CN111487937A - 一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法,该节能调度方法包含基于节能策略的调度模型,模型能够结合算法对于生产任务的分配与排序进行优化,达到缩短生产工时和降低生产能耗的作用。分析锻造生产中的加热、锻压和热处理三个主要的加工阶段中存在的能耗问题,确定加工信息和计算锻件温度冷却曲线;针对能耗问题采用相应的节能策略、结合节能调度策略建立节能调度数学模型,模型包括加热炉容量、保温时长、过程运输、锻件过程温度等多个约束条件;分别以最大完工时间、生产能耗建立多目标调度的目标函数。本发明建立了基于完工时间、生产能耗的多目标模型,通过该调度方法可以有效解决多类锻造生产车间的节能调度问题。
Description
技术领域
本发明涉及锻造生产的节能调度技术,适用于分布式、混合流水式、离散式等锻造车间,上就先进制造控制与调度技术领域。
背景技术
在过去的几十年里,全球的能源消耗显著增长,其中制造业几乎占到了能源总消耗量的一半。锻造作为热加工领域一种典型的生产模式,能源消耗量巨大。目前锻造生产的节能方法主要分为设备改进、工艺优化与节能调度,其中节能调度将根据车间的现状与节能策略构建数学模型并结合智能算法求解调度目标,从而得出能够有效节能的机器分配与工件排序方案。由于自动化不断发展,节能调度已成为锻造节能的重点研究目标之一。
在锻造生产的节能调度方面,调度方法主要集中于锻造生产的单一阶段,大多数为加热炉方面的调度,主要为锻件的组合分类等方法,小部分为锻压阶段的调度,如合理更换模具的调度方法。然而,针对锻造生产的全流程节能调度研究几乎没有。
在锻造生产中,锻件的温度始终贯穿于加工过程。在加热阶段,锻件需要满足始锻温度和保温时长才可以出炉;在锻压阶段,若锻件温度低于始锻温度,则需要返回加热炉回火;在热处理阶段,若锻压后锻件温度不满足淬火要求,则需要根据实时温度进行空冷或回炉升温。在多种约束并存的锻造节能调度中,如何处理好各阶段间的协同调度成为了调度的难点。因此,根据锻造生产模式,研究考虑锻压回火与余热热处理的锻造节能调度方法十分重要。
发明内容
本发明提出的一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法在考虑了锻造生产各工序间的协同调度并建立多目标数学模型的同时,还针对考虑锻件温度变化的锻压回火与余热热处理过程提出了相应的节能策略并建立了数学模型。
一种考虑锻压回火与余热热处理的锻造生产节能调度方法,主要包含以下的步骤:
步骤1:分析锻造生产各阶段,确定加工信息及锻件温度冷却曲线;分析锻造生产中加热、锻压和热处理阶段三个主要阶段,根据各阶段的工艺要求,确定重要加工参数与约束。加热阶段有加热炉容量、始锻温度、加热时间、保温时间,锻压阶段有锻压时间、终锻温度,热处理阶段有淬火温度、淬火时间、回火温度、回火时间。其中,在加热阶段,在保证加热炉容量与最大保温时间的前提下,为避免锻件温度的流失,调度必须保证锻件出炉后锻压机为空闲状态,即可以进行锻压。在锻压阶段,若锻压结束前锻件温度低于终锻温度,则锻件需要返回加热炉回火。在热处理阶段,为满足淬火的温度要求,需要根据锻件的实时温度决定是否需要进行空冷降温或回火升温。
在锻造的生产过程中,锻件的实时温度是其在加工过程中是否需要进行回炉加热的关键因素。当锻件从加热炉中取出时,锻件就会开始降温冷却,为了获取锻件的冷却曲线,可以结合二维温度场方程,分别对锻件的对流散热与辐射散热进行计算求解,并通过锻造模拟软件校核。
步骤2:针对能耗问题,提出节能策略并建立相关模型
在加热阶段与锻压阶段之间,为了让锻件尽可能少的散失热量,在锻压机空闲之前,锻件需要在炉中等待,相关约束模型为:
tap,m=Tsp,2,m′-Tp,1,m (1)
Tfpp,m=Tfpp,m+tap,m (2)
为了降低过长的额外保温时间,采用加热炉空间节约策略,即根据工件的出炉时间,从而控制工件的入炉时间,从而可以为加热炉节约部分容量,这样有利于避免某些工件由于加热炉的容量问题而产生后延的情况,相关数学模型为:
Tsp,1,m=Tp,1,m-Tfpp,m-Tfp,m (3)
当工件在锻压阶段由于温度不足而发生回炉回火操作时,事先完成的调度计划就会发生变化,正在工作的锻压机变成空闲状态,采用回炉重调度策略,即首先判断工件在加热结束后的时间是否小于其下一阶段所选锻压机的开始加工时间,若是,则计算锻压机在锻件加热之后到目前时刻存在的空闲时段并判断是否可以利用空闲时段加工锻件,相关的数学模型为:
Hlinep(TCp)=HEp (4)
Spanm=Tp,s,m-Tsp′,s,m (6)
由于传统的热处理方式为锻件锻压完成后直接缓存并最后统一正火,此时会损耗大量锻后残余能量。采用余热热处理,即在锻压结束后直接进行淬火,此时需要判断锻件温度是否满足淬火要求,根据锻件当前温度进行空冷或回炉升温以达到淬火温度要求,其数学模型为:
Toutp=Fp,3,m-Fp,1,m′ (8)
Hnowp=Hlinep(Toutp) (9)
步骤3:结合节能调度策略与生产约束建立节能调度数学模型;
首先,以锻件的累计加工时间为基准,建立最大完工时间的数学模型,包括工件的加工时间、等待时间、运输时间与不确定因素时间,数学模型为:
Tmax=max(Tp) (12)
Tp,s=Twp,s+tp,s,m+Trp,s+Tup,s (14)
Tup,s=α·tp,s,m+β·Twp,s+γTrp,s (15)
其中,不确定因素时间包含锻压回火时间与余热热处理策略时间,数学模型为:
Hlinep(Thht)=HHTp (18)
Tcop=FCp·(Thht-Toutp) (19)
其次,建立以工时为单位的能耗数学模型,包含机器工作能耗、机器等待能耗与不确定因素能耗,数学模型为:
EMm=Emr+Emw (21)
EUs=α·EBf+β·EBtr (22)
步骤4:结合数学模型建立多目标函数
结合锻造生产中的多样化调度需求,建立以最大完工时间、生产能耗为目标的多目标函数:
各个符号的技术含义如下:
p:工件的编号;
s:机器的编号;
m:工序的编号;
Tp,s,m:工件p的第s道工序在机器m上的加工完成时间;
Fp,s,m:工件p的第s道工序所选机器m已完成加工的累积加工时间;
FBp,m:工件回炉升温决策变量;
FCp:工件空冷决策变量;
Tp:工件p的总加工时长;
Tp,s:工件p在第s道工序的加工时长;
Tup,s:工件p在第s道工序中的不确定因素时长;
tp,s,m:工件p的第s道工序在机器m上的加工时间;
Trp,s:工件p在加工第s道工序前的运输时间;
TFp,m:机器m在加工完工件p的完成时间;
Tfp,m:机器m在加工完工件p的完成时间;
Tsp,s,m:工件p在机器m上的开始加工时间;
Twp,s:工件p在进行第s道工序前的等待时间;
Tap,m:工件p在机器m上的额外时间;
Tmwm:机器m的空闲时间;
Tmax:最大完工时间;
Thht:工件的冷却到淬火温度所需时间;
TCp:工件p降温到终锻温度以下的时长;
TBp,s:工件p需要回火的时间;
Toutp:工件p的出炉时间;
Tcop:工件p在需要冷却的时间;
Etotal:生产总能耗;
EMm:机器m的能耗;
EUs:工序s中的不确定因素能耗;
Emr:机器m的工作能耗;
Emw:机器m的待机能耗;
ETr:运输设备能耗;
