Delist.ru

Проектирование и исследование бункеров-дозаторов с оптимальными

Автор: Кочегаров Алексей Викторович

Как правило, при разработке систем механизации и автоматизации технологических процессов в лесной промышленности для воспроизводства лесов, являющееся одной из ее важнейших функций, не учитывается один из существенных показателей, характеризующих разнообразие физико-механических характеристик биологических объектов, в частности семян хвойных пород, при разработке бункеров-дозаторов с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами. Класс этих объектов управления, имеющих различие, приводящее к увеличению разнообразия, образуют объекты с неоднородными характеристиками, а при разработке бункеров-дозаторов лишь косвенно и частично учитывается различие (неоднородность) семян хвойных пород как биологических объектов, что не в полной мере обеспечивает качество процесса управления и не позволяет разработать достаточно полное алгоритмическое обеспечение, повышает ошибку при планировании экспериментов для формирования оптимизационной задачи. При этом целевые функции должны формироваться для однородных объектов управления, что обеспечит оптимальное проектирование бункеров-дозаторов и повышение эффективности и качества их функционирования.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной программы Воронежской государственной лесотехнической академии «Совершенствование машин для лесовосстановления и рубок ухода в различных типах леса» и с основными научными направлениями Воронежского государственного технического университета «Проблемно-ориентированные системы управления» и «САПР и методы автоматизации производства».

Целью диссертационной работы является разработка методологических основ проектирования и исследования бункеров-дозаторов семян хвойных пород с оптимальными конструктивно-технологическими параметрами для повышения равномерности и обеспечения дозирования подачи семян.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач исследования:

изучить состав семенного вороха, его компонентов и основные физико-механические свойства семян как исходные данные для обоснования конструкции и параметров бункера-дозатора;

обосновать новую конструкцию и разработать экспериментальный образец бункера-дозатора для подачи семян на рабочий орган решетной установки;

получить аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров с компьютерной поддержкой для определения количества размещенных в заслонке прутков, зазора между прутками, объема и массы очищаемого материала, захватываемого щеткой за один оборот, количества подаваемого семенного материала бункером-дозатором в единицу времени;

дать оценку неоднородности биологических объектов и предложить метод определения неоднородности семян хвойных пород для декомпозиции математического описания технологического процесса в бункере-дозаторе;

получить математическое описание бункера-дозатора по производительности и коэффициенту вариации методом планирования эксперимента;

сформировать оптимизационную модель технологического процесса дозирования семян;

провести многофакторные экспериментальные исследования нового бункера-дозатора, на основе которых получить математические модели для обоснования оптимальных конструктивно-технологических параметров бункера-дозатора решетной установки;

провести лабораторные исследования и испытания новой конструкции бункера-дозатора и дать технико-экономическое обоснование эффективности использования разработанной конструкции бункера-дозатора решетной установки.

Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории системного анализа, методы математической статистики и теории вероятностей, методы математического моделирования, планирования эксперимента и оптимизации сложных объектов управления, методы оценки неоднородности объектов управления и методы декомпозиции и математического описания объектов с неоднородными характеристиками.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

конструкция нового бункера-дозатора решетной установки, оригинальность которой защищена патентом, отличающаяся тем, что щеточный питатель отделен от семенной массы наклонным днищем, а в зоне выпускного отверстия предусмотрена регулировочная гребенчатая заслонка;

аналитические зависимости конструктивных и технологических параметров, позволяющих оптимально определять количество размещенных в заслонке прутков, зазор между прутками, объем и массу очищаемого материала захватываемого щеткой за один проход и количество подаваемого семенного материала бункером-дозатором в единицу времени;

комплекс методов определения неоднородности семян хвойных пород, позволяющих осуществлять декомпозицию математического описания технологического процесса в бункере-дозаторе для формирования оптимизационной модели с использованием обобщенного показателя неоднородности;

методика экспериментального исследования бункера-дозатора с щеточным питателем, позволяющая определить физико-механические свойства семян хвойных пород и конструктивно-технологические параметры бункера-дозатора для оценки неоднородности для математического описания и формирования оптимизационной задачи;

математические модели для определения оптимальных параметров технологического процесса подачи семян на рабочий орган устройства предложенным дозирующим устройством и установления оптимальных конструктивно-технологических параметров бункера-дозатора, обеспечивающих равномерную и дозированную подачу семян на верхнее решето установки;

оптимизационная модель технологического процесса равномерной и дозированной подачи семян и по коэффициенту вариации, учитывающая ограничения задаваемой производительности бункера-дозатора и неоднородность семян хвойных пород;

оптимальные конструктивные параметры и технологические режимы работы нового бункера-дозатора, обеспечивающие равномерную и дозированную подачу семенного материала на верхнее решето установки, достоверность которых подтверждена хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных и положительными результатами лабораторных исследований и испытаний бункера-дозатора в производственных условиях.

