CC BY
17
6. Васин В.М. Способ и математическая модель смешивания сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 9. С. 389 - 399.
7. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965. 524 с.
8. Кендалл М., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976. 736 с.
9. Кокс Д., Льюис П. Статистический анализ последовательностей событий. М.: Мир, 1969. 312 с.
10. Кокс Д.Р., Оукс Д. Анализ данных типа времени жизни. М.: Финансы и статистика, 1988. 191 с.
11. Кокс Д.Р., Смит В.Л. Теория восстановления. М.: Сов. радио, 1967. 300 с.
Васин Вячеслав Михайлович, канд. техн. наук, доцент, vasin.211019487@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF STREAMS OF LOOSE MATERIALS IN MIXERS OF CONTINUOUS ACTIONS AND THEIR MA THEMA TICAL MODELS
V.M. Vasin
An analysis of streams of particles of the components is proposed, which consists in checking the stationarity of a stream, determining its structure and choosing an adequate model.
Key words: bulk materials, continuous mixing, mathematical models of particle
flows.
Vasin Vjatheslav Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, va-sin.21101948@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.922; 621.921.34
НОНМИКСИНГ
А.В. Евсеев
Представлен новый подход к анализу теории и оборудования приготовления смесей сыпучих и увлажненных материалов.
Ключевые слова: сыпучий материал, смесь, смеситель, смесительное оборудование, качество смесей.
На основе анализа и обобщения материалов по теории и практике производства смесей сыпучих и увлажненных материалов автор предлагает новый теоретический и практический подход к решению проблем в данной отрасли. Предлагается по-другому взглянуть на проблематику в этой сфере, соединив воедино, в целый технологический процесс, всю цепочку
27
производства смесевой продукции, от приготовления компонентов, до конечного результата его использования, и обозначить это объединение вновь вводимым термином «Нонмиксинг». Детально рассмотреть предлагаемые нововведения автор предлагает ниже.
На протяжении многих лет, научные основы теории смешения и практика производства смесей были сведены к развитию методов анализа качества получаемой продукции и на его основе экстраполированы к совершенствованию существующего парка смесительного оборудования, иногда процесс шел от обратного [1 - 4]. Когда впервые ученые и инженеры столкнулись с проблемой обеспечения действительно высокого и главное гарантированного качества получаемых смесей, то столкнулись с рядом проблем. В частности необходимо было обеспечить высокое качество электротехнических смесей для солнечных батарей космических летательных аппаратов [3 - 4]. Из-за этого впервые в МИХМе, параллельно с ВНИИТ (в 80-х годах прошлого века - Московский институт химического машиностроения и Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока) под руководством А.В. Чувпило и Ю.И. Макарова, были проведены первые научные разработки и промышленные испытания установки УНДС (рисунок) [1]. Был представлен принципиально новый подход к формированию качества смеси и соответственно совершенно новое технологическое решение.
Впервые компоненты загружались в смеситель не большими объемами, а подавались тонкодозированными потоками шнековыми питателями и далее уже перемешивались по классической схеме в червячно-лопастном смесителе. Это позволило обеспечить значительное улучшение качества получаемой смеси, при условии, что при влажности компонентов в 15% любое другое техническое решение просто не сработало бы.
3 - бункеры-дозаторы; 4 - ворошители; 5 - шнеки тонкоструйных дозаторов; 6 - лотки; 7 - приемная камера; 8 - секция сухого смешения порошков смесителя; 9 - секция увлажненного смешения
Позже коллектив учёных кафедры «Автоматические роторные линии», и теперь уже её правопреемницей кафедры «Технологические системы пищевых, полиграфических и упаковочных производств» Тульского государственного университета, продолжил, начиная с 80-х годов прошлого века заниматься вопросами научной и технической реализации данной проблематики в различных отраслях народного хозяйства, для оборонной, перерабатывающей промышленностям и по другим направлениям. Кафедра сотрудничала с учеными Москвы, Казани (НИИХП) и других городов РФ, а также с предприятиями, специализирующихся на выпуске подобной продукции. Автор берет на себя право резюмировать достижения этого периода и представлять наиболее перспективные предложения по развитию в данном направлении.
