Разработка и исследование автоматизированной системы с активной компенсацией инерции газа в несущей прослойке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Щербаков, Дмитрий Сергеевич

• Щербаков, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щербаков, Дмитрий Сергеевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование автоматизированной системы с активной компенсацией инерции газа в несущей прослойке»

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 диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Щербаков, Дмитрий Сергеевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щербаков, Дмитрий Сергеевич, 2005 год

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.