автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование конструкции цилиндрических силосов, используемых в сельском хозяйстве

рукописи

КОРОТКИЙ Олег Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СИЛОСОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003468 111

Москва-2009

003468111

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Калужский филиал Московского Государственного технического университета им. Н.Э. Баумана».

Научный руководитель: доктор технических наук

Астахов Михаил Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мазаное Юрий Александрович

кандидат технических наук, профессор Воскребенцев Николай Александрович

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства» (ГНУ ВИМ)

Защита состоится шУ> Ь-^ХЛ 2009г. в №-00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» (ГНУ ГОСНИТИ) по адресу: 109428, г.Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ по адресу: 109428, г.Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

¡1 Автореферат разослан и опубликован на сайте

«я( »омшьлтт. 7

Ученый секретарь . ,

диссертационного совета - .г" У Соловьев Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве силосами называют глубокие бункерные хранилища сыпучих материалов цилиндрической или призматической формы с высотой, доминирующей по отношению к поперечному размеру (рисунок 1).

а)

б)

■■«чирЛ»»-

:;1 1

'Л

9 7 Л. . П. _ 6

(1 - кровля; 2 - вентиляционный люк; 3 - корпус; 4 - кольцевой шпангоут; 5 - опорная колонна; 6 - выгрузная воронка; 7 - затвор; 8 - лестница шахтная; Я - высота цилиндрического корпуса) Рисунок 1 - Силосные установки (а) и общий вид силоса (б).

Стальной цилиндрический силос состоит из тонкостенной цилиндрической обечайки постоянной толщины и пристыкованной к ней снизу конической воронки, опертых на колонны в месте пересечения оболочек. В настоящее время корпуса стальных цилиндрических силосов проектируют постоянной толщины по высоте, что приводит к необоснованному увеличению массы, и, как следствие, расхода металла на изготовление силосов и увеличению производственных затрат. Учитывая значительную долю основных материалов (до 50-55%) в себестоимости, вопрос снижения материалоемкости конструкции весьма актуален. Для сравнения, материалоемкость аналогичного оборудования производства стран Европы и США ниже отечественного на 10-20% при прочих равных показателях.

В результате анализа способов снижения массы изделия предлагается введение цилиндрической обечайки ступенчато-переменной толщины по высоте и построение системы автоматизированного проектирования (САПР) силоса на основе разработанной математической модели конструкции.

Научная гипотеза. Аппроксимация внутреннего давления от-засыпки на стенки корпуса линейным законом и введение ступенчато-переменной толщины цилиндрической обечайки силоса по высоте позволяют снизить материалоемкость и себестоимость стальных цилиндрических силосов для хранения сельскохозяйственных сыпучих грузов.

Цель работы. Минимизация материалоемкости и снижение стоимости проектирования, изготовления и ремонта сельскохозяйственных стальных цилиндрических силосов.

Объект исследования. Конструкция стальных цилиндрических силосов для хранения сельскохозяйственных сыпучих грузов.

Предмет исследования. Основные положения теории расчета и действующих методик проектирования стальных цилиндрических силосов для хранения сельскохозяйственных сыпучих грузов; технология изготовления и ремонта стальных цилиндрических силосов и их технико-экономические показатели; методы расчета листовых металлоконструкций с целью адаптации их к процессу создания рациональных по массе силосов.

Методы исследования. Комплексный анализ: опубликованных научно-исследовательских работ; опубликованных результатов экспериментов, проведенных методами электротензометрирования для опытных образцов оболо-чечных металлоконструкций типа силосов и их моделей. Математическое модели-рование с применением ПЭВМ, дифференциальное и вариационное исчисление, численные методы. Апробация в производственных условиях и технико-экономическая оценка эффективности разработанной методологии проектирования.

Научная новизна заключается в выполнении следующих работ:

- Усовершенствованная методология проектирования конструкций цилиндрических силосов сельскохозяйственного назначения, позволяющая значительно снизить затрата на их производство;

- Математическая модель, описывающая напряженное состояние оболочек рациональных по массе силосов;

- Конструкция стальных цилиндрических силосов, предназначенных для хранения сельскохозяйственных сыпучих грузов, обладающая преимуществом по показателям материалоемкости, трудоемкости и стоимости проектирования, изготовления, монтажа и ремонта.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обуславливается: подтверждением теоретических расчетов опубликованными результатами экспериментов; использованием положений математической статистики и теории прочности, фундаментальных уравнений строительной механики, дифференциального и вариационного исчислений; применением современных методов математического моделирования.

Практическая значимость работы. Предлагаемая система проектирования и технологической подготовки производства и ремонта цилиндрических силосов позволяет снизить материалоемкость конструкции, затраты на изготовление, монтаж и ремонт изделия. Для повышения качества и интенсификации проектировочного расчета разработана программная система расчета геометрических параметров силоса. Применение ПЭВМ при проектировании цилиндрических силосов повышает качество проектных решений по выбору структуры изделия, расчету и оптимизации характеристик конструкции, построенной из стандартных элементов.

Реализация результатов исследований. Предложенная методика проектирования цилиндрических оболочек силосов на основе конечно-разностной реализации метода малого параметра применена в программном комплексе системы их автоматизированного проектирования.

Новая методология автоматизированного проектирования внедрена на ООО «Промтехник», г.Воронеж, где использовалась при проектировании оболочечных металлоконструкций аппаратов теплообменных кожухотрубчатых ТКТ-325, ТКТ-400, однопоточных теплообменников АТК 24.202.07-90.

Личное участие автора выражается в совершенствовании теории расчета цилиндрической оболочки силоса, разработке математической модели рациональной

по массе конструкции стального цилиндрического силоса, создании системы автоматизированного проектирования силоса.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на шести Всероссийских и шести региональных научно-технических конференциях в 2002...2008гг. По результатам рассмотрения результатов работы на Всероссийском открытом Конкурсе осуществлена б-месячная стажировка в качестве стипендиата Президента РФ в Техническом Университете г.Мюнхена (ФРГ) по тематике работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пятнадцать работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся перечисленные выше результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка и двух приложений. Объем работы: 199 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 18 таблиц. Библиографический список содержит 83 наименования, в том числе 7 - иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает обоснование выбора темы диссертации, формулировку цели работы и краткое изложение основного содержания.

В первой главе «Особенности конструкции и методики проектирования стальных цилиндрических силосов» наряду с библиографическим обзором, рассмотрением основных геометрических характеристик и теории расчета, формулируются основные задачи исследования.

К силосам относятся емкости круглого, прямоугольного пли многоугольного сечения в плане высотой Я> 1,5-Ул, где А - площадь поперечного сечения. За Н принимается высота стенки силоса от верха днища. В силосах круглого сечения Я > 1,33/), где й - внутренний диаметр силоса.

Силосы применяются в виде отдельных объектов или в цепи других транспортирующих машин при комплексной механизации производственного процесса (кормоцех, зерноочистительный ток, зернохранилище, сельскохозяйственные машины и т.п.) и предназначаются для временного хранения, переработки и выгрузки сыпучих материалов (зерна, муки, продуктов комбикормовой промышленности и т.д). При бестарных перевозках и хранении насыпных грузов снижается стоимость перевозки, ликвидируются расходы на тару, расфасовку и упаковку груза.

Силосные устройства состоят из собственно силосов, загрузочного и разгрузочного оборудования, побудителей истечения плохосыпучих материалов, затворов, питателей, приборов автоматизации и контроля.

Стальные силосы выполняются исключительно круглыми и проектируются в соответствии с указаниями СНиП 2.09.03-85 и СНиП 2.10.05-85.

