Система автоматического управления процессом электроактивации вяжущего компонента при производстве высокопрочных изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Павловская, Ольга Олеговна

• Павловская, Ольга Олеговна
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павловская, Ольга Олеговна

Предисловие.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ЗА СЧЕТ ОБРАБОТКИ ВЯЖУЩЕГО КОМПОНЕНТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ способа повышения прочности изделий за счет обработки вяжущего материала в электрическом поле.

1.2. Анализ технических средств повышения прочности изделий за счет обработки вяжущего материала в электрическом поле.

1.3. Цель и задачи работы.

ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ, РЕАЛИЗУЮЩЁЙ ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СВОЙСТВА ВЯЖУЩЕГО МАТЕРИАЛА.

2.1. Анализ электрофизических процессов направленного воздействия электрического поля на газодисперсную среду.

2.2. Усовершенствованная технология производства изделий на основе вяжущего материала.

2.3. Конструкции установки, реализующей эффективный способ обработки вяжущего материала в поле тихого разряда.

2.3.1. Конструкция установки с системой неподвижных электродов.

2.3.2. Конструкция установки с системой вращающихся электродов.

2.4. Анализ влияния режимов работы установки на электрофизические характеристики обрабатываемого материала.

2.5. Общая функциональная схема системы регулирования режимов работы установки.

Выводы.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ ВЯЖУЩЕГО МАТЕРИАЛА.

3.1. Синтез системы оценки параметров сигнала датчика.

3.1.1. Обоснование применения марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации.

3.1.2. Синтез системы оценки действующего значения тока тихого разряда.

3.1.3. Синтез системы оценки амплитуды периодической последовательности импульсов тока тихого разряда.

3.1.4. Синтез фильтра случайной фазы токового сигнала.

3.2. Синтез оптимальной системы регулирования режимов работы установки.

3.2.1. Синтез следящей системы регулирования напряжения питания по действующему значению тока разряда.

3.2.2. Синтез управления с воздействиями по первым производным сигнала управления.

3.2.3. Аналитический синтез оптимального регулятора.

3.2.4. Синтез оптимальной системы регулирования частоты пространственного разряда в газодисперсной среде.

Выводы.

ГЛАВА 4. ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЯДА В ГАЗОДИСПЕРСНОЙ СРЕДЕ.

Выводы.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

5.1. Исследование характера зависимости тока тихого разряда от массовой концентрации вяжущего материала в пространстве между электродами.

5.2. Исследование влияния обработки вяжущего материала в поле тихого разряда на прочность изделий.

5.3. Исследование влияния обработки цемента на величину электрического сопротивления образцов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система автоматического управления процессом электроактивации вяжущего компонента при производстве высокопрочных изделий»

Современное техническое перевооружение в промышленности направлено на повышение эффективности функционирования технологических процессов, разработку и внедрение систем автоматического управления ими с привлечением для решения задач управления новейших результатов теоретических и прикладных исследований. Настоящая работа освещает вопросы, связанные с построением математических моделей, отражающих статистическую взаимосвязь контролируемых, неконтролируемых и управляющих параметров с показателем качества изделий - прочностью, применением при управлении процессами элек-тро-активации вяжущего компонента смесей статистических методов оптимизации, а именно методов теории нелинейной фильтрации. Значительное внимание уделяется разработке алгоритма управления процессом электрофизической активации и синтезу структуры САУ.

Большинство проведенных ранее исследований по рассматриваемой проблеме сводилось к выявлению зависимостей тех или иных свойств изделий от состава сырьевой смеси, от качества компонентов смеси. Опыты проводились таким образом, что все неучтенные факторы, которые могли бы повлиять на свойства изделия, старались сделать постоянными. Опыты многократно повторяли по одной и той же методике, но с применением различных видов вяжущего и других компонентов. На основании полученных данных выводили обобщающие закономерности. Все это позволило расширить и углубить знания в области технологии строительных материалов, в области литейного производства и т.д. и, несмотря на огромное разнообразие используемых природных материалов и условий протекания технологических процессов, сформулировать определенные требования к материалам, оборудованию и технологическим режимам. Однако полученные обобщающие закономерности малоэффективны при использовании их в целях управления технологическими процессами.

На первый план выдвигается задача разработки эффективного способа и системы автоматического управления, оптимизирующих процесс активации вяжущего с целью максимизации прочности изделий или минимизации расхода вяжущего компонента. В результате проведенных исследований выявлена зависимость между технологическими параметрами (амплитудой и частотой высоковольтного напряжения) и показателем качества (прочностью) изделий, которая позволила оптимизировать процесс обогащения вяжущих компонентов и дать научное обоснование требований к оптимальной структуре системы управления. Реальные параметры на выходе объекта управления под действием различных дестабилизирующих факторов отклоняются от расчетных, что заставляет рассматривать систему управления процессом электроактивации как стохастическую.

Первая глава посвящена анализу известных способов и технических средств повышения прочности изделий за счет обработки вяжущего в электрическом поле.

Во второй главе на основе анализа электрофизических процессов направленного воздействия электрического поля на газодисперсную среду рассмотрен оригинальный способ обработки вяжущего материала в поле тихого разряда, заключающийся в применении переменного электрического поля, обеспечивающего монополярную ионизацию и, как следствие, повышение электрической активности и дисперсности обрабатываемого материала. Предложено два варианта конструкции установки, реализующей предложенный способ электрообработки вяжущего, а также схема усовершенствованного технологического процесса для предприятий строительной, металлургической промышленностей. В этой главе формулируются основные принципы управления качеством функционирования установки в условиях помех.

Третья глава посвящена синтезу оптимальной системы регулирования режимов обработки вяжущего материала. Здесь рассматриваются совместно две примыкающие друг к другу задачи: оптимального оценивания управляемой величины и оптимального управления амплитудой и частотой высоковольтного напряжения.

