автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процессов классификации минерального материала при получении фракционированного заполнителя по критерию оптимальной упаковки при промышленном производстве сероасфальтобетонных смесей



005000790

АЛЁХИНА Мария Николаевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КЛАССИФИКАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ФРАКЦИОНИРОВАННОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ ПО КРИТЕРИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ УПАКОВКИ ПРИ ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Москва 2011

005000790

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Васильев Юрий Эммануилович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Максимычев Олег Игоревич

кандидат технических наук, доцент Тихонов Анатолий Федорович

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятия

г. Москвы "Научно-исследовательский институт московского строительства" (НИИМосстрой)

Защита состоится 09 декабря 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 в Московском автомобильно-дорожном л\ государственном техническом университете (МАДИ), по адресу: г. Москва, ' Ленинградский просп., д. 64, ауд. 42

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ)

Автореферат разослан «0В» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /у ^ .____--

кандидат технических наук, доцент ,у с'^/ . Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основным материалом для устройства твёрдых покрытий автомобильных дорог является асфальтобетон, качество которого определяется сроком службы. К сожалению, срок службы асфальтобетонных покрытий в нашей стране на порядок ниже, чем в зарубежных странах имеющих сходные климатические условия.

Прежде всего положительный эффект достигается применением более качественных исходных материалов для асфальтобетонных смесей. И, тем не менее, пока не все в сегодняшней асфальтобетонной технологии устраивает ведущие дорожные фирмы и специалистов России. Это связано с медленным внедрением новых асфальтобетонных смесей, разработанных на основе инновационных технологий.

Общеизвестно, что для обеспечения расчетных скоростей и безопасности автомобильного движения, особенно на современных скоростных автомагистралях, необходимо иметь высокое эксплуатационное качество верхних «защитных» слоев дорожных покрытий, которые должны защищать нижележащие конструктивные слои дорожных одежд от доступа атмосферной влаги, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог. При этом особое внимание необходимо уделять материалам, обеспечивающим высокую прочность, выдерживающим высокую интенсивность движения, поглощающим шум, в меньшей степени подверженным обледенению и т.д.

Одним из наиболее перспективных материалов для устройства дорожных покрытий является сероасфальтобетон, в котором часть битума заменяется серой. Это объясняется рядом причин, основными из которых являются: значетельный рост стоимости нефтяных битумов, необходимость экономии энергетических ресурсов и в первую очередь нефтяного сырья, уменьшение ресурсов качественных каменных материалов в ряде районов строительства, возрастание объемов производства серы из вторичных источников сырья, что приводит к тенденции снижения её стоимости.

Однако применение этого перспективного материала требует новых подходов, как к расчёту его состава, так и к особенностям технологии фракционирования дробленого материала.

Традиционные методы подбора состава минеральной части асфальтобетонов в случае сероасфальтобетонов не оптимальны и дают неудовлетворительные результаты. При определении фракционного состава дробленого щебня необходимо опираться на результаты компьютерного моделирования, исходя из оптимального заполнения материалом заданного эталонного объема Выделение в процессе рассева отдельных фракций дробленого материала, потребует при получении сероасфальтобетона увеличения их количества и использованию большего количества грохотов, что

приведет к дополнительным энергетическим и финансовым затратам. Потенциальные возможности процесса грохочения проявляются наиболее отчетливо, если рассматривать грохот в качестве элемента технологической цепи подготовки крупного заполнителя, решая задачу повышения ее технико-экономических показателей за счет автоматизированного управления процессом грохочения.

В связи с этим, решение задачи разработки теоретических основ оперативного автоматизированного управления процессом подготовки крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси с оптимизацией по гранулометрическому составу, является актуальной.

Цель работы. Повышение качества промышленного производства сероасфальтобетонной смеси за счет автоматизации процесса управления подготовкой крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси с оптимизацией по гранулометрическому составу минеральных компонентов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• выполнен анализ зарубежного и отечественного опыта автоматического управления процессами подбора состава минеральной части асфальтобетонов и в частности сероасфальтобетонов, методов и средств автоматизации процесса классификации горячей минеральной части;

• сформулированы основные требования к математическим моделям структуры композиционных материалов матричного типа и особенностям компьютерного моделирования структуры сероасфальтобетона;

• разработана математическая модель структуры сероасфальтобетона на основе вероятностно-геометрической концепции формирования структур композиционных материалов;

• на основе модели структуры синтезирован моделирующий алгоритм и программа, позволяющие осуществлять подбор минеральной части сероасфальтобетонов;

• произведен выбор критериальной функции оценки характеристик процесса грохочения каменного материала;

. • разработана математическая модель грохота как объекта автоматизации, учитывающая и особенности классификации крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси;

• разработана структура и метод выбора параметров оптимальной системы управления процессом сортировки по критерию эффективности грохочения;

• выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств.

Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения ряда теоретических положений диссертации в производство сероасфальтобегонной смеси.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены на основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории вероятности и математической статистики, оптимальных систем и математического моделирования.

Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики промышленного производства сероасфальтобетонной смеси за счет автоматизации процесса управления подготовкой ее крупного заполнителя с оптимизацией по гранулометрическому составу минеральных компонентов.