В первом приближении предлагается отказаться от классической теории и практики смешения различных компонентов, как трудоёмких, затратных, вероятностных и труднопрогнозируемых процессов [1 - 4] в пользу детерминированного формирования однородности смесевой продукции при полном или частичном отказе от привычных операций смешения, смешивания или перемешивания. Сознательно перечислены все три вариации, потому что многие специалисты вкладывают в них разный смысл, но реализующих один и тот же подход: внедрение - диффузию масс (объёмов, микрообъемов) компонентов друг в друга. Как отмечал Ю. И. Макаров, это процессы трудноописуемые, и технологический прорыв рано или поздно произойдёт. Существующее смесительное оборудование и математический аппарат, описывающий происходящие в нём процессы, на стыке веков морально устарели и исчерпали себя [5 - 9].
Позже были проведены некоторые научные исследования [10 - 13], но какого-либо технологического развития они не получили. В целом общий подход оставался и остаётся одним и тем же на протяжении многих лет, а именно: оптимизация и усовершенствование. Качественного перехода не наблюдается. Считалось, что возможностей современного смесительного оборудования вполне достаточно, чтобы удовлетворить потребности заказчика, и вопрос только в цене.
Можно, конечно, провести более детальный анализ обзора состояния вопроса, но это не имеет смысла, так как научные и практические подходы по проблематике как у нас в стране, так и за её пределами, в той или иной степени сходны и не изменились.
При анализе и проведении маркетинговых исследований было выяснено, что, например, в строительной, в некоторых направлениях химической, оборонной и др. отраслях промышленности многие проблемы остались нерешенными.
Экономический подтекст. Проблема, по сути, замалчивается (не явно выражена), но производители смесей о ней знают (премиксы, стройматериалы, тиксотропы, оборонная продукция и т.п.) Считается, что, покупая дорогостоящий брендовый смеситель, автоматически обеспечивается высокое качество смесей, но это не так. Безупречное качество европей-
ских смесителей обслуживает все те же традиционные технологии [7, 8] лишь доводя их до максимально возможного совершенства, а в результате все равно получается лишь вероятностное формирование однородности, с соответствующими результатами. Более того, идя на поводу пролоббированных брендов, многие производители озабочены приобретением дорогостоящего оборудования или еще хуже того - подделывают его под своей торговой маркой. На самом деле потребителя смеси приучают всяческими маркетинговыми ходами и методами, к мысли, что он имеет самое совершенное оборудование и продукцию соответственно.
Производители дают заниженную гарантию, убеждая, что это предел. На самом деле продукция далеко не совершенна и покупатель сам того не подозревая, просто через определенный период времени повторно покупает продукцию или использует предлагаемую, заведомо зная, что у неё есть изъяны. Как пример, можно рассматривать - премиксы, моющие средства, снаряды, штукатурку и многое другое. Потребителя прежде всего интересует результат и результат дешевый, безопасный и экологичный. В любом случае для конечного потребителя такая продукция приводит к дополнительным материальным издержкам.
В любом случае в существующих классических технологиях смешения качественного скачка нет. Ученые, инженеры оптимизируют, совершенствуют и только. А.В. Чувпило попробовал усовершенствовать классическую конструкцию, получил первичные результаты, но на этом все остановилось.
Современные производители смесительного оборудования, даже такие флагманы, как Ви11ег, ЕтсИ (Германия) Оепске (Швейцария), 8уБш1х (Венгрия) [5 - 9], фактически используют традиционные схемы приготовления смесей, дополняя их устройствами и узлами интенсификации, устраняя текущие на данный момент недостатки, но всё же реализующие стохастическое формирование однородности и заявляя при этом соотношение смешиваемых компонентов на уровне 1:100000 и качество V < 1%. Эти параметры могут выполняться, но только в полигонных условиях и далеко не для всей номенклатуры выпускаемой продукции. И даже они, не всегда удовлетворяют современным требованиям производителей смесе-вой продукции и её потребителей.
