автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматизированной системы с активной компенсацией инерции газа в несущей прослойке

На правах рукописи

ЩЕРБАКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВ'"'

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ С АКТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ИНЕРЦИИ ГАЗА В НЕСУЩЕЙ ПРОСЛОЙКЕ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2005

Работа выполнена на кафедре "Техническая механика" Воронежской государственной технологической академии (ВГТА).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чертов Евгений Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Погонин Василий Александрович

доктор технических наук, профессор Абрамов Геннадий Владимирович

Ведущая организация: Московский государственный

университет пищевых производств, г. Москва

Защита диссертации состоится «1» июля 2005 года в 13 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 при Тамбовском государственном техническом университете по адресу: 392000 г. Тамбов, Советская, 106, ТГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская 106, ТГТУ, учёному секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан » сМЛЦ} 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Чуриков

look Ч IÇQtC

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В ряде отраслей химических и пищевых производств возникает необходимость в исключении контакта обрабатываемых изделий с рабочими поверхностями технологического оборудования. Часто это вызвано особенностями реологии таких объетов: повышенной адгезионной способностью, агрессивным характером химических или физико-химических взаимодействий и т.д. Зачастую данные обрабатываемые объекты легкодеформируемы и классифицируются как вязкопластичные или вязкоупругопластич-ные массы.

На сегодняшний день единственным способом устранения контакта с изделием в процессе его производства является создание под его опорной поверхностью несущей газовой прослойки, образующейся за счет струйного истечения газообразной среды через выпускные отверстия сопел рабочих поверхностей пневмоустановок. При этом с одной стороны, потоки газа создают отталкивающие усилия, с другой - притягивающие, связанные с особенностями динамики газа в ограниченных зазорах. Возникновение притягивающих усилий в несущей прослойке обусловлено возникновением зон отрицательного избыточного давления газа, само же явление получило название эффекта пневмозахвата. На указанном эффекте основан принцип действия целого спектра устройств, успешно работающих в случае, если обрабатываемые изделия - жесткие и имеют развитую поверхность фиксации.

При удержании и транспортировании легкодеформируемых изделий высока вероятность возникновения их контакта с рабочими поверхностями устройств с несущей газовой прослойкой.

В области гидрогазодинамики течений в ограниченном слое работали JL Прандтль, Бай Ши-и, В. Константинеску, Г. Райхардт. В нашей стране научное направление успешно развивали и продолжают исследования К.С. Ахвердиев, А.К. Никитин, C.B. Пинегин и др. Вопросам практического применения устройств с тонкой воздушной прослойкой посвящены работы Маховера Ю.М., Резника В.Ю., а также сотрудников лаборатории механики сплошных сред Воронежской государственной технологической академии.

Анализ данных, приведенных в ряде известных печатных работ, показывает, что для повышения эффективности работы удерживаю-

щих и транспортирующих устройств с не йкой

необходимо "жестко" соблюдать газодинамические параметры с целью исключения возникновения названного эффекта. Предлагаемые ранее меры по повышению эффективности работы устройств с несущей газовой прослойкой не нашли применения в связи со сложностью технической реализации и, как следствие, невысокой рентабельностью при использовании в производстве.

Актуальность представленной работы заключается в том, что предлагается новый подход к решению вопроса о полном или частичном исключении эффекта пневмозахвата за счет дискретного запиты-вания несущей прослойки при отсутствии в настоящее время других сколько-нибудь приемлемых способов выравнивания избыточного давления газа в несущей прослойке.

Реализация данного способа, в связи с быстротечностью газодинамических процессов в устройствах с несущей газовой прслойкой и сложным характером распределения давления газа в несущей прослойке невозможна без создания системы, построенной на современных средствах автоматизации

Цель работы: повышение эффективности работы устройств с несущей газовой прослойкой за счет использования автоматизированной системы с активной компенсацией инерции газа.

В соответствие с поставленной целью решались следующие

задачи:

- анализ конструкций существующих устройств с несущей газовой прослойкой, как объектов автоматизированного управления.

- разработка математического описания гидрогазодинамических процессов, протекающих в дискретно запитываемой несущей газовой прослойке, как основы алгоритма управления удерживающих и транспорт ирующих устройств с высокой эффекгивностью работы;

- имитационное моделирование гидрогазодинамических процессов, протекающих в несущих и транспортирующих системах с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой с целью выявления основных факторов, влияющих н' работоспособность устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой;

- разработка способа повышения эффективности работы транспортирующих систем с несущей газовой прослойкой;

- разработка алгоритма управления;

- разработка и исследования устройства для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел с дискретным запиты-ванием несущей прослойки, создание методики инженерного расчета;

- разработка соответствующего программного обеспечения;

- разработка автоматизированной системы управления работой участка разделки тестовых заготовок с дискретно запит ываемой прослойкой;;

- апробация полученных результатов исследования в условиях производства.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории автоматического управления, теоретической механики, теорий газовой смазки и колебаний. При проведении имитационных исследований применялись статистические методы планирования экспериментов, анализа и обработки экспериментальных данных.

Научная новизна. Предложен новый подход к решению вопроса об исключении эффекта пневмозахвата за счет дискретного запиты-вания несущей газовой прослойки. Разработаны матемагические модели гидрогазодинамических процессов, протекающих в дискретно за-питываемой несущей газовой прослойке, как основа алгоритма управления удерживающих и транспортирующих устройств с высокой эффективностью работы. Проведенные имитационные исследования позволили выявить значимость факторов, влияющих на работоспособность устройств с дискретно запиты ваемой несущей газовой прослойкой. Разработан алгоритм управления работой устройств дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой для удержания и транспортирования легкодеформируемых тел.