Научная новизна работы заключается в разработке:

• критериальной функции оценки и требований к математическим моделям структуры композиционных материалов матричного типа и особенностям компьютерного моделирования структуры сероасфальтобетона;

• математической модели структуры сероасфальтобетона на основе вероятностно-геометрической концепщш формирования структур композиционных материалов;

• математической модели грохота как объекта автоматизации и критериальной функции оценки эффективности процесса грохочения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа технологии и технических средств обеспечения процесса переработки крупного заполнителя сероасфачьтобетонной смеси, позволяющие выработать научный подход и методические основы разработки модели, критериальных функций и систем автоматизации, ориентированных на оптимизацию гранулометрического состава минеральных компонентов и получение их максимального выхода;

2. Математическая модель структуры сероасфальтобетона на основе вероятностно-геометрической концепции формирования структур композиционных материалов, моделирующий алгоритм и программа, позволяющие осуществлять подбор минеральной части сероасфальтобетонов;

3. Модель грохота как объекта автоматизации, учитывающая физико-механические характеристики минеральных компонентов, поступающих на

переработку, и структура оптимальной системы управления процессом классификации.

Практическая значимость. Результаты исследований в области автоматизации управления процессом подготовки крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси с оптимизацией по гранулометрическому составу, заключаются в том, что они являются практической базой для научно обоснованного выбора структуры, критериев оценки и параметров настройки системы управления подбором оптимального состава минеральной части сероасфальтобетона, методов и средств автоматизации процесса классификации его минеральной части.

Испытание системы и её опытно-промышленная эксплуатация проводилась на асфальтобетонном заводе ООО «Трансстромсервис» (г. Москва).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 10-й Международной конференции «Durable and safe road pavements» (Варшава, май 2004), Международной конференции «Sulpfur-2004» (Барселона, ноябрь 2004), кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ (ГТУ).

Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 9 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит го введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, насчитывающего 136 наименований, и содержит 166 страниц текста, 64 иллюстрации, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу технологических схем производства асфальтобетонных смесей, разработке вероятностно-геометрической концепции формирования структур композиционных материалов, техническим средствам, методам и средствам автоматизации подбора минеральной части сероасфальтобегонов, результаты которого позволяют выявить их потенциальные возможности в части повышения качества дорожного строительства.

Для решения проблемы развития сети автомобильных дорог в нашей стране был разработан проект «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года», а федеральная целевая программа «Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)», подпрограмма «Автомобильные дороги» в приложении 1 дает ориентиры по масштабам строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог России.

Общеизвестно, что для обеспечения расчетных скоростей и безопасности автомобильного движения, ' особенно на современных скоростных автомагистралях, необходимо иметь высокое эксплуатационное качество верхних «защитных» слоев дорожных покрытий, которые должны защищать нижележащие конструктивные слои дорожных одежд от доступа атмосферной влаги, что является непременным условием долговечности автомобильных дорог. При этом особое внимание необходимо уделять материалам, обеспечивающим высокую прочность, выдерживающим высокую интенсивность движения, поглощающим шум, в меньшей степени подверженным обледенению и т.д.

Проведенный анализ состояния дорожного строительства показывает, что для достижения «прорыва» в области строительства и эксплуатации автомобильных дорог, необходимо уделить особое внимание разработке новых типов асфальтобетонов и технологии их изготовлешм. Это позволит существенно повысить эксплуатационные показатели дорожных покрытий и увеличить срок их службы, сделает возможным перебросить мощности, материалы и людские ресурсы, которые привлекались к ремонтным работам, на строительство новых автомобильных дорог.

Одним из перспективных направлешш повышения долговечности и транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог является применение разработанных в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) щебеночно-мастичных асфальтобетонов с оптимальным содержанием серы в вяжущем (ЩМСА). За такими асфальтобетонами закрепилось название - «Сероасфалътобетон».

Традиционные асфальтобетоны и щебеночно-мастичные асфальтобетоны, в которых часть битума заменена на серу, можно отнести к дорожным композитным материалам (ДКМ). ДКМ - это структуры с комплексным набором связей различной прочности и деформативности, сочетающие в себе свойства коагуляционных, кристаллизационных и конденсационных связей. Основное их отличие - разнообразие связей и структур, четкая граница между которыми на макроуровне может и не наблюдаться.

Основной целью подбора составов асфальтобетонной смеси является формирование оптимальной структуры материала, позволяющей получить его заранее заданные свойства для обеспечения требуемых характеристик дорожного покрытия. Необходим выбор рационального соотношения между составляющими минеральной части, обеспечивающего максимальную плотность минерального скелета при оптимальном количестве битума для получения асфальтобетона с заданными техническими свойствами.

На рис. 1 приведены рассчитанные предельные кривые зернового состава для ЩМСА - 20. В лабораторных условиях были изготовлены образцы асфальтобетона по предельным кривым и по кривым располагающимся между ними. Кривые приведены на рис. 2 пунктирными линиями.

20 15 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071

Размер зёрен минеральногоматериала(мм)

Рисунок 1. Предельные кривые зернового состава для ЩМСА - 20

,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,071 Размер зёрен минерального материала (мм)

Рисунок 2. Кривые зернового состава для ЩМСА

По каждой кривой изготавливалось по сто образцов, и проводились испытания их прочности при сжатии по стандартной методике. Все остальные параметры смесей рассчитывались традиционным способом. Результаты испытания прочности (рис. 3) определялись как средние для ста образцов.

о Ту---

0

5М

£ 5,98

Iе] п

1.1 ■ ■

1 ШшШ

а!_| I......а

Состав-1 Состав-2 Состав-3 Состав-4

Рисунок 3. Результаты испытаний образцов ЩМСА - 20 на прочность при сжатии для различных составов (в соответствии с рис. 2)

Как видно из рис. 3 наибольшую прочность имеет асфальтобетон, выполненный непосредственно по верхней предельной кривой (состав - 1), а не по кривым, располагающимся между предельными (как рекомендует методика расчёта по предельным кривым зерновых составов). Кроме того, состав - 4, располагающийся ближе к верхней предельной кривой даёт наименьшую прочность, а состав - 3, располагающийся ближе к нижней предельной кривой имеет прочность выше всех остальных, кроме состава - 1.