Поэтому упорядоченное распределение компонентов относительно друг друга в любой технической интерпретации при гарантированном соотношении и качестве «эффективной выборки использования смеси» (ещё одно нововведение автора, вместе с предлагаемыми инженерными критериями оценки качества смеси) автор и называет нонмиксингом. Это не альтернатива существующим технологиям, а скорее диалектическое развитие при анализе современного состояния вопроса. После успешного испытания и использования установки УНДС под руководством А.В. Чувпило коллективом тульских учёных были технически реализованы и защищены конвейерные роторные и бироторные варианты такой реализации [4, 14 - 21].
Нонмиксинг в техническом приложении - формирование однородности в заданных качественных показателях сообразно с возможностями дозирующих и смешивающих устройств. В самом простом понимании нонмиксинг - упорядоченная укладка микродоз компонентов на этапе дозирования, обеспечивающая нестохастическую смесевую структуру с известными качественными характеристиками. Некое подобие в отличие от существующих «аналоговых» технологий, от предлагаемых - «цифровых». То есть разложение дозируемых потоков компонентов, при помощи современных дискретных питателей, на минимально возможные микрообъемы (0 и 1-цы) и формирование из них, уже в самом смесителе «понятной, оцифрованной» структуры готовой смеси.
Более подробно рассмотрим общие подходы и предлагаемую методику анализа и синтеза конкретных технологических решений под общей эгидой нонмиксинга.
Возможно достаточно большое количество технологических возможностей синтеза, сборки, процессы формирования смесевой структуры, из теперь уже собственно не сыпучих компонентов в общепринятом и узком профессиональном смысле этого слова. Достаточно сложно закрепить принадлежность такого подхода в формировании смесевого продукта к какой либо отдельной отрасли, и тем более к какому-нибудь разделу в патентной иерархии. Здесь и химические, и физические, и биологические, и технологические (фармацевтические, пищевые, металлургические, и т.д.), и другие варианты реализации технологий. Поэтому автор предлагает объединить все эти этимологии в единый термин - «нонмиксинг», а также придать ему изначально универсальный, межотраслевой характер.
Целесообразным представляется разработка нормативного документа - ГОСТа, регламентирующего основные термины, определения и хотя бы некоторые выборочные технические условия и правила.
За основу можно взять патенты РФ №№ 2129911, 2271243, а также А.с. 956991, 217741, 229195, 231198, 231766, 240192, 249338, 261973, 262985, 271731, 274504, 289776, 294849, 296905, 313008, 320012, 320389, 324414.
Первично можно предложить два основных направления работы: сбор информации и анализ существующих и вновь разрабатываемых технологических процессов, в которых соотношение компонентов превышает значение 1:100, которые необходимо реализовать уже сейчас, которые невозможно реализовать, или условно возможно;
создание классификации, по физико-химическому признаку-состоянию компонентной базы: пар, жидкость, вязкие, сыпучие, твёрдые -для идентификации по принадлежности технологической реализации, то есть по сути выбор возможной технологии реализации нонмиксинга от компонентов к смеси и в обратном направлении, для нахождения возможной, финансово и технически оправданной технологии.
Если вернуться к вопросу об оптимизации, то только в угоду терминологии, так как теорию оптимизации со множеством критериев, в данном случае применить не получиться, так как речь идёт не об оптимизации
какого-то конкретного технологического процесса приготовления смеси, а о выборе или принятию для разработки совершенно новой технологии для конкретного функционального использования готовой смеси.