В четвертой главе проведено цифровое моделирование оптимальной системы регулирования частоты пространственного разряда в газодисперсной среде с использованием приложения Excell из пакета Microsoft Office'97. Кривые чувствительности могут быть использованы при проведении опытно - конструкторских работ по данной теме.

В пятой главе излагаются результаты экспериментальных исследований лабораторной установки тихого разряда. Экспериментальные исследования влияния электрообработки вяжущего на прочностные характеристики изделий проведены на заводе эффективного силикатного кирпича «Афина», на кафедре «Литейное производство» ЮУрГУ, на кафедре «Технология приборостроения» ЮУрГУ, в Центральной строительной лаборатории ЧМС. В результате проведенных исследований установлено, что прочность изделий, изготовленных на основе обработанного в электрическом поле вяжущего компонента смеси (цемента, гипса, извести), в среднем на (30V70)% выше аналогичного показателя для изделий, изготовленных по традиционным технологиям. Кроме того, анализ результатов эксперимента показал: обработка цемента в установке тихого разряда позволяет сократить расход цемента на 10 % при неизменной прочности растворных образцов.

В Приложениях представлены копии патентов на изобретения, копия решения Роспатента о регистрации лицензионного договора, результатов цифрового моделирования, протоколы экспериментальных исследований лабораторной установки.

Работа выполнена в рамках госбюджетной темы № 097047 по единому заказ-наряду Министерства высшего образования Российской Федерации. 8

Автор выражает благодарность генеральному директору ЗАО «Челябинский комбинат строительных материалов и изделий» Назарову С.Г., начальнику Центральной Строительной лаборатории ЧМС Башеву В. А., директору ЗАО «Афина» Галееву И. А., зав. кафедрой «Литейное производство» ЮУрГУ, проф. Кулакову Б.А. за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований.

ВВЕДЕНИЕ

В таких отраслях промышленности, как строительство, металлургия, в частности в литейном производстве, предъявляются высокие требования к прочностным характеристикам материалов, изделий. В строительной промышленности применение высокопрочных материалов способствует расширению конструктивных и архитектурных возможностей, поскольку в результате могут быть уменьшены размеры сечений конструкций, собственный вес элементов и увеличены перекрываемые пролеты. Перечисленное позволяет снизить стоимость строительных сооружений [4]. В литейном производстве от прочности гипсовой литейной формы зависит не только качество отливок, но и производительность труда, поэтому проблема получения прочной литейной формы при минимальных затратах труда, энергетических и материальных ресурсов продолжает оставаться весьма актуальной [28].

В связи с этим имеют место следующие варианты технологической задачи изготовления изделий на основе вяжущего:

1) получение максимальной прочности изделий при заданном расходе вяжущего компонента смеси;

2) получение исходной прочности изделия при минимальном расходе вяжущего компонента смеси.

Действительно, с одной стороны повышенные требования к прочности предъявляются исходя из необходимости обеспечения долговечности строительных изделий и конструкций, с другой стороны, внедрение методов повышения прочности строительных материалов и конструкций позволяет существенно снизить материалоемкость производства.

Повышения прочности материала можно добиться, усилив активность каждого из компонентов исходного сырья, причем при создании высокопрочных материалов на основе вяжущего (цемента, гипса, извести) главное внимание должно быть уделено вяжущему, поскольку именно его свойства определяют прочность сцепления между зернами компонентов смеси, а значит и прочность материала в целом. Основными характеристиками вяжущего, определяющими прочность материала, являются [5,17, 49, 59]: а) активность, определяющая величины сил взаимодействия между частицами кристаллогидратов; б) дисперсность, зависящая от степени разрушения агрегатов - групп частиц, скрепленных поверхностными контактами. Дисперсность определяет площадь поверхности контакта вяжущего материала с водой затворения, и, следовательно, прямо связана со степенью гидратации вяжущего материала.

Известно множество технологических способов, с помощью которых можно повысить активность и дисперсность вяжущего. Их условно можно разделить на три группы: механические, химические, физические [19].

Одним из самых простых и распространенных механических способов увеличения дисперсности вяжущего является сухой домол вяжущего [19, 32]. При таком воздействии уничтожаются воздушные оболочки и пленки загрязнений на зернах вяжущего, раскрываются новые поверхности, что способствует увеличению поверхности вяжущего, доступной для воды затворения. Как следствие создаются условия для повышения степени гидратации, а значит и прочности материала.

Также известен механический способ повышения активности вяжущего, заключающийся в совместном помоле исходных компонентов [87]. Так, цемент совместного помола с кварцевым песком активнее цемента раздельного помола при той же степени дисперсности. Последнее объясняется не только увеличением суммарной поверхности частиц для гетерогенного взаимодействия с водой. В результате механохимического взаимодействия щелочных оксидов клинкера с кислотным оксидом кварцевого песка в присутствии адсорбционной воды на поверхности частиц образуются гидросиликаты кальция, которые, являясь центрами кристаллизации, ускоряют процессы схватывания и твердения цементного теста, способствует повышению прочностных показателей в сравнении с вариантом раздельного способа помола.

Эффективным с точки зрения повышения прочности материала является также раздельное приготовление смеси, сочетающее процесс простого перемешивания с механической активацией поверхности частиц вяжущего [19]. Суть способа состоит в следующем: с помощью ротационно-пульсационного аппарата или других установок получают вяжущее тесто, перемешивая вяжущее с водой, а затем активированное вяжущее тесто смешивается с остальными компонентами смеси. В результате такой активации происходят процессы дезагрегации, диспергирования и равномерной, более полной гидратации вяжущего, причем эти процессы протекают во много раз быстрее, чем при механической активации сухого вяжущего материала.

