Efektywność energetyczna procesu obróbki skrawaniem na

MECHANIK NR …/201… …
Efektywność energetyczna procesu obróbki skrawaniem
na obróbki
przykładzie
toczenia
Efektywność energetyczna procesu
skrawaniem
na przykładzie toczenia
1308
MECHANIK NR 10/2016
The energy efficiency of the machining process on the example of rolling
The energy efficiency of the machining process on the example of rolling
AGNIESZKA TERELAK-TYMCZYNA
KAROL MIĄDLICKI
MONIKA NOWAK*
AGNIESZKA
TERELAK-TYMCZYNA
KAROL MIĄDLICKI
MONIKA NOWAK *
DOI: 10.17814/mechanik.2016.numer
wydania. numer kolejny
DOI: 10.17814/mechanik.2016.10.336
Efektywność energetyczna procesów produkcyjnych
stała się w ostatnich latach jednym z priorytetowych
działań organizacji.
W referacie przedstawione zostały wyniki badań
Efektywność
energetyczna
procesów
produkcyjnych
stała się
przeprowadzonych
na tokarce
w Instytucie
Technologii
Mechanicznej.
wyniki przedstawiają
rzew
ostatnich latachPrezentowane
jednym z priorytetowych
działań organizacji.
czywiste
procesu
obróbki
elementów
produW
referacieprzebiegi
przedstawione
zostały
wyniki badań
przeprowadzokowanych
seryjnie.
nych
na tokarce
w Instytucie Technologii Mechanicznej. PreSŁOWA
KLUCZOWE:
Efektywność
energetyczna,
obzentowane wyniki przedstawiają
rzeczywiste
przebiegi procesu
róbka skrawaniem, toczenie
obróbki elementów produkowanych seryjnie.
SŁOWA
KLUCZOWE:
efektywność
energetyczna,
obróbka
The energy
efficiency
of production
processes
hasskrabewaniem,
come intoczenie
recent years one of the priority activities of the
organization . The paper presents the results of studies
The
energy efficiency
of production
processesofhasMechanical
become in
conducted
on a lathe
at the Institute
Technology
. The
presented
represent
the actual
recent
years one
of results
the priority
activities
of the organization.
waveforms
process
machining
of parts
manufactured
The
paper presents
theof
results
of studies
conducted
on a lathe
in
series.
at the Institute of Mechanical Technology. The results presented
KEYWORDS:
Energy
efficiency,
represent
the actual
waveforms
processmachining
of machiningprocess,
of parts
rolling.
manufactured
in series.
KEYWORDS: energy efficiency, machining process, rolling
Wprowadzenie
W ostatnich latach rośnie zainteresowanie poprawą
efektywności
zakładów
produkcyjnych,
W ostatnichenergetycznej
latach rośnie coraz
większe
zainteresowanietym
poprawą
efektywności
energetycznej
zakładów metaloprodukw
z sektora
obróbki metali
i produkcji artykułów
cyjnych,
w tym z sektora
obróbki
metaliwizwiększonej
produkcji artykułów
wych.
Tendencję
tę można
zauważyć
liczbie
metalowych.
Tendencję tę można
zauważyć
zwiększonej
publikacji
w czasopismach
naukowych
[m.in.w 1,
3÷6] oraz
ilości
publikacji wsię
czasopismach
naukowych,
m.in. [1, 3÷6]
w
zwiększającej
liczbie projektów
inwestycyjnych
[2],
oraz w zwiększającej
się ilości
projektów
[2],
których
jednym z efektów
realizacji
jestinwestycyjnych
redukcja zużycia
których elektrycznej.
jednym z efektów realizacji jest redukcja zużycia
energii
energii
elektrycznej.
