Математическое моделирование процесса обжига керамического кирпича Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Щц час цього перiоду температура спадае до 30 °С . Пюля видалення iз сирцю вологи настае перiод рiвновагового стану.

Висновки. У ходi роботи була розроблена i реалiзована в програмi МЛТЬЛБ 6.0 блок-схема математично! моделi тунельного сушила. Цю блок-схему доцiльно використовувати для мiнiмiзацi! енергоемностi процесу сушшня керамiчно! цегли. Також було запропоновано регулятор, за допомогою якого здшснене регулювання температури всерединi i на поверхш тунельного сушила. Це дозволило полшшити якiсть процесу сушiння керамiчно! цегли.

ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА

1. Прокопенко М. Н., Болотова А. С. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом сушки керамического кирпича в камерных сушилах на базе 8СЛБЛ-систем. Том 37. Техшка. - Дншропетровськ : Наука i освгга, 2005. С. 41 - 45

2. Румянцев Б. М., Журба В. П. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий. - М. : Высшая школа, 1991. - 160с.

3. Дьяконов В. 81шиПпк 4. Специальный справочник, СПб, Питер. - 2002. - 528 с.

4. Дьяконов В. МАТЬАБ 6: учебный курс, СПб. Питер. - 2001. - 592 с.

5. Глухов В. Н. Автоматическое регулирование процессов термообработки и сушки строительных изделий. - Л., Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 88 с.

6. Марсов И. В., Славуцкий В. А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии. Л. : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1975, 287 с.

УДК 624.048:666.3.046.4

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ОБПАЛЮВАННЯ

КЕРАМ1ЧНО1 ЦЕГЛИ

Л. I. Чумак, к. т. н., доц., М. В. Штръко, к. т. н., доц., Т. М. Сенъка, студ., Т. О. Платонова, маг1стр

Ключовi слова: математична модель, обпалювання, керам1чна цегла, регулювання, оптим1зац1я.

Вступ. Нарощування темтв будiвництва i конкуренщя мiж виробниками будiвельних матерiалiв на ринку Укра!ни викликае необхвдшсть збшьшення кшькосп i полшшення якосп будiвельно! цегли. Це завдання може бути виршене шляхом удосконалення систем управлшня технолопчними процесами, зокрема обпалювання, яке е завершальним етапом виробничого циклу отримання цегли. Саме шд час обпалювання формуються властивосп продукци, як визначають поняття «яюсть». Воно включае в себе як вимiрюванi мехашчш та гiдрофiзичнi показники (мщнють, морозостiйкiсть i водопоглинення), так i вiзуальнi дефекти (трiщини, оплавлення, перепал). Обпалювання слiд розглядати як сукупшсть тепло- i масообмiнних процешв, якi супроводжуються фазовими i хiмiчними перетвореннями сировини.

Мета. Розробити i провести дослiдження математично! моделi процесу обпалювання керамiчноl цегли, враховуючи динамшу теплового процесу для визначення параметрiв устаткування i рацiонального закону регулювання температури, що пiдвищить якiсть цегли та зменшить економiчнi затрати.

Завдання. Звертаючи увагу на вище сказане слщ провести дослiдження математично! моделi з використанням сучасних iнформацiйних технологш, визначити динамiчнi параметри для оптимiзацi! системи.

Виклад основного матерiалу. Моделювання - це процес дослiдження об'екпв пiзнання за допомогою !х моделей. При цьому дослщник мае справу не з реальним об'ектом, а з його моделлю. Результати дослщження моделi переносяться на реальний об'ект.

Математична модель процесу являе собою залежнють вихвдних величин процесу вщ вхiдних параметрiв. Вона створюеться на основi теорi! термодинамiки. Модель об'екта управлшня може бути знайдена на пiдставi аналiзу фiзичних законiв. В основi цього лежить застосування методу малих вiдхилень, сутнiсть якого полягае в такому. Використовуеться запис малих вщхилень, як змшний параметр, що входить у рiвняння теплового балансу. По^м з

одержаного рiвняння вщшмають вихщш i результат дшять на прирют часу А1;^-0. Отримане сшввщношення е математичною моделлю процесу обпалювання [1].

