CC BY
8УДК 621.929,6:5313
М.Ю. Таршис, А.И. Зайцев
МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ СМЕСИТЕЛЕЙ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ С ЭЛАСТИЧНЫМИ РАБОЧИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
(Ярославский государственный технический университет)
Предлагается алгоритм проектирования структурной схемы смесит едя сыпучих материалов с эластичными рабочими элементами, разрабатываемый па основе системного подхода. На стадии формирования структуры используется метод эвристических приемов преобразования технического устройства. Устанавливаются функциональные возможности, возникающие при использовании в структуре смесителя эластичных рабочих элементов.
Задача приготовления однородных по составу смесей сыпучих материалов связана с целым рядом трудностей, определяющихся широким спектром изменения физико-механических свойств перерабатываемых материалов, требований предъявляемых к качеству и составу продукта, производи» тельности, энерго- и металлоемкости, необходимостью привязки к конкретным условиям производства и т.д. Поэтому, при решении задачи проектирования нового смесительного устройства необходимо в первую очередь руководствоваться условиями для создания такой технологии, которая обеспечит оптимальное протекание процесса смешения. На основе рассмотрения механизмов и способов смешивания могут быть сформулированы следующие требования, которым должна соответствовать конструкция смесителя [1,4]:
- максимальное число поверхностей сдвига в перерабатываемом материале, образующихся в единицу времени; т.е. скорость обновления поверхности контакта фаз (данному требованию, по-видимому, более всего удовлетворяют устройства с нестационарным движением материала);
- максимальное число составляющих движений рабочего органа, корпуса или их элементов, позволяющих сообщать группам частиц поступательное и вращательное перемещение относительно плоскостей сдвига и относительно друг друга;
- предельная скорость обновления поверхности раздела фаз при максимально неустановившемся движении, а также турбулентном характере самой поверхности;
- адаптивность элементов поверхности рабочего органа, обеспечивающих минимальное сопротивление его переносу в пространстве и самоустанавливающийся характер мгновенного положения в среде под действием внешних нагрузок;
- обеспечение рациональных сочетаний и последовательности доминирования механизмов смешивания, реализуемых в смесителе;
- комбинация различных видов и способов подвода энергии на изменение положения частиц, разрыв внутренних связей и диффузионный перенос. Минимальные затраты на тепловую диссипацию энергии и на перемещение рабочих органов,
В соответствии с принципом системности эти задачи должны решаться в первую очередь на уровне структуры устройства, его принципиальной схемы. Традиционные интуитивные конструкторские решения, связанные с реализацией упомянутых задач, в значительной мере исчерпаны. Как показывает ретроспективный анализ известного смесительного оборудования, функциональные возможности и номенклатура вновь разрабатываемых устройств могут быть значительно расширены, если в их структуру включить гибкие эластичные рабочие элементы (ЭРЭ). В качестве метода решения задачи разработки принципиальной схемы нового устройства может быть принят системный подход, предполагающий рассмотрение объекта разработки в качестве некоторой системы, на нескольких взаимообусловленных уровнях [1,2]- На рисунке показаны этапы использования данного метода при разработке новой принципиальной схемы смесителя с ЭРЭ.
Разработка (анализ) тезшшеского защшня.
I
Aisamre мзКЕтруюивной звогаоики
устройств - ттиогов, ПрОТОТКШБ
Главные недостатки
Уст&ю&пекяе штошв ЭП и-схе-яу ан&гюга
С^тандартные методы ЭП
Б&годеш» шгых тетозов ЭП гдеинцишздшодй сх& мы
1С1 СТаКШф'ГИЫХ
Банк методов ЭП i
•Ч 1
Применение методов ЭП к аналогам
Формирование улучшенного решенил
Банк оборудования
Выбор принципиальной скемы смесителя в соответствии с 13
Рис. Этапы разработки принципиальной схемы смесителя с эластичными рабочими элементами с использованием метода
эвристических преобразований
Fig. The designing stages of a mixer with elastic working elements structure with using the heuristic transformations method
Первый этап проектирования смесителя, в узком смысле, определяется разработкой (анализом) технического задания, а в широком - состоит в выявлении проблем смешивания.
Неотъемлемой частью метода системного подхода к проектированию является анализ известных конструктивных решений с точки зрения их эволюции [1 - 3]. Он позволяет установить возможности совершенствования системы (конструкции смесителя), содержащиеся в устройствах, разработанных ранее. Иными словами, выявить источники преобразования, содержащиеся в самой конструкции смесителя. При осуществлении этого анализа в качестве «исходной точки» эволюции была принята, с одной стороны, достаточно простая и традиционная конструкция смесителя с гладким горизонтальным цилиндрическим барабаном. С другой стороны, учитывалось влияние на эволюцию ленточных транспортеров и аппаратов с мешалками.