Практическая ценность работы. Проведенные теоретические и имитационные исследования легли в основу разработки автоматизированной системы для удержания и транспортирования легкодеформируемых тел с активной компенсацией инерции газа в несущей газовой прослойке. Разработан ряд конструкций устройств (патенты РФ №2232512, №2248274) для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел с дискретным запитыванием несущей прослойки, реализующих предложенный способ повышения эффективности работы, разработана методика инженерного расчета подобных устройств, создано соответствующее программное обеспечение.

Апробация работы. Основные результаты работы доложень: и обсуждены на Третьей Международной научно-технической конференции "Авиакосмические технологии" (Воронеж 2002 г), Ш-й Всероссийской научно-технической конференции "Теория конфликта и ее приложения" (Воронеж, 2004), Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Воронежского государственного

аграрного университета им К Д.Глинки и 10-летию технологического факультета ВГАУ (Воронеж, 2003 г), IV Всероссийской научной Internet - конференции (Тамбов, 2002 ..), XXXIX - XLII отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2001 - 2004 гг.). Разработанная система автоматизированного управления работой участка разделки тестовых заготовок прошла промышленные испытания в условиях АО " Россошанский Элеватор". Социальный и научно-технический эффект выражался в улучшении и оздоровлении условий труда, снижении доли брака готовой продукции, снижении затрат на борьбу адгезии теста до 35%,ожидаемый экономический эффект составил 75 тыс. руб.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатные работы, в том числе, 6 статей, 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований, 11 приложений. Работа изложена на 149 страницах основного 1 екста, содержит 41 рисунок, 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирогана цель диссертационной работы, обоснована ее актуальность, представлены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен обзор литературных источников по современному состоянию конструкций существующих устройств с несущей газовой прослойкой, как объектов автоматизированного управления, проведен анализ существующих подходов к математическому описанию гидрогазодинамических процессов, протекающих в несущей газовой прослойке.

Показано, что предложенные ранее способы выравнивания давления в прослойке имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих область их применения.

По результатам анализа литературных источников сформулированы выводы и поставлены задачи научных исследований.

Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели объекта "цилиндрическое сопло - дискретно запитываемая несущая прослойка - твердое тело" (рис. 1).

При разработке математиче чой модели была выдвинута гипотеза о том, что дискретная подача газа через питающее сопло приводит к изменению характера распределения скоростей среды в прослойке. Это

1У

■ Система "твердое тело - несущая прослойка - сопло - заслонка" 1 - твердое тело, 2 распределительная решетка, 3 -заслонка

в свою очередь, приводит к снижению или полному исключению вероятности появления эффекта пневмозахвата при определенных параметрах запитывания прослойки.

При описании процессов течения газа в прослойке в качестве исходных были приняты уравнения Навье-Стокса, неразрывности, состояния, закон Пуазейля. Их совместное решение дало ряд уравнений, характеризующих распределение избыточного давления газа

в несущей прослойке:

_ РРа h d(hc 1) h4_ РРа Cj_ Ра

dp

dt

30 Pa

dp 2/jCi

■ — +--

8r r

(1)

h2 C] dp

dr

= 0,

15/ 6

где р - давление газа в прослойке, Па; р - плотность воздуха, кг/м3; ра - атмосферное давление, Па; ра - плотность газа при атмосферном давлении, кг/м3; ¡л - динамическая вязкость газа, Па-с; С/ -постоянная, не зависящая от г, с"'; И - толщина газовой прослойки, м.

Постоянная С/ определяется из начальных условий, соответствующих стационарному процессу:

3-фор+Оср-"*{<»■*))

С7=-

¿ср ' ^ср

(2)

где Qcp - усредненное значение расхода газа, mVc.

Записав уравнение движения центра масс твердого тела под действием гармонической возмущающей силы, обусловленной перекрыванием сопла заслонкой, получим выражение:

h = h0+z0. (3)

где zq = Atí sínico t +1//), м; A„ - амплитуда вынужденных колебаний, м:

pQ,

ср

(4)

т г1 5,

ср-

/ D Л

р JtR „ ' ср 2

( о\ pnR

+ 4 ■ -

Km)

а>и

т - масса тела, кг; г] - коэффициент расхода газа через сопло; р1р -усредненное по площади давление в несущей прослойке, Па; Я -радиус тела, м.

Подставляя (2) и (3), в систему (1) с учетом (4), получим выражение, характеризующее давление в несущей газовой прослойке при ее дискретном запитывании:

Ра 2 '5

р(г,1) = С1г

Ра

\

pC¡ ра 2 5 Ра х

V V

' ' Г I

dx + С 2

+ С,е

!?_£а_£1 + Ра_±х ¡V Ра х2 Ра 2х

dx

/ГС/

/

Я/СО

3h ра С, ( ра I ^

10 ра

Ра 2х

2 р. дС,

х 3t

Pajil.+PJL±X ¡0 Ра х2 Ра 2х

dx

\ \

dx + С?

>(5)

где х = Зг ; С; и С, - константы интегрирования, которые определяются из начальных и граничных условий: при £=0, г=Я Р=Ра.

