CC BY
10
Иванова О. В. Ivanova O.V
кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление и сервис в технических системах», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Фаттахов М. М. Fattakhov M. M.
доктор технических наук, заведующий кафедрой «Автомобильные дороги и технология строительного производства», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Короткова Л. Н. Korotkova L. N.
кандидат химических наук, доцент кафедры «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Халиков Р. М. Khalikov К M.
кандидат химических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги и технология строительного производства», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.31 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-3-43-49
НАДЕЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В 3Б АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
3D аддитивные технологии являются одним из наиболее динамичных направлений «цифрового» производства в стройиндустрии и дают возможность гибкого конструирования разнообразных уникальных сооружений. На сегодняшний день послойное экструдиро-вание выступает основным трендом 3D печати большинства строительных принтеров: сопло (экструдер) выдавливает быстротвердеющую бетонную смесь, в которую включены различные модифицирующие добавки. При цифровой технологии особую роль играет оптимальная скорость «печати», что позволяет ранее «напечатанным» слоям бетонного нанокомпозиционного материаланабирать первоначальную прочность. Автоматизированные устройства 3D принтеров, которые действуют в угловых координатах и приводятся в дви-
ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS
жение электроприводами, а также роботизированные манипуляторы являются наиболее экономичными за счет надежности при строительстве малоэтажных зданий. Преимущества аддитивных технологии 3D печати в строительстве зданий и сооружений проявляются в высокой скорости строительства, снижении трудозатрат и др.
Важнейшее требование к бетононасосному оборудованию 3D печати — способность перекачивать нанокомпозиционный строительный раствор по горизонтали и (или) вертикали на десятки метров. Подобный технологический запрос вызывает необходимость безотказного функционирования электротехнического оборудования с определенной скоростью выгрузки и геометрической точностью экструзии бетонной смеси. Более совершенные поршневые агрегаты с двумя цилиндрами, работающими попеременно, значительно уменьшают механический износ, а также гарантируют бесперебойную и плавную работу бетононасоса. Гидравлические масляные устройства обеспечивают большее давление, максимальную надежность 3D печати и долговечность электротехнического оборудования. При выборе оптимальных электродвигателей для бетонных насосов, работающих с переменной нагрузкой, мощность электроприводов завышается с учетом самых тяжелых пусков и максимально возможных загрузкой. Учет соотношения максимального давления и объема бетонной композиции позволяет увеличить мощность электродвигателя на 12-17 %, сократить энергетические трудозатраты на 25-30 %.
Ключевые слова: 3D аддитивная технология, бетонный насос, строительный 3D-принтер, электродвигатель, управление качеством, энергосбережение.
RELIABLE QUALITY MANAGEMENT OF ELECTRICAL EQUIPMENT FUNCTIONING IN 3-D ADDITIVE
TECHNOLOGIES
3D additive technologies are one of the most dynamic areas of «digital» production in the construction industry which make it possible to flexibly design a variety of unique structures. Today, layer-by-layer extrusion is the main trend in 3D printing of most construction printers: the nozzle (extruder) squeezes out a fast-hardening concrete mixture, which includes various modifying additives. With digital technology, the optimal speed of «printing» plays a special role, which allows previously «printed» layers of concrete nanocomposite material to gain initial strength. Automated devices of 3D printers that operate in angular coordinates and are driven by electric drives, as well as with a portal drive, are the most economical due to reliability in the construction of low-rise buildings. The advantages of additive 3D printing technologies in the construction of buildings and structures can be summed up to robotization, high construction speed, reduced labor costs, etc.