, Цилиндрическую часть стальных силосов составляют по высоте из нескольких ярусов (рисунок 1, б). В большинстве случаев ширина яруса находится в пределах 800... 1600 мм. Толщину ярусов проектируют постоянной и назначают директивно, что приводит к необоснованному увеличению массы, и, как следствие, расхода металла на

изготовление силосов, особенно для верхней части обечайки.

При расчете силосов должны быть определены нагрузки от давления сыпучего материала, веса конструкций и технологического оборудования с учетом динамических факторов, а также снеговой, ветровой и временных нагрузок на перекрытие, сейсмических воздействий. Дополнительно проводится проверка устойчивости гладких цилиндрических стенок силосов. Также учитываются локальные напряжения краевого эффекта в сопряжении оболочек конструкции и в защемлении оболочек у кольца жесткости.

Рекомендуемые в настоящее время формулы для определения давлений на днища и стенки силосов получены на основе проведенных Янсеном опытов и предложенной им теории давления зерна в силосах. В данных формулах имеется ряд существенных допущений: не учитываются состав и физико-механические свойства груза, влияние условий загрузки и выгрузки.

Существенный вклад в развитие теории давления на стенки силосов внесли работы Я.Б. Львова, ПЛ. Платонова, К.Н. Алферова, С. Сафаряна, Б.В. Лаггышева, О. Таймера. Исследования, проведенные этими авторами на натурных силосах всех размеров и конструкций, показали сложную природу явлений, наблюдаемых в потоке сыпучего материала, в т.ч. изменчивость давлений на дно и стенки силосов. Но, отмечено, что характер изменения эпюр давления сыпучего материала в силосах происходит в некоторой общей закономерности по отношению к теоретической кривой по Янсену, что позволяет в настоящее время производить расчет силосов по предложенным им формулам с учетом опытных поправочных коэффициентов.

Таким образом, в результате анализа исследований и в соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:

- Провести анализ путей совершенствования конструкции стальных цилиндрических силосов для хранения сыпучих сельскохозяйственных грузов на основе минимизации их технико-экономических показателей, в частности, материалоемкости и стоимости проектирования, изготовления и ремонта;

- Выполнить анализ типовых дефектов и повреждений элементов и соединений стальных цилиндрических силосов, причин аварий и аварийных состояний оболочечных металлоконструкций типа силосов;

• Обосновать методику решения краевых задач, возникающих при исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) тонкостенной цилиндрической оболочки, являющейся определяющим элементом для НДС конструкции рациональных по массе силосов;

- Разработать компьютерные программы для расчета геометрических параметров силоса, реализующие элементы системы автоматизированного проектирования рациональных по массе силосов, на основе математической модели и проверочных расчетов конструкции по методике СНиП;

- Протеста технико-экономическую оценку эффективности предлагаемой методики проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта рациональных по массе силосов.

Вторая глава «Изготовление, техническая эксплуатация и ремонт стальных цилиндрических силосов» содержит обзор особенностей изготовления, анализ характерных дефектов и повреждений элементов и сварных соединений силосов, анализ причин аварий и аварийных состояний листовых металлоконструкций типа силосов, методику расчета показателей надежности конструкции. 6

При возведении стальных стенок силосов рекомендуется подготовка укрупненных элементов в виде колец (способом рулонирования) с минимальным количеством сварных швов, выполняемых при монтаже. Для этого на заводе из отдельных листов сваривают ярусы, которые сворачивают в рулоны и транспортируют на монтажную площадку, где устанавливают и разворачивают их. Габаритные элементы конструкции силосов укрупняют до величины, удовлетворяющей габаритам и грузоподъемности подвижного состава.

Соединение элементов конструкции выполняется сваркой встык из условия равнопрочности, что обеспечивает наибольшие возможности для экономии металла, оптимальные условия работы и контроля качества швов.

Материалы и соединения для несущих конструкций силосов принимают в соответствии с указаниями СНиП 11-23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

В результате анализа причин аварий и аварийных состояний листовых металлоконструкций типа силосов выявлено, что значительное количество аварий (26,7%), произошедших за 20-летний период на всей территории СНГ, возникло в результате несоответствия расчетных предпосылок действительным условиям работы конструкций. 29,5% аварий были вызваны дефектами, допущенными в процессе монтажа из-за нарушения режимов сварки и неудовлетворительной подготовки (очистки, разделки) кромок свариваемых элементов.

На основе проведенного обзора выработаны рекомендации по учету на этапе проектирования силосов особенностей их изготовления, технического обслуживания и ремонта. Это позволило в дальнейшем автоматизировать процесс конструкторско-технологической подготовки производства рациональных по массе силосов.

Описана методика расчета показателей надежности ремонтируемой конструкции силоса, что позволило установить требования к надежности составных частей силоса и надежности объекта в целом.

Третья глава диссертации «Совершенствование методов проектирования, изготовления и ремонта стальных цилиндрических силосов, применяемых в сельском хозяйстве» посвящена рассмотрению способов снижения материалоемкости изделия с учетом конструктивных, технологических, экономических факторов.

На основе принципов комплексного решения приводится обоснование выбора оптимальных конструктивных форм и размеров, совершенствования методов расчета, изготовления (ремонта) при достижении главных показателей, - экономии стали, повышения производительности труда при проектировании и изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, - которые и определяют стоимость изделия.

Известный в конструировании метод «базового агрегата» позволяет выделить основной агрегат, который можно превратить в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования. При применении данного метода на этапе проектирования, можно выделить «базовые агрегаты», имеющие предопределяющую роль при расчете конструкции, в т.ч. при исследовании НДС системы. Рассмотрев элементы конструкции стального цилиндрического силоса, в качестве «базового агрегата» выделим тонкостенную цилиндрическую оболочку.

Как уже отмечалось выше, цилиндрический корпус, при стандартном подходе проектируется постоянной толщины по высоте, что приводит к необоснованному увеличению запаса прочности и повышению расхода материалов на изготовление конструкции в целом. На основе проведенного анализа, для снижения массы силоса в

целом, предлагается введение ступенчатой толщины цилиндрического корпуса п высоте, что позволит оптимизировать конструкцию по критериям материалоемкости стоимости изготовления, эксплуатации и ремонта. Это вводит ряд особенностей построение математической модели рационального по массе силоса, подробном описанию которой посвящена четвертая глава диссертации.

В четвертой главе «Разработка математической модели рациональных по масс цилиндрических силосов» рассматривается построение алгоритма решения задач НД тонкостенной цилиндрической оболочки силоса, имеющей переменную (п образующей) толщину стенок и находящейся под воздействием переменных по высс распределенных нагрузок.

Если классифицировать цилиндрическую оболочку силоса по характеру расчетной модели, то она должна быть отнесена к тонкостенной оболочке средне длины, находящейся в двухосном напряженном состоянии от внешних воздействий.

При расчете оболочки за искомые величины принимаются функции напряжени и перемещений от силовых факторов (давления засыпки, веса конструкции и т.д. вычисляемые на основе уравнений равновесия, геометрических и физически уравнений с учетом граничных условий. Определяющими несущую способность буд нормальные напряжения; влияние касательных напряжений менее существенно. Пр этом задача исследования НДС ставится в линейной постановке, когд рассматриваются малые перемещения, вследствие чего влияние деформаций н изменение расчетной модели не учитывается; кроме этого, физические свойств материала считаются неизменными.

Условия на краю или граничном контуре являются определяющими дл. расчетной схемы оболочек. Края могут быть свободными, шарнирно подвижн опертыми, шарнирно неподвижно опертыми, защемленными, и мог распространяться по всему контуру, его части или существовать в отдельных точках.