3*20 сои(аи)а>

л

3 ( \ 2 У ---()д 5т\6)1 )С0 ,

К

Если пренебречь сжимаемастью газа, что вполне допустимо в рассматриваемом диапазоне скоростей течения, выражение принимает вид:

_ -р£> соз((ы)со 1п(г) 3р{()+() зт(м)) 1п(г) ЗЛ

2И2л

- +

2 Илг • 1 и2 „ dt

(6)

3P{Q+Qsin{cot))2 _ 6p{Q+Qsm(ojt)) ^ + ^

10h2r27t2 h3n

где Cj - постоянная времени, определяется из следующих граничных условий:

при t=0 и г = R : р~ 0;

тогда:

с2- »

г 2 2 2 20Щк R

где ho - величина толщины прослойки при стационарном режиме подачи газа, м.

На рисунке 2 представлена графическая зависимость распределения давления в несущей прослойке по времени и текущему радиусу при ее нестационарном запитывании. Сравнительный анализ с зависимостями, полученными при стационарном запитывании прослойки, показывает, что при введении в стационарную систему колебательной составляющей практически полностью меняется картина распределения давления в прослойке, отсутствуют области с отрицательным давлением, что полностью доказывает выдвинутую ранее гипотезу.

Третья глава диссертации посвящена разработке математической модели объекта "цилиндрическое сопло с вращающейся перфорированной заслонкой - несущая газовая прослойка - нетвердое тело", а также математическому моделированию гидрогазодинамических процессов, протекающих в несущих и транспортирующих системах с дискретно запитываемой несущей прослойкой.

В случае удержания нетвердого тела на прослойке, образованной при истечении газа чер.з единичное отверстие, тело представлялось как совокупность отдельных коаксиально расположенных фрагментов (рис. 3). Уравнение движение центра масс отдель-

Рис 2 Расчетная зависимость распределения давления в несущей прослойке под опорной поверхностью твердого тела при нестационарной подаче раза Высота начачьного зазора Ь„ 3 мм, давление питания р1шт = 0,1 МП а; средний расход с мсатого воздуха Оч,=2,75 м3/ч. диаметр выходного отверстия распределительной решетки (I 0,002 м. наружный диаметр диска 0=0,08 м

ного фрагмента под действием сил со стороны прослойки и внутренних усилий:

(Л

т , 1 + 2и я г г+р л / 1п\ — - =

Ф Р<р {>■) (7)

р о2

=--чт со11п\ — I + (гН + (г + Лг)(и - АН ))

// 5' V'' / Аг

ср

где Шф - масса отдельного фрагмента, кг; г - текущее значение радиуса, м; Я - радиус всего тела, м; рср - усредненное давление в несущей прослойке, Па; Яс/, - усредненное значение площади проходного сечения сопла, м2, - усредненное значение расход газа через сопло, м^/с; Н - высота фрагмента, м; п - индекс течения материала тела; X - скорость сдвига, с'1; К- коэффициент консистенции.

В зависимости от реологических свойств тела можно подобрать значения расхода газа в прослойку и частоты перекрытия питающего сопла, при которых значение г([,г), то есть отклонение от начального положения, будет принимать минимальные значения.

Данная математическая м дель легла в основу имитационных исследований гидрогазодинамических процессов в несущей прослойке, образованной под опорной поверхностью нетвердого тела.

Р-йА

Рис 3 - Расчетная схема к закону движения элементарного цилиндра нетвердого тела

Получены оптимальные режимы запитывания прослойки (средний расход газа в прослойку Qcp, частота дискретности запитывания прослойки со).

На рисунке 4 представлен графики зависимостей, полученных при имитационных исследованиях, времени сохранения газовой прослойки по опорной поверхностью лекгкодеформируемо-го тела при нестационарной подаче газа. Сравнительный анализ полученных зависимостей с аналогичными, полученными для стационарного случая, показывает, что введение дискретной подачи газа в прослойку увеличивает время сохранения последней под опорной поверхностью нетвердого тела в среднем на 25 - 50 %. Эттг факт, бесспорно, доказывает выдвинутую рабочую гипотезу о том, что введение дискретности запитывания несущей прослойки снижает или полностью исключает

возникновение эф-0 001 ♦ 000125 А 00015 X 000175 Ж 0002 фвКТЭ ПНеВМОЗЗХВаТЗ

под опорной поверхностью нетвердого тела.

На рисунке 5 представлена зависимость aw в зависимости от удельной нагрузки q оказываемой телом на несущую Рис 4 - Расчетная и экспериментальная зависимости прослойку. Видно, времени сохранения воздушной прослойки At под опор- что функция О,, ((¡, W, ной поверхностью образца от давления воздуха в имеет экСТОеМУМ

пневмокамере при нестационарной подаче газа в про- ^

слойку l-hj = ft 001 м, 2- h3 - 0,0125 ,/. J - hj -0,0015 ЭтИ Т0ЧКИ °ЛН°ЗНач-м, 4 - hi -0,00175 м, 5 - hj =0,002 м. Р„ -58900 Пи т НО соответствуют ОП-=0,05 кг, г=0,002 м. т=30 с'

тимальным значениям входных параметров, при которых значения расстояния между вертикальными осями питающих сопел принимают оптимальные значения. Сравнительный анализ показывает, что в случае дискретного запитывания несущей прослойки максимальное расстояние ак на 10-15 % больше аналогичного значения ак при стационарном запитывании прослойки.

Четвертая глава

диссертации посвящена разработке автоматизированной системы управления работой автоматизированного участка обработки вязко-упругопластичных масс.

В третьей главе показано, что частота дискретности запитывания прослойки должна корректироваться при изменении реологических свойств нетвердого тела, например влажности. В соответствие с этим был предложен алгоритм управления работой устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой (рис. 6).

В соответствие с разработанным алгоритмом была предложена автоматизированная система управления работой устройств с несущей газовой прослойкой, представленная на рисунке 7.