Практическая значимость и реализация результатов исследования. В результате научных исследований разработана конструкция бункера-дозатора, оригинальность которой защищена патентом РФ № 2167725, позволяющая производить равномерную и дозированную подачу семенного материала на рабочий орган машины, определены оптимальные конструктивные параметры и технологические режимы работы дозирующего устройства. Разработаны практические рекомендации по использованию бункера-дозатора в машине для вторичной очистки и сортирования семян хвойных пород, позволяющие минимизировать потери ценного семенного материала. Материалы научных исследований переданы в ЦОКБ «Лесхозмаш», используются в учебном процессе ВГЛТА и в учебном процессе на кафедре проектирования механизмов и подъемно-тарнспортных машин ВГТУ. Разработанная конструкция решетной установки с новым бункером-дозатором прошла опытно-производственную проверку в Бобровском опытном лесокомбинате и Семилукском лесхозе Воронежского комитета природных ресурсов, показав хорошее качество работы, подтвержденное технико-экономическими оценками.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Химико-лесной комплекс – научное и кадровое обеспечение. Проблемы и решения» (Красноярск, 2000); межвузовской конференции «Интеграция» (Воронеж, 2000); научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития лесохозяйственного машиностроения» (Пушкино, 2000); Международной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2001); Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.Е. Печенкина (Йошкар-Ола, 2001); Международной научно-практической конференции (Минск, 2002); Всероссийской конференции «Лесной и химический комплексы, проблемы и решения» (Красноярск, 2003); Всероссийский научно-практической конференции с международным участием (Воронеж, 2004); межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы лесного комплекса» (Воронеж, 2005); Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2005); Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2005-2007); заседаниях кафедры «Механизация лесного хозяйства и проектирование машин» ВГЛТА (1999-2002); на заседаниях кафедры «Проектирование механизмов и подъемно-транспортных машин» ВГТУ (2007); научно-тематическом семинаре ВГТУ «Проблемно-ориентированные системы управления» (2005-2007).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 49 научных работах, в том числе 14 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, соискателем представлен теоретический материал для проектирования плоских механизмов [2], разработаны математические подходы для определения угла наклона решет в решетной установке [20, 26], получены и проанализированы результаты математического моделирования параметров бункера-дозатора [18, 22, 25, 30, 33], разработаны и изучены аналитические зависимости для определения осевой скорости движения семян хвойных пород [19, 21, 23], проведен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований бункеров-дозаторов [29, 32].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 209 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 203 страницах, содержит 39 рисунков и 29 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, их научная новизна, практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об апробации и внедрении работы, показаны основные пути решения сформулированных задач.

В первой главе дан анализ физико-механических свойств семян хвойных пород, существующих способов и устройств для равномерной и дозированной подачи семенного материала, а также рассматриваются вопросы оценки неоднородности применительно к процессу дозирования семян хвойных пород.

Из обзора и анализа литературных источников по физико-механическим свойствам семян хвойных пород и примесей установлено, что данные по этим исследованиям можно использовать при проектировании конструкции бункера-дозатора, однако при обосновании основных параметров проведения необходимых численных расчетов требуется знать состав исходного вороха и отдельные свойства семян.

Анализ существующих загрузочно-дозирующих конструкций для подачи семенного материала и устройств, осуществляющих данную операцию показал, что для этих целей используются ленточные, тарельчатые, вибрационные, барабанные, шнековые и другие питатели-дозаторы. Используемые питатели шлицевого, шлифтового, шнеково-щеточного и других типов показали невысокую эффективность, так как их основная задача состоит в отделении крылаток от семян в стадии подачи. Ранее проводимые исследования показали, что они неравномерно подают исходную смесь, травмируют семена при подаче (дробление, смятие и т.д.), забивают выгрузочные отверстия семенами. Эти дозаторы не пригодны по своим конструктивно-технологическим параметрам для равномерной и дозированной подачи семенного материала на рабочий орган устройств, осуществляющих сортирование семян по размерам. Общим недостатком загрузочно-дозирующих устройств является то, что питатель в них размещен в самом бункере и практически взаимодействует со всей семенной массой, что приводит к повреждению семян. Установлено также, что до настоящего времени не проведено исследований по бункерным и дозирующим устройствам для лесных семян, что затрудняет создание конструкции бункера-дозатора.