Таким образом, системой, описывающей НДС цилиндрической обечайки является краевая задача, построенная на основе дифференциальных уравнений различного типа краевых условий. В настоящее время подобного типа задачи обычн решают приближенными численными методами. Но, при решении краевой зада оболочки переменной толщины с учетом переменности распределенной внешне нагрузки, появляются переменные коэффициенты при членах дифференциалы* уравнений, что исключает возможность решения последних в замкнутом виде затрудняет прямое применение численных и аналитических методов, в связи с че возникает вопрос разработки эффективной методики решения построенны дифференциальных уравнений.

Применение метода конечных элементов при расчете тонкостенны оболочечных конструкций сопряжено с определенными трудностями в получен достоверных результатов. Прежде всего, возникает проблема выбора конеяног элемента, обеспечивающего достаточную точность при минимальной стоимос расчета. Это обстоятельство предъявляет высокие требования к квалификаци инженеров, ведущих практические расчеты, поскольку для успешного выбор конкретного элемента из множества описанных в литературе, необходимо иметь опы работы с ними и ясно представлять возможности каждого из элементов. В приложени к изучаемой проблеме это означает проведение дополнительных исследований численных экспериментов, что сопоставимо по объему с предлагаемой диссертацией.

Метод конечных разностей также весьма распространен благодаря легкое

написания алгоритма, простоте в реализации на ПЭВМ, адаптируемости к различным типам обычных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных. Существует не только множество замен краевой задачи конечно-разностными схемами с различным порядком аппроксимации, скоростью сходимости и устойчивостью, но и множество способов решения полученных систем алгебраических уравнений. Но, при использовании метода конечных разностей в случае дифференциальных уравнений высоких порядков с переменными коэффициентами возникает вопрос корректности получаемых решений.

Метод малого параметра дает возможность решения дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, но имеет один недостаток - громоздкий аналитический счет.

Совместное применение двух последних методов, осуществленное в конечно-разностной реализации метода малого параметра, позволяет избавиться от трудоемких аналитических вычислений и решить вопрос с оценкой точности полученных результатов. В работах Астахова М.В. совместное применение указанных методов обосновано на примере решения ряда краевых задач, описывающих НДС цилиндрических оболочек и панелей переменной толщины, находящихся под действием постоянного либо переменного давления.

Делается вывод о целесообразности использования конечно-разностной реализации метода малого параметра для определения напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки переменной толщины, нагруженной переменным внутренним давлением. Рассмотрим алгоритм метода в приложении к цилиндрической обечайке переменной по высоте толщины.

Анализ изменения (рисунок 2 в, г) теоретических и экспериментальных (Р,"" -по Янсену, Р™ - по Платонову) давлений на цилиндрическую часть силоса, а также учет динамических составляющих внешней нагрузки, возникающей от вибраций обечайки при загрузке силоса, позволяет аппроксимировать величину максимального давления р как ординату р = f(x), совпадающую с местом стыка цилиндра с днищем, а внутреннее давление может меняться по линейному закону от р0 до или:

p(x) = p0Q+axR->), (1)

где: ра - начальное давление в верхней части стенки; х - ордината высоты цилиндрической стенки; R - радиус срединной поверхности оболочки; а-безразмерный малый параметр.

Так как давление р в верхней части силоса невелико, то возможно снижение массы обечайки путем применения листов стали различной толщины, начиная с листа максимальной толщины в месте стыка обечайки с днищем, и заканчивая листом минимальной толщины у крыши силоса (рисунок 2, а).

Для целей аналитического расчета оболочки и более эффективного проектирования, можно заменить ступенчатое изменение толщины, обусловленное технологическими требованиями, на линейно-переменное (рисунок 2, б) согласно закону:

*(*)=«„/'. (2) где: s0 - начальная толщина стенки; / = 1+ах/Г1; ¿-произвольное число.

Минимизируя выражение удельной внутренней энергии такой оболочки с учетом симметричности геометрии и нагрузки:

на основе уравнения Эйлера вариационной задачи

¿Г ,

приходим к дифференциальному уравнению

где: IV(х) - прогиб срединной поверхности; 1> =-— - цилиндрическая жесткост

оболочки; ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга; <р - угловая координата.

в - эпюра теоретических давлений на стенку силоса по Янсену; г - эпюра экспериментальных давлений на стенку силоса по Платонову П.Н.; д - аппроксимащ давления на стенку силоса линейным законом по предложению автора) Рисунок 2 - Изменение толщины обечайки и внутреннего давления на ее стенки. Граничные условия запишем в виде:

=о, (6

что соответствует шарнирному опиранию по торцам с концевым кругов! шпангоутным подкреплением. Здесь н - высота обечайки.

Подставив в (5) выражения из (1), (2) и введя некоторые параметры, получим:

/*" ат +6Ь1г/"»34-1 сг® +ЗкОк-1)аУ/*п-2 ат +4в,4/** сг (

о0у

где- а *°Е - п - • »-М. £-ах. г „и*

Краевую задачу (6), (7) решим методом малого параметра и представ' искомую функцию в виде ряда разложения по степеням е:

а = (8)

1-0

Нагрузку (1) также представим в виде ряда:

Подставив (8), (9) в (7), приравняв коэффициенты при одинаковых степенях араметра е и ограничившись тремя членами разложения, получим:

-бка-4*^, (ю)

а<4> + 4^ -бка^-6к(3к-1)а^ -

2 2

-3к(3к - - Ака^а, - 2к(к -1)£2а,4а0.

Применим к системе краевых задач (10), (6) метод конечных разностей обычной точности. Вводя пространство Нк сеточных функций, заданных на сетке щ и удовлетворяющих граничным условиям, получим систему уравнений, разностные операторы которых представлены ниже:

£/,(2)=А-2(1/,+1-2с/,+г/н). (П)

и* = \к-\им-2 иы +2 иы +1/н),

и? = -4У(+1+«/,-41/м +и,_2),

где Л - шаг сетки .

Заменив производные в (10) на их конечно-разностный аналог (11), получаем разностные краевые задачи, на основе которых строим системы алгебраических уравнений вида А,и,=С,,/=0,1,2..., которые решаются на ПЭВМ. В результате расчетов получаем и, = /(Л),/ = 0,1,2, где и, представляют собой приближенные выражения ст/, 1 = 0,1,2.

Результаты решения задачи (6), (7), полученные конечно-разностной реализацией метода малого параметра показаны на графике (рисунок 3), где изменения относительных прогибов по длине оболочки подсчитаны дом следующих параметров геометрии и нагрузки: объем - 100 м3, насыпной груз - зерно пшеницы (объемная плотность 800 кг/м3, угол естественного откоса р= 28°, коэффициент трения по металлу /=0,4), К = Н/й, где я-высота обечайки, £>-внутренний диаметр силоса;

50=4мм, р0=0,04МПа, £=190000МПа, //=0,33, а=0,5;Г=^^-.

Я Ра

В таблице 1 приведены значения относительных прогибов при аппроксимации на 21-узловой сетке для различных соотношений высоты и диаметра оболочки, которые переводятся в напряжения, на основе чего проводится проектировочный расчет оболочки.

Рисунок 3 - Значения относительных прогибов П' цилиндрической оболочки при различных соотношениях диаметра и высоты.

Таблица 1.