The most important requirement for 3D printing concrete pumping equipment is the ability to pump nanocomposite mortar horizontally and (or) vertically for tens of meters. Such a technological request causes the need for trouble-free operation of electrical equipment with a certain discharge speed and geometric accuracy of concrete mix extrusion. More advanced reciprocating units with two cylinders working alternately significantly reduce mechanical wear, and also guarantee uninterrupted and smooth operation of the concrete pump. Hydraulic oil devices provide greater pressure, maximum reliability of 3D printing and durability of electrical equipment. When choosing the optimal electric motors for concrete pumps which operate with variable loads, the power of electric drives is overestimated by taking into account the heaviest starts and the maximum possible loading. Taking into account the ratio of the maximum pressure and volume of the concrete composition allows increasing the power of the electric motor by 12-17 % and reducing energy labor costs by 25-30 %o.
Key words: 3D additive technology, concrete pump, electric motor, construction 3D printer, quality management, energy saving.
Интенсивные работы по созданию прорывных трендов и высокотехнологичного электротехнического оборудования для 3D аддитивных технологий продолжаются во
многих странах мира [1]. Аддитивные технологии — это способ построения объемного стройобъекта по цифровой 3D модели (CAD-модель) методом послойного наращивания;
3Э принтер - это устройство, которое создает объемное здание по цифровой 3Э модели путем послойного наращивания стройматериала. Использование высокотехнологичных электротехнических аппаратов раскрывает обширные перспективы для модифицирования привычной архитектуры и геометрических конфигураций строительных объектов. Разработка бетонных электронасосов для перекачивания модифицированных нанокомпозиций, обеспечивающих получение 3D конструкций с высокими эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками, остается актуальной задачей. Например, возведение монолитных уникальных зданий, которое является одним из основных трендов развития промышленного и гражданского строительства, требует надежное обеспечение своевременной доставки композиционной смеси в точку бетонирования.
Цель данной статьи — рассмотрение надежного функционирования электротехнического оборудования для 3D печати бетонных конструкций в аддитивных технологиях.
В настоящее время инновационным трендом является последовательное изготовление строительных объектов слой за слоем на базе цифровой 3D модели с использованием различных стройматериалов материалов, в том числе разнообразных бетонных композиций. Исходная смесь для аддитивного производства: портландцементное (геополимерное) вяжущее, наполнители (кварцевый песок и др.) за счет модифицирующих добавок (ускорители или замедлители твердения), обладает более увеличенной вязкостью по сравнению с обычным бетоном, что позволяет бетонной композиции быть самонесущей в процессе «наслаивания».
Важнейшее функциональное назначение бетононасоса в 3D аддитивных технологиях охватывает своевременную перекачку необходимого объема бетонной строительной композиции многообразной реологии в вертикальном и/или горизонтальном направлениях. Среди преимуществ бетонных гидроприводных насосов следует отметить простую конструкцию с удобной бетоновод-стрелой для легкой подачи разнообразных
составов, а также меньший расход электроэнергии. Полная гидравлическая система электрических бетононасосов продлевает срок эксплуатации, повышает надежность и сокращает количество технологических отказов.
3Э аддитивная технология трехмерной печати предусматривает согласованное функционирование строительного принтера и исходных сырьевых компонентов [2]. В некоторых технологических конструкциях вместо накопительного бункера (резервуара) установлен принимающий рукав для готовой бетонной смеси. В связи с этим необходимо иметь электротехническое оборудование по способности перекачивать и подавать исходную нанокомпозицию с определенной скоростью выгрузки и геометрической точностью, что обеспечивается роботизированной системой для автоматического перемещения сопла (инжектора, форсунки) печатающей головки (рисунок 1).
Печатающая головка 3Э принтера представляет с собой сопло, из которого выдавливается (экструдируется) бетонная сырьевая композиция. Траектория сопла определяется цифровой CAD-программой: после завершения полного нанесения одного слоя рабочая платформа поднимается вверх на толщину слоя и «печатаются» другие слои. При цифровой технологии особую роль играет оптимальная скорость «печати», что позволяет ранее «напечатанным» слоям бетонного нанокомпозиционного материала набирать первоначальную прочность, чтобы обеспечить соответствующую адгезию между отдельными слоями.
