CC BY
16
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-425-432
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХСТАДИЙНОГО ДОЗИРОВАНИЯ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ СМЕСЕЙ
В. Мансур, В.Ф. Першин
В результате анализа способов непрерывного весового дозирования установлено, что основным препятствием повышения точности дозирования являются динамические воздействия на весоизмерительное устройство. Предложен способ двухстадийного дозирования, который полностью исключает динамические воздействия при определении весовой производительности дозатора. Приведены результаты экспериментальных исследований точности весового двухстадийного дозирования сыпучих материалов, подтверждающие повышение точности дозирования при использовании нового способа. Рассмотрены варианты использования двухстадийного дозирования при приготовлении смесей из компонентов склонных к сегрегации.
Ключевые слова: сыпучий материал; весовое дозирование; точность дозирования; смешивание; качество смеси.
Весовое непрерывное дозирование сыпучих материалов широко используется в различных технологических процессах. Особое значение дозирование имеет при приготовлении смесей, поскольку от точности дозирования компонентов, во многом зависит качество смеси. В настоящее время серийно выпускаются весовые дозаторы, в которые производительность определяется либо по весу материала на ленте транспортера, либо по весу дозатора с бункером через равные промежутки времени. Ленточный весовой дозатор показан на рис.1 [1]. Дозируемый материал из бункера подается на ленту транспортера. Под лентой транспортера установлены два опорных ролика, а между ними один или два ролика, соединенные с датчиком веса. Показания датчика веса передаются в контроллер, где вычисляется производительность дозатора. При необходимости, контроллер подает команду на привод транспортера или на привод шибера бункера для корректировки производительности дозатора. При обработке информации с датчика веса, делается предположение о том, что материал равномерно распределен на участке между опорными роликами. Это далеко не всегда соответствует действительности, особенно после корректировки производительности дозатора. Кроме этого, движущаяся лента с материалом вибрирует и вызывает динамические воздействия на датчик веса, что отрицательно влияет на точность дозирования.
Рис. 1. Ленточный весовой дозатор
На рис.2 показан дозатор, реализующий технологию «Loss in weight» (потеря в весе) [2]. Суть данной технологии заключается в том, дозатор, чаще всего шнековый, с бункером, заполненным материалом, установлен на весовую платформу и через равные промежутки времени информация с весовой платформы передается на контроллер. Производительность дозатора определяется как разность в весе между двумя последовательными замерами деленная на время между этими замерами. Если производительность дозатора не соответствует заданной, то контроллер подает соответствующий сигнал на привод шнекового питателя. Поскольку привод питателя работает постоянно, то возникают динамические воздействия на весовую платформу, что отрицательно влияет на точность дозирования. Кроме этого, вес материала, выгружается из бункера намного меньше веса дозатора с исходным материалом, что также снижает точность дозирования.
Таким образом, основным препятствием повышения точности весового непрерывного дозирования являются динамические нагрузки на датчик веса, поскольку вес материала определяют, когда он находится в движении.
В Тамбовском техническом университете разработан способ двухстадийного дозирования сыпучих материалов [3]. На первой стадии с помощью весового порционного дозирования формируются отдельные порции материала, а на второй стадии эти порции преобразуются в непрерывный поток. Разработаны конструкции для реализации данной технологии [4, 5]. Производительность дозатора Q определяется по ф-ле:
(1)
где АР - вес отдельной порции; АТ - промежуток времени между подачей порций в устройство для их преобразования в непрерывный поток.
Экспериментальные исследования показали, что данная технология позволяет значительно снизить динамические нагрузки на датчик веса, но не исключает их полностью.
Главным условием обеспечения точности двухстадийного дозирования является выполнение зависимости (1). До настоящего времени выполнение данного условия пытались достичь за счет постоянства численных значений АР и АТ. Совершенно ясно, что при данной технологии достичь постоянства АР практически невозможно. Изменив последовательность операций можно достичь постоянства производительности используя переменные значения АР и АТ. Мы предлагаем следующую последовательность реализации двухстадийной технологии: формирование отдельной порции объемным способом - взвешивание порции - подачу порции в преобразователь - расчет численного значения АТ из условия (1). После выполнения этих операций цикл указанных действий повторяется, т.е формируется очередная порция, которая по истечению рассчитанного АТ подается в преобразователь и т.д. Следует обратить внимание на то, что определение веса порции осуществляется, когда эта порция уже сформирована и материал находится в покое.