W literaturze
przedmiotu poświęcono wiele uwagi anaW literaturze przedmiotu badań poświęcono wiele uwagi
lizie zużycia energii elektrycznej przez poszczególne pod­
analizie zużycia energii elektrycznej przez poszczególne
zespoły obrabiarki [4÷6]. Głównym celem tych analiz było
podzespoły obrabiarki [4÷6]. Głównym celem tych analiz
określenie
najbardziej
energochłonnych
podzespołów
i ta-i
było określenie
najbardziej
energochłonnych
podzespołów
kie
ich
dobranie,
aby
zmniejszyć
pobór
energii
dla
całego
takie ich dobranie, aby zmniejszyć pobór energii dla całego
układu
układu –– obrabiarki.
obrabiarki. Rozkład
Rozkład średniej
średniej energii
energii zużywanej
zużywanej
przez
przez poszczególne
poszczególne podzespoły
podzespoły obrabiarki
obrabiarkiwwciągu
ciągugodziny
jednej
obróbki
przedstawiono
na rys.
godziny zgrubnej
obróbki zgrubnej
przedstawia
rys.1.
1.
6%
17%
31%
Układ chłodzenia i
smarowania
układ hydrauliczny
układ pomocniczy
19%
27%
serwonapędy
Rys. 1. Rozkład średniej energii zużywanej dla poszczególnych podzespoRys.obrabiarki
1. Rozkład
średniej
łów
w ciągu
godzinyenergii
obróbkizużywanej
zgrubnej [5,dla
7] poszczególnych
podzespołów obrabiarki w ciągu jednej godziny obróbki zgrubnej [5,
7]
* dr inż. Agnieszka Terelak-Tymczyna ([email protected]),
mgr inż. Karol Miądlicki ([email protected]) ,
* Dr inż. Agnieszka Terelak-Tymczyna ([email protected]),
mgr inż. Monika Nowak ([email protected]) –
mgr inż. Karol Miądlicki ([email protected]), mgr inż. Monika
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Nowak ([email protected]) – Zachodniopomorski Uniwersytet
Technologiczny w Szczecinie
Zgodnie z danymi zawartymi w [5, 7] energia zużywana
bezpośrednio na proces obróbki skrawaniem stanowi ok.
14,8%,
natomiast
pozostałe
85,2%
zużywane
jest przez
Zgodnie
z danymi
zawartymi
w [5, 7]
energia zużywana
poszczególne
układy
obrabiarki.
bezpośrednio na proces obróbki skrawaniem stanowi ok.
Analizując prace dotyczące zużycia energii obrabiarek i
14,8%, natomiast pozostałe 85,2% zużywane jest przez
procesu obróbki skrawaniem możemy zauważyć, że energia
poszczególne
układy obrabiarki.
elektryczna rozpatrywana jest tylko jako energia czynna
Analizując
prace
dotyczącenazużycia
energiienergetyczną
przez obrawyrażana w kWh. Jednakże
efektywność
biarki
i
proces
obróbki
skrawaniem,
możemy
zauważyć,
procesu obróbki skrawaniem wpływ ma nie tylko
energia,
że
energia
elektrycznado
rozpatrywana
jestprzez
tylko jako
enerktóra
jest niezbędna
wykonywanej
obrabiarkę
gia
czynna
wyrażana
w kWh.
Jednakże
na efektywność
pracy,
ale również
energia
bierna
(indukcyjna)
wyrażana
energetyczną
obróbki
skrawaniem
wpływ ma
nie
kVarh. Jest to procesu
szczególnie
istotne
z punktu widzenia
przedtylko
energia,które
któranie
jest
niezbędna
do wykonywanej
siębiorstwa,
mając
świadomości
co do ilościprzez
i roobrabiarkę
pracy, ale
również
energiaobróbki
bierna (indukcyjna)
dzajów zużywanej
energii
w procesie
skrawaniem,
ponosi koszty
energii.
wyrażana
kVartej· h.
Jest to szczególnie istotne z punktu wiCelem
niniejszej pracy które
jest analiza
zużycia
energii elekdzenia
przedsiębiorstwa,
nie mając
świadomości
co
trycznej:
i biernej
w procesie
obróbki
skrawaniem.
do
ilości czynnej
i rodzajów
zużywanej
energii
w procesie
obróbki
Do badań wykorzystano
(rys. 2a i 2b) produkowaskrawaniem,
ponosi kosztywyrób
tej energii.
nyCelem
seryjnie
na tokarce
CTXjest
Ecoline
w Instytucie
Technologii
niniejszej
pracy
analiza
zużycia energii
elekMechanicznej
Zachodniopomorskiego
Uniwersytetu
Techtrycznej:
czynnej
i biernej w procesie obróbki
skrawaniem.
nologicznego w Szczecinie.