Для практической реализации результатов исследований создано устройство для транспортирования легкодеформируемых тел. (рис. 8).

На основе предложенного устройства применительно к хлебопекарному производству и в соответствие с предложенным алгоритмом разработана локальная система автоматизированного управления работой участка разделки теста поточной линии по производству булочных изделий с использованием устройств с несущей газовой прослойкой.

177 q. Па IS7 197

Рис 5 - Зависимость величины максимального расстояния между центральными осями выходных отверстий питающих сопел пневмоустановки а„ от удельной нагрузки q и влажности продукта при

нестационарной подаче газа и частоте перекрытия сопла заслонкой ш=30 с '

Рис 6 - Алгоритм управления работой устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой.

Рис 7- Автоматизированная система управления работой устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой

- А

Рис 8 - Устройство дли удержания и транспортирования легкодеформируемых тел 1- пневматическая камера, 2 - отверстия рабочей поверхности, 3 - перфорированная рабочая поверхность, 4 - ленточный конвейер, 5 - отверстия перфорации ленты конвейера, 6,7 - приводной и натяжной барабаны

Данная система позволит решить следующие задачи:

- регулирование частоты дискретности запитывания несущей прослойки, за счет изменения скорости движения перфорированной ленты ленточных конвейеров;

- поддержание стабильного давления в питающих камерах пневмотранспортеров, обеспечивающего полную бесконтактность транспортирования тестовых заготовок;

- поддержание стабильного давления в питающем тракте устройства для бесконтактной сортировки тестовых заготовок;

- поддержание стабильного давления в тракте боковых дросселей устройства для бесконтактной сортировки тестовых заготовок;

- обеспечение процесса индикации текущего показания массы полуфабриката в потоке;

- автоматическое включение и выключение привода шнека для подачи брака.

На основе полученных моделей разработан ряд конструкций устройств, которые защищены патентами РФ №2232512, №2248274.

Разработанная схема управления работой устройств с дискретно запитываемой несущей прослойкой прошла полный цикл производственных испытаний на АО "Элеватор Россошанский".

Суммарные материальные затраты предприятия на внедрение устройства составили пять тысяч рублей в ценах на август 2004 г.

Ожидаемый (расчетный) годовой экономический эффект - семьдесят пять тысяч рублей. Производственные испытания показали, что применение пневмотранспортеров позволяет снизить интенсивность обдувки заготовок на стадии округления или полностью исключить ее. Социальный эффект внедрения состоит в снижении доли ручного труда, улучшении и оздоровлении условий труда в цеху.

Выше сказанное подтверждается соответствующим актом внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа существующих подходов к разработке средств автоматического управления в проточных системах разработана общая схема теоретических и экспериментальных исследований.

2. На основе анализа конструкций существующих устройств с несущей газовой прослойкой выявлены основные факторы, влияющие на их работоспособность, оценены подходы к математическому описанию гидрогазодинамических процессов, протекающих в транспортирующих системах с несущей прослойкой и колебательных процессов в таких системах.

3. Созданы математические модели объектов "цилиндрическое сопло с вращающейся перфорированной заслонкой - несущая прослойка - твердое тело", "цилиндрическое сопло с вращающейся перфорированной заслонкой - несущая прослойка - нетвердое 1ело

доказана гипотеза о снижении или полном исключении влияния эффекта пневмозахвата при определенных параметрах дискретного запитывания несущей прослойки под опорной поверхностью твердого и нетвердого тела.

4. Результаты проведенных имитационных исследований позволили выявить основные факторы, влияющие на работоспособность устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой.

5. Разработан способ повышения работоспособности транспортирующих систем с несущей газовой прослойкой.

6. Разработан алгоритм управления работой устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой.

7. Разработано устройства для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел с дискретным запитыванием не-

сущей прослойки, создана методика его инженерного расчета, разработано соответствующее программное обеспечение.

8. Разработана автоматизированная система управления работой участка разделки тестовых заготовок с дискретно запитывае-мой прослойкой;

9. Комплекс оборудования для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел прошел полный цикл производственных испытаний на АО " Россошанский Элеватор". Социальный и научно-технический эффект выражался в улучшении и оздоровлении условий труда, снижении доли брака готовой продукции, снижении затрат на борьбу с адгезией теста до 35%,ожидаемый экономический эффект составил 75 тыс. руб.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Носов О. А. Эффект пневмозахвата при удержании пшеничного теста на тонкой газовой прослойке [Текст]/ O.A. Носов, М.А. Васечкин, Д.С. Щербаков// Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования автоматизированных производств. Сб. науч. тр.; Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2001. Вып. 4.-С 106-112.

2. Васечкин М. А. Математическая модель процесса загрузки вязкой не ньютоновской жидкости на несущую прослойку. [Текст]/ Васечкин М.А., Носова Е.В., Щербаков Д.С. // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. Сб. науч. трудов. Выпуск 12 - Воронеж: ВГТА, 2002 г., С. 40-43.

3. Чертов Е Д. Носов O.A., Щербаков Д.С. Особенности взаимодействия тонкой газовой прослойки с опорной поверхностью нетвердого пищевого полуфабриката. [Текст]// Тез. док. XXXIX отчетной научной конференции. 4.1 - Воронеж: ВГТА, 2001 г., С. 140.

4. Носов О. А. Об определении параметров перфорированной поверхности, обеспечивающих исключение адгезии вязко-пластичного пищевого полуфабриката к стенкам отверстий перфорации. [Текст]/ O.A. Носов, М.А. Васечкин, Д.С. Щербаков// Хранение и переработка сельхозсырья. - М.: Изд-во "Пищевая промышленность", 2001. - № 7. - С. 60-62.