Относительные прогибы ¡У по длине цилиндрической оболочки

к 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9

1. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

2. 0,68 0,63 0,59 0,54 0,48

3. 0,72 0,67 0,64 0,58 0,53

4. 0,76 0,72 0,68 0,63 0,58

5. 0,80 0,76 0,73 0,68 0,63

6. 0,84 0,80 0,77 0,73 0,68

7. 0,88 0,85 0,82 0,78 0,74

8. 0,92 0,89 0,86 0,82 0,79

9. 0,96 0,93 0,91 0,87 0,84

10. 1,00 0,97 0,95 0,92 0,89

11. 1,04 1,02 1,00 0,97 0,94

12. 1,08 1,06 1,05 1,02 0,99

13. 1,12 1,10 1,09 1,07 1,05

14. 1,16 1,15 1,14 1,12 1,10

15. 1,20 1,19 1,18 1,17 1,15

16. 1,24 1,23 1,23 1,21 1,20

17. 1,28 1,27 1,27 1,26 1,25

18. 1,32 1,32 1,32 1,31 1,31

19. 1,37 1,36 1,36 1,36 1,36

20. 1,40 1,40 1,37 1,34 1,31

21. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

В пятой главе «Описание и разработка программ для расчета геометрических параметров стального цилиндрического силоса» излагаются требования к программному комплексу, обоснование выбора технологии программирования, основные этапы разработки программы, приведены описания программ, блок-схемы, алгоритм, элементы интерфейса.

Отдельно рассмотрен вопрос построения алгоритма поиска оптимального варианта конструкции на основе выбора геометрической формы, удовлетворяющей требованиям рационального расхода металла, технологичности и минимальных эксплуатационных затрат. Соответствующие алгоритмы реализованы в предложенной системе автоматизированного проектирования цилиндрических силосов для хранения

сыпучих грузов, применение которых повышает производительность труда проектировщиков и технологичность изделия; позволяет автоматизировать поиск оптимальных компоновочных решений; способствует снижению себестоимости изготовления конструкции.

На рисунке 4 представлена укрупненная блок-схема программного комплекса. Блок-схема включает блоки арифметических (обозначенных прямоугольником) и логических (обозначенных ромбом) операций и состоит из семи основных частей, отражающих этапы проектирования элементов конструкции силоса, а также блоков ввода исходных данных и блоков графических построений и вывода полученных значений.

На первом этапе на основе введенных пользователем исходных данных (блок 1) подбираются предварительные параметры конструкции и варианты исполнения, которые выводятся в виде чертежа общего вида и текстовых документов (блоки 3, 4). Далее проводится проектировочный расчет силоса (блок 5) на основе алгоритма, описанного в главе 4. Отдельно предусмотрена подпрограмма расчета цилиндрической оболочки при восстановительном ремонте силоса методом замены стальных листов корпуса.

Характеристики, используемые в качестве исходных данных (вместимость; тип сыпучего груза; технологические операции; условия региона применения силоса и т.д.), могут учитываться прямой подстановкой в расчетные формулы, либо в качестве критериев выбора оптимального значения.

Для автоматизации расчетов разработаны базы данных (БД) по характеристикам сыпучих грузов, материалам и сортаментам, применяемым при производстве (блок 7); реализован алгоритм базовой методики проектирования силосов для проверочного расчета элементов конструкции (блок 6). БД позволяют пользователю просматривать, дополнять и изменять необходимую информацию и использовать содержащиеся

сведения при расчетах элементов конструкции, для оформления чертежей, спецификаций. Модули проверки задаваемых значений (блок 2) контролируют корректность ввода данных пользователем, обеспечивают доступ к БД, поиск и проверку информации.

Комплект документации на изделие формируется на основе проектировочных и проверочных расчетов в среде графического редактора (блок 8). Затем пользователь запускает вывод на печать и сохранение комплекта документов, содержащих конкретные значения, тексты и изображения, отражающие параметры и конфигурацию спроектированного изделия.

В шестой главе «Оценка точности вычислений на основе экспериментальных исследований» приведены данные для сопоставления результатов научных исследований в области определения напряженно-деформированного состояния тонких цилиндрических оболочек средней длины под воздействием переменной распределенной нагрузки.

Как уже отмечалось выше, рекомендуемые нормами формулы для определения давлений на днища и стены силосов получены на основе теории давления зерна в силосах, предложенной Янсеном. Данные дальнейших натурных исследований позволили подготовить к утверждению нормы СНиП 2.09.03-85. Одновременно, эксперименты показали сложную природу явлений, наблюдаемых в потоке сыпучего материала, и привели к следующим выводам:

- величины горизонтального давления материала, засыпанного в емкость и находящегося в состоянии покоя, достаточно хорошо описаны уравнениями, предложенными Янсеном;

- при выпуске сыпучего материала из сосуда горизонтальное давление увеличивается, достигая максимума при установившемся движении потока. В связи с недостаточной обоснованностью теории распределения дополнительного давления, при проектировании оно учитывается опытными поправочными коэффициентами методики расчета по предельным состояниям.

Высота, м

Рисунок 5 - Графики горизонтальных давлений в силосе диаметром 6 м для зерна. Анализ изменения теоретических и экспериментальных давлений (таблица 2, рисунок 5) на цилиндрическую часть силоса, показал возможность аппроксимации изменения давления линейным законом (рисунок 2). При этом учет динамических составляющих внешней нагрузки, возникающей от вибраций обечайки при загрузке, опорожнении, других технологических операциях, производится введением поправочных коэффициентов на этапе проверочного расчета.

Таблица 2.

Значения величин горизонтальных давлений в силосе диаметром 6 м для зерна

Высота >болочки :илоса, м Давление, МПа

по Янсену по Платонову по Таймеру по Сафаряну по Латышеву по предложению автора

0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,80

2.5 1,00 1,80 0,95 1,30 0,85 1,22

5 1,40 3,00 1,90 2,00 1,80 1,63

7,5 1,75 3,80 2,53 2,70 2,80 2,05

10 2,00 4,40 3,15 3,50 3,60 2,47

12,5 2,20 4,80 3,65 3,80 4,40 2,88

15 2,35 5,10 4,15 4,10 5,10 3,30

17,5 2,50 5,25 4,50 4,25 5,05 3,72

20 2,60 5,40 4,85 4,40 5,04 4.13

22,5 2,64 5,60 4,98 4,47 4,95 4,55

25 2,70 5,70 5,10 4,55 4,90 4,97

27,5 2,72 5,76 5,15 4,60 4,85 5,38

30 2,75 5,82 5,20 4,70 3,80 5,80

Глава седьмая «Экономическое обоснование эффективности применения азработанной САПР при изготовлении и ремонте стальных цилиндрических силосов я хранения сыпучих грузов сельскохозяйственного назначения» содержит:

- калькуляцию себестоимости изготовления рациональных по массе силосов в условиях серийного производства;

- расчет удельных затрат на ремонт стальных цилиндрических силосов на основе предложенной методики расчета;

- сравнительный расчет частных технико-экономических показателей силосов базовой и предлагаемой конструкций.

За счет снижения потребности производства в материальных ресурсах, и удоемкости конструкторской подготовки производства, прогнозируемая бестоимость изготовления составила до 90% от базовой (ориентировочно 68000 уб.) для силоса емкостью 100 м3, загружаемого зерном пшеницы.

Частные показатели экономического эффекта выявили снижение трудоемкости зготовления силоса на 12-17%, удельной материалоемкости на 10-15%, нергоемкости единицы продукции на 20-25%. Расходы по эксплуатации и одержанию силоса новой конструкции остаются на прежнем уровне, что особенно ажио для потребителей - предприятий аграрного комплекса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Материалоемкость стальных цилиндрических силосов, широко применяемых в сельском хозяйстве, по сравнению с зарубежными аналогами значительно завышена, что обусловлено общепринятыми подходами к проектированию и конструированию сельскохозяйственной техники и оборудования в Ф. С целью совершенствования конструкции стальных цилиндрических силосов по массе возможно введение ступенчато-переменной толщины цилиндрической оболочки

по высоте, что обеспечивает снижение массы конструкции в целом на 10-15%.