Следует отметить, что для обеспечения соответствующего объема перекачки электрическим бетононасосом формуемая бетонная нанокомпозиция имеет требуемую реологию [3], т.е. обладает сравнительно низкой пластической вязкостью и низким пределом текучести. В 3Э аддитивных технологиях оптимальная бетонная смесь относительно быстро набирает прочность при замедленной кинетике начального структурообразования; в то же время не растекается под воздействием последующих верхних слоев и имеет невысокую усадку при твердении.
Рисунок 1. Технологическая схема функционирования 3D печати
В настоящее время преимущественно в аддитивных технологиях используются двух-поршневые бетононасосы (наряду с роторными и шнековыми аппаратами), которые приводятся в движение электрическим или дизельным двигателем. Более совершенные поршневые агрегаты с двумя цилиндрами, работающими попеременно, значительно уменьшают механический износ, а также гарантируют бесперебойную и плавную работу бетононасоса: гидравлические масляные устройства обеспечивают требуемое давление, надежность 3Б печати и долговечность.
Основной функцией электропривода является приведение в движение бетонного насоса в соответствии с требованиями технологического режима в 3D аддитивных технологиях. При использовании асинхронного электродвигателя между ним и бетононасосом необходима установка механической передачи, понижающая скорость оборотов до требуемого уровня. Наличие механической передачи снижает надежность работы электропривода, увеличивает его массу, габариты и стоимость, создает дополнительный шум при работе. В связи с этим перспективным является использование таких электродвига-
телей [4], которые имеют низкую угловую скорость вала: волновые электроприводы и двигатели с катящимся ротором.
При выборе мощности электродвигателей для бетонных насосов, работающих с переменной нагрузкой (максимальное давление — Р на выходе бетононасоса) и производительностью (объем бетонной смеси — О) (рисунок 2), мощность электроприводов завышается с учетом самых тяжелых пусков и максимально возможных загрузкой. Одновременно максимальные значения давления Р и производительности О не могут быть достигнуты. Учет этих факторов позволяет увеличить мощность электродвигателя на 12-17 %, сократить энергетические затраты на 25-30 %, а также одновременно понизить уровень вибраций.
Технологическое управление бетононасосом 3Б печати осуществляется автоматически электронным оборудованием; дополнительно все функции на гидравлическом блоке управления могут легко обслуживаться вручную, что при выходе из строя блока управления или датчиков позволяет бетононасосу продолжать работу. Приводные цилиндры бетонного поршневого насоса имеют автома-
Р, МПа
7 ~ б — 5 —
4
3 — 2
О
10
20
30
40
б= м/ч
Рисунок 2. Динамика производительности бетонного насоса в режимах высокого давления (1)
и оптимальной производительности (2)
тическую компенсацию утечки на быстроизнашивающихся деталях и кольце.
Следует отметить, что запуск бетононасоса осуществляется пусковой смесью или цементным «молочком» (подвижная смесь цемента с водой). Автономная система промывки водой в 3D аддитивных технологиях позволяет оперативно очистить бетонопро-вод от остатков строительного раствора. Поэтому для надежного управления качественного функционирования электротехнического оборудования в процессе 3D печати необходим постоянный источник чистой воды (при низких температурах — теплой) [5].
При помощи электронного блока управления, оператор может обеспечить бесперебойную и надежную работу бетононасоса в оптимальном режиме. Для выполнения разнообразных задач стройиндустрии комплектация бетононасоса включает трубки, шланги различной длины и диаметра, систему промывки, а также программное обеспечение для мониторинга технологического процесса. Перекачиваемость и подвижную реологию нанокомпозиций в 3D печати можно усилить добавлением 0,7-0,9 % высокоэффективных суперпластификаторов на базе гребнеобразных поликарбоксилатных эфи-ров [6, 7], которые позволяют значительно увеличить время сохранения консистенции. Следует выделить и нерешенные проблемы
использования аддитивных технологий в стройиндустрии: низкая производительность оборудования при низких или высоких температурах, ограничения геометрических размеров возводимых сооружений, которые связаны с конструкцией 3D принтеров.
