автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологических процессов производства крупного фракционированного заполнителя бетонной смеси на основе использования статических систем дозирования

На правах рукописи —

ШУХИН Владимир Витальевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГО ФРАКЦИОНИРОВАННОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДОЗИРОВАНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 4 скт гт

МОСКВА-2013 г.

005535621

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» Научный руководитель: МАРСОВ Вадим Израилевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизация производственных процессов» МАДИ

Официальные оппоненты: ОСТРОУХ Андрей Владимирович

доктор технических наук, профессор, МАДИ, профессор кафедры «Автоматизированных систем управления»

ГОРЮНОВ Игорь Иванович

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Информационные системы, технологий и автоматизации в строительстве» МГСУ

Ведущая организация: ООО «Научно-производственное объединение ВПК Автодорбарьер»

Защита состоится «13» ноября 2013 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан « /0» ¿0 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

Актуальность работы. Потребность в разработке и освоении новых методов производства бетонных смесей для строительства гражданских и промышленных сооружений определяет направления ведения исследовательских работ во многих областях науки. Качественные изменения в технологии производства бетонных смесей и получения бетонов с заданными свойствами является основным звеном, обеспечивающим прогресс в строительном производстве.

Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готового продукта диктуют принятие только таких проектных решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства.

Традиционные технологии циклического и непрерывного дозирования являются отражением экономических, технологических и технических реалий предыдущего столетия. Был достигнут предел их технического совершенствования, не позволяющий кардинально изменить свойства этих систем, приблизить их технико-экономические показатели к новейшим, все более ужесточающимся требованиям производства.

Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления связана с изменением технической базы строительного производства и комплектованием его новейшими средствами микропроцессорной техники. Это позволяет вовлечь ряд теоретических положений и идей концептуального характера в сферу практических приложений, предложить новые, нетрадиционные проектные решения, принципиально изменить сам подход к решению проблемы производства бетонных смесей оптимального состава и высокими технико-экономическими показателями. Именно поэтому назрела необходимость в использовании технологической схемы непрерывной подачи материала в смеситель, интегрирующей в себе новые технологические приемы производства строительных смесей. Отдельные, попытки опытного внедрения фрагментов такой технологии на смесительных установках не дали ощутимого эффекта. Одной из причин этого является отсутствие комплексного подхода к специфическим особенностям системы автоматического формирования строительных смесей, отражающей две взаимосвязанные тенденции:

- улучшение технологических параметров готовых изделий и воспроизводимости их свойств, расширение диапазона их регулируемого изменения;

- определение оптимальных технологических приёмов, которые обеспечивали бы выполнение вышеперечисленных требований.

Одной из основных задач, которую необходимо решить при автоматизации технологического процесса приготовления компонентов бетона с заданными технологическими свойствами, является задача

получения оптимального состава компонентов с высокой точностью. Эта задача напрямую связана с задачей повышения точности дозирования компонентов, поскольку, от точности соблюдения рассчитанной рецептуры бетонной смеси в значительной мере зависит воспроизводимость результатов от дозы к дозе готовой бетонной смеси.

Поэтому задача разработки новой концепции автоматизированных систем производства бетонных смесей в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств дозирования, измерений и управления, является актуальной.

Цель работы. Разработка научных и практических методов построения системы автоматизированного управления технологическим процессом непрерывной подачи потока крупного заполнителя в бетоносмеситель с коррекцией его фракционного состава за счет дополнительного дозирования компонентов бетонных смесей при непрерывной и растянутой во времени подаче их в бетоносмеситель.

Для достижения поставленной цели:

выполнен анализ, зарубежного и отечественного опыта автоматического управления процессами непрерывно-периодического дозирования компонентов бетонных смесей, методов и средств их автоматизации;

разработаны методы и принципы построения, требования к структуре, системе критериев и необходимым функциональным связям системы автоматизации, объединяющей в единый технологический комплекс процессы транспортирования основного потока крупного заполнителя и непрерывного дозирования дополнительных компонентов бетонной смеси;

разработана математическая модель процесса управления текущей производительностью дозатора непрерывного действия со статической системой регулирования с учетом статистического распределения статических ошибок дозирования, вызванных изменением плотности материала;

на основе разработанных критериев оптимизации разработаны структура дозатора непрерывного действия со статической системой управления по расходу, функциональное наполнение, а также методы расчета и определения оптимальных параметров настройки;

выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.

Методы исследования В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования. Теоретические исследования основывались на использовании основных положений и расчётных выражений теории автоматического управления, математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных и промышленных образцах дозаторов непрерывного действия.

На защиту выносятся

Принципы организации и автоматизации непрерывного процесса транспортирования основного потока крупного заполнителя и непрерывного дозирования дополнительных компонентов бетонной смеси при непрерывной и растянутой во времени подаче их в бетоносмеситель.

Методологические принципы построения, требования к структуре, системе критериев и функциональным связям системы автоматизации, объединяющей процессы транспортирования и непрерывного дозирования компонентов бетонных смесей с использованием дозаторов непрерывного действия.

Математическая модель процесса управления текущей производительностью дозатора непрерывного действия со статической системой управления по расходу, методы расчета и определения оптимальных параметров ее настройки.

Научная новизна работы

Решена научно-техническая задача теоретического обоснования, синтеза и практической реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом транспортирования основного потока крупного заполнителя и непрерывного дозирования дополнительных сыпучих компонентов бетонной смеси, обеспечивающих получение бетонной смеси с заданными свойствами.

Диссертантом впервые:

Разработаны методологические основы автоматизации технологического процесса транспортирования основного потока крупного заполнителя и непрерывного дозирования дополнительных сыпучих компонентов бетонной смеси, позволяющие на основе требований к свойствам исходных компонентов, осуществлять оптимизацию состава заполнителя бетонной смеси и реализовывать его с высокой точностью за счет операций непрерывно дозирования.

Построена и исследована достаточно полная последовательность моделей дозаторов непрерывного действия в порядке изменения сложности их структур и динамических характеристик, что позволило определить направление развития систем непрерывного дозирования и предложить принцип управления расходом сыпучих материалов с использованием дозаторов со статической быстродействующей системой регулирования прямого действия.

Разработана аналитическая методика расчета дозаторов непрерывного действия со статической системой регулирования.