ирокий спектр различных типов известно-
го смесительного оборудования обусловлен значительным многообразием свойств сыпучих материалов, подлежащих переработке, а также условий технического задания. Поэтому конструктивная эволюция отличается многонаправленностью и короткой эволюционной цепочкой.
При анализе предполагалось, что разработка известных схем смесителей осуществлялась в соответствии с системным подходом, а на этапе изменения элементов устройства и их структуры использован метод решения [2,3], основанный на применении эвристических приемов преобразования технического объекта (ЭП). Это предположение позволило выявить наиболее эффективные приемы преобразования и их сочетания.
При установлении преобразований, которые были бы использованы в этом случае для формирования принципиальных схем смесителей, как и в работах [1,4], предполагались следующие основные группы приемов преобразований; преобразование формы, структуры, в пространстве, во времени, движения и силы, материала и вещества, приемы дифференциации, количественные изменения, использование профилактических мер, использование резервов, преобразования по аналогии, повышение технологичности.
В известных устройствах выявлены те приемы, которые могли бы быть использованы при их разработке, как "новых". Установлено, что в удачных конструктивных схемах применение ЭРЭ, тем не менее, связано с ограниченным кругом задач (для обеспечения еамоочищаемостн, либо - количественных изменений) и, как правило, не касается основной - интенсификации смешивания за счет совместных влияний. Используется сложение эффектов, но, как правило, не извлекается эффект из их совместного действия т.е. их совместное действие не приводит к росту эффективности превышающему суммарный. Формально это проявляется в сравнительно небольшом наборе эвристических приемов "использованных" в известных принципиальных схемах конструкций, а качественно - в неполном их наборе (ряд групп приемов преобразования не использован: по аналогии и др.). Кроме того, изменения, направленные на достижение результата, не затрагивают всех уровней структуры;
На основании проведённого анализа конструктивной эволюции смесительных устройств с ЭРЭ:
- были определены приемы получения улучшен-
него решения из прототипа среди стандартных, с учетом специфики области исследования; - установлено противоречие в системе, тормозящее развитие конструкции, которое заключается в нарушении в большинстве известных устройств принципа синергии. Принцип синергии состоит в использования взаимодействий элементов с образованием более широких возможностей.
То есть наиболее эффективные пути совершенствования принципиальной схемы смесительного устройства с ЭРЭ должны базироваться на использовании тех способов преобразования, которые обеспечивают рост эффективности от совместного действия, превышающий суммарный. Это может быть обеспечено различными методами. Вполне приемлемым, в этом смысле, является метод приемов эвристических преобразований благодаря свойству эвристической избыточности, которое проявляется как в возможности получения решения с помощью различных приемов, так и в их взаимном усилении, с точки зрения нахождения решения [1].
Определение структуры технического объекта (смесительного устройства) важно для дальнейшего установления взаимодействия его элементов с точки зрения влияния на рабочий процесс. Системность требует проработки устройства на каждом уровне его структуры и, следовательно, предварительных структурных построений, В связи с изложенным, ставилась задача формализации поиска новых решений на основе декомпозиционного подхода. Любое смесительное устройство может быть декомпозировано на следующие основные элементы: устройство загрузки, рабочая камера, вспомогательные перемешивающие устройства, привод, устройство выгрузки. Дальнейшая декомпозиция перечисленных элементов позволяет выявить основные морфологические признаки, определяющие достаточно широкий спектр технических решений. После определения числа возможных вариантов производится отбрасывание наименее эффективных из них, исключаются наихудшие комбинации элементов. Затем, после упорядочения оставшихся технических решений производится выбор наиболее эффективных вариантов, соответствующих критериям, сформулированным в техническом задании на проектирование.