Строительные 3D принтеры представляют собой конструктивные аналоги лабораторно-производственных устройств аддитивных технологий. В настоящее время разработаны многообразные компоновки: портальные рамные 3D принтеры; с дельта-приводом, функционирующие в угловых координатах; роботизированные манипуляторы (рисунок 3) и др. Автоматизированные устройства для строительства малоэтажных зданий и сооружений, которые действуют в угловых координатах (аналог башенного крана) и приводятся в движение электроприводами, являются наиболее экономичными. Роботизированные манипуляторы позволяют надежно управлять качеством функционирования электротехнического оборудования в аддитивных технологиях стройиндустрии.
В производственных условиях Уфимской гипсовой компании с использованием опытно-промышленного 3D принтера АМТ S1160 (ООО «СПЕЦАВИА», г. Ярославль) напечатаны фрагменты вертикальных ограждающих конструкций и одноэтажный малогабаритный павильон. Преимуществами
1 — сопло экструдера; 2 — конструкция сооружения Рисунок 3. Роботизированный строительный 3Б принтер
аддитивных технологий 3D печати в строительстве зданий и сооружений являются: роботизация строительного процесса, высокая скорость строительства, снижение трудозатрат на производство работ [8, 9]. Аддитивные технологии значительно укорачивают строительный цикл и сокращают время застройки; дают возможность быстрого изменения конструкции зданий без дорогостоящей оснастки. В последние годы аддитивные технологии возведения монолитных зданий претерпели существенные изменения: активно используются средства механизации процессов транспортировки и
Список литературы
1. Чулкова И.Л., Юрина Т.А. Проектирование составов бетонных смесей с помощью современных информационных технологий. М.: Инфра-Инженерия, 2019. 136 с.
2. Austin S.A., Lim S., Buswеll R.A. e.a. Mix Dеsign а^ Fresh РгорегйеБ for High-РегГогтапсе Printing Сопоре // Mаtеriаls апё Structures. 2012. P. 1221-1232.
3. Иванова О.В., Короткова Л.Н., Халиков P.M. Инновационные подходы управления качеством создания пластифицирующих нанодобавок // Современные инновации в науке и технике: сб. 10-й Всеросс. конф. Курск: ЮЗГУ, 2020. С. 131-134.
укладки бетонной смеси, инновационные опалубочные системы.
Выводы
3D аддитивные технологии являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства в стройиндустрии и дают возможность конструировать разнообразные здания и сокращают энергетические затраты на 25-30 %. Инновационный технологический подъем в России 3D аддитивных технологий в значительной мере определяется надежным функционированием ресурсосберегающих электроприводов.
4. Шапиро С.В., Гумерова М.Б., Бабикова Н.Л. и др. Каскадный асинхронно-синхронный бесконтактный двигатель // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т. 14. № 3. С. 28-36.
5. Иванова О.В., Халиков Р.М., Короткова Л.Н. Результативное управление электротехническим оборудованием технологической схемы производства качественной воды // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т. 14. № 2. С. 21-27.
6. Синицин Д.А., Халиков Р.М., Булатов Б.Г. и др. Технологичные подходы направленного структурообразования нано-
композитов строительного назначения с повышенной коррозионной устойчивостью // Нанотехнологии в строительстве. 2019. Т. 11. № 2. С. 153-164.
7. Журавлева М.И., Иванова О.В., Халиков Р.М. Управление технологическими характеристиками вяжущих материалов поликарбоксилатными суперпластификаторами // Актуальные проблемы науки и техники - 2019: сб. XII Междунар. конф. Уфа: Изд-во «УГНТУ», 2019. Т. 2. С.111 — 113.