Do badań wykorzystano wyrób (rys. 2a i 2b) produkowany seryjnie na tokarce CTX Ecoline w Instytucie Technologii
Mechanicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
a)
a)
b)
b)
Rys. 2. Zdjęcie wyrobu a) widok z przodu, b) widok z góry
Całkowity czas obróbki pojedynczego wyrobu trwał 2 mi-
nuty2.56
sekund,
w a)
tym
4 sekundy
Rys.
Zdjęcie
wyrobu:
widok
z przodu, b)zajmowało
widok z góry wymuszone
zatrzymanie procesu obróbki w celu usunięcia wióra.
Szczegółowe
dane
dotyczące
procesu obróbki
z uwzględCałkowity czas
obróbki
pojedynczego
wyrobu trwał
2 min
nieniem
czasu
zestawiono wzatrzymanie
tablicy I.
56
s, w tym
4 sprzezbrojenia
zajmowało wymuszone
pro-
cesu obróbki w celu usunięcia wiórów. Szczegółowe dane
Tablica I. Zestawienie danych dla procesu toczenia
dotyczące
wyrobu procesu obróbki z uwzględnieniem czasu przezbrojenia zestawiono w tabl. I.
Energia Energia
Czas
czynna bierna
Tablica I. Zestawienie danych dla procesu toczenia wyrobu
Operacja
[s]
[kWh]
[kVarh] tanϕ
Przezbrojenie maszyny
758 Energia
0,289 Energia
0,245
0,85
tan
Czas
Operacja
Obróbka jednego wyrobu
Przestój wymuszony dla jednePrzezbrojenie
go
wyrobu maszyny
Bieg
jałowy
dla jednego
Obróbka
jednego
wyrobu wyrobuwyjęcie obrobionego wyrobu i
Przestój wymuszony dla jednego
zamontowanie
materiału do
wyrobu
obróbki
Bieg jałowy dla jednego wyrobu –
Wyprodukowanie
124wyrobu
wyrobów
wyjęcie obrobionego
i zamontowanie materiału do obróbki
Wyprodukowanie 124 wyrobów
s172
bierna
czynna
0,127 kVar
0,162
·h
kWh
ϕ
1,27
758 4
0,289
0,002
0,245
0,003
0,85
1,17
172
0,127
0,162
1,27
4
0,002
0,003
1,17
25062
20
17,238
0,007
21,480
1,25
0,007
0,96
25062
17,238
21,480
20
0,007 0,007
0,96
1,25
MECHANIK NR 10/2016
1309
+
MECHANIK NR .../20...
Podane w tabeli czasy wymuszonego zatrzymania oraz
biegu jałowego, w czasie którego następowała zmiana
wyrobu z obrobionego
na materiał
do obróbki,zatrzymania
zostały
Podane w tabeli
czasy wymuszonego
oraz
uśrednione
na podstawie
pomiarów.
biegu
jałowego, wprzeprowadzonych
czasie którego następowała
zmiana wyDla zobrazowania
ilości pobieranej
energii
czynnejzostały
i bier- uśredrobu z obrobionego
na materiał
do obróbki
nione najakie
podstawie
przeprowadzonych
pomiarów. Dla
nej oraz kosztów,
są z tym
związane, przedstawiono
pobieranej
energii
czynnej
i biernej oraz
wyniki dla zobrazowania
produkcji 124 ilości
elementów
w ciągu
jednej
zmiany.
kosztów jakiepomiaru
są z tymmocy
związane
przedstawiono
wyniki dla
Okres próbkowania
czynnej
i biernej wy124 elementów
w ciągu jednej zmiany.
nosił 1 s. produkcji
Szczegółowy
wykres zapotrzebowania
na moc
Okres
pomiaru
mocy czynnej
i biernej wyczynną i bierną
do próbkowania
produkcji jednego
elementu
przedstanosił3.1 sekundę. Szczegółowy wykres zapotrzebowania na
wiono na rys.
moc czynnąwi tabl.
bierną
do produkcji
elementu przedZ przedstawionych
I danych
wynika,jednego
że na potrzestawia rys. 3.
by pro­dukcji 124 wyrobów potrzebne jest dostarczenie ok.