Изложенная методология формирования принципиальной схемы смесительного устройства, основанная на системном подходе и использовании
метода эвристических приемов, использована при разработке ряда принципиальных схем смесителей [4]. При этом в новых устройствах выявлены следующие функциональные возможности, возникающие при применении в их структуре ЭРЭ:
- самоочищаемость рабочих поверхностей, что приводит к повышению эффективности переработки компонентов, склонных к адгезии [4 - 11];
- совмещение основного процесса с транспортированием [5];
- обеспечение непрерывности технологического процесса при сохранении периодичности с точки зрения его механизма [6];
- возможность выбора оптимальной, по критерию скорости процесса, формы рабочих поверхностей и её регулирования в связи с переработкой различных материалов [7S 11];
- возможность предварительного, например, послойного наложения компонентов, что значительно увеличивает скорость смешивания основными рабочими элементами [5-8];
- регулирование соотношений диффузионного и конвективного смешивания, что повышает универсальность использования устройств для переработки различных материалов[9];
- обеспечение смешивания в условиях сильной сегрегации за счет использования конвективной фазы смешивания (способ [10]) при условии предварительного распределения компонентов
[6,7];
- повышение эффективности смешения за счет увеличения степени дозации [6] при многощелевой подаче, которая легко реализуется при использовании ЭРЭ в конструкции;
- обеспечение пространственного сложного движения эластичной рабочей поверхности (а, следовательно, и перемешиваемой смеси) за счет взаимодействия ее с другими рабочими элементами без использования сложных механизмов или дополнительного привода [11];
- возможность создания смесительных устройств, реализующих эффективный способ, при котором смешивание компонентов происходит в потоках, образующихся при движении рядов пересекающихся бил (дезинтеграторы), при снижении их энергоемкости и износа рабочих органов [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Кафаров Дорохов И.ИМ Арутюнов СЛО* Систем-
ный анализ процессов химической технологии. Процессы
измельчения и смешивания сыпучих материалов. М.: Наука, 1985, 440с.
2. Дигрик Я, Проектирование и конструирование. Системный подход, М: Мир. 1981. 456с.
3. Половишсин А,И. Основы инженерного творчества. М: Машиностроение. 1988. 368с.
4. Тершие М.КХ и др. Новые аппараты с эластичными рабочими элементами для смешивания сыпучих сред. Теория и расчет, 51роелавль: ЯГТУ. 2003. 84с.
5. Пат. 2135052 Россия, МКИ А23Ы17/00, В28С5/34. Устройство для смешение сыпучих материалов/ А.И. Зайцев и др. Опубл. 27.08.1999, Бюл! №24.
6. Пат. 2184605 Россия, МКИ В28С5/34. Смеситель/ МЛ<Х Таршис и др. Опубл. 10.07.2002. Бюл. №19,
7. Пат. 2156647 Россия, МКИ В01Р9/02. Смеситель/ М.Ю.Таршие и др. Опубл. 27.09.2000. Бюл. №27.
8. Пат.2191622 Россия, МКИ В01РЗ/18. Смеситель/М.Ю-Таршис и др. Опубл. 27.10.02. Бюл. №3.
9. Пат. 2203727 Россия, МКИ В01РЗ/18, Смеситель/ А.И> Зайцев и др. Опубл. 10.05.2003. Бюл. № 13.
10. Пат. 2254907 Россия, МКИ В01РЗ/18. Способ приготовления смеси сыпучих материалов/ М.Ю.Таршие и др. Опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18.
! 1. Пат. 2164868 Россия, МКИ В28С5/08. Смеситель сыпучих материалов непрерывного действия/ М.КХ Таршис и др. Опубл. ! 0.04.2001. Бюл. № 10.
Кафедра теоретической механики
УДК 621.867.4-492.2
А.Б. Капранова, АЖ Зайцев, A.B. БуШмелев
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ СВОБОДНОЙ ГРАНИЦЫ ДИСПЕРСНОЙ СМЕСИ В РАБОЧЕМ ОБЪЕМЕ УПЛОТНИТЕЛЯ С КРИВОЛИНЕЙНЫМИ ЛОПАТКАМИ
(Ярославский государственный технический университет)
E-mail: kap@yars,free,net
На основе механики гетерогенных сред предложена мат ем am и ческая модель описания движения свободной границы дисперсной смеси по вращающемуся диску в ячейке уплотнителя между криволинейными лопатками. Получено уравнение предельной свободной границы смеси при максимальной степени уплотнения порошка.
В процессах переработки тонкодисперсных сред практически обязательными являются операции их дозирования и компактирования, выполняемые с помощью методов деаэрации и уплотнения. В данном случае процесс уплотнения сыпучей среды предполагает наиболее полную дегазацию без упру-гопластической деформации твердого скелета. Необходимость предварительного уплотнения порошкообразных материалов, диаметр частиц которых 0,05-0,5 мм, вызвана их малым насыпным весом и высокой у плотня емостью (более 20%). К известным способам уплотнения тонкодисперсных сред отно-сятся вибрационный, пневматический и механический, причем последние два являются наиболее эф-
фективными [1], Отсутствие моделей деаэрации порошков с высокой степенью уплотнения сдерживает развитие инженерных методов расчета механических уплотнителей [2].
В настоящей работе рассматривается задача о движении свободной границы порошкообразного материала в ячейке механического уплотнителя с криволинейными лопатками. Упрощенная схема рабочей зоны уплотнителя представлена на рис. 1.
Горизонтальный вращающийся диск 1 радиусом Я с криволинейными лопатками 2, установленными радиально и закрепленными на поверхности внутреннего цилиндра 3 радиуса г0, является