Существует достаточно широкий класс машин - смесителей, различающихся по принципу действия и принципу формирования однородности, но их не всегда можно использовать для получения технического или технологического конечного результата. Чаще это синтез каких-то технологий и оборудования при оптимизации по производительности, качеству или ещё каким признакам. Поэтому сложно идентифицировать «нонмик-синг», как технологию или набор технологий. Необходимо более точно представлять его как подход, технологию в широком смысле, с привлечением совершенно разноплановых технологических операций из существующего или вновь разрабатываемого оборудования (смесители, усреднители, подготовительное, фасовочное и транспортирующее и другое необходимое оборудование) для получения не просто качественных смесей, а эффективного конечного результата их использования. Это принципиальное отличие от системы классификации технологических процессов, предложенной, например, Кошкиным Л.Н., Прейсом В.Ф. Более того её можно рассматривать как переход на новый уровень оценки для современных требований и реалий потребительского рынка и нужд промышленности.
Это объективная реальность, где чётко можно проследить более высокую, и в данном случае интегрированную по многим показателям важность эффективного использования конечного изделия, перед собственно изделием [17]. Продукт в данном понимании это только звено в цепи, где её конец - это результат для человека, или антропогенный результат. Так, например, высокое качество таблетки ещё не обеспечивает её качественного применения, и в данном понимании, в понимании общей теории нон-миксинга. При этом возможна масса средств и способов, которые нонмик-синг и определяет, как собственную часть. В этом много аналогий с закрытыми оборонными технологиями. Но сегодня потребительские требования не уступают военным, космическим и т.п. Таким образом, определение «синтез» наиболее подходит для описания нонмиксинга, а оптимизация уже самого нонмиксинга, конечно же, необходима как по техническим, так и особенно по экономическим составляющим и направлениям.
Уже сейчас, если рассмотреть структуру промышленных предприятий, использующих смесительную технику, то можно увидеть, что смесительная операция или сам смеситель - это, возможно, одно из основных звеньев производственного процесса, но далеко не всегда определяющее и тем более далеко не единственное. Весь перечень транспортных, подготовительных, непосредственно смесительных, фасовочного-укупорочных и даже рекламных процедур автор предлагает ввести под общее технически, технологически и аналитически целое понятие нонмиксинга, как единственно определяющее качественный и эффективный результат применения и использования готовой продукции. Необходимо не путать этот процесс с корпоративными и сетевыми технологиями, речь идёт только о про-
изводстве и использовании смесевой продукции сыпучих, увлажнённых или определенной номенклатуры штучных компонентов. Однако, переход общего подхода к реализации технологий возможно осуществить применительно и к другим отраслям промышленности.
Смесь из смесей. Общая задача - получить фиксированный объём смеси, с заданными или определенными качествами, или некое множество объемов смеси с похожими или вовсе одинаковыми свойствами. Четко нужно понимать разницу в способах использования или применения одиночного или множества объёмов и конечный результат. Получение единичного объема как правило проще, и технология нонмиксинга - соответствующая, как правило базируется на разработке только единицы смесительного оборудования, где пределы разброса свойств готовой смеси (объёма) менее жёсткие. Получение множества объёмов смеси с одинаковыми свойствами (например, пороховыми зарядами) - намного сложнее, здесь необходимы операции подготовки, складирования, учёта, и система контроля качества на всех этапах нонмиксинга.
Мини партия сама может являться смесью и её необходимо приготовить. Тогда объёмы готовой смеси являются продуктом нонмиксинга второго порядка, и все погрешности, все статистические параметры качества «компонентов - смеси» необходимо, просчитывать соответствующим математическим аппаратом с выходом на ПО. Также желательно предусмотреть обратную связь между качественными показателями реального использования объёмов смеси и всей цепочкой их корреляционного формирования в результате первичного синтеза компонентов (минипартий) и вторичного синтеза смеси (идентичных по параметру объёмов). Автор предлагает рассматривать эту задачу как задачу нонмиксинга второго порядка.