Проведены экспериментальные сравнения предлагаемой технологии с наиболее удачным способом двухстадийного дозирования [6]. Исследования проводили на установке, показанной на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки: 1 - основание; 2 - подвижная платформа; 3 - шарнир; 4 - лоток; 5 - передняя опора; 6 - задняя опора; 7 - вибратор; 8 - бункер; 9 - основной шнек; 10 - дополнительный шнек; 11 - привод вращения основного шнека; 12 - привод вращения дополнительного шнека; 13 - весоизмерительное устройство; 14 - блок управления; 15 - узел загрузки; 16 - узел выгрузки; 17 - кронштейн
Рис.2. Весовой дозатор с потерей веса
При использовании патента [6] устройство работало следующим образом. Материал, подлежащий дозированию, загружается в бункер 8. В блок управления вводятся следующие данные: заданная производительность дозатора Q гс-1; вес отдельной порции материала АР г; промежуток времени ДТ с; значение отклонения 5Р, веса порции от заданного значения, определенное экспериментально; значения коэффициентов N1, N2, N3. В блоке управления рассчитываются производительности основного питателя QОСН гс-1 и дополнительного QдОП= гс-1, а также промежуток времени равный ШДТ с, в течение которого осуществляется каждая догрузка материала дополнительным питателем. После расчета указанных величин начинается процесс дозирования сыпучего материала. Цикл дозирования отдельной порции, включает следующие операции: дозирование первой части порции основным шнеком 9 и подача ее в лоток 4; прекращение дозирования первой части порции, выключение привода 11 по команде блока управления 14; взвешивание бункера 8 с материалом и расчет блоком управления веса первой части порции и необходимую догрузку материала дополнительным шнеком 10; включение привода 12, по команде блока управления 14 и подачу материала догрузки в лоток 4; выключение привода 12, по команде блока управления 14; взвешивание бункера 8 с материалом и расчет блоком управления общего веса порции. Подача следующей порции в лоток 4 осуществлялся по истечению промежутка времени ДТ с момента начала подачи первой части предыдущей порции. На выходе из лотка 4 отбирали пробы для расчета точности дозирования. В соответствии с ГОСТом [7] отбирали 10 проб, каждую в течение 360 с.
При использовании предлагаемого способа процесс непрерывного дозирования был организован намного проще. Исходя из заданной производительности дозатора и принимая ориентировочное значение ДТО=30 с, рассчитывается ориентировочный вес пробы ДРО= QДТО. Далее рассчитывается время ДТдОЗ дозирования основным шнеком порции с весом ДРО. После расчета данных величин проводятся следующие операции: фиксируется начальный вес РНБ бункера с материалом, шнеками и приводами их вращения, блок управления включает привод основного шнека на промежуток времени ДТО и порция материала поступает в лоток 4. После подачи материала в лоток и выключения привода основного шнека фиксируется вес РКБ бункера с материалом, шнеками и приводами их вращения. Рассчитывается вес порции ДР= РНБ-РКБ и далее рассчитывается значение промежутка ДТ= ДР^, по истечению которого формируется и подается следующая порция в лоток 4, т.е. цикл повторяется. На выходе из лотка 4 отбирали 10 проб для расчета точности дозирования. В таблице представлены результаты проведенных экспериментов.
Вес пробы АРПР с нулевым отклонением от заданного значения 180 г. Среднее значение отклонений производительности дозатора при использовании способа по патенту [6] равно 0,25%, а при использовании предлагаемого способа - 0,085%. Таким образом, точность дозирования повысилась в 3 раза, а максимальные отклонения производительности от заданных значений уменьшилось в 4,5 раза.