Анализ рис. 3 показывает, что для получения минерального состава сероасфатьтобетона с минимальным количеством пустот, а, следовательно, и с максимальной прочностью, необходимо применять другие методы подбора составов минеральной части асфальтобетонных смесей. Эти методы должны быть максимально автоматизированы, чтобы свести к минимуму этап экспериментальной проверки, который связан со значительными временными и материальными затратами.

Кроме того, результаты подбора состава минеральной части являются исходными данными для её классификации - процесса который требует большого времени и немалых затрат энергии. При несоблюдении оптимальных

режимов работы грохотов снижается выход фракционированного щебня и увеличивается количество ошибочно принятым негабаритным, который необходимо вывозить. Слишком длительный процесс классификации приводит к остыванию минеральных материалов, что нарушает технологию смешивания. Всё это вызывает значительные задержки в ходе технологического процесса производства асфальтобетонных смесей и, следовательно, нарушения ритмичности их подачи на объекты строительства.

Вторая глава посвящена разработке математической модели оптимальной упаковки минеральной части сероасфальтобетонной смеси.

Создание математической модели структуры композиционного материала основывается на общих принципах математического моделирования. Конечная математическая модель структуры композитных материалов представляет собой матрицу обобщенных координат всех элементов структуры, размещаемую и рассчитываемую с помощью специальных моделирующих алгоритмов на компьютерах.

Согласно критерию принятой модели случайного заполнения, очередная попытка упаковать сферу в момент времени 1° радиусом ЩР) завершится, если в области выполнится условие:

2?и1[Х((0 - х^0)]2 > т) - «а0)]2, о < г > £°, (1)

где - координаты пакуемой и упакованных сфер.

Каждую попытку упаковать очередную сферу будем продолжать до тех пор, пока она не удовлетворит условию (1). Упаковка сфер совершится в некоторый гипотетический контейнер конечного объема. Лучше всего подходит контейнер кубической формы, ограниченный плоскостями, параллельными осям декартовых координат.

Кроме этого, для математической модели диаметр сфер удобно измерять в долях длины ребра куба, тогда эту длину можно принять за единицу (единичный куб), чем достигается универсальность математической модели, так как все структурные характеристики носят в этом случае относительный к размерам упакованных элементов характер.

При упаковке очередной сферы положение в пространстве (в упаковке) ранее упакованных сфер принимается фиксированным. Признаком того, что очередная ¿-я сфера упакована, является условие непересечения ее другими (¿-1), ранее упакованными, сферами т.е.

№ - хк)2 + (К, - ук)2 + & - гк)2 > № + ВД2, к = о, 1 (2)

где Хк, УкЛк - координаты центров ранее упакованных сфер; Й£ и Як - радиусы пакуемой и упакованной сфер.

Невыполнение хотя бы одного из этих условий ведет к тому, что пакуемая сфера с координатами центра (Х^, У;, 2,) отвергается.

Упакованные сферы не должны также пересекать границы принятого гипотетического контейнера. В случае упаковки в контейнер, представляющий собой единичный куб, для всех упакованных сфер должны соблюдаться условия:

й4 < Х1 < 1 - Я(> й; < < 1 - Я,,

-Я,,/ = 1,2.....п. (3)

Розыгрыш координат пакуемых сфер с равномерным распределением по объему пакуемого контейнера должен производиться при помощи датчиков случайных чисел, обязательно входящих в состав любых языков программирования.

На основе общих теоретических принципов моделирования структуры композитных материалов методом случайных упаковок, был разработан алгоритм оптимальной упаковки минеральной части сероасфальтобетонной смеси (рис. 4) при помощи которого можно осуществлять подбор составов ей минеральной части.

На рис. 5 представлена гистограмма процентного распределения диаметров упакованных сфер для диапазонов гранулометрического состава щебня, а на рис. 6 гистограмма процентного распределения гранулометрического состава всей минеральной части.

Как видно из рис. 6, наибольшее количество упакованных сфер соответствует наименьшему диапазону гранулометрического состава, но одновременно с этим количество упакованных сфер соответствующих размерам меньше минимального не превышает 5% от общего числа упакованных сфер, поэтому закон распределения размеров упакованных сфер, приведённый на рис. 7, соответствует распределению Вейбула.

На рис. 7 приведена гистограмма процентного распределения объемных концентраций упакованных сфер соответствующих диапазонам гранулометрического состава минеральной части асфальтобетона. Наибольшую часть объёма упаковки занимают сферы соответствующие наибольшему диапазону, что полностью соответствует реальной картине наблюдаемой в асфальтобетонах и отвечает требованиям к сероасфальтобетонным смесям.

Рисунок 4. Алгоритм оптимальной упаковки минеральной части

£

$ 50

о и

40

30

20

10

ш

<5...<8 <8...<1 <11.. .<14 <14...<17 <17...<20 >20

Диапазоны грансостава (мм)

Рисунок 5. Гистограмма процентного распределения диаметров упакованных сфер для диапазонов гранулометрического состава щебня

<0,071

0,071...0,16 0,315...0,63 1,25...2,5 5...10 15...20

Диапазоны гранулометрическогосостава минеральной части (мм)

Рисунок 6. Гистограмма процентного распределения количества упакованных сфер соответствующих диапазонам гранулометрического состава минеральной

части

<0,071 0,071,..0,16 0,315...0,63 1,25...2.5 5...10 15...20

Диапазоны гранулометрического состава минеральной части (мм)

Рисунок 7. Гистограмма процентного распределения объемных концентраций упакованных сфер соответствующих диапазонам гранул ом егрического состава минеральной части асфальтобетона

Приведённые результаты моделирования и их сопоставление с экспериментальными данными показывают, что, используя метод моделирования упаковки можно подбирать гранулометрический состав минеральной части сероасфалътобетона с более высокой точностью, чем при использовании предельных кривых зернового состава.