8. Perkins I., Skitmore M. Three-Dimensional Printing in Construction Industry: A Review // International Journal of Construction Management. 2015. Vol. 15. No. 1. P. 1—9.
9. Ватин Н.И., Чумадова Л.И., Гончаров И.С. и др. 3D-печать в строительстве // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 1 (52). С. 27—46.
References
1. Chulkova I.L., Yurina T.A. Proektirovanie sostavov betonnykh smesei s pomoshch 'yu sovremennykh informatsionnykh tekhnologii [Design of Concrete Mix Compositions Using Modern Information Technologies]. Moscow, Infra-Inzheneriya Publ., 2019. 136 p. [in Russian].
2. Austin S.A., Lim S., Buswell R.A. e.a. Mix Design and Fresh Properties for HighPerformance Printing Concrete. Materials and Structures, 2012, pp. 1221 — 1232.
3. Ivanova O.V., Korotkova L.N., Khalikov R.M. Innovatsionnye podkhody upravleniya kachestvom sozdaniya plastifit-siruyushchikh nanodobavok [Innovative Approaches to Quality Management for Creating Plasticizing Nanoadditives]. Sbornik 10-i Vserossiiskoi konferentsii «Sovremennye inno-vatsii v nauke i tekhnike» [Collection of 10th All-Russian Conference «Modern Innovations in Science and Technology»]. Kursk, YuZGU Publ., 2020, pp. 131-134. [in Russian].
4. Shapiro S.V., Gumerova M.B., Babikova N.L. e.a. Kaskadnyi asinkhronno-sinkhronnyi beskontaktnyi dvigatel' [Cascading Asynchronous-Synchronous Non-Contact Motors]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye
kompleksy i sistemy - Electrical and Data Facilities and Systems, 2018, Vol. 14, No. 3, pp. 28-36. [in Russian].
5. Ivanova O.V., Khalikov R.M., Korotkova L.N. Rezul'tativnoe upravlenie ele-ktrotekhnicheskim oborudovaniem tekhnolog-icheskoi skhemy proizvodstva kachestvennoi vody [The Efficient Management of Electrotechnical Equipment for the Qualitative Water Production Technological Scheme]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy - Electrical and Data Facilities and Systems, 2018, Vol. 14, No. 2, pp. 21-27. [in Russian].
6. Sinitsin D.A., Khalikov R.M., Bulatov B.G. e.a. Tekhnologichnye podkhody napravlennogo strukturoobrazovaniya nanokompozitov stroitel'nogo naznacheniya s povyshennoi korrozionnoi ustoichivost'yu [Technological Approaches for Directed Structure Formation of Nanocomposites for Construction Purposes with Increased Corrosion Resistance]. Nanotekhnologii v stroitel'stve — Nanotechnologies in Construction, 2019, Vol. 11, No. 2, pp. 153-164. [in Russian].
7. Zhuravleva M.I., Ivanova O.V., Khalikov R.M. Upravlenie tekhnologicheskimi kharakteristikami vyazhushchikh materialov polikarboksilatnymi superplastifikatorami [Management of Technological Characteristics of Binding Materials with Polycarboxylate Superplasticizers]. Sbornik XII Mezhdunarodnoi konferentsii «Aktual'nyeproblemy nauki i tekh-niki — 2019» [Collection of XII International Conference «Actual Problems of Science and Technology — 2019»]. Ufa, Izd-vo UGNTU, 2019, Vol. 2, pp. 111-113. [in Russian].
8. Perkins I., Skitmore M. Three-Dimensional Printing in Construction Industry: A Review. International Journal of Construction Management, 2015, Vol. 15, No. 1, pp. 1-9.
9. Vatin N.I., Chumadova L.I., Goncharov I.S. i dr. 3D-pechat' v stroitel'stve [3D-Printing in Construction]. Stroitel'stvo unikal'nykh zdanii i sooruzhenii — Construction of Unique Buildings and Structures, 2017, No. 1 (52), pp. 27-46. [in Russian].