Для определения значений настроечных параметров статической системы автоматического регулирования непрерывного дозирования предложен функционал оптимальности, учитывающий статистические свойства материальных потоков компонентов.

На основе принятого критерия оптимальности разработаны методика и программа расчета статической системы автоматического дозирования на

ЭВМ с целью выбора значений настроечных параметров системы.

Разработан комплекс технических и программных средств, обеспечивающих эффективную реализацию автоматизированной системы управления технологическим процессом непрерывной подачи скорректированного потока не фракционированного крупного заполнителя бетонной смеси в смеситель.

Практическая ценность и внедрение результатов исследования

Практическую ценность работы составляют спроектированная на сформулированных принципах автоматизированная система управления технологическим процессом транспортирования основного потока крупного заполнителя и непрерывного дозирования дополнительных сыпучих компонентов бетонной смеси при непрерывной и растянутой во времени подаче их в бетоносмеситель, исключающих операции предварительной классификации крупного заполнителя и существенно улучшающих технико-экономические показатели процессов производства бетонных смесей.

Автоматизированная технология дозирования сыпучих компонентов заполнителя, включающая в себя технические средства измерений и управления, имеет практическую направленность и предназначена для использования в установках непрерывно-периодического действия по производству бетонных смесей.

Применение разработанных систем автоматизации позволяет решать задачи оптимизации технологических режимов, как отдельных операций непрерывной подачи сыпучих компонентов в бетоносмеситель, непрерывного дозирования дополнительных компонентов, так и всего технологического процесса промышленного приготовления бетонных смесей, обеспечивая, тем самым, повышение их качества и ряда других технико-экономических показателей производства.

Внедрение результатов исследований в виде методик использовалось в составе средств автоматизации процессов многокомпонентного дозирования ЗАО «Союз-Лес».

Результаты экспериментальных исследований, полученные в ходе опытно-промышленной эксплуатации, показали, что внедрение разработанной системы управления приводит к увеличению производительности бетоносмесительной установки и снижению затрат на 910 % на приготовление одного кубического метра бетонной смеси.

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, а также практическими результатами внедрения теоретических положений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на, научно-технических

конференциях МАДИ (2002...2012), кафедры «Автоматизация производственных процессов» МАДИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 137 страница текста, 61 иллюстраций, 2 таблиц, список литературы включает 134 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу структуры композитных материалов на примере бетона, взаимосвязи свойств и структуры бетона, влияния заполнителей на свойства композитного материала.

Процессы производства бетона, изделий и конструкций из него являются отражением двух взаимосвязанных тенденций: улучшения технологических параметров готовых изделий и воспроизводимости их свойств, расширяющих диапазоны их регулируемого изменения.

На свойства композитных материалов вообще и бетона в частности определяющее влияние имеет их плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих композита определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, наименьшей - с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те в свою очередь менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры.

В оптимальной структуре, частицы распределены равномерно по объему; отсутствует или содержится минимальное количество дефектов структуры как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды; имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде пространственной сетки при минимальном отношении толщины материала скрепляющей матрицы и фазы заполнителя; наибольшая плотность упаковки твердых частиц, как в микроструктуре, так и в макроструктуре.

На рис.1 приведена зависимость прочности композитного материала от соотношения скрепляющей фазы и заполнителя.

скрепляющей фазы и заполнителя

Каждая точка экстремума какого-либо свойства отражает такую структуру, при которой она удовлетворяет всем необходимым условиям оптимальности: равномерное расположение частиц, непрерывность среды и минимум фазового отношения (С/Ф-мшп).

Само понятие оптимальности структур композитных материалов, направлено на определение составов композитов для получения материалов с заданными свойствами. Для строительных композитов наиболее важным свойством является их прочность. Установлено, что в зависимости от гранулометрического состава заполнителя вариации прочности бетона в зависимости от применяемого заполнителя колеблются в пределах 40% на изгиб и до 29% на сжатие.

На основании анализа процессов структурообразования строительных композитов, можно сформулировать основные тенденции влияния заполнителей на их свойства: улучшение заданных качественных характеристик, модифицирование свойств или переход на новый уровень качества композита, снижение материалоемкости изделий из композитных материалов.

Наряду с организацией структуры цементных композиций, зависящей от качественного и количественного состава частиц заполняющей фазы, необходима ее технологическая реализация с высокой точностью на основе методов оптимального подбора состава бетонной смеси.

Необходимо стремиться к получению оптимальной структуры бетона, когда частицы в ней распределены равномерно по объему; количество дефектов структуры как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды минимально; имеется непрерывная прослойка вяжущего

вещества в виде пространственной сетки, или матрицы при минимальном отношении толщины материала скрепляющей матрицы и фазы заполнителя, определяющих наибольшую плотность упаковки твердых частиц.

Следовательно, основными задачами, которые необходимо решить при приготовлении бетона с заданными технологическими свойствами, являются задачи не только подбора оптимального состава компонентов, но и реализация самого технологического процесса за счет проектирования его оптимальной структуры и функциональных связей, обеспечивающих новые возможности повышения качества смеси и технико-экономических показателей производства.

Оптимальная рецептура выступает в качестве индикатора, оценочной характеристики эффективности выбора структуры технологического процесса и возможности перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления на основе новейших средств микропроцессорной техники. Это позволяет предложить новые, нетрадиционные проектные решения, принципиально изменить сам подход к решению задачи производства бетонных смесей оптимального состава и высокими технико-экономическими показателями. В основе таких решений лежит разработка комплекса технических средств, обеспечивающих эффективную реализацию автоматизированной системы управления технологическим процессом непрерывной подачи скорректированного потока не фракционированного крупного заполнителя бетонной смеси в смеситель.

Вторая глава посвящена, разработке принципов формирования автоматизированной технологии процесса транспортирования основного потока крупного заполнителя и непрерывного дозирования дополнительных сыпучих компонентов бетонной смеси.