Результаты моделирования служат обоснованию для выбора количества и размерного ряда грохотов системы классификации, автоматизация которой позволяет максимизировать выход компонентов минеральной части асфальтобетона и снизить энергетические затраты на процесс грохочения. .

Третья глава диссертации посвящена анализу работ, связанных с вопросами совершенствования технологии и автоматизации процессов классификации компонентов минеральной части асфальтобетона.

Исследования, связанные с вопросами совершенствования технологии и автоматизации технологических процессов грохочения на сортировочных установках для получения компонентов минеральной части асфальтобетона заданного состава, показывают, что процессы классификации каменных материалов, технологические параметры разных типов грохотов разработаны достаточно хорошо. Однако задачи локальной автоматизации сортировочного оборудования не затрагивались.

Экспериментальные исследования горизонтального виброгрохота на двух рабочих поверхностях с размерами отверстий 40x40 и 20x20 позволили выявить технологические возможности и рациональные области применения грохотов.

В качестве исходного материала использовался гранитный щебень с содержанием 40% верхнего класса и 35% зерен размером меньше половины размера отверстий. Критериями оценки результатов экспериментальных исследований служили эффективность Е грохочения и максимальная производительность () по исходному материалу, при которой обеспечивались качественные показатели процесса.

На графиках (рис. 8) приведены зависимости эффективности грохочения от исходной производительности.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что характер зависимостей Е = /(()) при рассеве на ситах с отверстиями различных диаметров на всех режимах примерно одинаков, имея ярко выраженный максимум.

Для поддержания максимального значения показателя эффективности грохочения необходимо использование экстремальной системы регулирования (СЭР), эффективная работа которой зависит от случайных изменений свойств объекта и условий его работы, т.е. от изменения производительности дробилки.

20 ¡Л ^ № Ч<0 !.'£> Ч.ОЙ.?.'"

9 ? "'о

ад во до ';'Л?

Рисунок 8. Зависимость эффективности грохочения от производительности на сите с отверстиями: а - 40x40 мм; б - 20x20 мм; 1,3- прямолинейная траектория колебаний, амплитуды соответственно равны 4,6; 4 мм; 2,4 -эллиптическая траектория, амплитуды соответственно равны 4; 3,5 мм

Случайные воздействия могут привести к ложным переключениям в системе, которые оцениваются числом переключений за конечное время наблюдений. Число сбоев системы за время наблюдения Тп зависит от

отношения и может быть определено по формуле:

где х - шаг квантования регулярной величины; а - среднеквадратическое отклонение; тк- время корреляции.

Величина х определяется из условия допустимой динамической ошибки системы, а значение а - характеристиками потока материала, прошедшего через грохот.

Очевидно, что увеличение х не желательно в силу ограничения динамической погрешности системы. Необходимое понижение значения а, достигается увеличением количества сит в системе классификации.

В четвертой главе проанализированы методы организации поиска экстремума в системе классификации компонентов минеральной части сероасфальтобетона.

Основным параметром регулирования в грохоте является эффективность грохочения, которую необходимо поддерживать на максимально возможном при данных условиях уровне. Однако определить этот уровень для каждой конкретной ситуации достаточно сложно, особенно для систем дробления.

Невозможно точно описать физические процессы, протекающие в дробилках, при функционировании системы управления грохочением в реальных условиях.

Применение принципа адаптации позволяет искусственно создать эффект приспособления к изменяющимся условиям в автоматической системе. Он применяется в тех случаях, когда сложность управляемого процесса достигает такого уровня, при котором влияние неполной априорной информации об условиях работы системы становится существенным, и невозможно обеспечить заданное качество процессов управления без приспособления системы к изменяющимся условиям функционирования.

Требуется регулярная перенастройка режима работы грохота, обеспечивающая максимальную эффективность процесса грохочения.

СЭР применяются в тех случаях, когда статическая характеристика объекта регулирования имеет ярко выраженный экстремум (максимум или минимум). При этом по технологическим, экономическим или каким-либо другим соображениям требуется поддерживать выходной параметр объекта вблизи его экстремального значения. Вместе с тем, величина и положение экстремума меняются во времени случайно. В противном случае с задачей поддержания выходного параметра объекта вблизи экстремального значения могла бы

справиться обыкновенная или программная системы стабилизации.

Характеристика эффективности грохочения от производительности входного потока имеет ярко выраженный максимум. Поэтому, необходимо выбирать такой режим грохочения, при котором достигается его максимальная эффективность.

В отличие от обычной системы с заданной настройкой, СЭР реагирует на возможные непредвиденные изменения в процессе регулирования и в соответствии с ними автоматически перестраивает свою работу для поддержания экстремальных значений регулируемой величины. Необходимым условием подобной самонастройки является автоматический поиск.

Поиск надлежащего состояния объекта в СЭР осуществляется с помощью регулярных или нерегулярных пробных возмущений.