5. Носов О. А. Чертов Е. Д., Щербаков Д. С. Эффект пневмо-захвата в несущей газовой прослойке. [Текст]// Тез. док. XL отчетной научной конференции 4.2 - Воронеж: ВГТА, 2002 г., С. 42-44.

6. Васечкин М. А. Математическая модель загрузки жесткой сферы на несущую газовую прослойку. [Текст]/ М.А. Васечкин, O.A. Носов, Е.В. Носова, Д.С. Щербаков// Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках: Материалы IV Всероссийской научной Internet - конференции. Тамбов: ИМФИ ТГУ им. Г.Р. Державина, 2002. Вып. 20. - С.51-52.

7. Щербаков Д. С. Елисеев О. Н., Комарова Ю. В.Алгоритм проектирования адаптивкых устройств с несущей газовой прослойкой. [Текст]// Тез. док. XLII отчетной научной конференции. 4.2 - Воронеж: ВГТА, 2004 г., С 152.

8. Щербаков Д. С., Носов О. А., Павловский М. Ю. Об определении площади проходного сечения цилиндрического сопла в системе "Круглое отверстие проточной системы - плоская заслонка" статистическими методами. [Текст]// Материалы Ш-й Всероссийской научно-технической конференции "Теория конфликта и ее приложения" - Воронеж. Изд-во "Научная книга", 2004. С 462-464.

9. Носов О. А., Васечкин М. А., Щербаков Д. С. Математическая модель струйного демпфера. [Текст]// Тез. док XL отчетной научной конференции. 4.2 - Воронеж: ВГТА, 2002 г., С. 47-49.

10. Носов О. А., Носова Е. В., Чертов Е. Д., Щербаков Д. С. К расчету гидродинамического коэффициента сопротивления при падении жесткой сферы во встречном потоке. [Текст]// Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. Сб. науч. трудов. Выпуск 12 - Воронеж: ВГТА, 2002 г, С. 36 - 39.

11. Чертов Е. Д., Носов О. А., Щербаков Д. С. Математическая модель системы твердое тело - несущая прослойка - сопло -заслонка". [Текст]// Тез. док. XLII отчетной научной конференции. 4.2 - Воронеж: ВГТА, 2004 г., С 151.

12. Щербаков Д. С., Носов О. А., Климова С. О. Математическое моделирование системы "Плоский диск - несущая прослойка- цилиндрическое сопло - плоская заслонка". [Текст]//

Материалы III-й Всероссийской научно-технической конференции "Теория конфликта и ее приложения" - Воронеж. Изд-во "Научная книга", 2004. С 464-468.

13. Носов O.A., Носова Е.В., Щербаков Д.С. Новый способ замораживания мучных кондитерских изделий. [Текст] // Материалы четвёртой Международной конференции "Кондитерские изделия XXI века"/ Международная -промышленная академия, 17-21 марта 2003г.. - М.: Пищепромиздат, 2003,-с.135-136.

14. Чертов Е. Д., Щербаков Д. С., Носова Е. А. Математическое моделирование колебательных процессов в системах с несущей прослойкой [Текст] и- Тез. док. XLIII отчетной научной конференции. 4.2 - Воронеж: ВГТА, 2005 г., С 23.

15. Жерегеля В. С., Щербаков Д. С, Носов О. А. Автоматическое управление устройствами для транспортирования нетвердых полуфабрикатов [Текст] // Тез. док. XLIII отчетной научной конференции. 4.2 - Воронеж: ВГТА, 2005 г., С 24.

16. Патент №2232512 Россия, 7А 23 G 3/12 /Устройство для бесконтактного формования и охлаждения помадных конфетных масс. [Текст]/ Щербаков Д.С., Чертов Е. Д., Носов O.A., Носова Е.В. (Россия) - Заяв. 8.02.2003., Опубл. 20.07.2004., Бюл. №20.

17. Патент №2248274 Россия, В 28 В 15/00 /Устройство для мелкосерийного производства строительного декора. [Текст]/ Шитов В.В., Щербаков Д.С., Чаплин Д.В, Носов O.A. (Россия)-Заяв. 11.11.2003.; Опубл. 20.03.2005, Бюл. №8.

Подписано в печать 0£. ¿соь Гарнитура Тайме. Формат 60x84 1/16.Бумага 80г/м2. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № ¿у8

Воронежская государственная технологическая академия (ВГТА)

Участок оперативной полиграфии ВГТА Адрес академии и участка оперативной полиграфии 394017, г. Воронеж, пр. Революции, 19

»11937

РНБ Русский фонд

2006^4 25626

Введение.

1. О ПЕРСПЕКТИВАХ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ С НЕСУЩЕЙ ГАЗОВОЙ ПРОСЛОЙКОЙ.

1.1. Анализ конструкций существующих устройств с несущей газовой прослойкой, как объектов автоматизированного управления.

1.2. Анализ существующего математического описания гидрогазодинамических процессов, протекающих в несущей газовой прослойке, как основ разработки алгоритма автоматизированного управления удерживающих и транспортирующих устройств повышенной эффективности.

1.3. Об исключении влияния инерции газа в несущих прослойках.

1.4. Цели и задачи.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА "ЦИЛИНДРИЧЕСКОЕ СОПЛО - ДИСКРЕТНО ЗАПИТЫВАЕМАЯ НЕСУЩАЯ ПРОСЛОЙКА

- ТВЕРДОЕ ТЕЛО".

2.1. Основные гипотезы и допущения.