Еще один механический способ повышения прочности изделий состоит в перемешивании вяжущих смесей в различных системах принудительного перемешивания (высокоскоростные, ротационно-пульсационные) [11, 14, 24, 38, 51]. Достигаемые высокая однородность смесей и хорошее втирание вяжущего теста в поверхность зерен заполнителя (песка, щебня), а также образование свежих поверхностей в результате измельчения зерен заполнителя и удаления с их поверхности пленок и примесей обусловливают формирование изделий высокой прочности. Более эффективно принудительное перемешивание вяжущей смеси в струйном смесителе [53]. В основу работы струйных смесителей положен принцип перемешивания смесей струей сжатого воздуха, вытекающего из отверстий противоположно направленных и вращающихся навстречу друг другу сопел, при этом смесь превращается в кипящий слой, имеющий движение турбулентного характера. При струйном перемешивании происходит усиленное диспергирование зерен вяжущего, что способствует более полной его гидратации. Одновременно происходит интенсивный процесс снятия новообразований с поверхности зерен вяжущего за счет абразивного воздействия частиц смеси при встречных ударах и перенос этой коллоидной массы на поверхность зерен заполнителя. В результате перемешивания получаемая смесь качественно отличается от смеси, полученной в обычных смесителях. Здесь зерна заполнителя не обволакиваются вяжущим тестом, как в обычных смесителях, а на их поверхности создается плотная оболочка за счет торкретирующего действия частиц растворенного вяжущего, летящих с большими скоростями. Эти частицы не только создают плотную оболочку, но и внедряются во все неровности и микрощели, имеющиеся на поверхности зерен заполнителя. Вследствие интенсификации процесса перемешивания и активации вяжущего повышается однородность смеси и прочность материала по сравнению с обычным способом.

Однако активация вяжущего перечисленными механическими способами энергоемко и требует сравнительно больших затрат времени.

Более экономичный способ изменения свойств вяжущего -применение химических добавок [8, 9, 15, 71, 90]. Вводимые в незначительных количествах - от десятых долей процента до единиц процентов от массы вяжущего - они существенно влияют на процессы твердения материала, обеспечивают повышение его прочности. Так, добавка кремнийфосфорорганического полимера состава (812 Рг С4 Н12 Оц)п в количестве (0,13 -г- 0,34)% к полуводному гипсу, в количестве (0,2 н- 0,3) % к цементу или к цементно-песчаной смеси активизирует процесс гидратации вяжущего, способствует повышению прочностных характеристик затвердевших образцов [80]. Прочностные показатели вяжущего с гидрофобно-пластифицирующей добавкой выше аналогичных показателей образцов без добавки на (14^24)% при сжатии и на (8^-19)% при изгибе в зависимости от вида вяжущего [65]. Введение в цемент добавок крентов, приготовленных на основе высокощелочных алюмосиликатных материалов, позволят повысить прочность бетонов на (154-20)% [77]. Широкое распространение получили также комплексные добавки, изменяющие дисперсное состояние вяжущего теста. К наиболее перспективным добавкам относятся комплексные полифункциональные добавки ННК (нитрит-нитрат кальция) и ННХК (нитрит-нитрат-хлорид кальция), а также различные модификации на их основе [18]. Повышение прочности связано с улучшением процесса кри-сталлизуемости гидросиликатов кальция в присутствии данной добавки. Однако эффективность использования химических добавок зависит от множества факторов: минералогического состава вяжущего, состава смеси, свойств заполнителей и условий твердения. Поэтому для получения максимального эффекта от использования добавки при изменении любого из перечисленных факторов приходится вновь экспериментально находить оптимальные условия введения, дозирования названных веществ в смеси. Кроме того, необходимо обратить внимание на повышенную стоимость эффективных химических добавок [8,15,18].

В последние годы значительно возрос интерес к использованию физических средств воздействия на вяжущее с целью максимального использования его свойств [22]. Так, известен способ повышения активности вяжущего, заключающийся в обжиге измельченного вяжущего в размолотом состоянии в кипящем слое [29, 71, 72]. Для этого сначала вяжущий материал в кипящем слое прогревают газами из камеры горения, а затем вводят и сжигают жидкое топливо в кипящем слое таким образом, что топливо распространяется по поверхности частиц вяжущего, благодаря чему частицы обжигаются во взвешенном состоянии. После обжига зерна материала, находящегося во взвешенном состоянии, охлаждаются. Химическая активность обожженного материала может быть различной в зависимости от течения процесса обжига.

В работах [20, 22, 79, 88] показана возможность интенсификации технологического процесса и максимального использования вяжущих свойств цемента в результате увеличения ди-персности твердой фазы применением ультразвукового воздействия в процессе приготовления и формования изделий. В [20] отмечено, что действие ультразвука уподоблено действию вибраций. Известно [89] так называемое виброактивирование цементного теста, заключающееся в следующем: цемент, увлажненный водой лишь для смачивания контактов цементных зерен без образования прослоек жидкости, подвергается воздействию звуковых колебаний с частотами, значительно более высокими, чем обычно применяемые при уплотнении бетона. Процесс зву-кохимической обработки цементного раствора принято называть «виброактивированием», а пасту - «вибропастой». Изготовленная вибропаста используется для приготовления бетона путем ее разбавления водой и смешиванием с заполнителем. Оптимальная частота приготовления вибропаст зависит от размеров частиц обрабатываемой смеси. При исследовании влияния виброактивирования на свойства цементного теста [37] зафиксировано: а) увеличение равномерности распределения воды между зернами цемента; б) дополнительное механическое диспергирование зерен цемента; в) ускорение процессов гидратации за счет усиления процессов адсорбционного и химического диспергирования, постоянного отвода продуктов гидратации с поверхности вибрирующих зерен и обнажения новых поверхностей для дальнейшей гидратации. Анализ процесса структурообразования [37] показал, что: а) увеличивается скорость нарастания пластической прочности в период упрочнения структуры цементного теста; б) предел прочности на одноосное сжатие образцов цементного камня, полученных на основе виброактивированного теста, значительно боле высокий, чем для образцов, приготовленных без активирования. Известно [75] виброперемешивание бетонных смесей. Такое воздействие способствует повышению прочности бетона. Степень повышения прочности бетона зависит от вида цемента, состава и подвижности бетонной смеси, качества заполнителей. Наибольший эффект (32% прироста прочности) получается при виброперемешивании жестких бетонных смесей. Необходимо отметить, что для виброперемешивания различных смесей необходимо подбирать оптимальные режим воздействия, в частности частоту и амплитуду колебаний. При несоблюдении этого правила возможно, что при виброперемешивании получится смесь меньшей прочности, чем при обычных методах приготовления бетона. Установлено [22], что кроме бетонных целесообразно подвергать вибрационной обработке также и силикатные смеси, используемые для приготовления кирпича. Лабораторные и производственные опыты виброперемешивания силикатных масс показали, что прочность кирпича на сжатие и растяжение увеличивается примерно на (30^50)%. В монографии [20] главнейшее значение придается применению вибраций при укладке бетонных смесей в формы или монолит.