По принципу, используемому для управления движением системы к экстремуму, то есть по принципу поиска экстремума, СЭР подразделяются на четыре основные группы:

- системы шагового типа, реагирующие на знак приращения сигнала на выходе;

- системы, реагирующие на знак или величину производной выходного сигнала по времени или по выходной величине;

- системы с модулированным входным сигналом, реагирующие на изменение фазы выходного сигнала относительно входного;

- системы с запоминанием экстремума, реагирующие на разность между наибольшим, достигнутым в предыдущие моменты времени и текущим значениями выходного сигнала.

Выбор принципа поиска экстремума является ответственным моментом при создании СЭР и его необходимо осуществлять с учетом особенностей рабочего процесса автоматизируемого объекта. Проанализируем поэтому каждый из способов поиска экстремума применительно к процессам грохочения.

Проведенный анализ показывает, что для оптимизации процесса грохочения с медленно меняющимся входным сигналом наиболее приемлемы способы, основанные на шаговом способе поиска экстремума.

В пятой главе даются результаты экспериментальных исследований процессов производства и укладки сероасфальтобегонной смеси.

Для процесса грохочения задача оптимизации состоит в том, чтобы при воздействии на систему неконтролируемых возмущений х(1), являющихся случайными функциями времени, обеспечить такое управление, чтобы получить максимально возможное значение критерия эффективности процесса грохочения.

На рис. 9 представлена функциональная схема моделирования поисковой системы автоматической оптимизации процесса грохочения.

Рисунок 9. Функциональная схема СЭР

Грохоты находятся под воздействием неконтролируемых возмущений: прочности, крупности, производительности поступающих компонентов минеральной части сероасфальтобетона. Выделение различных фракций компонентов осуществляется с помощью грохотов, а для контроля масс компонентов используются интеграторы расхода с жесткой подвеской.

В функциональной схеме СЭР отсутствует элемент, физические свойства которого определяли бы экстремальную зависимость между входной и выходной величинами. Статическая характеристика с экстремумом формируется в данном случае искусственным способом в блоке формирования Е (БФ Е).

Данные о величине критерия эффективности Е поступают на блок статистической обработки БСО. Использование в системе блока БСО вызвано необходимостью накопления данных с целью уменьшения влияния случайных помех, накладывающихся в процессе поиска на показатель качества оптимизируемой системы. Процесс накопления при наличии помех выполняет роль фильтра, позволяющего улучшить соотношение полезного сигнала и помехи и тем самым понизить вероятность ошибки при принятии решения о направлении рабочего шага.

Экстремальный регулятор (ЭР) поддерживает величину Е на выходе системы по возможности максимальной, и изменяет значения и в некоторые дискретные моменты времени. Система автоматической оптимизации производит п наблюдений величины Е при фиксированном управляющем воздействии и = их-6, что дает некоторую выборку {Е; = £(£:,)}; г = 1,2,..., п. Затем происходит скачкообразное изменение управляющего воздействия на величину 28 и производится следующая серия из п наблюдений, но уже для фиксированного управляющего воздействия и = их + <5. По этим наблюдениям (измерениям) в общем количестве 2 п принимается решение о том, на какую величину Аи надо изменить управляющее воздействие на входе объекта, чтобы величина Е приняла максимальное значение.

Определение величины рабочего шага производится по алгоритму:

Ди = их=1 -их= ^Signfa - Е2), (5)

где средmre значения и Я2 определяются на основе пробных шагов и выражаются в следующем виде:

_ ] . _ I п

Ei= — Elu ~8+х| Е2=—2|u +5 + х|

п ; п«1 '; (6)

Переход системы из одного состояния в другое осуществляется через фиксированный интервал времени:

Для измерения массовых расходов компонентов минеральной части сероасфальтобетона используются интеграторы расхода без систем регулирования а, т.е. с разомкнутыми структурами (рис.10).

а со Транспортер 0(0 Интегратор

що

Рисунок 10. Структурная схема измерительной системы

Входной величиной схемы является производительность питателя (>п, а выходной - масса ££ материала, прошедшего через интегратор.

Для моделирования был выбран гранулометрический состав минеральной составляющей горячей высокоплотной асфальтобетонной смеси марки I. Эта смесь относится к мелкозернистым.

В систему подавался материал со средней производительностью = 72 т/час. После включения в системе установился стационарный режим классификации. В это же время производилось накопление статистических отсчетов по значениям показателей эффективности грохочения. После накопления репрезентативной статистической выборки, включался контур системы управления. Определение значений показателей эффективности при включении экстремальной системы регулирования показало, что их значения увеличились в среднем на 10%.

Для экспериментальной проверки качества сероасфальтобетонных смесей полученных с применением автоматической системы управления классификацией минерального материала были проведены ремонт и опытная укладка дорожного полотна на следующих объектах:

- восточный административный округ г. Москвы, р-н Косино-Ухтомское и кинотеатр «Янтарь»;

- Крылатский мост г. Москвы (капитальный ремонт) (рис. 11);

- автомобильная дорога Оренбург - Беляевка;

- Московская кольцевая автомобильная дорога (51-й и 89 км.).