EBf:加热炉f的不确定能耗;
EBTr:不确定运输能耗;
HSp:工件p的始锻温度;
HEp:工件p的终锻温度;
HHTp:工件p所需淬火温度;
Hlinep:工件p随单位时间变化的温度曲线矩阵;
Hnowp:工件p的当前温度;
α,β,γ:可变系数;
本发明通过分析锻造生产中加热、锻压和热处理阶段所存在能耗问题,提出了相应的节能策略并建立了数学模型。结合节能策略与真实约束,建立了多目标锻造节能调度模型和多目标函数,与现有技术相比,本发明具有如下技术效果:
(1)根据锻造生产中存在的能耗问题,提出了缩短保温时间、锻压回火重调度、锻后余热热处理的节能策略并建立了相应数学模型。
(2)提出一种用锻件温度冷却曲线来追踪锻件实时温度的方法,达到在锻造生产过程中判断不确定加工过程的目的。
(3)结合节能策略与真实车间约束,建立基于完工时间、能耗的多目标节能调度模型并建立了多目标优化函数。
(4)所构建节能调度模型可以结合智能优化算法进行锻造生产的多目标节能调度问题求解。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对于本发明进一步阐述。
图1是调度方法的流程图;
图2是在减少保温时间策略图;
图3是回火重调度策略图;
图4是余热热处理策略图;
图5是锻压回火示意图;
图6是余热热处理图;
图7是节能调度的整体流程图;
具体实施方式
如图1所示,本发明提出的一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法主要包含节能策略的提出与节能调度数学模型的建立。
以下具体实施方式将结合附图进行具体描述,本发明的方法主要分为如下步骤:
步骤1:分析锻造生产各阶段,确定加工信息及锻件温度冷却曲线;
分析锻造生产中加热、锻压和热处理阶段三个主要阶段,根据各阶段的工艺要求,确定重要加工参数与约束。加热阶段有加热炉容量、始锻温度、加热时间、保温时间,锻压阶段有锻压时间、终锻温度,热处理阶段有淬火温度、淬火时间、回火温度、回火时间。其中,在加热阶段,在保证加热炉容量与最大保温时间的前提下,为避免锻件温度的流失,调度必须保证锻件出炉后锻压机为空闲状态,即可以进行锻压。在锻压阶段,若锻压结束前锻件温度低于终锻温度,则锻件需要返回加热炉回火。在热处理阶段,为满足淬火的温度要求,需要根据锻件的实时温度决定是否需要进行空冷降温或回火升温。
在锻造的生产过程中,锻件的实时温度是其在加工过程中是否需要进行回炉加热的关键因素。当锻件从加热炉中取出时,锻件就会开始降温冷却,为了获取锻件的冷却曲线,可以结合二维温度场方程,分别对锻件的对流散热与辐射散热进行计算求解,并通过锻造模拟软件校核。
步骤2:针对能耗问题提出节能策略并建立相关模型,确定调度流程
如图2的(a)所示,在加热阶段与锻压阶段之间,为了让锻件尽可能少的散失热量,在锻压机空闲之前,锻件需要在炉中等待,相关约束模型为:
tap,m=Tsp,2,m′-Tp,1,m (24)
Tfpp,m=Tfpp,m+tap,m (25)
如图2的(b)所示,为了降低过长的额外保温时间,采用加热炉空间节约策略,即根据工件的出炉时间,从而控制工件的入炉时间,从而可以为加热炉节约部分容量,这样有利于避免某些工件由于加热炉的容量问题而产生后延的情况,相关数学模型为:
Tsp,1,m=Tp,1,m-Tfpp,m-Tfp,m (26)
如图3所示,当工件在锻压阶段由于温度不足而发生回炉回火操作时,事先完成的调度计划就会发生变化,正在工作的锻压机变成空闲状态。采用回炉重调度策略,即首先判断工件在加热结束后的时间是否小于其下一阶段所选锻压机的开始加工时间,若是,则计算锻压机在锻件加热之后到目前时刻存在的空闲时段并判断是否可以利用空闲时段加工锻件,相关的数学模型为:
Hlinep(TCp)=HEp (27)
Spanm=Tp,s,m-Tsp′,s,m (29)
由于传统的热处理方式为锻件锻压完成后直接缓存并最后统一正火,此时会损耗大量锻后残余能量。如图4所示,采用余热热处理,即在锻压结束后直接进行淬火,此时需要判断锻件温度是否满足淬火要求,根据锻件当前温度进行空冷或回炉升温以达到淬火温度要求,其数学模型为:
Toutp=Fp,3,m-Fp,1,m′ (31)
Hnowp=Hlinep(Toutp) (32)
如图5所示为本研究的整体调度流程。
步骤3:结合节能调度策略与生产约束建立节能调度数学模型
首先,以锻件的累计加工时间为基准,建立最大完工时间的数学模型,包括工件的加工时间、等待时间、运输时间与不确定因素时间,数学模型为:
Tmax=max(Tp) (35)
Tp,s=Twp,s+tp,s,m+Trp,s+Tup,s (37)
等待时间Twp,s代表了工件p在进行第s道工序之前的等待时间。在下一道工序开始之前,若工件已完成前一道工序但后一道工序的机器无空闲,为则需要工件等待,等待时间为下一道工序所选机器的完工时间与上一道工序完成时间之差,设n为锻件的等待排位系数,其等待时间的计算过程如下:
Twp,s=TFp′,m-Tp,s-1+(n-1)TFp″,m (38)
若工件在下一道工序中所安排的机器以为空闲状态,但工件还未完成本道工序的加工,则需要机器等待,等待时间为工件的加工完成时间与机器的完工时间之差,其等待时间的计算过程如下:
Twm,s=Tp,s-1-TFp′,m (39)
不确定因素时间Tup,s代表工件p在第s到工序的不确定时间,其中不确定因素1 为锻件在锻打阶段可能存在回炉加热问题,此时锻件需要额外的加热时间、运输时间甚至等待时间;不确定因素2为热处理步骤前锻件的终锻温度可能不符合淬火要求,若温度过低则需要加热,此时锻件需要额外加热时间、运输时间,若温度过高则需要冷却降温,此时锻件需要额外的等待时间,其计算过程如下:
Tup,s=α·tp,s,m+β·Twp,s+γTrp,s (40)
其中,不确定因素时间包含锻压回火时间与余热热处理策略时间,在锻压阶段,锻造从锻压在始锻温度HSp开始时,温度就会随时间而下降,当锻件温度不满足锻压所需温度HEp时,锻件需要回炉加热,如图6所示。
如图7所示在热处理阶段,由于加入余温热处理策略,所以锻件在进行热处理时必须满足余温热处理所需温度HHTp,若锻件温度过高则需要进行冷却,若温度过低则需要回炉升温,其模型为:
Toutp=Fp,3,m-Fp,1,m′ (43)
Hnowp=Hlinep(Toutp) (44)
Hlinep(Thht)=HHTp (48)
Tcop=FCp·(Thht-Toutp) (49)
其次,建立以工时为单位的能耗数学模型,包含机器工作能耗、机器等待能耗与不确定因素能耗,数学模型为:
机器消耗的能耗EMm代表机器m在生产过程中的总能耗,这里把机器消耗的能耗EMm分为机器m的工作能耗Emr和机器m的等待能耗Emw,具体的计算过程如下:
EMm=Emr+Emw (51)
确定因素能耗EUs代表在工序s中所额外产生的具有不确定性的能耗,其中不确定因素1为锻件可能在锻打阶段回炉加热,需要额外的加热炉能耗,不确定因素 2为余温热处理时锻件温度可能不足,需要回炉加热,需要额外的加热能耗甚至保温能耗,其计算过程为:
EUs=α·EBf+β·EBtr (55)
步骤4:结合数学模型建立多目标函数
结合锻造生产中的多样化调度需求,建立以最大完工时间、生产能耗为目标的多目标函数:
各个符号的技术含义如下:
p:工件的编号;
s:机器的编号;