Z przedstawionych w Tablicy I. danych wynika, że dla
17 kWh energii czynnej oraz ok. 21 kVar · h energii biernej.
produkcji 124 wyrobów potrzebne jest dostarczenie ok. 17
Zakładając,
koszt
jednejoraz
kWhok.
wynosi
0,25
zł netto,
kWh że
energii
czynnej
21 kVarh
energii
biernej.
to koszt energii
elektrycznej
wynosi
4,31
zł
netto,
co0,25
dajezł netto, to
Zakładając, że koszt jednej kWh wynosi
5,30 zł brutto.
koszt energii elektrycznej wynosi 4,31 zł netto, co daje 5,30
Przy założeniu
zł brutto.braku kompensacji mocy biernej koszt
energii elektrycznej
niezbędnej
produkcji 124
wyroPrzy założeniu
brakudokompensacji
mocy
biernej koszt
bów będzie
wynosił
przy uwzględnieniu
wzoru
energii
elektrycznej
niezbędnejponiższego
do produkcji
124 wyrobów
7,15 zł. Koszt
całkowity
elektrycznej,wzoru
uwzględniabędzie
wynosił energii
przy uwzględnieniu
(1) 7,15 zł. Koszt
całkowity
uwzględniający
jący zarówno
energięenergii
czynną,elektrycznej,
jak i bierną wzrósł
o 34,9%. zarówno
energię czynną, jak i bierną wzrósł o 34,9%.
𝑂𝑂𝑏𝑏 = 𝑘𝑘 ∗ 𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟 ∗ ��
gdzie:
1+𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡2 𝜑𝜑
1+𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡2 𝜑𝜑0
− 1� ∗ 𝐴𝐴
(1)
Ob - opłata za nadwyżkę energii biernej w złotych
gdzie:
k -nadwyżkę
ustalonaenergii
w taryfie
krotność
Ob – opłata za
biernej
w złotych,ceny 𝐶𝐶𝑟𝑟𝑟𝑟 .
k – ustalona 𝐶𝐶
w𝑟𝑟𝑟𝑟
taryfie
krotnośćcena
ceny,sprzedaży energii elektrycznej na rynku
- średnia
Crk – średnia cena
sprzedaży energii
na rynku konkurencyjnym,
konkurencyjnym
naelektrycznej
dzień zatwierdzenia
taryfy operatora
na dzień zatwierdzenia
taryfy operatora,
tan 𝜑𝜑0 - umowny
współczynnik mocy
2
tan φ0 – umowny współczynnik mocy,
tan 𝜑𝜑 - współczynnik mocy wynikający z pobranej energii
tan2φ – współczynnik mocy wynikający z pobranej energii biernej,
biernejpobrana całodobowo.
A – energia czynna
A - energia czynna pobrana całodobowo
Podsumowanie
Podsumowanie
Z przeprowadzonych badań wynika, że analizując efektyw-
Z przeprowadzonych badań wynika, że analizując efekność energetyczną obrabiarek i procesu obróbki skrawatywność energetyczną
obrabiarek
i procesu
niem, nie możemy
zwracać
uwagiobróbki
tylko skrai wyłącznie na
waniem, nie
możemy
zwracać
uwagi
tylko
na
redukcję
redukcję zużycia energii czynnej. Równie
istotnym paramezużycia energii
czynnej. Równie
istotnym parametrem,
trem, szczególnie
dla przedsiębiorstw,
ale także dla działaszczególnie
przedsiębiorstw,
ale także
dla działania
niadla
całej
sieci energetycznej
może okazać
się jakże często
całej siecipomijana
energetycznej,
możepomiarach
się okazać
jakże częwe wszelkich
i analizach
energia biersto pomijana
na. we wszelkich pomiarach i analizach energia bierna.