I )

Рисунок 11. Проезжая часть Крылатского моста уложенная сероаасфальтобетонной смесью

Результаты сравнительных испытаний обычных асфальтобетонов, сероасфальтобетона произведённого по традиционной технологии и сероасфальтобетона произведённого с применением разработанной системы управления показали, что физико-механические свойства сероасфальтобетонов выше, чем эти же параметры у обычных асфальтобетонов. Однако сероасфальтобетон произведённый с применением разработанной системы-управления имеет более высокие показатели, чем сероасфальтобетон произведённый по традиционной технологии. Это прежде всего касается такого важного параметра, как предел прочности при сжатии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Перспективным направлением повышения качества технологического процесса производства асфальтобетонных смесей является разработка новых типов асфальтобетонов - сероасфальтобетонов и технологи! их изготовления, что позволит существенно повысить эксплуатационные показатели дорожных покрытий и срок их службы, перебросить мощности, материалы и людские ресурсы, которые привлекались к ремонтным работам, на строительство новых автомобильных дорог;

2. Достижение поставленной цели реализуется на основе разработки вероятностно-геометрической концепции и методических принципов структурного синтеза композита на основе компьютерного моделирования процесса случайного заполнения объема геометрическими элементами с распределенными размерами:

3. Анализ технологии и технических средств обеспечения процесса переработки крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси, позволил выработать научный подход и методические основы разработки модели, критериальных функций и систем автоматизации, ориентированных на оптимизацию гранулометрического состава минеральных компонентов и получение их максимального выхода;

4. На основе модели структуры сероасфальтобетона синтезирован моделирующий алгоритм и программа, позволяющие осуществлять подбор минеральной части сероасфальтобетонов;

5. Эффективность режима сортировки существенным образом зависит от производительности входного потока материала (}, поступающего на грохот. Это в свою очередь влияет на производительность всей сортировочной установки, значительно увеличивая выход фракционированного состава минеральных компонентов при использовании системы автоматического управления процессом классификации.

6. Рассмотрение грохота в качестве элемента неразрывной технологической цепи переработки (сортировки) крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси позволяет решить задачу повышения ее технико-экономических показателей за счет автоматизированного управления процессом грохочения фракционируемого материала.

7. Оптимизация работы грохота по критерию эффективности Е производится за счет выдерживания его экстремального значения при определенном значении расхода материала, поступающего на грохот.

8. Разработана оптимальная технологическая схема и система автоматического регулирования процессом сортировки, обеспечивающая максимальную производительность непрерывного процесса получения фракционированного состава минеральных компонентов сероасфальтобетонной смеси.

9. Достигнуто повышение качества промышленного производства сероасфальтобетонной смеси за счет автоматизации процесса управления подготовкой крупного заполнителя с оптимизацией по гранулометрическому составу минеральных компонентов. Испытание образцов сероасфальтобетонов минеральная часть которых подбиралась на основе математического компьютерного моделирования показало, что вариация изменения прочности не превышает 11,7%, по сравнению с вариацией в 46,7% наблюдаемой при расчёте состава по предельным кривым зернового состава.

10. Экспериментальные исследования подтвердили результаты, полученные теоретическим путем.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алёхина М.Н. Сероасфальтобетонные смеси / Васильев Ю.Э., Мотин Н.В., Сарычев И.Ю. // Научно-технический и производственный журнал «Строительные Материалы» - № 10,2011. с. 7-9.

2. Алёхина М.Н. Управление процессами грохочения сыпучих компонентов асфальтобетонной смеси / Васильев Ю.Э., Либенко A.B., Алёхина М.Н., Мотин Н.В. // Научно-технический и производственный журнал «Строительные Материалы» - № 10,2011. с. 15-17.

3. Алёхина М.Н. Особенности последовательно параллельного способа циклического связанного дозирования и классификации компонентов строительных смесей / Вайшьев Ю.Э., Либенко A.B., Алёхина М.Н. // Научно-технический и производственный журнал «Строительные Материалы» - № И, 2011. с. 5-8.

4. Алёхина М.Н. Автоматизация подбора минеральной части сероасфальтобетонных смесей на основе компьютерного моделирования / Васильев Ю.Э., Алёхина М.Н. // Научно-технический и производственный журнал «Промышленное и гражданское строительство» - № 11,2011, с. 118-121.

5. Алёхина М.Н. Комплекс для приготовления композиционного серобитума (Патент РФ на полезную модель № 97998) / Самсонов P.O., Мамаев A.B., Мотин Н.В., Алёхина М.Н., Васильев Ю.Э. // Зарегистрирован в ГРПМ РФ и опубликован 28.09.2010.

6. Алёхина М.Н. Комплекс для приготовления сероасфальта (Патент РФ на полезную модель № 98012) / Самсонов P.O., Мамаев A.B., Мотин Н.В., Алёхина М.Н., Васильев Ю.Э. // Зарегистрирован в ГРПМ РФ и опубликован 27.09.2010.

7. Алёхина М.Н. Функциональный комплекс для приготовления литой асфальтобетонной или иной битумоминеральной смеси (Патент РФ на полезную модель № 92419) / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Морщилов М.В., Юмашев В.М., Алёхина М.Н. // Зарегистрирован в ГРПМ РФ и опубликован 20.03.2010.

8. Алёхина М.Н. Функциональный комплекс для приготовления сероасфальтобетона (варианты) (Патент РФ на полезную модель № 98940) / Приходько В.М., Вайшьев Ю.Э., Юмашев В.М., Штефан Ю.В., Алёхина М.Н. // Зарегистрирован в ГРПМ РФ и опубликован 10.11.2010.

9. Алёхина М.Н. Функциональный комплекс для приготовления композиционного сероасфальтобетона (варианты) (Патент РФ на полезную модель № 96506) / Приходько В.М., Васильев Ю.Э., Юмашев В.М., Штефан Ю.В., Алёхина М.Н. // Зарегистрирован в ГРПМ РФ и опубликован 10.08.2010.

Подписано в печать: 24 октября 2011 г. Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № ТехПолиграфЦентр Россия, 125319, г. Москва, ул. Усиевича, д. 8а. Тел.: 8-918-191-08-51 Тел./факс (499) 151-17-71

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА АСФАЛЬТОБЕТОНОВ.