При всем разнообразии технических решений и оборудования в технологических схемах по производству строительных, и в частности бетонных смесей, основная пооперационная схема, включающая в себя процессы классификации, дозирования и перемешивания, остается неизменной. Рассмотренные традиционные технологические схемы производства бетонных смесей не позволяют кардинально изменить свойства этих систем и приблизить их технико-экономические показатели к новейшим, все более ужесточающимся требованиям производства. Необходима разработка новых принципов организации процессов непрерывного формирования потока заполнителя, интегрирующей в себе достоинства известных технологических принципа производства строительных смесей, используя, в первую очередь, непрерывный способ подачи фракционированного крупного заполнителя в смеситель

Преимущества непрерывной и растянутой во времени подачи сыпучих компонентов в смеситель при приготовлении строительных смесей, сводится к следующему:

применение дозаторов непрерывного действия в технологическом

процессе приготовления строительных смесей позволяет увеличить производительность смесителей в среднем на 10%; из-за отсутствия "пиковых" нагрузок при загрузке увеличивается надежность и долговечность привода смесителя; время цикла при непрерывной загрузке смесителя сокращается в среднем на 10-15%.

Полученные результаты говорят в пользу непрерывной подачи компонентов в смеситель. Необходима, однако, реализация предлагаемого способа дозирования на основе технических средств и средств вычислительной техники, интегрированных в технологию циклического дозирования.

Положительные результаты использования технологии непрерывной подачи компонентов смеси в смеситель позволили предложить новую схему приготовления строительных смесей по проф. Воробьеву В.А. (рис.2), когда смесь крупного заполнителя без предварительной классификации подается в смеситель, а отклонения ее фракционного состава по отдельны компонентам, компенсируются подаваемыми в основной поток дополнительными массами материала. То есть на основе получаемой информации о фракционном составе основного потока материала, производится последующее дополнение в поток крупного заполнителя отдельных фракций, для получения смеси крупного заполнителя требуемого фракционного состава.

Рис.2.. Обобщенная функциональная схема системы формирования

дробленного каменного материала Обобщенная функциональная схема системы формирования дробленного каменного материала, выполняет следующие операции. Поток дробленного каменного материала - щебня (1) - попадает на вибросито (2). Вибросито отсекает дробленный каменный материал (щебень),

17-

Ц6

к

превышающий верхний предел по допустимой крупности. Затем материал попадает на виброситовое устройство (3), устраняющее из потока дробленного каменного материала мелкие частицы. Транспортер (41 ) перемещает щебень, предназначенный для приготовления бетонной смеси с фракциями в допустимых верхнем и нижнем пределах. Отсекатель (5) направляет часть основного потока каменного материала (42) на приемник-классификатор (6). Приемник-классификатор формирует поток каменного материала, распределяемого по фракциям (7), в накопительные бункера (8). Вычислительное устройство (16) предназначено для управления дозированием отдельных фракций из бункеров фракционированного каменного материала (8) по информации с гранулометра. В вычислительное устройство (16) поступает информация (17) о производительности дозирования дополнительных составляющих потока каменного материала из бункеров (8). Из бункеров (8) дозированные потоки каменного материала (9), направляются на приемник-формирователь (10). Вибропитатель -формирователь дополнительного потока каменного материала (11), осуществляет его подачу на транспортер (12). В накопитель смеси (14) поступают дополнительный и основанной потоки каменного материала. Полученная таким образом смесь крупного заполнителя (15) поступает в смеситель.

Одновременно от потока дробленного каменного материала отбирается некоторая его часть, которая направляется на радиационный гранулометр, использующий рентгеновское или световое излучение. Вычислительные системы гранулометра выполняют анализ поступающей на приемник-регистратор информации, выдавая сведения о фракционном составе потока каменного материала.

Функциональная схема автоматизированной системы коррекции фракционного состава крупного заполнителя бетонной смеси, показана на рис.3.

Рис.3. Функциональная схема автоматизированной системы коррекции фракционного состава крупного заполнителя бетонной смеси: 1.2 - крупный заполнитель; 3 - заданная рецептура бетонной смеси, 4 -информация о реальном фракционном составе; 5 — управление бункером-накопителем; 6 - основной поток крупного заполнителя, прошедший через гранулометр; 7 - дополнительные составляющие крупного заполнителя, 8 -

оптимальный фракционный состав дробленного каменного материала.

Поток крупного заполнителя перемещается ленточным транспортером (ЛТ), который проходя через гранулометр (Г) позволяет получить информация о реальном фракционном составе, подаваемого в бетоносмесительное отделение (БСО) крупного заполнителя. Заданная рецептура бетонной смеси вводится в блок компьютерного моделирования (КМ) оператором для каждой марки бетона. В этом блоке по . заданной рецептуре смеси крупного заполнителя и по информации от гранулометра о реальном фракционном составе крупного заполнителя в потоке, определяется в каком количестве и каких фракций требуется добавить в основной поток материала для получения оптимального фракционного состава дробленного каменного материала. Непрерывные дозаторы бункеров-накопителей (БН) подают в поток крупного заполнителя идущий в БСО требуемое количество дополнительного каменного материала фиксированных фракций. Основной поток и дополнительные составляющие крупного заполнителя смешиваются в предварительном смесителе (ПС) и далее поступают в БСО.

Для подачи дополнительных масс материала в поток крупного заполнителя, используются дозаторы непрерывного действия. Дозировочное оборудование, представляет собой систему измерения расхода. Необходимо учитывать специфические особенности технологического процесса и физико-механические свойства материалов, что определяет принципы реализации функциональных схем дозирования и позволяет обосновать выбор устройств подачи и дозирования крупного заполнителя, систем управления, обеспечивая постоянство расхода по параметру и т.д. Исходя из этого, для рассматриваемого технологического процесса требования к дозировочному оборудованию непрерывного действия могут быть сформулированы исходя из следующего.

Так как объемы потоков дополнительных, корректирующих фракций материала по сравнению с рабочим потоком крупного заполнителя существенно меньше, то для их дозирования целесообразно применение простых малогабаритных дозаторов, малой мощности, без сложной и дорогостоящей автоматики, но высоким быстродействием, без которого невозможна компенсация отклонений фракционного состава основного потока дробленого материала, поступающего в смеситель. В пользу выбора дозаторов со статической системой регулирования говорят, в первую очередь, особенности организации технологического процесса дозирования дополнительных потоков крупного заполнителя в основной поток материала, поступающего в смеситель. Так как дозируются отдельные предварительно отфракционированные компоненты крупного заполнителя, то дозируемые потоки материала не высокой производительности, отличаются высокой равномерностью истечения из аккумулирующей емкости, что практически исключает статическую ошибку регулирования.

