Delist.ru

Методы и алгоритмы синтеза автоматизированных технологических систем с газовым буфером (15.09.2007)

Автор: Носов Олег Александрович

В первой главе определены и охарактеризованы основные элементы газового буфера, представлены физические основы его функционирования и причины нарушения. Особое внимание уделено характеристикам поля давления рабочей среды в ограниченных щелевых зазорах и эффектам, возникающим вследствие проявления инерционных свойств течения газа.

Охарактеризованы существующие в настоящее время методы обеспечения эффективного функционирования газового буфера.

Представлены основные уравнения, описывающие газодинамические процессы, протекающие в газовом буферном слое; обозначены пути их решения с учётом принятых в настоящее время допущений. Показано, что ранее решены лишь задачи, в которых толщина буферного слоя либо не меняется во времени, либо это изменение подчиняется гармоническому закону; не создано математического описания газовых буферов, в которых одна из ограничивающих поверхностей легкодеформируема.

Проведенный анализ тенденций развития, методов и алгоритмов контроля и управления в системах с газовым буфером и их недостатков, позволил предложить обобщённую структуру теоретических и экспериментальных исследований, сформулировать задачи работы и наметить пути их решения (рис. 1).

Вторая глава посвящена разработке методов устранения эффектов «пневмозахвата» и «прошивания» в системах с буфером газовым стационарным (БГС).

В результате проведённых исследований созданы математическая модель БГС с единичной струёй, методика и алгоритм расчета его характеристик.

Разработана математическая модель БГС с решёткой газораспределительной (РГ), методика и алгоритм его расчета (рис. 2 и 3).

Получено уравнение, описывающее поле давления в слое газовом буферном (СГБ):

с; Vx, Vy – проекции вектора скорости ограничивающей СГБ поверхности, м/с; Р – избыточное давление среды в СГБ, Па.

Рис.1. Обобщенная структура исследований БГ: 1- эффективно функционирующий БГ; 2 – объект воздействия твёрдый; 3 – объект воздействия легкодеформируемый; 4 – величина расхода газа обеспечивает устойчивую работу БГ; 5 – геометрия РГ обеспечивает устойчивую работу БГ; 6 – колебательные процессы в системе не приводят к потере работоспособности; 7 – влияние эффектов “пневмозахвата” и “прошивания” не приводит к потере работоспособности; 8 – запи-тывание БГ осуществляется диск-ретно; 9– расходно–перепадные ха-рактеристики системы опти-мизированы; 10 – подшипники с газовой смазкой, устройства для транспортирования, измерения параметров и технологической обработки; 11 - колебательные процессы активно демпфируются; 12 – отверстия перфорации РГ оснащены питающими карманами;13 – используются пористые РГ; 14 – транспортирующие устройства с “кипящим” зернистым слоем; 15 – транспортирующие устройства с заслонкой типа “замкнутая перфорированная лента”; 16 – устройства для транспортирования, взвешивания и сортировки; 17 – устройства для оперативного регулирования несущих свойств СГБ, загрузки и выгрузки вязко-пластичной и вязко-упруго-пластичной масс; 18 – исследование гидрогазодинамических процессов, протекающих при взаимодействии струй вязко-пластичной массы с потоком газа; 19 - исследование поля давления газа в дискретно запитываемом СГБ; 20 – математическое моделирование системы “плоская перфорированная заслонка – цилиндрическое сопло-СГБ”; 21 – исследование взаимодействия нормально набегающей затопленной струи газа с опорной поверхностью объекта легкодеформируемого; 22 – исследование влияния свойств объекта воздействия на оптимальные геометрические параметры РГ устройств и угол наклона рабочих поверхностей; 23 – математическая модель устройства для бесконтактных взвешивания и сортировки объектов по массе; 24 – исследование колебательных процессов в системах с СГБ; 25 – математическая модель колебательных процессов в системе “полусферическая РГ – СГБ – фрагмент вязко-пластичной массы”; 26 – математическая модель БГ в системах с полусферической РГ; 27 - математическая модель транспортирующего устройства с пневмокамерой, заполненной “кипящим” зернистым слоем; 28 - математическая модель гидрогазодинамических процессов, протекающих в дискретно запитываемом СГБ при транспортировании легкодеформируемых грузов; 29 – экспериментальное подтверждение эффективности модели; 30 - математическая модель БГС; 31 - экспериментальное подтверждение эффективности модели; 32 – решение задачи оперативного управления; 33 – разработка алгоритма управления; 34 - автоматизированный комплекс по производству строительного декора; 35 - автоматизированный участок формования и охлаждения конфетной масыс; 36 - автоматизированный участок разделки мучного теста; 37 – промышленная апробация

Разработан пакет программ, реализующих методики и алгоритмы расчета устройств БГС, прошедший апробацию в условиях рассматриваемого класса производств.