Еще один физический способ - воздействие электромагнитного поля на частицы диэлектрического дисперсного материала [58]. Эффект воздействия обусловлен взаимодействием токов поляризации в частицах материала с внешним магнитным полем и прямо пропорционален частоте поля. Такое воздействие на дисперсный материал позволяет решить задачу обогащения последнего.

Существенно повышает прочность бетона предварительная магнитная обработка известково-песчаной смеси [80]. Магнитная обработка смеси способствует лучшему усвоению кварца в гидросиликаты кальция и повышению количества связанной воды в продуктах твердения.

Поскольку задача регулирования свойств вяжущего сводится к обеспечению определенной интенсивности взаимодействия его частиц с водой, то с целью усовершенствования технологии производства изделий на основе вяжущего используется воздействие на вяжущее электрического поля высокой напряженности. Это наиболее перспективный физический способ повышения степени использования свойств вяжущего, поскольку его применение позволяет получать значительно больший эффект, чем при использовании выше перечисленных приемов. Последнее объясняется тем, что изменение технологических свойств вяжущего под действием сильных электрических полей является результатом не только изменения дисперсности, но и сложных процессов электрического активирования поверхности частиц вяжущего [53, 57, 67, 86]. Еще одним преимуществом данного способа является сравнительно небольшие энергозатраты на обработку вяжущего материала.

Результаты сравнительного анализа эффективности различных технологических способов повышения прочности изделий на основе вяжущего сведены в таблицу 1.

Для получения максимального эффекта возможно комплексное использование технологических способов воздействия на свойства вяжущего (рисунок1). При этом во многих случаях суммарный эффект при оптимальном сочетании воздействий не равен сумме эффектов от каждого из способов в отдельности [13,19].

Таблица 1

Эффективность технологических способов повышения прочности изделий на основе вяжущего материала

Механические Химические Физические Прочность изделий, %

Сухой домол Раздельное приготовление смеси Принудительное смесе-приготовление обычное струйное нет нет да нет нет нет 100 да нет да нет нет нет 105-110 нет да да нет нет нет 110-120 нет нет нет да нет нет 110-120 нет нет да нет да нет 110-120 нет нет да нет нет да 110-150

Технологические способы повышения активности и дисперсности вяжущего

-4—- - - -—»-- физические механические химические i 1 г сухой домол вяжущего; совместный помол исходных компонентов;

раздельное приготовление смеси; перемешивание вяжущих смесей в различных системах принудительного перемешивания и т.д. применение химических добавок

И О Н И о а

VO О tí й

Л и К о К М и

§ S ю обжиг измельченного вяжущего в кипящем слое; ультразвуковое воздействие; воздействие электромагнитного поля; магнитная обработка известково-песчаной смеси; нпчдеистинг ЭЛСК'1 рмчпким полем.

Рис.1

Итак, на современном этапе развития техники отчетливо прослеживается появление новых, перспективных технологических способов повышения активности и дисперсности вяжущего, имеющих ряд преимуществ перед уже известными. Их внедрение позволяет иметь дополнительный резерв для повышения прочности изделий на основе вяжущего. Приведенные факты дают основание считать, что одним из перспективных и в то же время менее исследованных способов повышения прочности изделий на основе вяжущего является обработка последнего электрическим полем. Характерно, что такой способ является технически более совершенным, при его использовании можно получить результаты, не достигаемые другими способами, и в то же время он может служить дополнением к выше перечисленным способам.

Как показали исследования [50, 53, 57, 59, 70], результатом направленного воздействия электрического поля на частицы вяжущего материала является заряжение частиц. Причем, чем больше величина поверхностного заряда, приобретенного отдельной частицей, тем выше дисперсность и активность вяжущего материала, тем выше прочность сцепления между зернами компонентов смеси, а значит и прочность материала в целом. Следовательно, эффективность обработки вяжущего определяется такой характеристикой обрабатываемого материала как электрический заряд частицы, величина которого определяет величину тока разряда (п.2.4).

Проведенные в п.2.4 исследования показали, что на эффективность обработки вяжущего электрическим полем существенное влияние оказывают следующие факторы: массовая концентрация материала в пространстве между электродами; тип вяжущего материала (гипс, известь, цемент); параметры воздушной среды в пространстве между электродами (температура, влажность); степень экранирования частицами одноименно заряженного электрода. Поэтому актуальным является анализ изменения эффективности обработки вяжущего электрическим полем под влиянием перечисленных факторов с целью создания методов управления процессом и оптимизации параметров высоковольтного напряжения. Необходимо отметить, что в известных установках для обработки диспергированного материала электрическим полем отсутствует оптимизация режимов работы.