1.1 Роль асфальтобетона в формировании дорожной сети Российской Федерации.

1.2. Типы и область применения асфальтобетонных смесей.

1.3 Сероасфальтобетон.

1 АТехнология приготовления асфальтобетонных смесей.

1.5.Методы подбора состава асфальтобетонных смесей.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПТИМАЛЬНОЙ УПАКОВКИ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ СЕРОАСФАЛЬТО-БЕТОННОЙ СМЕСИ.

2.1. Математические модели в теории композиционных материалов.

2.2. Основы математического моделирования структуры композиционных материалов на компьютере.

2.3. Алгоритм моделирования оптимальной упаковки минеральной части сероасфальтобетонной смеси.

2.4. Результаты моделирования оптимальной упаковки минеральной части сероасфальтобетонной смеси.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРРОЦЕССОВ ГРОХОЧЕНИЯ.

3.1.Характеристики крупности исходного сырья и продуктов дробления.

3.2. Основные характеристика дробильно-сортировочного оборудования

3.3. Грохоты и схемы грохочения.

3.4. Динамическая модель ситового грохота.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРОХОЧЕНИЕМ.

4.1. Особенности поиска экстремума системы управления грохочением.

4.2. Выбор системы экстремального управления.

4.3. Уравнения движения инерционных объектов экстремального регулирования.

4.4. Процессы в экстремальной системе.

4.5. Переходный процесс в экстремальной системе.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕТИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЕРОАСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

5.1. Моделирование системы экстремального регулирования с шаговым поиском процессов классификации трехситовых грохотов.

5.2. Экспериментальная проверка системы управления классификацией минерального материала сероасфальтобетонных смесей.

Основным материалом для устройства твёрдых покрытий автомобильных дорог является асфальтобетон, качество которого определяется сроком службы. К сожалению, срок службы асфальтобетонных покрытий в нашей стране на порядок ниже, чем в зарубежных странах имеющих сходные климатические условия.

В последние годы интенсивное развитие автомобильного транспорта, увеличение грузонапряженности и интенсивности движения на автомобильных дорогах приводит к увеличению нагрузки на дорожные покрытия, в результате ухудшается транспортно-эксплуатационные качества асфальтобетонных покрытий и их срок службы становится меньше нормативного.

Данная ситуация вызывает необходимость кардинального улучшения структурно-механических характеристик асфальтобетона и прежде всего его долговечности - повышении эксплуатационных характеристик асфальтобетона при его работе в дорожном покрытии: сохранении во времени его прочности, трещеностойкости, устойчивости к образованию колеи и т.д.

Положительный эффект может быть достигнут, как применением более качественных исходных материалов для асфальтобетонных смесей, при этом особое внимание необходимо уделять материалам, обеспечивающим высокую прочность, выдерживающим высокую интенсивность движения, так и использованием новых композитных материалов.

Одним из наиболее перспективных материалов для устройства дорожных покрытий является сероасфальтобетон, в котором часть битума заменяется серой. Это объясняется рядом причин, основными из которых являются следующие: значительный рост стоимости нефтяных битумов, необходимость экономии энергетических ресурсов и в первую очередь нефтяного сырья, уменьшение ресурсов качественных каменных материалов в ряде районов строительства, возрастание объемов производства серы из

4' вторичных источников сырья, что приводит к тенденции снижения её стоимости.

Однако применение этого перспективного материала требует новых подходов, как к расчёту его состава, так и к особенностям технологии фракционирования дробленого материала.

Традиционные методы подбора состава минеральной части асфальтобетонов в случае сероасфальтобетонов не оптимальны и дают неудовлетворительные результаты. При определении фракционного состава дробленого материала необходимо опираться на результаты компьютерного моделирования, исходя из оптимального заполнения материалом заданного эталонного объема. При получении сероасфальтобетона, в процессе рассева дробленого материала требуется увеличение выделения отдельных фракций минерального материала для чего необходимо использование большего количества грохотов. Увеличение количества грохотов приведет к дополнительным энергетическим и финансовых затратам. Потенциальные возможности процесса грохочения проявляются наиболее отчетливо, если рассматривать грохот в качестве элемента технологической цепи подготовки крупного заполнителя, решая задачу повышения ее технико-экономических показателей за счет автоматизированного управления процессом классификации.

Комплексный подход к управлению формированием структуры сероасфальтобетонов, как композитных материалов, с использованием эффективных технологических методов подбора неорганической (минеральной) части компонентов асфальтобетона позволят оптимизировать как их структуру, так и структурно-механические и эксплуатационные свойства, а также повысить эффективность их получения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Перспективным направлением повышения качества технологического процесса производства асфальтобетонных смесей является разработка новых типов асфальтобетонов - сероасфальтобетонов и технологии их изготовления, что позволит существенно повысить эксплуатационные показатели дорожных покрытий и срок их службы, перебросить мощности, материалы и людские ресурсы, которые привлекались к ремонтным работам, на строительство новых автомобильных дорог;

2. Достижение поставленной цели реализуется на основе разработки вероятностно-геометрической концепции и методических принципов структурного синтеза композита на основе компьютерного моделирования процесса случайного заполнения объема геометрическими элементами с распределенными размерами;

3. Анализ технологии и технических средств обеспечения процесса переработки крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси, позволил выработать научный подход и методические основы разработки модели, критериальных функций и систем автоматизации, ориентированных на оптимизацию гранулометрического состава минеральных компонентов и получение их максимального выхода;

4. На основе модели структуры сероасфальтобетона синтезирован моделирующий алгоритм и программа, позволяющие осуществлять подбор минеральной части сероасфальтобетонов;

5. Эффективность режима сортировки существенным образом зависит от производительности входного потока материала <2, поступающего на грохот. Это в свою очередь влияет на производительность всей сортировочной установки, значительно увеличивая выход фракционированного состава минеральных компонентов при использовании системы автоматического управления процессом классификации.