На промышленных объектах используются разнообразные модификации дозаторов с регулированием по массе, т.е. с постоянной скоростью ленты весового

транспортера, в которых измеряемое значение погонной нагрузки транспортера, принимается пропорциональным величине управляемого параметра - расхода Структура дозатора отражает принцип регулирования, при неизменной скорости ленты транспортера, основанный на поддержании постоянного среднего значения массы материала на ленте так, чтобы производительность дозатора оставалась постоянной.

В главе 3 рассматриваются дозаторы непрерывного действия с регулированием по массе.

Рассматривая дозаторы непрерывного действия с регулированием по массе, как статические системы регулирования, необходимо решить задачу повышения их качества дозирования за счет оптимизации динамических характеристик с одновременной компенсацией статической ошибки.

Структурная схема такого дозатора изображена на рис.4 и состоит из питателя, весового транспортера маятникового типа с колебательной подвеской и заслонки.

Питатель Весовой Подвеска Подвеска

у транспортер ВТ ВТ

wвт wп \Л/з

Рис.4. Схемы дозатора со статической системой регулирования: а - структурная; б - функциональная Весовой транспортер представляет собой два динамических звена: преобразователь производительности и подвеску в виде колебательного звена с передаточными функциями :

б-я5 _____ к.

fK.CS) - V т

+ 6т5 +12

: =

Т^+Т^+І

Для системы автоматического регулирования на рис.4 передаточные функции в разомкнутом №($) и замкнутом по ошибке Ф (5) состояниях, будут иметь вид:

6-т8__1

(т252+6^ + 12) (Г2252+ ' (1)

1 _Т,гУ+(Т2г2 + 6 Т?т) д3 +(г2 +12Г,2 + 6 г) *2 +

+ (бт + 12Т2) s + 12 + (бт + 12Т2 - кт) s +12 + 6к В общем виде, будем иметь:

_ V4+y3+b2s2+b3s +Ь4 - —------

a0s + a:s + a2s + а3s + а4 к J

а0 = b0 = Т,т2; at = Ь, = (т2т2 + 6Т,2т); а3 = Ь3 = (т2 + 12Т2 + 6Т, т) ; а3 = бт+12Т2; а4=12; Ь3 =6т+12Т2-кт ; Ь4=12 + 6к.

В дозаторах непрерывного действия возмущение, в виде отклонения производительности питателя, через прямой единичный канал попадает непосредственно через весовой транспортер на выход системы. В процессе измерений до момента полной компенсации входного сигнала по каналу обратной связи следящей системой, материал, поступивший на ленту транспортера, сбрасывается в смеситель или сборную емкость. Набирается измеренная системой технологическая ошибка, которая равна сумме отклонений от номинала мгновенных значений производительности за время отработки следящим контуром входного сигнала.

Отклонения пробы материала, взятой за этот промежуток времени от установившегося значения, могут быть оценены интегралом:

tP tP

/,= \x{t)dt= \AQ{t)dt = AG, (4)

о о

где х - отклонение измеряемой величины от ее нового установившегося значения;

ДG- ошибка измерений массы за время tp; AQ- отклонение производительности питателя.

Связь линейной интегральной оценки /, с технологическими оценками точности интегрирования расхода очевидна. Однако стремление уменьшить ее до нуля вызывает появление в системе переходного процесса, близкого к незатухающему.

Интеграл 7, можно дополнить еще одной оценкой качества

интегрирования расхода в виде квадратичного интеграла

t

72 = Jx2(0A, (5)

о

позволяющего при совместном использовании с избежать, указанных выше, сложностей.

Интеграл /2 дает возможность косвенно оценить неравномерность и время регулирования.

Одновременная минимизация интегральных оценок позволяет

выбрать лучшую замкнутую линейную систему дозирования и оптимизировать ее по параметрам.

Для оценки качественных показателей динамических процессов в системе дозирования по каналу стабилизации производительности линейная интегральная оценка по Красовскому, будет:

_ Ь0а, -а0Ь) ^б£(бг+12Г2-кг)+(12+б*)кг 2кг+372

ао = (і24-6Аг)2 ' (¿+2У ' (б)

Квадратичная интегральная оценка, рассчитывается по выражениям:

= 2^Д(ВА +ВЛ +В2А2+В,А,)--^і1, (7)

где А = а3а4(а,а2-а0а3)-а^а4 ;

А, =а3а4, Д2 = а,а*,

^з =а4(аіа2 -а0а3),

Л4 =а0а3(а,а2 -а0аз)-а,2а3а4 +а2а4(а,а2 -а0а3)-а0а1а^,

Ь^=(Ь4-а4) , ь;=(Ь3-а3),

В4 = (Ь4- а4)2, В3 = (Ь3- а3): ,В,=0, В2=0 Подстановка этих выражений в (7), дает:

Т е, \2а2( а3 , аДа1а2 ~а0аз)~а0а1а4 ,

•^2 ^ 1(Ь4-а4) а<Л -+-1-\-2-+

4 а4 а4\аіа2 "аоаЗ'~аіа4

л 42 , а4(а1а2-а0аз) (Ь4-а4ХЬ3-аз) + (Ь3-а3) +—3-1—2—)]----. (8)

аз1а1а2 "а0аз/"а1а4 а*

Используя выражения (8), построены интегральные кривые, в функции коэффициента усиления.

Т-ал

е.з-

Рис.5. Интегральные кривые Из графиков (рис.5) видно, что качественные интегральные оценки носят параболический характер и имеют точку минимума. Характер кривых показывает, что переходный процесс в системе с увеличением коэффициента усиления К будет меняться от апериодического до колебательного. Минимум оценки увеличивается с увеличением постоянной времени 7;.

Поиск оптимальных значений настроечных параметров системы можно упростить, если ввести процедуру записи неоднородного уравнения в форме Вышнеградского, что позволяет трансформировать исходные уравнения и уменьшить количество независимых коэффициентов. Интегральные оценки при этом могут быть связаны с такими показателями качества как время регулирования, колебательность, вид переходного процесса.

Квадратичные оценки, записанные в нормированном виде, переводят решение задачи выбора параметров настройки системы в пространство обобщенных коэффициентов. Кривые интегральных оценок, нанесенные на эту диаграмму, позволяют найти область лучшего качества и количественно оценить качественные показатели динамического процесса.