Рiвняння теплового балансу зони обпалювання тунельно! печi мае вигляд:

01 - 02 - 03 = 0. (1)

При цьому приймаеться, що цегла з вагонеткою при в'!здi в зону i ви!здi (перiодично) приносить i несе рiвну частку тепла. Крiм того, змши, що вiдбуваються iз цеглою, не змiнюють кiлькостi тепла в процес обпалювання. Тодi в рiвняннi (1) ураховуються такi потоки тепла:

0Х - тепловий потiк газiв (первинний) вiд пальникiв; 02 - тепловий потш газiв (вторинний), що залишае зону обпалювання; 03 - потш теплових втрат через огородження

зони обпалювання (стши i звщ печi).

У цьому випадку не враховуються тепловi потоки втрат через шдсмоктувач^ потоки мiж зоною охолодження i обпалювання, вплив пiдсмоктувань i викидiв за рахунок теплоноспв - щ потоки е неконтрольованими збуреннями, а також потоки тепла, що виходять iз зони разом iз цеглою i вагонетками.

Слiд зазначити, що потоки 0Х i 02 - керуючi, а 03 - збурення. Регульованою величиною

е температура дп димових газiв (вторинних) у зош обпалювання. Завдання дослiдження полягае у встановленш залежностi ще! температури вщ змiни вхiдних величин (керуючих i збурювальних) iз часом.

Основним фiзичним законом, що зв'язуе температуру пов^ря в зонi обпалювання вП вщ керуючих i збурювальних впливiв, е закон збереження енерги, який для процесу обпалювання

можна записати так: ст-= , (2)

де с - теплоемнють речовини, кдж/(кг°С); т - маса речовини в об'ем^ кг;

д - температура речовини, °С; 0 - тепловi потоки, що впливають на речовину.

Передбачаеться, що зона обпалювання складаеться iз двох фiзичних тiл: повiтря (димових газiв згорання палива) i огородження, теплофiзичнi властивостi яких сильно вiдрiзняються один вiд iншого. Отже, теплообмш мiж повiтрям зовнiшнiм i усередиш обпалювального каналу можна записати такою системою рiвнянь у вiдхиленнях:

СП тп = Л01 -0 -¿03 ш

йд

сОГтОГ—ТГ = Л0з - Л04

(3)

де сп - питома теплоемнють пов^ря, кдж/(кг °С); СОГ - питома теплоемнють огородження, кдж/(кг °С); тп - маса повиря, кг; тОГ - маса огородження, кг; Л01, Л02, Л03, Л04 - вщхилення вiд розрахункових значень теплових потоюв вiдповiдно з повiтрям що

надходить у зону обпалювання (первинними димовими газами), i йде в зону шдготовки (вториннi димовi гази), вщ повiтря усерединi зони обпалювання до огорож i вiд огорожi до зовшшнього повiтря [1].

Система рiвнянь (3) описуе дослiджуваний об'ект iз деякою iдеалiзацiею. При складаннi рiвнянь прийнятi такi допущення: зона випалу обпалювання тунельно! печi розглядаеться як лшшний об'ект iз зосередженими параметрами; щшьнють повiтря не залежить вщ температури i тиску усерединi примщення; час перемiщення повiтря усерединi зони обпалювання не враховуеться; тепло вагонеток на входi i виходi прийняте постiйним; температура повiтря первинного i вторинного прийнята однаковою.

Оцiнка впливу прийнятих допущень на результати аналiзу показуе, що помилки, якi виникають, не виходять за меж1 припустимих при iнженерних розрахунках теплоенергетичних процеав.

Для виведення динамiчних характеристик об'екта необхщно в систему рiвнянь (3) тдставити значення теплових потокiв, виражаючи !х через питомi теплоемностi, маси, перепади температури, поверхш теплопередачi i коефiцiенти теплообмiну:

СПтП = сПАтПП (вПП -вП ) - сПАтП (вП - вЗОВН )- ГОГа ВН (АвП - Авог )

dt

de

согтог = ГОГа ВН ((П - АвОГ) - FОГа ЗОВН ((ОГ - АвЗОВН )

dt

(4)