Теперь эту задачу можно увязать с классическими задачами оптимизации. «Чистая» оптимизация подразумевает наличие определённых критериев и направлена в большей степени на совершенствование процесса (в общем смысле, расходов, трудоёмкости и т. д.), а нонмиксинг - это оптимизация, если можно так сказать, прежде всего, ориентирующаяся, на конечный результат всех промежуточных процессов в составе общего. Таким образом в нонмиксинге важно прежде всего спроектировать общую возможную технологию приготовления и использования смеси с соответствующей технической реализацией, после чего, возможна общая оптимизация выбранной технологии по каким-то конкретным критериям
Выделение объекта. На сегодняшний день смесь синтезируется из других смесей, этот процесс наиболее актуален [14]. Да, это сложнее и затратнее, но по-другому иногда просто невозможно. Во первых, это возможность получать высокие соотношения в конечной смеси за счёт п -ого количества переходов от компонентов к смеси и ещё п раз к смеси, а, во вторых, это единственное решение если компоненты однородны, но в силу ряда обстоятельств (сложности производства) сильно различающиеся по своим свойствам. Речь, как правило, идёт не о усреднении в его классиче-
ском понимании (обычной коррекции свойств отдельных элементов во множестве), а о направленной коррекции - получении заведомо нужных свойств смесевого объекта на основе составляющих элементов (компонентов, промежуточных смесей) с их заранее определёнными слабыми или сильными свойствами. Отсюда - формирование партий готовых смесевых изделий, обладающих пусть разными свойствами между собой, но одинаковыми свойствами внутри партии. Это особенно важно для изделий двойного назначения и в межотраслевом применении.
Эти процессы достаточно сложны, и подчас возможна только ручная или механизированная реализация, но описанный процесс - это всё равно нонмиксинг с возможными перспективами технического совершенствования.
Первичная подготовка компонентов. Её наличие практически обязательно. Большинство производителей компонентов имеют свои ТО на продукцию, однако особенности нонмиксинга подразумевают предельное уточнение свойств компонентов и в особенности ключевых, которые в значительной мере оказывают влияние на качество получаемых смесей и, самое главное - на эффективный результат их использования.
Целесообразно наличие в структуре предприятия участка(ов) подготовки сырья - компонентов с сушилками, дробилками, усреднителями и т. п. плюс операции контроля качества на всех этапах производства и в любом виде.
Вообще, проблематика в данном приложении не может быть узкой, так как затрагивает общие интересы как потребителей, так и производителей. Хотя с обобщенной точки зрения эти интересы преследуют одни и те же общие цели. Если производитель в угоду каким-то текущим выгодам думает иначе, то он ошибается, так как конечное эффективное использование продукта - это всегда эффективная и оправданная цена (себестоимость) и, как следствие, решение общей народно-государственной задачи.
Список литературы
1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.
2. Чувпило А.В. Новое в теории и технике приготовления порошковых смесей. М.: ВНИИЭМ, 1964. 72 с.
3. Чувпило А.В. Расчёт, конструирование и исследование оборудования производства источников тока. М.: Энергия, 1968. 81 с.
4. Лукаш А.Н., Евсеев А.В., Чувпило А.В. Развитие технологий и оборудования для приготовления смесей сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2000. Вып. 5. С. 218 - 224.
5. Информационный ресурс «Агровектор» [Электронный ресурс]. URL: https://agrovektor.ru/category/758-kormosmesiteli.html (дата обращения: 10.05.2019).
6. Информационный ресурс «РЯОСТАНКИ». Смесительное оборудование [Электронный ресурс]. URL: https://www.prostanki.com/board/ sale/ 521 (дата обращения: 10.05.2019).
7. Информационный ресурс «EIRICH». Смесительное оборудование [Электронный ресурс]. URL: https: //www. eirich .ru/ru/tekhnolo gij a/ smesitelnoe-oborudovanie (дата обращения: 10.05.2019).
8. Порционный смеситель Sanimix MRMA [Электронный ресурс]. URL: https://former.buhlergroup.eom/europe/ru/9869.htm# (дата обращения: 10.05.2019).
9. Официальный информационный ресурс компании «SIEHE» [Электронный ресурс]. URL: http://sieheindustry.com/ru/products/ powder. html?yclid=6419871455732332848 (дата обращения: 10.05.2019).