Значения квадратичных интегралов в безразмерной форме, находятся из приближенного соотношения:

тВ 1г, В(ЛВ-1) 1

Д = -Г¿ +----'—] (О)

2 2 А{ВС-А)-Ь^ ()

Полученные из выражения (9) значения квадратичных оценок могут быть нанесены на пространственную диаграмму, подобную диаграмме Вышнеградского, исходя из общих принципов нахождения смещенного уравнения четвертого порядка и отыскания существования областей с одинаковым распределением корней.

Диаграмма строится методом сечений одной из поверхностей Р(А,ВЛ )

(рис.6) плоскостями "i — У — const (рис.7). Из уравнений Ft = 0 определяем одно из граничных свойств системы: устойчивость, заданное быстродействие, колебательный или апериодический переходный процесс.

Рис.6. Конусообразные поверхности X = const

Динамические ошибки дозирования возникают из-за воздействия на систему различных случайных возмущений.

Очевидно, что подход к исследованию рассматриваемой системы дозирования, как и любой другой автоматической системы, должен быть основан на знании закономерностей изменения возмущений, действующих на систему.

Характер потока сыпучего материала, подаваемого питателем на весовой транспортер имеет вид, представленный на рис.8а.б.

Теоретическая кривая /(М\), выравнивающая экспериментальную гистограмму, представлена на рис.8.

Условием выбора настроечных параметров системы дозирования, является минимум ошибки дозирования, которая существенно зависит от статической ошибки, вызванной отклонение слоя материала от номинала.

Необходимо решить задачу оптимизации, сводящуюся к выбору параметра К, обеспечивающего минимум статической ошибки дозирования с учетом статистического характера подачи материала.

Построим график изменения величины статической ошибки дозирования в функции массы материала Р(0) при нескольких значениях коэффициента передачи (Кх= 0,0089 '/кгс; К2 = 0,0076 7кгс; Кг=0М6 !/кгс) (рис.10).

При изменении б) в большую или меньшую сторону от математического ожидания С70 = 31,5 кг ошибка возрастает. Однако, необходимо учитывать не только величину ошибки, а также то, как часто она появляется в процессе дозирования, т.е. вероятность ее появления, в виде распределения плотности вероятности величины массы материала на ленте транспортера/(йО (рис.10).

Тогда функционал оптимальности системы, по минимуму которого необходимо осуществлять выбор коэффициента усиления К, примет вид:

Плотность распределения вероятности /(йх) близка к нормальной и приближенно описывается зависимостью:

Ф(К,Ти)= jF(G1)2/(G1)¿G1 -> шш.

(10)

в0-г<г

(С,-Оо)г

где:

С„+3<7

«уср)2 2"2 ¿Юх = <7\

(П)

— : V_ \

Ь, ь.

0.1

7 8 9 10 II 12 13 14 15 16 И И

Рис.8. Гистограмма и теоретическая кривая нормального распределения

Выбор оптимальных значений коэффициента к с использованием функционала осуществляется из условия:

дФ(к) П

= 0;

(12)

Нахождение частной производной сводится к поиску минимума площади, ограниченной соответствующей кривой \Р(в1 \ /(в^ в диапазоне С?0 ± За при различных значениях к (рис.9)

В главе 4 приведены результаты экспериментальных исследований дозаторов непрерывного действия технологической схемы непрерывной дополнительной подачи крупного заполнителя в смеситель

При реализации предложенной технологической схемы необходимо, было разработать систему непрерывного дозирования дополнительных потоков крупного заполнителя, обеспечивающих заданный фракционный состав материала, поступающего в бетонно-смесительное отделение заводов товарного бетона.

Оценка качественных характеристик дозаторов непрерывного действия опиралась на интегральные оценки в обычном и нормированном видах.

Моделирование предложенной в главе 3 структуры дозатора непрерывного действия со статической системой регулирования осуществлялось при помощи программного пакета МАТЬАВ 6.0/8шш1тк.

Исследование дозатора С-633 в стендовых условиях проводились с целью экспериментального проверки возможности использования предложенной методики расчета для оценки качественных показателей динамического процесса дозирования.

Записи процессов регулирования представлены на рис. 10а, 106 при различных значениях Т.

Расчетные значения обобщенных параметров А,В,С, наносились на объемную диаграмму. На рис.10 показаны линии равных значений колебательности X =0,2, полученные при совмещении нескольких секущих плоскостей В; поверхности равной колебательности X =0,2 .

В табл.2 сведены рассчитанные значения степени устойчивости и времени регулирования.

Значения степени устойчивости и времени регулирования Таблица 2

т 6,5 8,5 11,5 14 18,5

А 1,2 1,22 1,24 1,28 1,37

В 4,4 4,72 5,14 5,75 6,87

С 3,9 3,96 4 4,32 4,8

X 0,16 0,16 0,17 0,18 0,2

^ расчетное 20 21 21,5 22,5 24

Ч экспериментальное 19 22 23,5 26,5 30

Как видно из таблицы наибольшее расхождение результатов не превышает 20%.

Нормированная диаграмма рис.10 показывает, что при увеличении т точка с координатами А,В,С, оставаясь все время почти на границе первого и второго классов распределения корней, перемещается в сторону больших X. При этом, удаляясь от начала координат, она пересекает линии равных значений интегральных оценок I2 с возрастающими индексами. Все это позволяет сделать вывод о том, что с ростом т переходный процесс в системе дозирования будет из колебательного превращения в апериодическое, а время переходного процесса будет расти.

v л

Рис. 10. Нормированная диаграмма для Я = 0.2

Основные выводы и результаты работы

1. Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления связана с изменением технической базы строительного производства и внедрением новеиших средств микропроцессорной техники. Использование предложенной технолошческой схемы непрерывной подачи материала в смеситель, интегрирующей в себе новые технологические приемы производства строительных смесей позволяет использовать нетрадиционные проектные решения, принципиально изменить сам подход к решению задачи производства бетонных смесей оптимального состава и с высокими технико-экономическими показателями.

2. Новые принципы организации процессов непрерывного формирования потока заполнителя, с непрерывной и растянутой во времени подачи компонентов при приготовлении строительных смесей позволяет увеличить производительность смесителей в среднем на 10%; из-за отсутствия пиковых" нагрузок в момент загрузки смесителя, снижаются энергетические затраты, повышается коэффициент заполнения смесителя, увеличивается надежность и долговечность его привода.