LITERATURA
LITERATURA
1. Bunse K. , Vodicka M. , Schönsleben P., Brülhart M., Ernst F.O.
Rys. 3. Szczegółowy wykres zapotrzebowania na moc czynną i bierną do
produkcji jednego elementu
“Integrating
energy efficiency
performance
in production
man1.Bunse K., Vodicka
M., Schönsleben
P., Brülhart
M., Ernst F.O.
“Inteagement
gap analysis
between industrial
needs
and scientific
grating energy
efficiency- performance
in production
management
– gap
literature”,
Journal
Cleaner
ProductionNo.19
(2011):
pp. 667analysis between
industrial
needsofand
scientific
literature”. Journal
of
679 No. 19 (2011): pp. 667÷679.
Cleaner Production.
2. www.polseff2.org,Poradnik
dla„Poprawa
przedsiębiorcy
„Poprawa efek2.www.polseff2.org,
poradnik dla przedsiębiorcy
efektywności
energetycznej
w przedsiębiorstwie
z sektora obróbki
energetycznejtywności
w przedsiębiorstwie
z sektora
obróbki metali i produkcji
metali i produkcji
metalowych.
Sposoby na obniżenie
artykułów metalowych.
Sposobyartykułów
na obniżenie
kosztów użytkowania
kosztów użytkowania energii”. PolSEFF2.
energii”. PolSEFF2.
3.Krupa
Plutecki
Z., Krupa
E. „Poprawa
efektywności
energetycznej
3.Plutecki Z.,
E. „Poprawa
efektywności
energetycznej
przedsięprzedsiębiorstw
standaryzację
procesu
biorstw poprzez
standaryzację poprzez
procesu zarządzania
energią”.
Kon-zarządzania
ferencja Innowacje
w Zarzadzaniu
Inżynierii Produkcji.
T. I (2015),
energią”,
Konferencjai Innowacje
w Zarzadzaniu
i Inżynierii Procz. III: s. 502÷509.
dukcji, tom I (2015), część III, s.502-509
4.Stembalski4.M.Stembalski
„Sposoby ograniczenia
zużycia
energii przez
obrabiarki
M. „Sposoby
ograniczenia
zużycia
energii przez
skrawające od
metali”. Inżynieria
i Aparatura
Chemiczna.
R. 49.
Nr 5
obrabiarki
skrawające
od metali”,
Inżynieria
i Aparatura
Che(2010): s. 107÷108.
miczna R 49, Nr 5 (2010), s. 107-108.
5.Grzesik W.5.„Podstawy
ekologicznych
pro- ekologiczGrzesik projektowania
W. „Podstawyi optymalizacji
projektowania
i optymalizacji
cesów obróbki
skrawaniem”.
3 (2013): s. 153÷164.
nych
procesówMechanik.
obróbki Nrskrawaniem”.
Mechanik R.86, Nr 3
6.Honczarenko(2013),s.
J. „Ekologiczne
obrabiarki”. Mechanik. Nr 5÷6 (2012):
153-164.
s. 371÷375.
6. Honczarenko J. „Ekologiczne obrabiarki”. Mechanik R., Nr 57.Dufolou J.R.,6(2012),s.
Sutherland371-375.
J.W., Dornfeld D. et al. “Towards energy and
resource efficient
manufacturing: a process
and system approach”.
CIRP
7. DufolouJ.R.,Sutherland
J.W.,Dornfeld
D., et.al. “Towards
energy
Annals – Manufacturing
Technology.
62. No. 2 (2012):
pp. 587÷609.
and resource
efficientVol.
manufacturing:
a process
and system ap-
Rys. 3. Szczegółowy wykres zapotrzebowania na moc czynną i
bierną do produkcji jednego elementu
■ 62 No. 2
proach”. CIRP Annals-Manufacturing Technology Vol.
(2012), pp. 587-609.
■