10. Баранцева Е.А., Пономарев Д.А., Мизонов В.Е., Berthiaux Н. Нелинейные модели процессов непрерывного смешения сыпучих материалов // Труды XVI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-16». Санкт-Петербург, 2003. Т. 10. C. 116117.
11. Arratia Р.Е., Duong Nhat-hang, Muzzio F.J., Godbole P., Reynolds S. A study of the mixing and segregation mechanisms in the Bohle Tote blender via DEM simulations; Powder Technology, 2006. Vol. 164(2006). P. 50-57.
12. Сокольчик П.Ю., Сташков С.И., Малимон М.В. Прогноз и управление качеством гетерогенных сыпучих смесей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. Пермь, 2013. С. 64-83.
13. Podgornyj Yu.I., Martynova T.G., Skeeba V.Yu., Kosilov A.S., Chernysheva A.A., Skeeba P.Yu. Experimental determination of useful resistance value during pasta dough kneading // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2017. Issue 87 (2017) 082039. DOI: 10.1088/17551315/87/8/082039.
14. Evseev A.V., Paramonova M.S., Preis V.V. A Quantitative Criterion for Quality Mixing Assessment for the Effective Unit of Mixed Products // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1050 (2018) 012025 D0I:10.1088/1742-6596/1050/1/012025.
15. Евсеев А.В., Парамонова М.С., Прейс В.В., Лобанов А.В. Экспериментальная проверка математической модели детерминированного формирования однородности смеси для алмазного инструмента // Цветные металлы, 2019. №1 (913). С. 78-87. DOI: 10.17580/tsm.2019.01.12.
16. Evseev A.V., Preis V.V., Kasatkin G.V. Algorithm to optimize the accuracy of the metering devices for obtaining loose material mixture of a given quality // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1260 (2019). 032016. DOI:10.1088/1742-6596/1260/3/032016.
17. Evseev A.V. Accuracy of discrete metering devices in relation with the criterion of formed mixture quality assessment // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1260 (2019) 032014. DOI: 10.1088/1742-6596/ 1260/ 3/032014.
18. Evseev A.V. Automatic mixers for the synthesis of functional mixtures with desired properties from small batches // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1260 (2019). 032015. DOI: 10.1088/1742-6596/ 1260/3/ 032015
19. Евсеев А.В., Парамонова М.С., Прейс В.В., Лобанов А.В. Экспериментальная проверка математической модели детерминированного формирования однородности смеси для алмазного инструмента // Цветные металлы, 2019. №1 (913). С.78-87. DOI: 10.17580/tsm.2019.01.12.
20. Патент 2129911 РФ. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, И. А. Клусов, А.В. Евсеев. Опубл. 10.05.99.
21. Патент 2271243 РФ. Способ смешения сыпучих компонентов и устройство для его реализации / А.Н. Лукаш, А.В. Евсеев, Т. А. Овчинникова, К.В. Власов, О.В.Карпухина. Опубл. 10.03.06.
Евсеев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, ews19 72@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
NONMIXING A. V. Evseev
The author proposes a new approach to the analysis of the theory and equipment for the preparation of mixtures of bulk and wet materials.
Key words: bulk material, mixture, mixer, mixing equipment, quality of mixture.
Yevseev Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ews19 72@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.768
ОСОБЕННОСТИ УПАКОВКИ МУКИ В БУМАЖНЫЕ ПАКЕТЫ
НА ФАСОВОЧНО-УПАКОВОЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ
И.А. Красная
Рассмотрены этапы, основные операции и особенности распространенных способов упаковки муки в бумажные пакеты при помощи фасовочно-упаковочного оборудования.
Ключевые слова: бумажная упаковка, бумажный пакет, мука, фасовочно-упаковочное оборудование, дозирование, биговка, конвейер, ротор.
При выборе какого-либо товара в магазине потребитель не всегда имеет возможность оценить сам товар, находящийся внутри тары. Поэтому о качестве упакованного товара во многом может судить его упаковка.
36