Изложенное позволяет сформулировать цель работы.

Цель работы. Разработка газоразрядной установки и системы оптимального управления процессом электроактивации вяжущего компонента (цемента, гипса, извести) при производстве высокопрочных изделий.

Задачи работы. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1) исследовать возможность повышения эффективности обработки вяжущего (цемента, гипса, извести) в электрическом поле;

2) разработать структуру и конструкцию установки, реализующей эффективный способ воздействия на свойства вяжущего;

3) провести синтез оптимальной системы регулирования режимов обработки вяжущего в электрическом поле;

4) осуществить цифровое моделирование и оптимизацию структуры и параметров систем регулирования режимов обработки вяжущего в электрическом поле;

5) провести экспериментальные исследования лабораторной установки и подтвердить эффективность обработки вяжущего в электрическом поле.

Объект исследований. Способы и установки для повышения активности вяжущего компонента смеси (цемента, гипса, извести) в электрическом поле.

Предмет исследований. Система оптимального регулирования режимов работы газоразрядной установки для обработки вяжущего компонента смесей.

Методы исследований. Исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании теории высоковольтного газового разряда, электростатики, механики аэрозолей и методов теории нелинейной фильтрации. При оценке эффективности разработанной системы регулирования режимов работы установки применено цифровое моделирование на ЭВМ.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1) установлена закономерность повышения эффективности обработки вяжущего материала при использовании переменного электрического поля на уровне тихого разряда, обеспечивающего монополярную ионизацию и, как следствие, повышение активности и дисперсности вяжущего;

2) получены функциональные взаимосвязи между параметрами напряжения питания и током разряда, позволяющие оптимизировать режим электрообработки вяжущего материала;

3) на основе применения теории нелинейной фильтрации получены уравнения системы регулирования режимов работы установки тихого разряда, обеспечивающей оптимальное соотношение между параметрами электрического поля и характеристиками потока обрабатываемого материала.

Практическая ценность результатов работы.

Практическая ценность результатов работы.

Разработаны:

1) установка, реализующая способ активации вяжущего под действием переменного электрического поля на уровне тихого разряда, снабженная системой из двух чередующихся групп электродов, при этом электроды первой группы подключены к источнику постоянного высокого напряжения, а электроды второй группы - к источнику переменного напряжения. Новизна конструкции установки подтверждена патентом № 2073362 (РФ), кл. С 04 В 40/00 (Приложение 1);

2) установка, реализующая способ активации вяжущего под действием переменного электрического поля на уровне тихого разряда, снабженная установленными внутри корпуса тремя концентрично расположенными цилиндрическими барабанами, один из которых, средний, выполнен металлическим и подключен к источнику высокого напряжения, а на поверхности вращающегося наружного барабана (выполненного из диэлектриака) размещены заземленные электроды кольцевой формы. Для очистки и заземления кольцевых электродов на выходе из зоны заряжения установлены электропроводные элементы. Новизна конструкции установки подтверждена патентом РФ № 2158183, кл. С 04 В 40/00 (Приложение 1);

3) структурные схемы оптимальной системы регулирования режимов работы установки для обработки вяжущего в электрическом поле тихого разряда, содержащие нелинейные блоки оценки режимов тихого разряда. Критерий оптимальности -максимум активной мощности;

4) методика синтеза системы регулирования режимов работы установки для обработки вяжущего в электрическом поле тихого разряда, включающая математическое описание сигналов, синтез структурной схемы на основе уравнений нелинейной марковской фильтрации.

Реализация результатов работы. Результаты работы, включая способ и конструкцию установки, переданы для внедрения по лицензионноему соглашению о передаче права использования патента РФ № 2073362 от 2.08.99 директору АО «Афина» Галееву И.А. (копия решения Роспатента о регистрации лицензионного договора - в Приложении 2).

Экспериментальные исследования лабораторной установки подвердили эффективность разработанного способа. При этом были получены следующие результаты. Прочность изделий, изготовленных по новому способу, на (30-Т-70) % выше аналогичного показателя для изделий, изготовленных по обычной технологии. Кроме того, обработка цемента в установке тихого разряда позволяет сократить расход цемента на 10 % при неизменной прочности растворных образцов.

Основные положения, представленные к защите.

1. Закономерности влияния режимов работы установки тихого разряда на электрофизические характеристики вяжущего материала.

2. Уравнения оптимальной системы регулирования режимов работы установки тихого разряда.

3. Способ направленного изменения свойств вяжущего материала в поле тихого разряда, заключающийся в применении переменного электрического поля, обеспечивающего монополярную ионизацию и, как следствие, повышение активности и дисперсности вяжущего.

4. Конструкции установки, реализующей способ формирования свойств вяжущего под действием переменного электрического поля на уровне тихого разряда. Новизна конструкций установки подтверждена патентом РФ № 2073362, патентом РФ № 2158183.

5. Структурная схема системы регулирования режимов работы установки для обработки вяжущего в электрическом поле тихого разряда.

6. Методика синтеза системы регулирования режимов работы установки для обработки вяжущего в электрическом поле тихого разряда.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на первой региональной конференции «Уралинформ - 94» (г. Челябинск, 26-29 октября 1994 г.), 52-й научно-технической конференции ЮУрГУ (г.Челябинск, 2000 г.).