2.2. Математические преобразования исходных уравнений и их результаты.

2.3. Экспериментальное моделирование объекта "цилиндрическое сопло- дискретно запитываемая несущая прослойка — твердое тело".

2.4. Анализ полученных результатов.

2.5. Оптимизация выбора частоты дискретности запитывания несущей прослойки.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕСУЩЕЙ ГАЗОВОЙ ПРОСЛОЙКЕ ПРИ УДЕРЖАНИИ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ НЕТВЕРДОГО ПИЩЕВОГО ПОЛУФАБРИКАТА.

3.1. Основные гипотезы и допущения.

3.2. Математические преобразования и их результаты.

3.3. Экспериментальное моделирование гидрогазодинамических процессов, протекающих в несущих и транспортирующих системах с дискретно запитываемой газовой прослойкой.

3.4. Анализ полученных результатов.

3.5. Некоторые рекомендации к практическому применению модели.

4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ С АКТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ИНЕРЦИИ ГАЗА В ТОНКОЙ

НЕСУЩЕЙ ПРОСЛОЙКЕ.

4.1. Алгоритм управления.

4.2. Техническая реализация результатов исследований.

4.3. Программное обеспечение.

4.4. Промышленные испытания системы автоматического управления f> работой устройств с дискретно запитываемой несущей прослойкой.

В ряде отраслей химических и пищевых производств возникает необходимость в исключении контакта обрабатываемых изделий с рабочими поверхностями технологического оборудования. Часто это вызвано особенностями реологии обрабатываемого объекта: повышенной адгезионной способностью, агрессивным характером химических или физико-химических взаимодействий и т.д. Зачастую данные обрабатываемые объекты легкодеформируемы и классифицируются как вязкопластичные или вязкоупругопластичные массы.

На сегодняшний день единственным способом устранения контакта с изделием в процессе его производства является создание под его опорной поверхностью несущей газовой прослойки, образующейся за счет струйного истечения газообразной среды через выпускные отверстия сопел рабочих поверхностей пневмоустановок. При этом с одной стороны, потоки газа создают отталкивающие усилия, с другой - притягивающие, связанные с особенностями динамики газа в ограниченных зазорах. Возникновение притягивающих усилий в несущей прослойке обусловлено возникновением зон отрицательного избыточного давления газа, само же явление получило название эффекта пневмозахвата. На указанном эффекте основан принцип действия целого спектра устройств, успешно работающих в случае, если обрабатываемые изделия - жесткие и имеют развитую поверхность фиксации.

При удержании и транспортировании легкодеформируемых обрабатываемых изделий высока вероятность возникновения их контакта с рабочими поверхностями устройств с несущей газовой прослойкой.

В области гидрогазодинамики течений в ограниченном слое работали JI. Прандтль, Бай Ши-и, В. Константинеску, Г. Райхардт. В нашей стране научное направление успешно развивали и продолжают исследования К.С. Ахвердиев, А.К. Никитин, С.В. Пинегин и др. Вопросам практического применения устройств с тонкой воздушной прослойкой посвящены работы

Маховера Ю.М., Резника В.Ю., а также сотрудников лаборатории механики сплошных сред Воронежской государственной технологической академии.

Анализ данных, приведенных в ряде известных печатных работ, показывает, что для повышения эффективности работы удерживающих и транспортирующих устройств с несущей газовой прослойкой необходимо "жестко" соблюдать газодинамические параметры с целью исключения возникновения названного эффекта. Предлагаемые ранее меры по повышению эффективности работы устройств с несущей газовой прослойкой не нашли применения в связи со сложностью технической реализации и, как следствие, невысокой рентабельностью при использовании в производстве.

Актуальность представленной работы заключается в том, что предлагается новый подход к решению вопроса о полном или частичном исключении эффекта пневмозахвата за счет дискретного запитывания несущей прослойки при отсутствии в настоящее время других сколько-нибудь приемлемых способов выравнивания избыточного давления газа в несущей прослойке.

Реализация данного способа, в связи с быстротечностью газодинамических процессов в устройствах с несущей газовой прослойкой и сложным характером распределения давления газа в несущей прослойке невозможна без создания системы, построенной на современных средствах автоматизации.

Цель работы: повышение эффективности работы устройств с несущей газовой прослойкой за счет использования автоматизированной системы с активной компенсацией инерции газа.

В соответствие с поставленной целью решались следующие задачи:

- анализ конструкций существующих устройств с несущей газовой прослойкой, как объектов автоматизированного управления.

- разработка математического описания гидрогазодинамических процессов, протекающих в дискретно запитываемой несущей газовой прослойке, как основы алгоритма управления удерживающих и транспортирующих устройств с высокой эффективностью работы;

- имитационное моделирование гидрогазодинамических процессов, протекающих в несущих и транспортирующих системах с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой с целью выявления основных факторов, влияющих на работоспособность устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой;

- разработка способа повышения эффективности работы транспортирующих систем с несущей газовой прослойкой;

- разработка алгоритма управления;

- разработка и исследования устройства для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел с дискретным запитыванием несущей прослойки, создание методики инженерного расчета;

- разработка соответствующего программного обеспечения;

- разработка автоматизированной системы управления работой участка разделки тестовых заготовок с дискретно запитываемой прослойкой;;

- апробация полученных результатов исследования в условиях производства.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории автоматического управления, теоретической механики, теорий газовой смазки и колебаний. При проведении имитационных исследований применялись статистические методы планирования экспериментов, анализа и обработки экспериментальных данных.