де сП - питома теплоемшсть повпря, кдж/(кг°С); сОГ - питома теплоемшсть огорож1, кдж/(кг°С); тП - маса повпря усерединi зони обпалювання, кг; тОГ - маса огорожi (стш i зводу), кг; АтПП, Ат^ - прирiст маси подаваного i внутршнього повiтря, кг/с; For - площа огорожi, м2; аВН, аЗОВН, - коефщенти теплообмiну внутрiшнiх i зовшшшх поверхонь огорожу Вт/(м2 0С); АвЗОВН, АвП, АвОГ - прирют температури зовшшнього i внутршнього повпря (при подачi повпря через на^вальну або охолоджувальну установку, температура подаваного повггря вПП в^^зняетъся вщ температури зовшшнього повпря вЗОВН ).

З огляду на те, що АтП = АтПП, можна спростити перше р!вняння системи (4):

сПтП = СПАтП ((ПП - 2вП +вЗОВН )-ГОГа ВН (( П -АвОГ ) (5)

dt

з якого:

Ав = сП тП АП +Ав - сП тП (вПП - 2вП + вЗОВН) (6) ГОГаВНdt FОГaВН

Пiдставляючи значення АвОГ в друге р!вняння системи (4), одержимо:

сОГтОГсПтП * d АвП + СОГтОГаВН + сПтП (аВН + аЗОВН ) * dAeП + Ав =

FОГ аВНаЗОВН dt FОГaВНaЗОВН dt

сП (аВН + аЗОВН Х(ПП 2вП + вЗОВН ) * ГОГа ВН а ЗОВН

-а ОГ тОГ-) * — + Ат

ГОГ (аВН + а ЗОВН ) dt

+ АвЗОВН ■ (7)

У канонiчнiй форм! р!вняння динамiки зони обпалювання тунельно! œ4i мае вигляд:

_ 2 d АвП „ dАвП ,f dАmП i - ,оч

ТО2—2П + Т1—ТГ + АвП = к\Т^—ГП + АтП \+взoвн, (8)

т 2 сОГсПтОГтП / оч

де то = f~2-; ( 9)

Г ОГ аВНаЗОВН

Т = сОГтОГаВН + сПтП + сПтПаЗОВН . (10)

ГОГа ВНа ЗОВН

т2 =——; (п)

ГОГ (ВН + а ЗОВН )

k = СП (ВН + аЗОВН ))вПП 2вП + вЗОВН ) (12)

ГОГ а ВН а ЗОВН

Передатна функщя зони обпалювання тунельно! печi по керуючому впливу мае вигляд:

Ав ( ö) = Ik(Т2p +1)

Ат1 ( ö) Т02 p2 + Т Р +1

Значення коефщенпв, що входять у передаточну функщю:

w(р)=4^^ = „, rrz4 .. d3)

УП = 50,8 м3; а ВН = 2 000 Вт/М• °С) ;

УОГ = 103,9 м3; а ЗОВН = 2 000 Вт/М• °С);

тП = 0,012 кг; ГОГ = 100,3 м2;

тОГ = 23503,5 кг; вПП = 600 °С;

сП = 1,005 кдж/(кг°С); в П = 1000 °С;

сОГ = 0,9 кдж/(кг• °С); вЗОВН = 20°.

У результат розрахунюв за вищенаведеними формулами виходить: Т0 = 0,101; Т = 0,105 ; Т2 = 0,053 ; к = 0,2 Передаточна функщя об'екта регулювання(ОР):

Ж (р) =

0,2(0,053 д +1) 0,0101 д2 + 0,105 д +1'

Кожна система автоматичного регулювання складаеться з регулятора та об'екта управлшня (ОУ). Критерiем для правильного вибору закону регулювання може служити значення вщношення часу чистого затзнення об'екта до його постшно! часу т /Т. Якщо це вiдношення менше 0,2, то вибирають регулятор позицшно! ди, при значеннi вiдношення бiльше 1 -iмпульсного типу, якщо ж 0,2<т/Т <1, то регулятор безперервно! ди. Оскiльки в нашому випадку Т приблизно 25 % вщ т , вибираемо регулятор безперервно! ди .

Для виконання оптимiзацi! системи управлiння процесом обпалювання керамiчно! цегли, розглянуто! в [2; 3], розроблено структурну схему системи (рис. 1).