3. Положительные результаты использования технологии непрерывной подачи компонентов смеси в смеситель, наиболее полно реализуемые в схеме приготовления бетонных смесей по проф. Воробьеву В.А., позволяют организовать поступление смеси крупного заполнителя без предварительной классификации в смеситель, а отклонения ее фракционного состава по отдельным компонентам, компенсировать подаваемыми в основной поток

дополнительными массами материала.

4. Для подачи дополнительных масс материала в поток крупного заполнителя, предложено использовать дозаторы непрерывного дейстия со статической системой регулирования, которые обладают не только конструктивной простотой, но и высоким быстродействием, т.е. свойством не только существенно отличающим их от всех остальных систем дозирования, но и самым важным для осуществления коррекции фракционного состава основного потока дробленого материала.

5. В пользу выбора дозаторов со статической системой регулирования говорят, в первую очередь, особенности организации технологического процесса дозирования дополнительных потоков крупного заполнителя в основной поток материала, поступающего в смеситель. Так как дозируются отдельные предварительно отфракционированные компоненты заполнителя, то дозируемые потоки материала не высокой производительности, отличаются высокой равномерностью истечения из аккумулирующей емкости, что практически исключает статическую ошибку регулирования.

6. Предложена универсальная модельная схема измерений текущей производительности питателя, адекватная процедуре реального механизма образования ошибок в процессе дозирования. Синтезированная структура является рабочим инструментом не только оценки измерительных свойств дозаторов непрерывного действия, но и служит эталоном при проектировании систем с высокими метрологическими характеристиками за счет возможности реальной оценки погрешности дозирования по ее измеренному значению.

7. Интегральные оценки наиболее полно отражают технологические показатели качества дозирования. Линейный интеграл У, оценивает величину отклонения массы материала на ленте транспортера от заданного значения, а квадратичный - J2 дает возможность косвенно оценить неравномерность и время регулирования. Одновременная минимизация интегральных оценок позволяет выбрать наилучшую по качеству замкнутую систему непрерывного дозирования и оптимизировать ее по параметрам. Разработана методика такой оптимизации с использованием интегральных оценок.

8. Значения квадратичных оценок в нормированном виде, по разработанной методике, могут быть нанесены на пространственную диаграмму, подобную диаграмме Вышнеградского, используя общие принципы нахождения смещенного уравнения четвертого порядка и построения областей с одинаковым распределением корней.

9. Разработана инженерная методика расчета систем дозирования при помощи нормированной диаграммы. Интегральные оценки, нанесенные на диаграмму в пространстве обобщенных параметров, позволяют найти область лучшего качества процессов дозирования.

10. Для определения значений настроечных параметров системы дозирования предложен функционал оптимальности, учитывающий статистические свойства возмущающего воздействия; минимум функционала

определяет оптимальные значения настроечных параметров системы.

11. Разработаны методика и программа расчета статической САР на ЭВМ с целью выбора оптимальных значений настроечных параметров системы. Результаты расчета системы на ЭВМ подтвердили справедливость предложенной аналитической методики расчета оптимальных значений коэффициентов передачи САР.

12. Проведены испытания предложенного принципа управления на натурных образцах дозаторов непрерывного действия, которые показали эффективность предложенного метода дозирования компонентов бетонной смеси.

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Шухин В.В. Оптимальное управление пневмосистемой в процессе дозирования сыпучих материалов / Гематудинов P.A., Романов К.С., Чантиева М.Э. // Вестник МАДИ. - М.:2010 г., вып. 4(23) С. 110 - 113.

2. Шухин В.В. Дозирующие системы непрерывного действия / Марсов В.И., Тихонов А.Ф., Бокарев Е.И. // Журнал «Механизация строительства», -М.: 2011.-№7.-С. 22-24.

3. Шухин, В. В. Использование дозаторов в технологических линиях периодического приготовления строительных смесей / Марсов В.И., Тихонов А.Ф., Бокарев Е.И. // Журнал «Механизация строительства», - М.: 2011. - № 9.-С. 14-15.

4. Шухин, В.В. Дозаторы непрерывного действия с компенсацией возмущения входного потока материала / Марсов В.И., Суэтина Т.А., Колбасин A.M. // Механизация строительства. 2013. - № 2.-С. 32-34.

Публикации в других изданиях.

5. Шухин, В.В. Автоматизированное управление процессами дозирования / Исаева М.Р., Тан Цзэюй // Сб. науч. тр. кафедры «Автоматизация и управление» - Грозный.: ГГНТУ, 2012 г.,С.30-37.

6. Шухин В.В. Модель процесса дозирования мелкодисперсных материалов / Исаева М.Р., Тан Цзэюй // Сб. науч. тр. кафедры «Автоматизация и управление» - Грозный.: ГГНТУ, 2012 г.,С.38-45.

Подписано в печать 07 октября 2013 г. Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 22

ТЕХПОЛИГРАФЦЕНТР Россия, 125319 , г. Москва, уп. Усиевича, д. 8 а. Тел.: 8-916-191-08-51 Тел./факс (499) 152-17-71 E-mail: 7tpc7@maii.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

На правах рукописи

0420"! 363717

ШУХИН Владимир Витальевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГО ФРАКЦИОНИРОВАННОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ДОЗИРОВАНИЯ

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

Научный руководитель д.т.н., профессор Марсов В.И.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Структура композитных строительных материалов 7

1.1 Классификация композитных материалов 7

1.2. Взаимосвязь свойств и структуры бетона 11

1.3. Влияние заполнителей на свойства композитного материала 17

1.4. Анализ методов расчета прочности бетонов и подбора его

20

гранулометрического состава

1.5. Методы расчета прочности бетона 21

1.6. Математические модели структуры бетона 26

1.7. Результаты моделирования структуры бетона 30 Выводы и постановка задач исследования 36 Глава 2. Технологические схемы приготовления многокомпонентных

38

смесей

2.1. Технологические схемы производства сухих смесей 38

2.2. Автоматизированные технологии производства бетонных смесей 40

2.3. Приготовление бетонных смесей в смесительных установках 43

2.4. Технологические особенности применения дозаторов непрерывного

47

действия

2.5. Схема автоматизированного формирования смесей крупного заполнителя для приготовления бетонных смесей 52