2. Разработана математическая модель рациональных по массе стальны цилиндрических силосов, позволяющая решать краевые задачи, описывающие НД тонкостенной цилиндрической оболочки силоса, имеющей переменную толщин стенок и находящейся под воздействием переменных распределенных нагрузок п высоте. Анализ результатов решения краевой задачи на основе конечно-разностно реализации метода малого параметра показал:

- возможность аппроксимации переменного давления на цилиндрическую оболочк линейным законом при решении задач прочности тонкостенной цилиндрическо оболочки силоса, что подтверждается данными теоретических экспериментальных исследований;

- использование трех членов ряда разложения функции относительных прогибов п методу малого параметра, на основе которых проводится проектировочный расч цилиндрической оболочки, обеспечивает точность решения краевой задачи, необходимую для целей рационального проектирования;

- оценки, получаемые на основе конечно-разностной реализации метода малого параметра, согласуются с результатами экспериментальных исследований, проведенных другими авторами;

- реализация предлагаемого алгоритма на ПЭВМ с использованием языковых средств программирования обеспечивает автоматизацию процедур поэтапного проектирования изделия.

3. Разработана система автоматизированного проектирования (САПР) рациональных по массе стальных цилиндрических силосов, которая позволяет снижать сроки проектирования, повышает точность расчетов и качество решений, что приводит к оптимальному выбору геометрических параметров силоса. САПР реализована в виде комплекса подпрограмм, функционирующих в среде чертежно-графического редактора КОМПАС, что обеспечивает организацию всего процесса проектирования и выпуска проектной документации (комплект сборочных, деталировочных и рабочих чертежей узлов и деталей силоса, спецификации, текстовые документы) на основе единой структуры модели объекта и единой технологии проектирования. Построение программного комплекса выполнено в соответствии с требованиями ГОСТ к разработке программного обеспечения (ПО). Данный подход означает для конечного пользователя: возможность быстрой адаптации программного комплекса к условиям применения и простоту его сопровождения; не требует от пользователя ПО квалификации программиста; способствует быстрому приобретению навыков работы с программой.

4. На основе обобщения данных эксплуатационных наблюдений и анализа технического состояния элементов силосов при проведении обслуживания и ремонта аналогов установлены требования к надежности составных частей и проведена оценка показателей надежности ремонтируемой конструкции рациональных по массе силосов.

5. В результате расчетов технико-экономических показателей изделия для вновь спроектированного зернового силоса емкостью 100м3, выявлено снижение себестоимости изготовления по сравнению с базовой конструкцией на 10%; снижение трудоемкости на 12%; удельной материалоемкости на 11%; энергоемкости единицы продукции на 22%. Снижение расчетных затрат на ремонт цилиндрического корпуса силоса оценены в размере 9-11% от базовой. Удельная стоимость, являющаяся 16

итерием экономичности изделия для покупателя, составила 4960 руб. на тонну ранимой продукции, что на 10% ниже по сравнению с базовым изделием за счет окращения уровня капитальных затрат.

6. При введении ступенчато-переменной толщины цилиндрической обечайки я силосов емкостью более 200м появляется возможность дополнительной

птимизации затрат на их изготовление и ремонт путем варьирования высотой листов ечайки, и как следствие, уменьшения трудозатрат на сварку, сборку стенки и i эимости проката при условии рационального использования стали.

7. Годовой экономический эффект от внедрения на ООО «Промтехник» езультатов диссертационных исследований при проектировании оболочечных еталлоконструкций аппаратов ТКТ-325, ТКТ-400, АТК 24.202.07-90 составил 370000 уб. при действующих ценовых показателях 2009 года.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикация в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Короткий, O.A. Система автоматизированного проектирования силосов / .В. Астахов, O.A. Короткий // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007. -92. - С.26-28. - ISSN 0235-8573.

2. Короткий, O.A. Совершенствование конструкции сельскохозяйственных илиндрических силосов на основе САПР / М.В. Астахов, O.A. Короткий // Тракторы сельхозмашины. - 2009. - №4. - С.49-50. - ISSN 0235-8573.

Публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций:

1. Короткий, O.A. Расчет круглых бункеров с учетом коррозионной усталости / .А. Короткий // Труды региональной научно-технической конференции Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении». Калуга, 2002. - С. 146 (единоличное авторство). - ISBN 5-94627-016-8.

2. Короткий, O.A. К вопросу проектирования рациональных по массе онструкций силосов и бункеров / М.В. Астахов, O.A. Короткий, A.A. Рачинский // регрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: атериалы Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2002 - T.l, С.281. ISBN 5-7038-2171-1.

3. Короткий, O.A. К вопросу увеличения ресурса стальных бункеров / С.А. уков, O.A. Короткий // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в

риборо- и машиностроении: Материалы региональной научно-технической онференции. - Калуга, 2003. - С.193. - ISBN 5-94627-020-6.

4. Короткий, O.A. К вопросу применения элементов САПР при проектировании илиндрического силоса / М.В. Астахов, O.A. Короткий // Прогрессивные технологии, онструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всероссийской аучно-технической конференции. -М., 2003 - T.l, С.243-244. - ISBN 5-7038-2180-0.

5. Короткий, O.A. К вопросу создания САПР силосов и бункеров / .А. Короткий // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и ашиностроении: Материалы региональной научно-технической конференции. - М., 004.- С.115 (единоличное авторство). - ISBN 5-7038-2526-1.

6. Короткий, O.A. Проектирование кругового шпангоута для САПР

цилиндрического силоса / O.A. Короткий, М.В. Астахов // Прогрессивные технологии конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всероссийско научно-технической конференции. - М., 2004 - Т.1, С.233. - ISBN 5-7038-2622-5.

7. Короткий, O.A. Использование в САПР силосов метода малого параметра O.A. Короткий // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо-машиностроении: Материалы региональной научно-технической конференцт студентов, аспирантов и молодых ученых - М., 2005.- Т.1, С.474 (единоличн авторство). - ISBN 5-7038-2750-7.

8. Короткий, O.A. Использование в САПР силосов численной реализаш метода малого параметра / O.A. Короткий, MB. Астахов // «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2005 - Т.1, С.248. - ISBN 57038-2753-1.

9. Короткий, O.A. Разработка системы автоматизированного проектирования цилиндрических силосов / O.A. Короткий // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе: Материалы региональной научно-технической конференции. - М., 2006.- Т.2, С.175. (единоличное авторство). - ISBN 5-7038-2788-4.

10. Короткий, O.A. К вопросу создания САПР цилиндрических силосов / М.В. Астахов, O.A. Короткий // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2006.- Т.1, С.374. - ISBN 5-7038-2789-2.

И.Короткий, O.A. Технология построения САПР цилиндрического силоса / МБ. Астахов, O.A. Короткий // Математическое моделирование сложных технических систем: Сб. статей / М., 2007. - С.3-10 (Труды МГТУ №595). - ISBN 5-7038-3157-1.

12. Короткий, O.A. Программная реализация САПР цилиндрических силосов / М.В. Астахов, O.A. Короткий // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. -М., 2007.- Т.2, С.273. - ISBN 5-7038-3111-3.

13. Короткий, O.A. Создание комплекта чертежно-технологической документации на основе САПР цилиндрических силосов / М.В. Астахов, O.A. Короткий // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - М., 2008.- Т.2, С.263. - ISBN 978-5-7038-3226-4.