Исследованиям, связанным с обоснованием конструкций и параметров бункерно-дозирующих устройств, посвящены работы ряда ученых. Отмечается, что полученные ими аналитические зависимости пригодны для расчета параметров дозирующих устройств, имеющих большую производительность 4-20 т/ч. Сортировальные машины для лесных семян имеют небольшую проектную производительность, которая составляет 3-10 кг/ч (2-3 г/с), и поэтому расчетные зависимости, полученные ими для обоснования конструктивно-технологических параметров, непригодны.

Анализируя процесс истечения материалов из бункера, основной количественной характеристикой которого является объем и масса сыпучего материала, истекающего через выпускное отверстие бункера в единицу времени.

В устройствах и машинах для переработки семян, где одним из важнейших технологически значимых узлов является бункер-дозатор, равномерная и дозированная подача семенного материала на рабочий орган машины определяет качество обработки семян.

Анализируя работы А.И. Мансимова, Р.Л. Зенкова, А.В. Гячева, В.А. Богомягких, В.Ф. Семенова, К.В. Алферова, И.И. Кочанова, можно отметить, что основными параметрами, влияющими на величину расхода сыпучих материалов из бункеров являются: размер выпускного отверстия бункера и физико-механические свойства сыпучих материалов. В ряде аналитических зависимостей присутствуют определенные коэффициенты и константы, значения которых зависят от вида истекающего из бункера материала и соотношений конструктивного плана, применительно к машинам с большой часовой производительностью. Поэтому применение этих зависимостей при обосновании бункера с питателем в решетной установке со значительно меньшей производительностью не является правомерным.

В связи с этим, проектируя новую конструкцию бункера-дозатора для работы с семенами лесных пород, требуются исследования по изучению исходного вороха семенного материала, а также исследования по выявлению влияния отдельных показателей физико-механических свойств лесных семян, обоснованию конструкции и технологических параметров бункера с питателем в машине для вторичной очистки и сортирования лесных семян.

Дозирующие устройства, устанавливаемые в загрузочных бункерах, являются первоначальным звеном любого технологического процесса, связанного с обработкой и посевом хвойных пород семян. Их задача состоит в том, чтобы непрерывно и равномерно подать исходную смесь на рабочие органы соответствующего устройства для последующей обработки семян. От качества работы этих устройств зависит эффективность всего технологического процесса.

Приведенный анализ исследований процесса подачи и дозирования семенного материала показал, что имеется ряд экспериментальных работ по обоснованию рабочих процессов и режимов работы подающих устройств. Однако использование для этих целей устройств шлицевого, штифтового шнеково-щеточного и других типов, применяемых в машинах СУМ-1, ОС-1 и МОС-1, показали невысокую эффективность, так как основная задача этих устройств - отделение семян от крылаток в стадии подачи. Ранее проводимые исследования показали, что они неравномерно подают исходную смесь (особенно малосыпучую), травмируют семена при подаче (дробление, смятие и т.д.), забивают выгрузочные отверстия семенами. Также следует отметить, что во многих конструкциях питатель размещен в самом бункере и практически взаимодействует со всей семенной массой, что приводит к травмированию семян.

При разработке бункеров-дозаторов для семян хвойных пород лишь косвенно или частично учитывается неоднородность их характеристик, являющихся мерой разнообразия. Поэтому в работе рассматриваются и анализируются неоднородность и ее оценки применительно к биологическим объектам управления, к которым относятся семена хвойных пород при их дозирования. При моделировании и оптимизации технологического процесса дозирования и подачи семян методом планирования эксперимента возникает необходимость учета источников неоднородностей для уменьшения ошибки эксперимента. Неоднородности разделяют на внутренние и внешние. К внутренним неоднородностям относится различие характеристик между объектами по управляемым входным переменным. Внешние неоднородности – это неоднородности неуправляемых входных переменных, которые в свою очередь делятся на конструкционные и производные.

Конструкционная неоднородность связана с зависимостью выходных переменных от пространственных параметров и конструкции объектов. К производственным неоднородностям относятся различие исходного материала (состояния) и технологической среды.

загрузка...