2.6. Автоматизированное управление виброситовым классификатором 55

2.7. Дозаторы с регулированием по массе 62

2.8. Дозаторы непрерывного действия с коррекцией по изменению

66

скорости ленты транспортера

Выводы к главе 2 73

Глава 3. Оптимизация качественных характеристик дозаторов со

статической системой регулирования

3.1. Критерии оценки качественных характеристик дозаторов со

75

статической системой регулирования

3.2. Определение интегральных оценок 80

3.3. Метод нормированных диаграмм для систем четвертого порядка 86

3.4. Построение пространственной Б - диаграммы 88

3.5. Функционал оптимальности системы дозирования 93

3.6. Расчет функционала оптимальности 97 Выводы к главе 3 102 Глава 4. Экспериментальные исследования 104

4.1. Задачи моделирования 104

4.2. Испытание дозатора типа С-633 в стендовых условиях. 108 Выводы к главе 4 119 Основные выводы и результаты работы 120 Литература |23

ВВЕДЕНИЕ

Современные условия выполнения строительных работ, быстро меняющиеся конъюнктура рынка и требования заказчиков к ассортименту и качеству готовой продукции, вызывают необходимость повышения гибкости и приспосабливаемости смесительных узлов и установок к изменениям технологических условий производства.

Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства.

Потребность в разработке и освоении новых методов производства бетонных смесей для строительства гражданских и промышленных сооружений определяет направления ведения исследовательских работ во многих областях науки. Качественные изменения в технологии производства бетонных смесей и получения бетонов с заданными свойствами является основным звеном, обеспечивающим прогресс в строительном производстве

Новые тенденции технического и технологического перевооружения в строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готового продукта диктуют принятие только таких проектных решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства.

Традиционные технологии циклического и непрерывного дозирования являются отражением экономических, технологических и технических реалий предыдущего столетия. Был достигнут предел их технического совершенствования, не позволяющий кардинально изменить свойства этих систем, приблизить их технико-экономические показатели к новейшим, все более ужесточающимся требованиям производства.

Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления связана с изменением технической базы строительного производства и комплектованием его новейшими средствами микропроцессорной техники. Это позволяет вовлечь ряд теоретических положений и идей концептуального характера в сферу практических приложений, предложить новые, нетрадиционные проектные решения, принципиально изменить сам подход к решению проблемы производства бетонных смесей оптимального состава и высокими технико-экономическими показателями. Именно поэтому назрела необходимость в использовании технологической схемы непрерывной подачи материала в смеситель, интегрирующей в себе новые технологические приемы производства строительных смесей. Отдельные, попытки опытного внедрения фрагментов такой технологии на смесительных установках не дали ощутимого эффекта. Одной из причин этого является отсутствие комплексного подхода к специфическим особенностям системы автоматического формирования строительных смесей, отражающей две взаимосвязанные тенденции:

улучшение технологических параметры готовых изделий и воспроизводимости их свойств, расширение диапазона их регулируемого изменения;

определение оптимальных технологических приёмов, которые обеспечивали бы выполнение вышеперечисленных требований.

Одной из основных задач, которую необходимо решить при автоматизации технологического процесса приготовления компонентов бетона с заданными технологическими свойствами, является задача получения оптимального состава компонентов с высокой точностью. Эта задача напрямую связана с задачей повышения точности дозирования компонентов, поскольку, от точности соблюдения рассчитанной

рецептуры бетонной смеси в значительной мере зависит воспроизводимость результатов от дозы к дозе готовой бетонной смеси.

Поэтому задача разработки новой концепции автоматизированных систем производства бетонных смесей в едином контексте проблемы интеграции технологии, технических средств дозирования, измерений и управления, рассмотренная в работе, является актуальной.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА КОМПОЗИТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

1.1 Классификация композитных материалов

Композитным материалом, по Джавитцу [2 ] называется «Любой материал, который не является чистым веществом и содержит более одного компонента, можно считать композитным», но в тоже время, -«Композитами называют многофункциональные системы материалов с характеристиками, которые недостижимы в отдельно взятых материалах. Композиты представляют собой сцепляемые структуры, образованные физическим соединением двух или более совместимых материалов, различающихся по составу и свойствам, а иногда по форме». Структура композитных материалов многообразна, поэтому различны и свойства неоднородных материалов. В матричных композициях выделяется скрепляющая фаза. В бетонах скрепляющей фазой служит цементный камень. Эта фаза называется матрицей, все остальные - заполнителем (песок, щебень и т.п.).

Классификация композитных материалов определяется задачами, решаемыми с использованием данных материалов. Используются классификации по физическим свойствам компонентов, форме их частиц, распределению частиц в компоненте по размерам.

Разделение компонентов по физическим свойствам производится так же с учетом решаемых задач, при этом, выделяются лишь те физические свойства, которые наиболее существенно влияют на исследуемые характеристики композиций. По своей форме частицы компонентов бывают изометрической (сферической), неизометрической форм и не имеющих формы. Примером частиц неизометрических форм могут служить заполнители строительных бетонов

Свойства всех композитных материалов, и бетона в частности, существенно зависят от их плотности или пористости. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих, определяют основные технические свойства композита: долговечность, не чувствительность к изменениям среды. Поэтому целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом его плотности.

На рис. 1.1 показаны основные типы структур бетона: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая.

б г

Рис. 1.1 Основные типы макроструктуры бетона а - плотная; б - плотная с пористым заполнителем; в - ячеистая; г -зернистая

Плотная структура может иметь контактное расположение заполнителя, зерна которого соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, с зернами удаленными друг от друга.

В ячеистой структуре в сплошной среде твердого материала находятся поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек.

Зернистая структура представляет собой скрепленные между собой зерна твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Наибольшая прочность у материалов с плотной структурой, наименьшая - с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а ячеистые менее проницаемы, чем материалы с зернистой структурой, которые обладают наибольшим водопоглощением.

Свойства материала существенно зависят от размера зерен, пор и ряда других структурных элементов. Поэтому в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении, структурными элементами которой служат крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда при анализе и технологических расчетах условно считают макроструктуру, состоящей из двух элементов - крупного заполнителя и раствора, объединяющего цементный камень и песок.

Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом. Свойства бетона существенно зависят от микроструктуры цементного камня, состоящего из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.

Цементный камень - основной компонент бетона, влияющий на его физические свойства и долговечность. Свойства цементного камня, в свою очередь, зависят от его минералогического состава, определяющего силу химического взаимодействия между элементами, макро и микроструктуры.

Каждый из видов бетона обладает своей структурой. Тяжелые бетоны отличает плотная структура, легкие конструктивные - плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые - зернистую. Различия в типах структур позволяет

проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости. Бетон является искусственным каменным материалом, прочность которого зависит от его объемной массы, которая определяет плотность упаковки структурных элементов, объем и характер дефектов.

Зависимость прочности бетона Я от его объемной массы у может быть представлена выражением:

11 = 11,

С V

У

и

(1.1)

1 J

где Я] - прочность материала при объемной массе уь п - показатель степени, зависящий от структуры материала.

ТЭ /уп _ А

Приняв, 1 / '1 , как характеристику данного материала, численно равную его прочности при единичной объемной массе, то выражение (1.1) перепишется в виде

Я = Ауп. (1>2)

Выражение (1.1) показывает, что прочность пористого материала (в том числе и бетона) пропорциональна его объемной массе.

Зависимость прочности бетонов от его структуры, дана на рис. 1.2.

Ре

1.0 0.8

0.6 |

I I

0.4;

I

!

I

0.2

0.2 0.4 0.6 0.8 1,0 Т'Р Рис. 1.2. Зависимость прочности бетона Яб от относительной плотности у/р для материалов: 1- ячеистой структуры; 2 - зернистой структуры

При одинаковой относительной плотности прочность материала зернистой структуры значительно ниже, чем ячеистой. Поэтому наряду с для окончательного суждения о прочности и других свойствах бетона, необходимо знать характер пористости, определяемый его структурой.

Неоднородность структуры и свойств бетона требуют применения при его качественных оценках вероятностно-статистических методов и должна учитываться при проектировании и организации производства бетонных и железобетонных конструкций.

1.2. Взаимосвязь свойств и структуры бетона

Многообразие комбинаций зёрен заполнителя в теле композитных материалов приводит к тому, что материалы отличаются друг от друга структурами и свойствами. Установить и, тем более, выразить в аналитической форме характер зависимости между структурой и свойствами композитных материалов на практике сложно [3, 4, 5], так как одному и тому же показателю свойств (например величине предела прочности) могут соответствовать различные микро- и макроструктуры материала.

На рис. 1.3 приведены зависимости прочности бетона от его пористости. Кривая АВ соответствует снижению прочности бетона при повышении его пористости, а кривая СО - снижению прочности природного камня при повышении его пористости. Как видно из графиков, при равной пористости П] прочность бетона может быть выше прочности камня, а при равной прочности пористость камня - меньше пористости бетона.

То есть, одному и тому же структурному показателю материала может соответствовать его различная прочность или другие свойства. По этой причине результаты экспериментальных исследований, проводимых

при так называемых «равных» условиях опыта, характеризуются большим разбросом числовых значений.

А

а С 1*1 р. С

л & о \ -,,, -В I

г о а. с: К' ___ьД I

0 п, П2 Пористость. %

П*1

Рис. 1.3. Зависимость прочности бетона от его пористости Чтобы установить корреляцию между качественными и структурными показателями, необходимо сравнивать их не при «равных», а соответствующих условиях, когда структуры материалов оптимальны, а сами материалы между собой подобны.

Структура оптимальна, если частицы материала в ней распределены равномерно по всему объему; отсутствуют или содержатся в малом количестве дефекты структуры, являющиеся концентраторами напряжений или аккумуляторами агрессивной среды; существует непрерывная прослойка вяжущего вещества при минимальной величине отношения толщины материала скрепляющей матрицы к фазе заполнителя. К признаку оптимальности структуры композита относится также наибольшая плотность упаковки твердых частиц в микроструктуре и макроструктуре.

Неоптимальными будут структуры не удовлетворяющие хотя бы одному из вышеуказанных условий оптимальности. Оптимальные структуры материалов обладают улучшенными показателями качества по сравнению с неоптимальными, что обусловлено повышенной плотностью,

минимумом жидкой среды, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом других причин.

Анализ экспериментальных данных дал возможность сформулировать закон «створа», в соответствии с которым оптимальной структуре отвечает набор экстремальных значений свойств.

На рис. 1.4 закон створа представлен графически.

На рис. 1.4 кривая 1 характеризует среднюю плотность композита; 2 -экономическую эффективность; 3 - пределы прочности; 4 -морозостойкость; 5 - внутреннее сцепление; 6 - упругоэластичные свойства; 7 - ползучесть; 8 - подвижность; 9 - коэффициент выхода смеси.

Параметры на рис. 1.4 зависят от соотношения в материале скрепляющей фазы С, например, цементного камня и фазы заполнителя Ф.

Еще нагляднее закон створа может быть представлен в пространственной системе координат, если отложить по оси абсцисс одну из структурных характеристик (например, отношение С/Ф), по оси

С/Ф

Рис. 1.4. Графическое представление закона створа

ординат значения показателей свойств (например, прочности), на оси аппликат - содержание заполнителя.

Экспериментальные данные представленные для каждого свойства непосредственно связанного со структурой в пространственной системе координат или на плоскости, являются экстремальными кривыми, в которых имеются ниспадающая и возрастающая ветви с экстремумом между ними.

На рис. 1.5 приведена на плоскости зависимость прочности композитного материала от соотношения скрепляющей фазы и заполнителя, а на рис. 1.6 - зависимость прочности композитного материала от соотношения скрепляющей фазы, заполнителя и содержания заполнителя в композите в пространственной системе координат.

Все экстремумы на графиках, представленных на рис. 1.5, 1.6, размещаются в общем «створе».

Рис. 1.5 Зависимость прочности композитного материала от соотношения

скрепляющей фазы и заполнителя

А

М

М

Запс

Рис. 1.6. Зависимость прочности композитного материала от соотношения скрепляющей фазы, заполнителя и содержания заполнителя Для каждого строительного материала выбирается «створ», удовлетворяющий заданным по техническим условиям показателям качества материала