Короткий Олег Александрович

Совершенствование конструкции цилиндрических силосов, используемых в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 10.04.2009. Формат 60x84/16. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печ. л. 1. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ №118

Отпечатано в Редакционно-издательском отделе КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана, 248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, тел. 8 (4842) 57-31-87

Основные условные обозначения

Введение

1 Особенности конструкции и методики проектирования стальных 10 цилиндрических силосов

1.1 Определение и классификация силосов для хранения сыпучих грузов

1.2 Назначение и область применения

1.3 Основные положения расчета

1.4 Методы определения давления сыпучего материала

1.5 Цели и задачи "исследования

2 Изготовление, техническая эксплуатация и ремонт стальных 34 цилиндрических силосов

2.1 Особенности изготовления и монтажа

2.2 Характерные дефекты и повреждения элементов силосов

2.3 Анализ причин разрушения конструкций

2.4 Оценка технического состояния силосов

2.5 Защита поверхностей силосов от коррозии

2.6 Ремонт цилиндрической оболочки силосов

2.7 Методика расчета показателей надежности

2.8 Выводы

3 Совершенствование методов проектирования, изготовления и ремонта 56 стальных цилиндрических силосов, применяемых в сельском хозяйстве

3.1 Направления совершенствования конструкции

3.2 Показатели совершенствования конструкции силоса

3.3 Выводы

4 Разработка математической модели рациональных по массе 65 цилиндрических силосов

4.1 Построение математической модели цилиндрической обечайки

4.2 Выбор метода исследования математической модели цилиндрической оболочки

4.3 Расчетная модель конической воронки

4.4 Расчетная модель опорных колонн

4.5 Расчетная модель кольца жесткости

4.6 Расчетная модель кровли силоса

4.7 Выводы

5 Описание и разработка программ для расчета геометрических 90 параметров стального цилиндрического силоса

5.1 Этапы проектирования программного комплекса

5.2 Разработка программного комплекса

5.3 Выводы

6 Оценка точности вычислений на основе экспериментальных 111 исследований

6.1 Анализ предложенного закона изменения давления на стенки силосов 111 на основе экспериментальных данных

6.2 Оценка эффективности программной реализации алгоритма 113 проектирования рациональной по массе цилиндрической оболочки

6.3 Изучение экспериментальных исследований НДС цилиндрических 119 оболочек, нагруженных внутренним давлением

6.4 Выводы

7 Экономическое обоснование эффективности применения САПР 124 при изготовлении и ремонте стальных цилиндрических силосов для хранения сыпучих грузов сельскохозяйственного назначения

7.1 Сравнительная калькуляция себестоимости изготовления силоса 124 по вариантам

7.2 Расчет частных технико-экономических показателей силоса новой 141 конструкции

7.3 Сравнительная стоимость ремонта цилиндрической оболочки

7.4 Обеспечение экономичности конструкции при эксплуатации

7.5 Выводы 149 Общие выводы

В сельскохозяйственном производстве силосами называют глубокие бункерные хранилища сыпучих материалов цилиндрической формы с высотой, доминирующей по отношении к поперечному размеру.

Силосы применяются в виде отдельных приспособлений или в цепи других транспортирующих механизмов при комплексной механизации производственного процесса (кормоцех, зерноочистительный ток, зернохранилище, сельскохозяйственные машины и т.д.) и предназначены для хранения и переработки зерна, продуктов мукомольного, крупяного и комбикормового производства.

Стальной цилиндрический силос состоит из тонкостенной цилиндрической обечайки и пристыкованной к ней снизу конической воронки, опертых на колонны в месте пересечения оболочек. Помимо собственно силосов, в состав силосных устройств могут входить загрузочное и разгрузочное оборудования (элеваторы, конвейеры, подъемники, краны, погрузчики, различные спуски), побудители истечения плохосыпучих материалов, затворы, питатели, приборы автоматизации и контроля.

Бункеры, силосы и силосы-резервуары являются основными хранилищами сыпучих грузов; зерно, сахар, минеральные удобрения, химические и многие другие грузы экономически выгодно хранить насыпью. При бестарных перевозках и хранении насыпных грузов снижается стоимость перевозки, обеспечивается комплексная механизация и автоматизация погрузочно-разгрузочных работ, ликвидируются расходы на тару, расфасовку и упаковку груза.

Широкое применение стальных цилиндрических силосов обусловлено надежностью, долговечностью, простотой технологического процесса изготовления и сравнительно низкими (по сравнению с железобетонными силосами) себестоимостью изготовления и эксплуатационными расходами.

Стальной цилиндрический силос состоит из тонкостенной цилиндрической обечайки постоянной толщины и пристыкованной к ней снизу конической воронки, опертых на колонны в месте пересечения оболочек.

Цилиндрическую обечайку составляют по высоте из нескольких ярусов. Ярусы сваривают встык из стальных листов, толщину которых проектируют постоянной и назначают директивно, что приводит к необоснованному увеличению массы, и, как следствие, расхода металла на изготовление силосов. Учитывая значительную долю основных материалов (до 50-55%) в себестоимости, вопрос снижения материалоемкости конструкции весьма актуален. Для сравнения, материалоемкость аналогичного оборудования производства стран Европы и США ниже отечественного на 10-20% при прочих равных показателях.

Объектом исследования являются конструкция и технология изготовления стальных цилиндрических силосов для хранения сельскохозяйственных сыпучих грузов.

В качестве предмета исследования должны быть рассмотрены: основные положения методики проектирования стальных цилиндрических силосов для хранения сельскохозяйственных сыпучих грузов; технологические процессы изготовления и ремонта стальных цилиндрических силосов и их технико-экономические показатели.

Целью работы является минимизация материалоемкости и снижение стоимости проектирования, изготовления и ремонта сельскохозяйственных стальных цилиндрических силосов.

Анализ путей снижения материалоемкости конструкции, выбора оптимальных конструктивных форм и размеров, совершенствования методов расчета, изготовления (ремонта) необходимо проводить на основе принципов комплексного решения при достижении главных показателей, - экономии стали, повышения производительности труда при проектировании и изготовлении, снижения трудоемкости и сроков монтажа, - которые и определяют стоимость изделия.

В качестве одного из способов снижения массы изделия предлагается рассмотреть введение переменности толщины цилиндрической обечайки по высоте и построение системы автоматизированного проектирования (САПР) силоса на основе разработанной математической модели конструкции.

Основные задачи исследования можно сформулировать следующим образом:

- Провести анализ путей совершенствования конструкции стальных цилиндрических силосов для хранения сыпучих сельскохозяйственных грузов на основе минимизации их технико-экономических показателей, в частности, материалоемкости и стоимости проектирования, изготовления и ремонта;

- Выполнить анализ типовых дефектов и повреждений элементов и соединений стальных цилиндрических силосов, причин аварий и аварийных состояний оболочечных металлоконструкций типа силосов;

- Обосновать методику решения краевых задач, возникающих при исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) тонкостенной цилиндрической оболочки, являющейся определяющим элементом для НДС конструкции рациональных по массе силосов;

- Разработать компьютерные программы для расчета геометрических параметров силоса, реализующие элементы системы автоматизированного проектирования рациональных по массе силосов, на основе математической модели и проверочных расчетов конструкции по методике СНиП;

- Провести технико-экономическую оценку эффективности предлагаемой методики проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта рациональных по массе N силосов.

Методами исследования выбраны: математическое моделирование с применением ПЭВМ; дифференциальное и вариационное исчисление; численные методы. Теоретические расчеты подтверждаются опубликованными результатами экспериментов, использованием фундаментальных уравнений строительной механики.

В диссертации будет разработана математическая модель рациональной по массе цилиндрической оболочки и составлены расчетные модели ответственных элементов конструкции; предлагается обосновать применение конечно-разностной реализации метода малого параметра для решения задач напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки силоса переменной толщины, находящейся под воздействием переменного по высоте давления; будет проведена оценка точности вычислений на основе экспериментальных данных; будет разработан программный комплекс для расчета геометрических параметров рациональных по массе силосов; необходимо провести технико-экономический анализ исследований.

Предлагаемая система проектирования конструкции и технологического процесса изготовления и ремонта цилиндрических силосов позволит снизить материалоемкость конструкции, затраты на изготовление, монтаж и ремонт изделия. Применение ПЭВМ при проектировании цилиндрических силосов повысит качество проектных решений по выбору структуры изделия, расчету и оптимизации характеристик конструкции, построенной из стандартных элементов. Это, в свою очередь, обеспечит снижение себестоимости изделия.