m:工序的编号;
Tp,s,m:工件p的第s道工序在机器m上的加工完成时间;
Fp,s,m:工件p的第s道工序所选机器m已完成加工的累积加工时间;
Ftr:回火重调度决策变量;
Fsp:加工间隙决策变量;
FBp:工件回炉升温决策变量;
FCp:工件空冷决策变量;
Tp:工件p的总加工时长;
Tp,s:工件p在第s道工序的加工时长;
Tup,s:工件p在第s道工序中的不确定因素时长;
tp,s,m:工件p的第s道工序在机器m上的加工时间;
Trp,s:工件p在加工第s道工序前的运输时间;
TFp,m:机器m在加工完工件p的完成时间;
Tfp,m:机器m在加工完工件p的完成时间;
Tfpp,m:工件p在加热炉m中的保温时间;
Tsp,s,m:工件p在机器m上的开始加工时间;
Twp,s:工件p在进行第s道工序前的等待时间;
Tap,m:工件p在机器m上的额外时间;
Tmwm:机器m的空闲时间;
Tmax:最大完工时间;
Thht:工件的冷却到淬火温度所需时间;
TCp:工件p降温到终锻温度以下的时长;
TBp,s:工件p需要回火的时间;
Toutp:工件p的出炉时间;
Tcop:工件p在需要冷却的时间;
Etotal:生产总能耗;
EMm:机器m的能耗;
EUs:工序s中的不确定因素能耗;
Emr:机器m的工作能耗;
Emw:机器m的待机能耗;
Em:机器m的功率;
EWm:机器m的待机功率;
ETr:运输设备能耗;
EBf:加热炉f的不确定能耗;
EBTr:不确定运输能耗;
Gfτ:在τ时刻加热炉f中锻件的总质量;
Gfmax:加热炉f的最大可承受质量;
HSp:工件p的始锻温度;
HEp:工件p的终锻温度;
HHTp:工件p所需淬火温度;
Hlinep:工件p随单位时间变化的温度曲线矩阵;
Hnowp:工件p的当前温度;
α,β,γ:可变系数。
Claims (3)
1.一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法,其特征在于,包括:
步骤1:分析锻造生产各阶段,确定加工信息及锻件温度冷却曲线;
分析锻造生产中加热、锻压和热处理阶段三个阶段,根据各阶段的工艺要求,确定重要加工参数与约束;加热阶段有加热炉容量、始锻温度、加热时间、保温时间,锻压阶段有锻压时间、终锻温度,热处理阶段有淬火温度、淬火时间、回火温度、回火时间;当锻件从加热炉中取出时,锻件就会开始降温冷却,为获取锻件的冷却曲线,结合二维温度场方程,分别对锻件的对流散热与辐射散热进行计算求解,并通过锻造模拟软件校核;
步骤2:针对所采用的节能策略建立相关数学模型,并确定调度流程;
在加热阶段与锻压阶段之间,为了让锻件尽可能少的散失热量,在锻压机空闲之前,锻件需要在炉中等待,相关约束模型为:
tap,m=Tsp,2,m′-Tp,1,m (1)
Tfpp,m=Tfpp,m+tap,m (2)
为降低过长的额外保温时间,采用加热炉空间节约策略,即根据工件的出炉时间,从而控制工件的入炉时间,为加热炉节约部分容量,有利于避免某些工件由于加热炉的容量问题而产生后延的情况,相关数学模型为:
Tsp,1,m=Tp,1,m-Tfpp,m-Tfp,m (3)
当工件在锻压阶段由于温度不足而发生回炉回火操作时,事先完成的调度计划就会发生变化;此时正在工作的锻压机变成空闲状态,采用回炉重调度策略,即首先判断工件在加热结束后的时间是否小于其下一阶段所选锻压机的开始加工时间,若是,则计算锻压机在锻件加热之后到目前时刻存在的空闲时段并判断是否可以利用空闲时段加工锻件,相关的数学模型为:
Hlinep(TCp)=HEp (4)
Spanm=Tp,s,m-Tsp′,s,m (6)