Рис.1. Структурна схема САР обпалювання керам^чног цегли

де: 1111 - шдсилювач потужносп, пускач; ВМ - виконавчий мехашзм, МСО; Р - регулятор, комп'ютер; РО - регулювальний орган, заслшка; ОР - об'ект регулювання, зона обпалювання; ДТ - датчик температури, термопара.

Виконуемо розрахунок динамiчних параметрiв системи з подальшим !х моделюванням за допомогою прикладно! програми 8тиПпк моделювання МЛТЬЛБ 6.5.[4; 5]. Передатна функщя датчика температури - це штегральна ланка :

к . (14)

ждт (р) =

Т*р +1

к = ^вЫ = = 0,004(В); Хвх 1000 С °

(15)

Т= 40(с);

Ждт (р) = -

0,004

40* р + 1

Передаточна функщя виконавчого мехашзму - це штегральна ланка:

ЖВМ ,РО (р)--

ЖВМ,РО (р) =

к

Т* р +1

0,055 50* р +1

(16) ( 17)

Рис. 2. Блок-схема моделг САР обпалювання керамгчно! цегли, реалгзована в MATLAB 6.5

Пускач представлений у виглядi блока лопки з тдсилювачем. Регулятор представлений на cxeMi блоком PID-Controller

V,B

V,B

Рис. 4. Перехгдний процес системи тсля оптимгзацИ

Висновок. У результат математичного моделювання було знайдено передатну функцiю системи автоматизованого управлшня процесу обпалювання керамiчноl цегли, побудовано перехвдний процес. За допомогою програми MATLAB 6.5 проведено оптимiзацiю системи, зменшено час регулювання з 81 до 72 секунд, це дозволить полшшити якiсть регулювання процесу обпалювання виробiв, зменшить витрати теплоношя.

ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА

1. Мартыненко И. И., Лысенко В. Ф. Проектирование систем автоматики. - М. : Агропромиздат,1990. - 243 с.

2. Ралко А. В., Крупа А. А. Тепловые процессы в технологии силикатов. - К. : Вища школа, 1986. - 232 с.

3. Бейко И. В., Бублик Б. М. Методы и алгоритмы задач оптимизации. - К. : Вища школа, 1983. - 512 с.

4. Дьяконов В. 8тиНпк 4. Специальный справочник, СПб, Питер. - 2002. - 528 с.

5. Дьяконов В. МЛТЬЛБ 6: учебный курс, СПб., Питер. - 2001. - 592 с.

УДК 531.768:531.74

ДАТЧИКИ КРЕНА ДЛЯ ГРУЗОВЫХ МАШИН

Г. Н. Ковшов, д. т. н., проф., А. В. Садовникова, к. т. н., Л. И. Живцова, асп.

Ключевые слова: датчики крена, микромеханический акселерометр, математическая моделъ, угол отклонения от вертикали, оси чувствителъности.

Постановка проблемы. По мере роста научно-технического прогресса и технического уровня строительства совершенствуются технологии и, соответственно, машины, работающие в тяжелых карьерных условиях. В настоящее время для определения пространственного положения объекта во многих строительных фирмах мира используют системы автоматического контроля строительной техникой. Повышаются требования к надежности, долговечности и технологичности строительной продукции.

Создание системы контроля погрузки и разгрузки тяжелых грузовых машин, работающих в карьерах, позволяет с успехом решить научно-техническую задачу, заключающуюся в определении угла отклонения кузова грузовой машины от вертикали, поскольку при погрузке возможно неравномерное распределение груза, что вызывает опрокидывание грузовых машин.

В статье рассматривается статическое равновесие объекта, без учета существующих инерционных сил.

Грузовые машины работают в тяжелых карьерных условиях, при значительных колебаниях температуры окружающей среды ± 50 °С, температурные перепады оказывают существенное влияние на работу элементов системы контроля. Одним из наиболее важных элементов системы контроля положения кузова грузовых машин является датчик отклонения от вертикали.

При неравномерной погрузке и движении тяжелых грузовых машин по неровной поверхности возможно смещение центра тяжести, что может привести к опрокидыванию машины.

Целесообразно было бы разработать систему контроля положения кузова грузовой машины. Разработка такой системы требует использования датчика крена (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения датчика крена грузовой машины