Результаты исследований и предложенная методика проектирования цилиндрических оболочек силосов на основе конечно-разностной реализации метода малого параметра будет применена в программном комплексе системы их автоматизированного проектирования. Личное участие автора будет выражаться в совершенствовании теории расчета цилиндрической оболочки силоса, разработке математической модели рациональной по массе конструкции стального цилиндрического силоса, создании системы автоматизированного проектирования силоса.

По результатам рассмотрения предварительных результатов исследований по данной тематике на Всероссийском открытом Конкурсе автору присуждена стипендия Президента РФ и осуществлена 6-месячная стажировка в Техническом Университете Мюнхена (ФРГ). Основные положения диссертации доложены и обсуждены на шести Всероссийских и шести региональных научно-технических конференциях в 2002.2008гг.

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и приложений. Объем работы 199 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 18 таблиц. Список использованных источников содержит 83 наименования, в том числе 7 — иностранных авторов.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Материалоемкость стальных цилиндрических силосов, широко применяемых в сельском хозяйстве, по сравнению с зарубежными аналогами значительно завышена, что обусловлено общепринятыми подходами к проектированию и конструированию сельскохозяйственной техники и оборудования в РФ. С целью оптимизации конструкции стальных цилиндрических силосов по массе возможно введение ступенчато-переменной толщины цилиндрической оболочки по высоте, что обеспечивает снижение массы конструкции в целом на 10-15%.

2. Разработана математическая модель рациональных по массе стальных цилиндрических силосов, позволяющая решать краевые задачи, описывающие НДС тонкостенной цилиндрической оболочки силоса, имеющей переменную толщину стенок и находящейся под воздействием переменных распределенных нагрузок по высоте.

3. Анализ результатов решения краевой задачи на основе конечно-разностной реализации метода малого параметра показал: возможность аппроксимации переменного давления на цилиндрическую оболочку линейным законом при решении задач прочности тонкостенной цилиндрической оболочки силоса, что подтверждается данными теоретических и экспериментальных исследований; использование трех членов ряда разложения функции относительных прогибов по методу малого параметра, на основе которых проводится проектировочный расчет цилиндрической оболочки, обеспечивает точность решения краевой задачи, необходимую для целей оптимального проектирования; оценки, получаемые на основе конечно-разностной реализации метода малого параметра, согласуются с результатами экспериментальных исследований, проведенных другими авторами;

- реализация предлагаемого алгоритма на ПЭВМ с использованием языковых средств программирования не представляет затруднений, что обеспечивает автоматизацию процедур поэтапного проектирования изделия.

4. Разработана система автоматизированного проектирования (САПР) рациональных по массе стальных цилиндрических силосов, которая позволяет снизить сроки проектирования, повышает точность расчетов и качество решений, что приводит к оптимальному выбору геометрических параметров силоса.

5. САПР реализована в виде комплекса подпрограмм, функционирующих в среде чертежно-графического редактора КОМПАС, что обеспечивает организацию всего процесса проектирования и выпуска проектной документации (комплект сборочных, деталировочных и рабочих чертежей узлов и деталей силоса, спецификации, текстовые документы) на основе единой структуры модели объекта и единой технологии проектирования.

6. Построение программного комплекса выполнено в соответствии с требованиями ГОСТ к разработке программного обеспечения (ПО). Данный подход означает для конечного пользователя: возможность быстрой адаптации программного комплекса к условиям применения и простоту его сопровождения; не требует от пользователя ПО квалификации программиста; способствует быстрому приобретению навыков работы с программой.

7. В результате расчетов технико-экономических показателей изделия на примере вновь спроектированного силоса емкостью 100м3 для зерна, выявлено снижение себестоимости изготовления по сравнению с базовой конструкцией на 10%; снижение трудоемкости на 12%; удельной материалоемкости на 11%; энергоемкости единицы продукции на 22%. Снижение расчетных затрат на ремонт цилиндрического корпуса силоса, оценены в размере 9-11% от базовой.

8. Удельная стоимость, являющаяся критерием экономичности металлоконструкции для покупателя, по силосу предлагаемой конструкции составила 4960 руб. на тонну хранимой продукции, что на 10% ниже по сравнению с базовым изделием за счет сокращения уровня капитальных затрат.

9. При введении ступенчато-переменной толщины цилиндрической л обечайки для силосов емкостью более 200 м появляется возможность дополнительной оптимизации затрат на их изготовление и ремонт путем варьирования высотой листов обечайки, и как следствие, уменьшения трудозатрат на сварку, сборку стенки и стоимости проката при условии рационального использования стали.

10. Годовой экономический эффект от внедрения на ООО «Промтехник» результатов диссертационных исследований при проектировании оболочечных металлоконструкций аппаратов ТКТ-325, ТКТ-400, АПС 24.202.07-90 составил 370000 руб. при действующих ценовых показателях 2009 года.

1. Зенков P.JI. и др. Бункерные устройства / P.JI. Зенков, Г.П. Гриневич, B.C. Исаев. М.: Машиностроение, 1977. - 223 с.

2. СНиП 2.09.03-85 «Сооружения промышленных предприятий».

3. СНиП 2.10.05-85 «Предприятия, здания и сооружения по хранению и переработке зерна».

4. СНиП П-23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

5. Латышев Б.В. Практические методы расчета железобетонных силосных корпусов. Л.:Стройиздат, 1973 - 112с.

6. Львин Я.Б. Давление сыпучего тела на стенку силоса. // «Расчет пространственных конструкций». Вып. XIII. М.Стройиздат, 1970.

7. Дженике Э.В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. Пер. с англ. — М.: Мир, 1968. 164 с.

8. Гутьяр Е.М. Распределение давления на стенки силосной башни // Тр. ин-та / Моск. автодор. ин-т. М., 1935. - Сб.2. - С. 182 -184.

9. Степанов А.Л. Портовое перегрузочное оборудование: Учебное пособие для вузов. М.: Транспорт, 1996. - 328 с.

10. Гячев Л.В. Основы теории бункеров. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та. 1992.-312с.

11. Таймер О. Аварии железобетонных силосов зерновых элеваторов. Статья в журн.: «Конструирование и технология машиностроения». Труды американского общества инженеров-механиков, №2. Перевод с англ. «Мир», 1969.

12. Рогинский Г.А. Дозирование сыпучих материалов. — М.: Химия, 1978. 174 с.

13. Carson, J.W, and Goodwill, D.J.: "The Design of Large Coal Silos for Safety,

14. Reliability and Economy"; bulk solids handling Vol. 4 (1984) No. 1, pp. 173-177.

15. Carson, J.W, Royal, Т.Д., and Goodwill, DJ.: "Understanding and Eliminating Particle Segregation Problems"; bulk solids handling Vol. 6 (1986) №1, pp. 139-144.

16. Carson, J.W, Purutyan, H.: "Flow of Solids in Bins, Hoppers and Feeders"; AlChE Continuing Education Series, Sept. 29-30,1994.

17. Steppling, K, and Hossfeld, RJ.: "Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Abrasion Resistant Liners Facilitate Solids Flow from Hoppers"; bulk solids handling Vol.5 (1985) №. 5, pp. 1049-1052.

18. Carson J.W.:Silo Failures: Case Histories and Lessons Learned, presented at the Third Israeli Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Dead Sea Israel, May 2000.

19. Металлические конструкции. Справочник проектировщика. Т.2 / Под общей ред. В.В. Кузнецова. М.: Изд.-во АСВ, 1999. - 474с.