Решена задача оптимизации выбора геометрических параметров РГ и, удерживаемого на СГБ, объекта легкодеформируемого (ОЛ), расходно-перепадных характеристик системы с целью обеспечения эффективного функционирования БГС.

Предложен оригинальный способ удержания и транспортирования ОЛ на СГБ.

Полученные результаты исследований могут использоваться при разработке оборудования для бесконтактных транспортирования, взвешивания и сортировки легкодеформируемых изделий и полуфабрикатов.

В третьей главе предложены способы снижения или полного исключения нежелательных эффектов, обусловленных инерционными свойствами течения газа, а также методы активного демпфирования колебательных процессов в несущих и транспортирующих системах, содержащих буфер газовый нестационарный (БГН).

Разработана математическая модель гидрогазодинамических процессов, протекающих в транспортирующих системах с дискретно-запитываемым СГБ.

Рассматривая последний как систему, обладающую упругими и вязкостными свойствами, можно определить силу, действующую со стороны СГБ на элементарный тороидальный фрагмент ОЛ:

– линейная скорость перемещения элементарного фрагмента, м/с.

Жесткость СГБ можно определить следующим образом:

где рср – среднее давление газа в СГБ, Па; (р – избыточное давление газа в пневмокамере, Па; R – радиус тела, м.

Отклонение давления рабочей среды от стационарного значения:

где ( - плотность газа, кг/м3; Qср – средний расход газа через отверстие РГ за один период перекрывания, м3/с; (i - коэффициент расхода; Sср – среднее значение открытой площади отверстия РГ за период перекрывания, м2; (п – частота перекрывания, Гц.

На элементарный фрагмент ОЛ действует также сила трения со стороны соседних фрагментов (рис. 4). Она учитывает реологические свойства ОЛ и обусловлена наличием возникающих при течении ОЛ касательных напряжений:

где n(t) – индекс течения; t –текущее значение времени, сек; Kк - коэффициент консистенции; НК – высота фрагмента, м; (H –осредненное значение приращения высоты соседних фрагментов ОЛ, м; (r – толщина фрагмента, м.

Уравнение движения элементарного фрагмента можно записать следующим образом:

где Fвс – вынуждающая сила, Н.

Полученное выражение описывает отклонение толщины СГБ от начального значения. В зависимости от реологических свойств материала ОЛ можно подобрать значения расхода газа питающего СГБ и частоты перекрывания отверстий РГ, при которых z(t,r) будет принимать минимальные значения.

Разработана методика расчета оптимальных параметров транспортирующих систем с дискретно запитываемым СГБ с соответствующим алгоритмом (рис. 5).

Результаты проведённых исследований могут быть использованы при разработке устройств для формования вязко-пластичных масс, транспортирования легкодеформируемых объектов и их загрузочных участков (рис. 6).

Разработана математическая модель процесса загрузки ОЛ на СГБ. Представлены методика и алгоритм расчёта участков загрузки устройств для транспортирования легкодеформируемых объектов.

На основе результатов фотосъёмки движения струи массы вязко-пластичной (МВП) во встречном потоке газа было принято допущение о постоянстве формы и размеров поперечного сечения струи во время её движения. Траектория движения струи

на первых двух можно описать с помощью уравнения при начальных условиях (t=t0; z0=S, V1=V0 – первый этап, t=t2; z0=S-h1, V=V1к – второй этап):

где z – текущее значение расстояния от точки О2 (центра масс струи) до рабочей поверхности РГ, измеряемое по вертикали, м; z0 – текущее значение расстояния от точки О1 до рабочей поверхности РГ, м; V1к – скорость движения т. О2 в конце первого этапа, м/с; m –масса полуфабриката, кг; Fтр – сила трения в каналах дозирующего устройства, Н; Fn – сила, действующая со стороны поршня дозирующего устройства, Н.

Координаты точек О2 и О1 связаны следующим образом:

где R1 – радиус поршня дозирующего устройства, м; Rc – радиус поперечного сечения струи МВП, м; Нм – высота массы в дозаторе отливочного механизма, м; d1 – диаметр внутреннего канала насадка, м; L1 – длина насадки отливочного механизма, м.

Уравнение движения точки О2 струи на третьем этапе при начальных условиях t=t2; z0=h0, V=V2к:

где V2к – скорость движения т. О2 в конце второго этапа, м/с; p – избыточное давление газа в СГБ, Па; А - площадь опорной поверхности объекта, м2.

вследствие упругих свойств системы, происходят затухающие колебания в вертикальной плоскости. Масса перемещается как единое целое (в поршневом режиме), а также возникает так называемая “бегущая волна” (рис. 8). Для описания колебательных процессов, протекающих на этапе заполнения внутрирешёточного пространства, необходимо решить систему, включающую уравнения движения точки О3 и (9).

Дифференциальное уравнение МВП на СГБ после заполнения внутрирешёточного пространства имеет вид:

; h0 - толщина СГБ при стационарных условиях, м.

загрузка...