Научная новизна. Предложен новый подход к решению вопроса об исключении эффекта пневмозахвата за счет дискретного запитывания несущей газовой прослойки. Разработано математическое описание гидрогазодинамических процессов, протекающих в дискретно запитываемой несущей газовой прослойке, как основа алгоритма управления удерживающих и транспортирующих устройств с высокой эффективностью работы. Проведенные имитационные исследования позволили выявить значимость факторов, влияющих на работоспособность устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой. Разработан алгоритм управления работой устройств дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой для удержания и транспортирования легкодеформируемых тел.

Практическая ценность работы. Проведенные теоретические и имитационные исследования легли в основу разработки автоматизированной системы для удержания и транспортирования легкодеформируемых тел с активной компенсацией инерции газа в несущей газовой прослойке. Разработан ряд конструкций устройств (патенты РФ №2232512, №2248274) для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел с дискретным запитыванием несущей прослойки, реализующих предложенный способ повышения эффективности работы, разработана методика инженерного расчета подобных устройств, создано соответствующее программное обеспечение.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Третьей Международной научно-технической конференции "Авиакосмические технологии" (Воронеж 2002 г.), III-й Всероссийской научно-технической конференции "Теория конфликта и ее приложения" (Воронеж, 2004), Международной научно-практической конференции, посвящённой 90-летию Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д.Глинки и 10-летию технологического факультета ВГАУ (Воронеж, 2003 г), IV Всероссийской научной Internet - конференции (Тамбов, 2002 г.), XXXIX - XLII отчетных научных конференциях ВГТА (Воронеж, 2001 - 2004 гг.). Разработанная система автоматизированного управления работой участка разделки тестовых заготовок прошла промышленные испытания в условиях АО " Россошанский Элеватор". Социальный и научно-технический эффект выражался в улучшении и оздоровлении условий труда, снижении доли брака готовой продукции, снижении затрат на борьбу адгезии теста до 35%,ожидаемый экономический эффект составил 75 тыс. руб.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе, 6 статей, 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований, 11 приложений. Работа изложена на 149 страницах основного текста, содержит 41 рисунок, 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа существующих подходов к разработке средств автоматического управления в проточных системах разработана общая схема теоретических и экспериментальных исследований.

2. На основе анализа конструкций существующих устройств с несущей газовой прослойкой выявлены основные факторы, влияющие на их работоспособность, оценены подходы к математическому описанию гидрогазодинамических процессов, протекающих в транспортирующих системах с несущей прослойкой и колебательных процессов в таких системах;

3. Созданы математические модели объектов "цилиндрическое сопло с вращающейся перфорированной заслонкой - несущая прослойка - твердое тело", "цилиндрическое сопло с вращающейся перфорированной заслонкой -несущая прослойка - нетвердое тело ", доказана гипотеза о снижении или полном исключении влияния эффекта пневмозахвата при определенных параметрах дискретного запитывания несущей прослойки под опорной поверхностью твердого и нетвердого тела;

4. Результаты проведенных имитационных исследований позволили выявить основные факторы, влияющие на работоспособность устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой;

5. Разработан способ повышения работоспособности транспортирующих систем с несущей газовой прослойкой;

6. Разработан алгоритм управления работой устройств с дискретно запитываемой несущей газовой прослойкой;

7. Разработано устройства для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел с дискретным запитыванием несущей прослойки, создана методика его инженерного расчета;

8. Разработана автоматическая система управления работой участка разделки тестовых заготовок с дискретно запитываемой прослойкой;

9. Комплекс оборудования для бесконтактного удержания и транспортирования нетвердых тел прошел полный цикл производственных испытаний на АО " Россошанский Элеватор". Социальный и научно-технический эффект выражался в улучшении и оздоровлении условий труда, снижении доли брака готовой продукции, снижении затрат на борьбу адгезии теста до 35%,ожидаемый экономический эффект составил 75 тыс. руб.

1. Айзерман М.А. Лекции по теории автоматического регулирования, Физматгиз, 1958.

2. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1975. - 328 с.

3. Андреева Е.А. К расчету статических характеристик пневматического элемента "сопло заслонка" // Системы, устройства и элементы пневмо- и гидроавтоматики. -М.: Изд-во АН СССР, 1959. - С. 172-180.

4. V" 6. Бай-ши-И Введение в теорию течения сжимаемой жидкости. / Пер. сангл. В. И. Ерошенко, Ю. Н. Петрова, В. К. Лишака; Под. ред. Н. И. Ющенковой-М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962. -410 с.

5. Бай-ши-И Динамика излучающего газа. Пер. с англ. В. А. Смирнова и Б. А. Хрусталева. М., "Мир" 1968 г. 324 с.

6. Бай-ши-И Турбулентное течение жидкостей и газов. Пер. с англ. Канд техн. Наук К. Д. Воскресенского М., Изд. Иностр. лит., 1962 г. 344 с.

7. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: учеб. пособие. -М.: Наука. Гл. ред. Физ. мат. лит., 1987. - 600 с.

8. Битюков В.К. Межоперационное транспортирование вязких пищевых масс на воздушной прослойке./ В.К. Битюков, Е.А. Брылев, Б.И. Кущев// Изв. вузов СССР. Пищевая технология. 1980. - № 1. — С. 72 — 75.

9. Битюков В.К. и др. Пневматические конвейеры / В.К. Битюков, В.Н. ""f Колодежнов, Б.И. Кущев. Воронеж, Изд-во ВГУ, 1984. 164 с.

10. Битюков В.К. Исследование пневматических лотковых механизмов загрузочно-транспортных устройств к машинам и поточным линиям. Автореф. канд. дис./ Воронеж, технол. инс-т. Воронеж, 1969. 28с.