20. Конаков А.И., Махов А.П. Отказы и усиления строительных металлических конструкций. // Обз.инф.ВНИИИС. Сер.8,1981. Вып.4.

21. Сахновский М.М., Титов А.М. Уроки аварий стальных конструкций. — Киев: Изд.-во «Бущвельник», 1969. 199 с.

22. Шкинев А.Н. Аварии на строительных объектах, их причины и способы предупреждения ликвидации. М.Госстройиздат, - 1962. - 231 с.

23. Беляев Б.И., Корниенко B.C. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. — М.Стройиздат, 1968. — 112 с.

24. СТ СЭВ 3972-83 «Конструкции стальные. Надежность строительных конструкций и оснований»

25. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х кн. Кн.1. / П.Н. Орлов. М.: Машиностроение, 1977. - 623 с.

26. Астахов М.В. Научно-методические основы снижения материалоемкости конструкций машин и оборудования в животноводстве и кормопроизводстве: Дисс. докт. техн. наук: 05.02.01 / Калужский филиал МГТУ им. Н.Э.Баумана. -Калуга, 2002. 355 с.

27. Астахов М.В. Управление полями внутренних усилий емкости автокормовоза

28. АСП-25. // Тез. докл. Всероссийской научн.-техн. конф. «Соц.-экон. проблемы управл. пр-вом, созд. прогресс, технологий, конструкций и систем в усл. рынка» Калуга, 1997. - С. 191.

29. Короткий O.A. Расчет круглых бункеров с учетом коррозионной усталости // Труды региональной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении». — Калуга, 2002.-С.146.

30. Лихтарников Я.М., Клыков В.М., Ладыженский Д.В. / Расчет стальных конструкций: Справочное пособие. Изд.-во «Буд1вельник», 1975. - 350с.

31. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. / Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. Учеб пособие для машиностроит. вузов. М.: «Высш. школа», 1971. 760с.

32. Автоматизированное оптимальное проектирование предварительно напряженных металлических конструкций. / Ольков Я.Н., Пыткеев В.Т. // Межвуз. сб. науч. тр. Куйбыш. архит.-строит. Ин-та. 1990. - №13. — С.96-103.

33. Металлические конструкции. Специальный курс. Учеб. Пособие для вузов / Е.И. Беленя, H.H. Стрелецкий, Г.С. Веденников.; Под общей ред. Е.И. Белени -М.:Стройиздат, 1982.-472 с.

34. ГОСТ 14.205-83 «Технологичность конструкции. Термины и определения»

35. Платонов П.Н. и др. Элеваторы и склады. / П.Н. Платонов, В.Г. Лебединский, В.Б. Фасман. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.:Агропромиздат, 1987. - 316 с.

36. Кан С.Н. Строительная механика оболочек. — М.: Машиностроение, 1966. — 514 с.

37. Авдонин A.C. Прикладные методы расчета оболочек и тонкостенных конструкций. — М.Машиностроение, 1969. 403 с.

38. Астахов М.В. Управление полями внутренних сил тонкостенных оболочечных систем сельхозмашин // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. — М., 2000 №4 (41) —С.47-58.

39. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.:Наука, 1978. - 269 с.

40. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978, - 508 с.

41. Агапов В.П. «Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций». Учебное пособие / М.: Изд.-во АСВ, 2000. 152 с.

42. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. Перевод с англ. М.: Изд.во «Мир», 1977. -349с.

43. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989. 432с.

44. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Физматгиз, 1962, - т.2, -634с.

45. Годунов С. К., Рябенький B.C. Разностные схемы, введение в теорию. М.: Наука, 1977, - 440 с.

46. Дьяконов В.П. Maple 9.5/10 в математике, физике и образовании. М.: COJIOH-Пресс, 2006. - 720 с.

47. Лессиг E.H., Лилеев А.Ф., Соколов А.Г. Листовые металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1970. - 488 с.

48. Металлические конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов / Ведеников Г.С., Беленя Е.И., Игнатьева B.C. и др.; под ред. Веденикова Г.С. 7-ое изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1998. - 760 с.

49. СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия».

50. Короткий O.A. К вопросу создания САПР силосов и бункеров // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы региональной научно-технической конференции. М., 2004.- С.115.

51. ГОСТ Р 51904-2002 «Программное обеспечение встроенных систем»

52. Короткий O.A. Технология построения САПР цилиндрического силоса // Математическое моделирование сложных технических систем: Сб. статей / Труды МГТУ №595. М., 2007. — С.3-10.

53. Астахов М.В., Короткий O.A. Система автоматизированного проектирования силосов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2007. №2. — С.26-28.

54. ГОСТ Р ИСО/МЭК 15910-2002 «Процесс создания документации пользователя программного средства».

55. Справочная система «Менеджер шаблонов» чертежно-графического редактора KOMTIAC-3D V8

56. Кудрявцев Е.М. Практикум по КОМПАС 3D V8: Машиностроительные библиотеки. М.: ДМК Пресс 2007. - 440 с.

57. Короткий O.A. Использование в САПР силосов метода малого параметра // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы региональной научно-технической конференции. -М., 2005.- т.1, С.474.

58. Короткий O.A., С.А. Жуков. К вопросу увеличения ресурса стальных бункеров // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы региональной научно-технической конференции. -Калуга,2003.-С. 193.

59. Металлические конструкции. Справочник проектировщика. Т.З / Под общей ред. В,В. Кузнецова. М.: Изд.-во АСВ, 1999. - 576с.

60. Великанов K.M., Власов В.Ф., Карандашова К.С. Экономика и организация производства в дипломных проектах: Учеб. пособие для ВУЗов. М. Машиностроение, 1977.- 208 с.

61. Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузовых системах / И.В. Горюшинский, И.И. Кононов, В.В. Денисов, Е.В. Горюшинская, Н.В. Петрушкин. Под общей редакцией И.В. Горюшинского: Учебное пособие. -Самара: СамГАПС, 2003. 232с.

62. Экономика предприятия/Под ред. В.Я. Горфинкеля и В.А. Швандара. -М.:Юнити, 2004. 742 с.

63. Мельников Н.П. Справочник проектировщика. Металлические конструкции. Изд. 2-е, исп. и доп.- М.:Стройизат, 1980. 776 с.

64. Беленя Е.И., Балдин В.А., Ведеников Г.С. и др. Металлические конструкции. -изд. 6-ое, исп. и доп. — М.гСтройиздат, 1985. — 560 с.

65. Справочник проектировщика. Металлические конструкции. — М.:Стройиздат, 1980.-776 с.

66. Алферов К.В., Зенков Р.Л. Бункерные установки. М.гМашгиз, 1955. - 308 с.

67. Красников В.В. Подъемно-транспортные машины в сельском хозяйстве. -М.:Колос, 1973-464 с.

68. Анурьев В.И. справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. 7-ое изд., исп. и доп. - М. Машиностроение, 1992. - Т.1 - 816 с.

69. Черняев М.П. Технология комбикормового производства — М.:Колос, 1992. — 340 с.

70. Шилкин В.И., Кузьмюков В.Р., Любченко В.Б. Типаж и структура средств механизации погрузочно-разгрузочных работ. Рязань: ГНУ ВНИМС, 2001. — 128 с.

71. Справочник. Защита от коррозии, старения и биоповреждения машин, оборудования и сооружений. — М.Машиностроение, 1987. 276 с.

72. Рекомендации по проектированию защиты от коррозии строительных металлических конструкций. ЦНИИпроектстальконструкция. М., 1988. — 342с.

73. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. М.:МСХ, 1988. - 220 с.

74. Пикуль В.В. Современное состояние теории оболочек и перспективы ее развития // Изв. АН. Механика твердого тела. 2000. - №2. — С. 145-168.

75. Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования М.: Машиностроение, 1986 — 224 с.