В. Фесенко, Ю. Н. Любимый // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Технології в машинобудуванні. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2010. – №41. – С. 71–100. 79. Филова, В. А. Вредные химические вещества. Природные органические соединения : Издание справочно-энциклопедического типа. Том 7. / Под ред. В. А. Филова, Ю. И. Мусийчука, Б. А. Ивина. – СПб.: Изд-во СПХФА, НПО «Мир и Семья – 95», 1998. – 504 с. 80. Фрумин, Г. Т. Оценка риски для здоровья населения Санкт-Петербурга при ингаляционном воздействии взвешенных веществ и бенз(а)пирена / Г. Т. Фрумин // Безопасность жизнедеятельности. – 2011. – №2(122). – С. 38 – 41. 81. Хаджиев, С. Н. Микроэлементы в нефтях и продуктах их переработки / С. Н. Хаджиев, М. Я. Шпирт. – М.: Наука, 2012. – 222 с. 82. Халл, М. Нанотехнологии и экология : риски, нормативно-правовое регулирование и управление; пер. с англ. / М. Халл, М. Боумен. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 344 с. 83. Харлампович, Г. Д. Фенолы / Г. Д. Харлампович, Ю. В. Чуркин. – М.: Химия, 1974. – 376 с. 84. Хаустов, А. П. Производственный экологический мониторинг / А. П. Хаустов, М. М. Редина. – М.: Росс, ун-т дружбы народов, 2008. – 504 с. 85. Хотинский, Е. С. Курс органической химии / Е. С. Хотинский. ‒ Харьков: Изд-во Харьк. гос. ун-та им. А.М. Горького, 1955. ‒ 704 с. 129 86. Худобин, Л. В. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: Справочник / Л. В. Худобина, А. П. Бабичев, Е. М. Булыжев; под общ. ред. Л. В. Худобина. – М.: Машиностроение, 2006. – 544 с. 87. Худошина, М. Ю. Исследование взаимосвязей технологических и экологических параметров технологической системы с применением СОТС / М. Ю. Худошина, О. В. Бутримова // Безопасность жизнедеятельности. – 2011. – №6. – С. 27 - 30. 88. Худошина, М. Ю. Принятие решений по экологически обоснованному выбору СОТС и систем их применения / М. Ю. Худошина, О. В. Бутримова // Производство. Технология. Экология: Монография. Выпуск №14. – М.: ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2011. – С. 110 - 114. 89. Худошина, М. Ю. Разработка принципов создания информационной системы для минимизации воздействия смазочно-охлаждающих технологических средств на окружающую среду / М. Ю. Худошина, О. В. Бутримова // Безопасность жизнедеятельности. – 2010. ‒ №4. – С. 39 - 42. 90. Цветков, О. Н. Поли-α-олефиновые масла : химия, технология и применение / О. Н. Цветков. – М.: Издательство «Техника», ТУМА ГРУПП, 2006. – 192 с. 91. Шварцбург, Л. Э. Инженерная экология, безопасность труда и жизнедеятельности в МГТУ «Станкин» / Л. Э. Шварцбург // Безопасность жизнедеятельности. – 2006. ‒ №6. – С. 2 – 4. 92. Шварцбург, Л. Э. Особенности защиты окружающей среды в производственных условиях // Безопасность жизнедеятельности / Л. Э. Шварцбург. ‒ 2006. – №6. – С. 9 - 13. 93. Элверс, Б. Топлива. Производство, применение, свойства : Справочник / Б. Элверс. – СПб.: ЦОП «Профессия», 2012. – 416 с. 94. Якухин, В. Г. Высокотехнологичные методы металлообработки : учебник / 130 В. Г. Якухин; Под ред. О. В Таратынова. – М.: МГИУ, 2011. – 362 с. 95. Яновская, С. С. Распределение низкомолекулярных азотистых соединений в нефтях и органическом веществе пород верхней юры Западной Сибири / С. С. Яновская, Т. А. Сагаченко. ‒ Нефтехимия. ‒ 2009. ‒ Т. 49. ‒ №5. ‒ С. 374 ‒ 379. 96. Earl, L. Jr. Thermodynamics: Processes and Applications / L. Jr. Earl // Mechanical Engineering. New York, Basel : Marcel Dekker, Inc., 1999. – 440 p. 97. Fowolis, I. A. Gas Chromatography: Analytical Chemistry by open learning / I. A. Fowolis. – Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore: University of Greenwich, 1995. – 260 p. 98. Gary, J. H. Petroleum Refining: Technology and Economics / J. H. Gary, G. E. Handwerk. – New York, Basel : Marcel Dekker, Inc., 2001. – 441 p. 99. Jennings, W. Analytical Gas Chromatography / W. Jennings. – San Diego: Academic Press, 1997. – 394 p. 100. Kitson, F. G. Gas Chromatography and Mass Spectrometry: A Practical Guide / F. G. Kitson, B. S. Larsen, C. N. McEroen. – San Diego: Academic Press, 1996. – 385 p. 101. Mair, B. J. Hydrocarbons isolated from petroleum / B. J. Mair // Oil and Gas. – 1964. – V. 62, №37. – P. 130 – 134. 102. McNair, H. M. Basic Gas Chromatography / H. M. McNair, J. M. Miller. – New York: A Wiley-Interscience Publication, 1998. – 203 p. Рис. 1. Хроматограмма индустриального масла марки И-20А (образец 1) 131 Приложение 1 Рис. 2. Хроматограмма индустриального масла марки И-40А (образец 3) 132 Приложение 2 133 Приложение 3 (1) Местанолон (C20H32O2 ) (2) Индометацин (C19H16ClNO4 ) (3) Меркаптофенол (C6H6OS ) (4) Лептофос (C13H10BrCl2O2PS ) (5) O,O,O,O – Тетрапропил дитиодифосфат (C12H28O5P2S2 ) Рис. 3. Структурные формулы особо опасных компонентов индустриального масла