11. Битюков В.К., Колодежнов В.Н. Гидродинамика и перенос в системах с тонкими несущими слоями вязкой несжимаемой жидкости. Воронеж : Изд-во ВГУ, 1999. - 192 с.

12. Богданов О. И., Приходько О. Б. Моделирование закона распределения давления в тонком слое жидкости // Вестн. машиностроения. — 1966. -№10.-С. 30-32.

13. Борьба с адгезией в хлебопечении/ Е.Д. Чертов, О.А. Носов, Т.В. Санина, М.А. Васечкин; Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2001 — 144 с.

14. Васечкин. М.А., Носов О.А. Организация загрузки штучных изделий в пневможелоб // Тез. док. XXXVII отчетной научной конференции. Ч. 1.-Воронеж: ВГТА, 1999 г.-С. 150.

15. Гуськов К.П., Мачихин Ю.А., Мачихин С.А., Лунин Л.Н. Реология пищевых материалов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1970. -257 с.

16. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта.-М.: изд-во "Наука", 1970.-432с.

17. Дж. П. Ден-Гартог Механические колебания. М.: Гос. изд-во физико-математической лит., 1960. - 580с.4 Г

18. Дмитриев В.Н., Шашков А.Г. Силовое воздействие струи на заслонку в пневматических и гидравлических управляющих органах типа "сопло -заслонка" // Автоматика и телемеханика. 1956. — T.XVI, № 6. - С. 559570.

19. Дроздович В.Н. Газодинамические подшипники. JL: Машиностроение, 1976.208 с.

20. Елфимов С. А. Струйные захватные устройства адаптивных промышленных роботов Автореф. дис.канд. техн. наук: - Воронеж: ВГТА, 1999.

21. Елфимов С.А. Исследование струйных захватов / С.А. Елфимов, Е.Д. Чертов // Теоретические основы проектирования технологических систем и оборудования автоматизированных производств: Сб. науч. трудов. Воронеж: ВГТА, 1996. - С. 197 - 203.

22. Емцев Б. Т. Зенков И. Ф. Экспериментальное исследование течения несжимаемой жидкости в тонком слое // Тр. Моск. энерг.ин та. — Вып. 85. -С.126- 123.

23. Жуковский Н.Е., Чаплыгин С.А. О трении смазочного слоя между шипом и подшипником // Гидродинамическая теория смазки. М. - JI., 1934.-С. 499-525.

24. Зоммерфельд А. К гидродинамической теории смазки // Гидродинамическая теория смазки. М. - Л., 1934. - С. 361-449.f 32. Иванов А. А. Проектирование систем автоматическогоманипулирования миниатюрными изделиями. М.: Машиностроение, 181.270 с.

25. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. 6.-е изд., стер. СПб.: Издательство "Лань", 2003. - 576 с.

26. Колодежнов В. Н. Исследование устойчивости положения равновесия свободной стенки в системе "сопло заслонка" // Пневмогидроавтоматика и пневмопривод. М.; 1990. ч. 1. С. 51 — 52.

27. Колодежнов В. Н. О некоторых подходах к расчеты гидродинамических характеристик течения вязкой несжимаемой жидкости в тонких прослойках. Деп. в ВИНИТИ. № 226 В86. 53 с. Библ. описание опубл. в указ. ВИНИТИ "Депонированные научные труды". 1986. № 6.

28. Колодежнов В. Н. Об одном подходе к решению задач гидродинамики в тонких несущих прослойках // Прикладные задачи механики сплошных сред. Воронеж: изд-во ВГУ. 1988. С. 85 89.

29. Колодежнов В. Н. Оценки влияния формы зазора в системах типа "сопло заслонка" на характеристики течения газа // Пятый всесоюзный симпозиум по пневматическим (газовым) приводам и системам управления. М.; Тула. 1986. С. 50 - 51.

30. Колодежнов В. Н. Течение вязкой несжимаемой жидкости в тонком слое, ограниченном жесткой свободной поверхностью // Журн. прикл. механики и техн. физики. 1989. № 1. С. 117 125.

31. Константинеску В.Н. Газовая смазка. М.: Машиностроение, 1968. 720 с.Г

32. Котляр Я.М. Течение вязкого газа в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами // Изв. АН СССР. Сер. Отделение техн. наук.- 1957.-№10.-С.12-18.

33. Магомедов Г.О., Носов О.А., Пастухов А.И. Применение методов квадратичной оптимизации к решению задачи о выборе режимов сушки распылением плодовощного сырья // Тез. док. XXXIV отчета, научн. конф. Воронеж: ВГТА, 1994. С. 123.

34. Макаров В.А. Расчет аэростатических направляющих // Станки и инструменты. 1964. - №5. - С. 18-22.

35. Математическая модель загрузки жесткой сферы на несущую газовую -■> прослойку / М.А. Васечкин, О.А. Носов, Е.В. Носова, Д.С. Щербаков//I

36. Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках: Материалы IV Всероссийской научной Internet -конференции. Тамбов: ИМФИ ТГУ им. Г.Р. Державина, 2002. Вып. 20. С.51-52.

37. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. М.: Легкая и пищевая пром - сть, 1981. - 280 с.

38. Маховер Ю.М. Ленточные конвейеры с воздушной подушкой / Ю.М. Маховер, П.П. Опохов. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1970. -358 с.

39. Методы теории автоматического управления. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1971, 744с.

40. Мичель А. Смазка плоских поверхностей // Гидродинамическая теория смазки. М. - Л., 1934. - С. 447-499.50.