6. Рассмотрение грохота в качестве элемента неразрывной технологической цепи переработки (сортировки) крупного заполнителя сероасфальтобетонной смеси позволяет решить задачу повышения ее технико-экономических показателей за счет автоматизированного управления процессом грохочения фракционируемого материала.

7. Оптимизация работы грохота по критерию эффективности Е производится за счет выдерживания его экстремального значения при определенном значении расхода материала, поступающего на грохот.

8. Разработана оптимальная технологическая схема и система автоматического регулирования процессом сортировки, обеспечивающая максимальную производительность непрерывного процесса получения фракционированного состава минеральных компонентов сероасфальтобетонной смеси.

9. Достигнуто повышение качества промышленного производства сероасфальтобетонной смеси за счет автоматизации процесса управления подготовкой крупного заполнителя с оптимизацией по гранулометрическому составу минеральных компонентов. Испытание образцов сероасфальтобетонов минеральная часть которых, подбиралась на основе математического компьютерного моделирования показало, что вариация изменения прочности не превышает 11,7%, по сравнению с вариацией в 46,7% наблюдаемой при расчёте состава по предельным кривым зернового состава.

10. Экспериментальные исследования подтвердили результаты, полученные теоретическим путем.

1. Проект «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года» (редакция 2008 года) www.transafety.ru/document/Transport2030.pdf

2. Воробьев В.А., Суворов Д.Н., Попов В.А. Компьютерное моделирование в автоматизации производства асфальтобетонной смеси. Книга 1. Теоретические основы. Москва, Изд-во Российской инженерной академии,2009.-297 с.

3. Федеральная Целевая Программа "Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)" http://rosavtodor.ru/information/Osnovnyeprogrammy/ftsprazvitietransp О11поу8181ету1го88п20102015godyi.html

4. Е. Шипилов Чинит тот, кто плохо строит. Оаге1а.гиот 08.04.2010. http://www.gazeta.ru/auto/2010/04/08а3349084.51Ит1

5. ГОСТ 9128-97. Смеси асфальтобетонные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия. -М.: МНТКС, 1968.

6. СниП 2.05.02 85*. Автомобильные дороги. - М.: ФГУП ЦПП, 2005.

7. ТУ 5718-002-53737504-01 Смеси сероасфальтобетонные литые и литой сероасфальтобетон. 2003.

8. Борисов В.А. Технологическая точность асфальтобетонных заводов и методы её повышения. Саратов: Изд-во саратовского университета, 1975.- 160 с.

9. Давыдов В.Н. Изготовление изделий из асфальтобетонных смесей. -М.: Из-во АСВ, 2003. 247 с.

10. Новиков А.Н. Установки для приготовления асфальтобетона. М.: Высшая школа, 1977. 230 с.

11. Рыбьев И.А. Асфальтовые бетоны. М.: Высшая школа, 1969. 398 с.

12. Технология производства строительных материалов / Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко Л.М. М.: Высшая школа, 1990. - 446 с.

13. Справочная энциклопедия дорожника. Том 1., Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук, проф. А.П. Васильева, Москва, 2005, http://www.docnorma.rU/normadoc/51/51536/index.htm#i737000

14. Сайт компании Аттапп http://www.ammann-group.com/en/home/

15. Радовский Б.С. Проектирование состава асфальтобетоннных смесей в США http://library.stroit.ru/articles/asfalt5/index.html

16. Mix Design Methods for Asphalt Concrete (MS-2). 2d ed. Asphalt Institute, 1963. The Asphalt Handbook (MS-4), Asphalt Institute, 1989, 607 p.

17. ASTM D5581-96 (2001) Standard Test Method for Resistance to Plastic Flow of Bituminous Mixtures Using Marshall Apparatus (6 inch-Diameter Specimen).

18. Воробьев В.А., Суворов Д.Н., Котлярский Э.В., Доценко В.И., Попов В.А. Компьютерное моделирование в автоматизации производства асфальтобетонной смеси. Книга 2. Практические разработки. Москва, Изд-во Российской инженерной академии, 2009. - 608 с.

19. Королёв И.В., Финашин В.Н., Феднер JLA. Дорожно строительные материалы. -М.: Транспорт, 1988. 304 с.

20. Кисленко Н.Н., Мотин Н.В., Алёхина М.Н Пути повышения реализации серы за счет её использования в качестве основного компонента строительных материалов // Материалы международной конференции «Sulpfur-2004» London: CRU Publishing Ltd. 2004, с. 77.

21. Васильев Ю.Э., Алехина М.Н. Cast bitumen concrete modified with sulfur. Труды X Международной конференции «Durable and safe road pavements», Kielce, 11. 12 мая, 2004. Варшава: 2004.

22. Алексеев C.3., Афонин Б.Ю., Алёхина М.Н., и др. Новые строительные материалы на базе серы // Международный журнал «Бизнес» / Спец. выпуск «Инвестиции и строительная деятельность в ОАО «Газпром» -2006, с. 37.39.

23. Кисленко Н.Н., Мотин Н.В., Алёхина М.Н., и др. Производство и потребление серы в России. Перспективные направления использования новых материалов на основе серы // Материалы международной конференции «Sulpfur-2006» London: CRU Publishing Ltd. 2006.25