Публикации. Основные положения и результаты работы отражены в 9 печатных работах (в том числе патент на изобретение № 2073362 (РФ) от 10.02.97, Бюл. № 4; патент на изобретение № 2155114 (РФ) от 27.08.2000, Бюл. № 24; патент на изобретение № 2158183 (РФ) от 27.10.2000, Бюл. № 30) и одном научно-техническом отчете «Высоковольтная установка для очистки воды и извлечения частиц из суспензий» в рамках программы «Конверсия и высокие технологии».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, пяти приложений. Работа изложена на 168 страницах печатного текста, содержит 50 рисунков, 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Павловская, Ольга Олеговна

6. Результаты работы переданы директору АО «Афина» Га-лееву И.А. для использования при изготовлении мелкоштучных строительных материалов (кирпича, строительного камня) с применением золошлаковых отходов ТЭС (лицензионное соглашение от 2.08.99).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе применения теории марковской фильтрации получены нелинейные уравнения оптимальной системы регулирования частоты пространственного разряда в газодисперсной среде по критерию максимума активной мощности системы и уравнения оптимальной системы регулирования амплитуды импульсного напряжения питания. Разработанная система обеспечивает оптимальное соотношение между параметрами газодисперсной среды и параметрами импульсного напряжения питания.

2. Разработана методика синтеза оптимальной системы регулирования режимов работы установки для обработки вяжущего компонента смеси в электрическом поле тихого разряда.

3.Разработаны конструкции установки, реализующей способ повышения активности и дисперсности вяжущего компонента смеси (цемента, гипса, извести), под действием переменного электрического поля на уровне тихого разряда, создаваемого двумя группами электродов, электроды одной группы выполнены с изоляцией (патент РФ № 2073362 "Способ электростатической обработки цемента", патент РФ № 2158183 " Установка для электростатической обработки вяжущего материала"), что позволяет уменьшить затраты электрической энергии на процессы ионизации и поляризации дисперсности вяжущего компонента.

4. При цифровом моделировании системы регулирования частоты пространственного разряда в газодисперсной среде получены следующие результаты: а) при увеличении интенсивности помех датчика в пять раз (аш меняется от 1 до 5) величина дисперсии ошибки фильтрации изменяется от 1,65-10"4 [рад2] до 8,03-10 4 [рад2]; б) при увеличении амплитуды наблюдаемого сигнала на 50 % (В меняется от 1,0 до 1,5) величина дисперсии ошибки фильтрации уменьшается от 1,50-10'4 [рад2] до 9,6-10*5 [рад2] соответственно, а при уменьшении В на 50 % (В меняется от 1,0до 0,5) -увеличивается от 1,50-10^ [рад2] до 5,06-10Ч [рад2], в) при увеличении фазы наблюдаемого сигнала на 50 % относительно расчетного значения (С меняется от 1,0 до 1,5) величина дисперсии ошибки фильтрации 8 уменьшается от 1,64-10 4 [рад2] до 9,80-10"5 [рад2] соответственно, а при уменьшении С на 50 % (С меняется от 1,0 до 0,5) - увеличивается от 1,64-10'4 [рад2] до 3,84-10"4 [рад2] соответственно.

Кривые чувствительности (рис.4.4 - рис.4.7) позволяют оптимизировать параметры системы при проведении опытно-конструкторских работ.

5. Экспериментальные исследования лабораторной установки тихого разряда, изготовленной по патенту РФ № 2073362, подтвердили обратнопропорциональную зависимость тока установки от массовой концентрации материала в пространстве между электродами, что согласуется с результатами теоретического анализа этой зависимости (рис.2.9). Прочность образцов изделий, изготовленных на основе обработанного в электрическом поле вяжущего компонента смеси, на (30-^70)% выше аналогичного показателя для образцов изделий, изготовленных по традиционным технологиям. Обработка цемента в установке тихого разряда позволяет сократить расход цемента на 10 % при неизменной прочности растворных образцов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павловская, Ольга Олеговна, 2001 год

1. Аброян И.А. и др. Физические основы электронной и ионной технологии: Учебное пособие для вузов / И.А. Аброян, А.Н. Андронов, А.И. Титов. - М.: Высшая школа, 1984, С. 14.

2. Андреев Н.И. Теория статистически оптимальных систем управления. М.: Наука, 1980.

3. Аоки М. Оптимизация стохастических систем / Пер. с англ. -М.: Наука, 1971.

4. Ахвердов И.Н. Высокопрочный бетон (Экспериментальные и теоретические исследования по технологии бетона). М.: Госстройиздат, 1961.

5. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981.

6. Ахвердов И.Н., Ковалев Ф.Я. Теоретические основы электропроводности бетона// ДАН БССР. 1964. - № 7. - С. 8.

7. Ахвердов И.Н., Маргулис А.Н. Неразрушающий контроль качества бетона по электропроводности. Минск: Наука и техника, 1975.

8. Бабаев Ш.Т., Глотова H.A., Кац Б.И., Михайлович Б.И., Гольдина Б.Я. Модификация вяжущих поверхностно-активными добавками / / Строительные материалы. -1992. -№6.-С. 4-6.

9. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. М.: Стройиздат, 1990.

10. Бернацкий А.Ф., Целебровский Ю.В., Чунчин В.А. Электрические свойства бетона. М.: Энергия, 1980.

11. Блиничев В.Н. Получение тонкодисперсной извести в аппаратах типа реактор-измельчитель / / Строительные материалы. -1997. № 6. - С. 8 - 10.

12. Брайсон А.Е., Хо Ю Ши. Прикладная теория оптимального управления / Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

13. Веригин Ю.А., Гонзин В.А., Попов П.И. Роликовый вибро-электротурбулентный активатор смеситель для приготовления строительных растворов / / Строительные материалы. -1975. -№> 10. - С. 10.

14. Веригин Ю.А., Соколов В.В. Многократная обработка вяжущего в активаторах-смесителях непрерывного действия // Строительные материалы. 1997. - № 1. - С. 14 - 16.

15. Высоцкий С.А., Бруссер М.И., Смирнов В.П., Царих Л.М. Оценка эффективности и классификация минеральных добавок к цементу и бетону / / Строительные материалы. -1989. № 10. - С. 9 - И.

16. Ганин В. П. Электрическое сопротивление бетона в зависимости от его состава / / Бетон и железобетон. 1964. - № 10.