由于热处理方式为锻件锻压完成后直接缓存并最后统一正火,此时会损耗大量锻后残余能量;采用余热热处理策略,即在锻压结束后直接进行淬火,此时需要判断锻件温度是否满足淬火要求,根据锻件当前温度进行空冷或回炉升温以达到淬火温度要求,其数学模型为:
Toutp=Fp,3,m-Fp,1,m′ (8)
Hnowp=Hlinep(Toutp) (9)
步骤3:结合节能调度策略与生产约束建立节能调度数学模型;
首先,以锻件的累计加工时间为基准,建立最大完工时间的数学模型,包括工件的加工时间、等待时间、运输时间与不确定因素时间,数学模型为:
Tmax=max(Tp) (12)
Tp,s=Twp,s+tp,s,m+Trp,s+Tup,s (14)
Tup,s=α·tp,s,m+β·Twp,s+γTrp,s (15)
其中,所述不确定因素时间包含锻压回火时间与余热热处理前的升温或冷却时间,数学模型为:
Hlinep(Thht)=HHTp (18)
Tcop=FCp·(Thht-Toutp) (19)
其次,建立以工时为单位的能耗数学模型,包含机器工作能耗、机器等待能耗与不确定因素能耗,不确定因素能耗结合上述不确定时间来计算,数学模型为:
EMm=Emr+Emw (21)
EUs=α·EBf+β·EBtr (22)
步骤4:结合数学模型建立多目标函数;
结合锻造生产中的多样化调度需求,建立以最大完工时间、生产能耗为目标的多目标函数:
各个符号的技术含义如下:
p:工件的编号;
s:机器的编号;
m:工序的编号;
Tp,s,m:工件p的第s道工序在机器m上的加工完成时间;
Fp,s,m:工件p的第s道工序所选机器m已完成加工的累积加工时间;
FBp,m:工件回炉升温决策变量;
FCp:工件空冷决策变量;
Tp:工件p的总加工时长;
Tp,s:工件p在第s道工序的加工时长;
Tup,s:工件p在第s道工序中的不确定因素时长;
tp,s,m:工件p的第s道工序在机器m上的加工时间;
Trp,s:工件p在加工第s道工序前的运输时间;
TFp,m:机器m在加工完工件p的完成时间;
Tfp,m:机器m在加工完工件p的完成时间;
Tsp,s,m:工件p在机器m上的开始加工时间;
Twp,s:工件p在进行第s道工序前的等待时间;
Tap,m:工件p在机器m上的额外时间;
Tmwm:机器m的空闲时间;
Tmax:最大完工时间;
Thht:工件的冷却到淬火温度所需时间;
TBp,s:工件p需要回火的时间;
Toutp:工件p的出炉时间;
Tcop:工件p在需要冷却的时间;
Etotal:生产总能耗;
EMm:机器m的能耗;
EUs:工序s中的不确定因素能耗;
Emr:机器m的工作能耗;
Emw:机器m的待机能耗;
ETr:运输设备能耗;
EBf:加热炉f的不确定能耗;
EBTr:不确定运输能耗;
HSp:工件p的始锻温度;
HEp:工件p的终锻温度;
HHTp:工件p所需淬火温度;
Hlinep:工件p随单位时间变化的温度曲线矩阵;
Hnowp:工件p的当前温度;
α,β,γ:可变系数。
2.根据权利要求1所述的一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法,其特征在于:锻件温度降温曲线求解,根据锻件的尺寸、材料以及换热系数进行计算,在计算完成后应采用软件仿真进行校核对比。
3.根据权利要求1所述的一种考虑回火与余热热处理的锻造节能调度方法,其特征在于:结合节能策略的建模方法,通过锻件温度冷却曲线实时追踪锻件温度的方式,节能策略的建模能够与生产过程模型相结合,以实现基于节能策略的各加工阶段协同调度。
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