17. Горяйнов К.Э., Счастный А.Н. Теоретические и технологические основы получения высокодисперсного цементного и силикатного камня // Строительные материалы. -1976. №4.-С. 28 - 30.

18. Грапп В.П., Ратинов В.Б. Применение химических добавок для интенсификации процесса производства и повышения качества бетона и железобетона. Рига: АатНИИНТИ, 1979.

19. Грушко И.М. и др. Повышение прочности и выносливости бетона / И.М. Грушко, А.Г. Ильин, Э.Д. Чихладзе. Харьков: Выща школа, 1986.

20. Десов А.Е. Вибрированный бетон. М.: Госстройиздат, 1956.

21. Долгополов H.H. Звукохимические методы в технологии строительных материалов. М.: Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1962.

22. Долгополов H.H. Электрофизические методы в технологии строительных материалов. М.: Стройиздат , 1971.

23. Дорш К. Твердение и коррозия цементов. Киев, 1936.

24. Драйчик Ю.И., Гродзенская Е.С., Максимчук B.C., Сако-вич М.П. Эффективность гомогенизаторов в производстве силикатного бетона // Строительные материалы. 1973. -№ 5. - С. 24-27.

25. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 1986.

26. Жабреев B.C., Павловская О.О. Способ электростатической обработки цемента / Челябинский центр научно-технической информации. Информационный листок № 349-98. -1998. 1 с.

27. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. М.: Машиностроение, 1989.

28. Захаров Г.В. Обжиг известняка во взвешенном состоянии // Строительные материалы. 1973. - № 4. - С. 11 - 12.

29. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1967.

30. Зубов В.И. Теория оптимального управления. Л.: Судостроение, 1966.

31. Иванов И.А., Умнова В.В., Чечулина Г.М. Малогабаритные аппараты для дробления строительных материалов / / Строительные материалы. 1992. - № 7. — С. 14—15.

32. Казаков И.Е. Оптимальное управление при вероятностном локальном критерии качества и ограничениях // А и Т. -1973.-№ 2.-С. 44-51.

33. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. -М.: Наука, 1975.

34. Казаков И.Е. Статистический синтез управлений по квад-ратическому критерию обобщенной работы // А и Т. -1974. № 10. - С. 27 - 34.

35. Казаков И.Е., Гладков Д.И. Методы оптимизации стохастических систем. М.: Наука, 1987, С. 115.

36. Калмыкова Е.Е., Михайлов Н.В. Виброактивирование цементного теста // Гидротехническое строительство. -1958-№8.-С. 18.

37. Кипнис Б.М., Ванаселья A.C., Клаусон В.Р. О перспективных направлениях применениях дезинтеграторов в различных технологиях // Строительные материалы. -1993. -№ 1.- С. 14 16.

38. Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей / / Изв. АН СССР, Сер. Матем. 1941. - Т.5. , № 1. - С. 3 -14.

39. Красовский A.A. Аналитическое конструирование контуров управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1969.

40. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973.

41. Красовский A.A. и др. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами / A.A. Красовский, В.Н.Буков, В.С.Шендрик. М.: Наука, 1977.

42. Красовский H.H., Летов А.М. К теории аналитического конструирования регуляторов // А и Т.- 1962. Т. 23, №6. -С. 720-731.

43. Красовский H.H., Лидский Э.А. Аналитическое конструирование регуляторов в стохастических системах при ограничениях на скорость управляющего воздействия //ПММ. 1961. - Т. 25, № 3. - С. 420-432.

44. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир, 1975.

45. Летов A.M. Аналитическое конструирование регуляторов / / А и Т. 1960. - Т. 21, № 4, 5, 6. - С. 436-441; 561-568; 661-665.

46. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969.

47. Летов A.M. Теория оптимального управления // Тр. II конгресса ИФАК. Оптимальные системы. -М.: Наука, 1965.

48. Ли Ф.М. Химия цемента и бетона /Пер. с англ. М.: Гос-стройиздат, 1969.

49. Лившиц М.Н. Аэроионизация: Практическое применение. — М.: Стройиздат, 1990.

50. Малый И.Н. Технология струйного перемешивания и свойства мелкозернистого бетона. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1982.

51. Машин А.Р. Струйная технология бетона: Учебное пособие-Ярославль, 1972.

52. Машин А.Р. Электронноструйная технология бетона и сборных железобетонных изделий. — Саратов: Приволж. кн. изд., 1968.

53. Медич Д. Статистически оптимальные линейные оценки и управление. М.: Энергия, 1973.

54. Месеняшин А.И., Бизяев О.Ю. Новая конструкция электростатического барабанного сепаратора / / Цветные металлы. -2000. №5.-С. 15-16.

55. Мин, Чао и Уаймен Измерение электростатического заряда твердых частиц в потоке аэрозоля / / Приборы для научных исследований. 1963. - № 5. - С. 66 - 68.

56. Обидченко А.В. и др. Дезагрегирование аэрозольных частиц в электрическом поле // Физика аэродисперсных систем: Межвед. научн. сборник. Киев: Выща школа, вып. 15 (1973), С.20 -24.

57. Олыпаховская Н.И., Меттус A.A., Ольшанский А.П. Силовое воздействие электромагнитного поля на аэрозоли / / Физика аэродисперсных систем: Межвед. научн. сборник. Киев: Выща школа, вып.14 (1973), С.54.

58. Основы электрогазодинамики дисперсных систем/ И. П. Верещагин, В.И. Левитов, Г.З. Мирзабекян, М.М. Па-шин. М.: Энергия, 1974.

59. Пат. 2073362 РФ, МКИ 6 С 04 В 40/00. Способ электростатической обработкиемента / B.C. Жабреев, О.О. Павловская, Э.Д. Едренкин.- № 94037619/33; Заявлено 6.10.94; Опубл. 10.02.97, Бюл. № 4.

60. Пат. 2158183 РФ, МКИ 7 В 02 С 19/18. Установка для электростатической обработки вяжущего материала / B.C. Жабреев, О.О. Павловская. № 99110159/03; Заявлено^.05.1999; Опубл. 27.10 2000, Бюл. № 30.

61. Пат. 569329 СССР, МКИ В 05 В 5/04. Устройство для нанесения электрически заряженных порошкообразных материалов/ Ю.В. Мерзин, А.Р. Хамитова .- № 2141927/05; Заявлено 06.06.75; Опубл. 25.09.77, Бюл. № 4.

62. Перевезенцев A.B. Электроочистка газов в цементной промышленности. М.: Стройиздат, 1969.

63. Повышение качества и технико-экономической эффективности строительных материалов: Сб. статей №141 / Под общ. ред. Г.И.Горчакова. М.:МИСИ, 1977.

64. Подольский A.A., Калакутский Л.И. , Логвинов Л.М. Измерение заряда аэрозольных частиц контактным ииндукционным способами / / Физика аэродисперсных систем: Межвед. научн. сборник. Киев: Выща школа, вып. 11 (1974), С. 34.

65. Подольский A.A., Логвинов A.M. Зарядка аэрозольных частиц в переменном электрическом поле с униполярным пространственным зарядом / / Физика аэродисперсных систем: Межведомств, научн. сборник. Киев: Выща школа, вып. 10, 1974, С. 33.

66. Поль Р. Учение об электричестве. М.: Физматгиз, 1962.

67. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Наука, 1962.

68. Райст П. Аэрозоли. Ведение в теорию / Пер. с англ. М.: Мир, 1987.

69. Резервы производства строительных материалов: Межвуз. сб. тр./ Отв ред. Г.И. Овчаренко. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999, С. 65.

70. Роса И., Петр В. Обжиг известняка в размолотом состоянии // Строительные материалы. 1957.-№2.-С. 12.

71. Санари Т., Кадоваки Т. Обжиг цемента, извести в кипящем слое // Строительные материалы за рубежом. 1971-№ 3. - С.24 -25.

72. Сильные электрические поля в технологических процессах (электронно-ионная технология) / Под ред. акад. В.И.Попкова. М.: Энергия, 1971, сб. 1-3.

73. Скрамтаев Б.Г. За коренное улучшение заводской технологии бетона // Бетон и железобетон. 1958. - № 6. - С. 201205.

74. Снайдер Д.Л. Метод уравнений состояний для непрерывной оценки в применении к теории связи / Пер. с англ. ; Под ред. В.Б. Силина. М.: Энергия, 1973.

75. Совершенствование технологии строительных материалов и конструкций: Межвуз. сб. научн. тр. / Под ред. Ю.П. Ржа-ницына Пермь: ППИ, 1990.

76. Солдатенко С.Е., Бирюков В.В. Ротационно-пульсационный аппарат для активации жидких компонентов строительных материалов / / Строительные материалы. 1987. - 1 2.-С. 28.

77. Соминский Д.С. Виброперемешивание цементно-песчаных смесей / / Известия Академии строительства и архитектуры СССР. 1959. - № 1. - С. 133.

78. Способы интенсификации и методы контроля процесса производства строительных материалов: Сб. ст. №69 / Под общей ред. В.А. Киреева. М.: Моск. инж.-строит. ин-т им. В.В. Куйбышева, 1971.

79. Стратонович Р.Л. Избранные вопросы теории флюктуаций в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1961.

80. Стратонович Р.Л. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М.: МГУ, 1996.

81. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. радио, 1975.

82. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. шк., 1997.

83. Тэнесеску Ф., Крамарюк Р. Электростатика в технике /Пер. с рум. М.: Энергия, 1980.

84. Формирование и свойства высокодисперсных систем: Меж-вуз. сб. научн. тр. / Под общ. ред. А.М. Липанова, А.С. Ду-дырева. Л.: ЛТИ, 1989.

85. Чернышев Е.М., Беликова М.И., Козодоев С.П. Измельчение и физико-химическая активность наполненного цемента / / Известия вузов. Строительство. -1994. № 7-8. - С.44-47.

86. Штаерман Ю.Я. Виброактивация цемента и виброобработка бетона // Гидротехническое строительство. 1959. -№ 8. - С. 18.

87. Экономия цемента в строительстве / Под ред. З.Б. Энтина. -М.: Стройиздат, 1985.

88. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1980.

89. Colleja J. ACIJ, 1952, № 7.

90. Kalman R.E. A new approach to linear filtering and prediction problems // Trans. ASME, J. Basic Engineering. 1960. Vol.82 D, March, p. 34-35.

91. Kalman R.E., Busy R.S. New results in linear filtering and prediction theory // Trans. ASME, J. Basic Engineering. 1961. Vol.83 D, March, p. 95-108.

92. Kalman R.E. Contribution to the theory of optimal control // Boletin de la Sociedad Matematica. Mexican. 1960. V.5, № 1. -p. 102-119.

93. Kushner H.J. On the Dynamical Equation of Conditional Probability Density Functions, with Applikations to Optimal Stochastic Control Theory //J. Math. Anal, and Appl.1964 Vol.8, №3, p. 332-344.

94. Kushner H.J. On the optimal control of system with arbitrary distribution of initial position and noise corrupted observation // Lincoln Laboratory, M.I.T., Report JA-2123, March, 1963.

95. Szuk G., Szabory N. Acta technica Acfdemical Sc. Hungarical., 22, 1-2, 1958.

96. Tobio M. Elektronics, vol.31, 1958,№ 4.

97. Youla D.C. The Use of Maximum Likelihood in Estimating Continuously Modulated Intelligence Which Has Been Corrupted by Noise.-"IRE Trans. Info. Theory", v. IT-3, pp. 90-105, Mar. 1954.