Результаты экспериментального определения точности дозирования
Параметры Способ по патенту [6] Предлагаемый способ
АРПр, г АГпр,о а, г/с ла,% ЛРпр,г ЛТш,с а,г/с ла.,%
1 180,35 360 0,5010 0,20 179,86 360 0,4996 0,08
2 180,41 360 0,5011 0,22 179,79 360 0,4994 0,11
3 180,82 360 0,5023 0,45 179,85 360 0,4996 0,08
4 179,51 360 0,4987 0,27 180,11 360 0,5003 0,06
5 179,45 360 0,4985 0,31 180,18 360 0,5005 0,10
6 179,44 360 0,4984 0,31 180,16 360 0,5004 0,08
7 180,12 360 0,5003 0 180,14 360 0,5004 0,08
8 180,52 360 0,5014 0,29 180,10 360 0,5003 0,06
9 180,31 360 0,5009 0,17 179,81 360 0,4995 0,10
10 179,49 360 0,4986 0,28 179,82 360 0,4995 0,10
Совершенно очевидно, что повышение точности непрерывного весового дозирования очень важно при приготовлении смесей из сыпучих компонентов. Особенно сложно смешивать компоненты, существенно отличающиеся по плотности и/или размерам частиц, поскольку в данном случае параллельно с процессом смешивания идет процесс сегрегации, в результате которого образуются зоны с высокой (практически 100%) концентрацией одного из компонентов.
Рассмотрим более подробно данный процесс на конкретном примере приготовления смеси из основного компонента А и ключевого компонента Б, в вибрационном смесителе состоящего из вертикальной цилиндрической емкости, установленной на горизонтальном основании, которое совершает вертикальные колебания. Диаметр частиц компонента Б значительно меньше диаметра компонента А. Результаты лабораторных экспериментов показали, что независимо от того, как загружались компоненты в смеситель, в конечном итоге все частицы компонента Б, т.е. мелкие частицы, сгруппируются на дне цилиндрической емкости. Аналогичные результаты получены при смешивании когда диаметры частиц компонентов равны, но плотность материала частиц компонента Б больше, чем у компонента А. Очевидно, что если частицы компонента Б в процессе смешивания, т.е. при вибрации, совершают движение вниз, целесообразно в цилиндрическую емкость сначала загрузить компонент А, а затем компонент Б и прекратить процесс в тот момент, когда коэффициент неоднородности смеси будет минимальный, т.е когда качество смеси будет наилучшим. Для наглядности рассмотрим модельный пример, используя для описания процесса смешивания математический аппарат случайных марковских процессов, дискретных в пространстве и времени [8].
Разделим основной компонент, находящейся в цилиндрической емкости на три равные ячейки горизонтальными плоскостями. Состояние системы (смеси) характеризуется концентрациями ключевого компонента Б в ячейках и коэффициентом неоднородности V:, а переход системы от одного состояния в другое осуществляется скачкообразно на каждом шаге или переходе. В данном случае марковская цепь будет иметь вид, показанный на рис. 4.
1,Рц Р12 2,Р22 3, Рзз
Рис. 4. Марковская цепь процесса смешивания
С0(у) С(у) - концентрация ключевого компонента в ячейке ^ до и после перехода j, соответственно; 1,2,3 - номера ячеек, Рц, Р22, Рзз - вероятности того, что после перехода ключевой компонент останется в той же ячейки; Р^, Р23 - вероятности перехода ключевого компонента из ячейки 1 в ячейку 2 и из ячейки 2 в ячейку 3, соответственно. Пусть вероятности переходов Рц, Р22, Р^, Р23 равны 0,5, а вероятность Р33=1. Количество ключевого компонента в ячейке после очередного перехода равно его количеству до перехода плюс количество, которое пришло из предыдущей ячейки и минус количество, которое ушло в следующую ячейку. Предположим, что общее количество смеси равно 100 единиц, а количество ключевого компонента в смеси равно 9 единиц, при идеальном качестве смеси в каждой ячейке должно находиться 3 единицы ключевого компонента. Рассмотрим разные варианты загрузки ключевого компонента в смеситель.
Первый вариант: все количество ключевого компонента загружается в смеситель перед первым переходом. В этом случае перед первым переходом в ячейке 1 будет 9 единиц ключевого компонента, в 2 и 3 ячейках 0 единиц. Перед первым переходом: С0(1,1)=27%, С0(2,1)=0, С0(3,1)=0. После первого перехода половина ключевого компонента из первой ячейки перейдет во вторую ячейку, а половина останется в первой ячейки, т.е С(1,1)=13,5%, С(2,1)=13,5%0, С(3,1)=0. Это соответствует состоянию системы перед вторым переходом. После второго перехода: С(1,2)=6,75%; С(2,2)=13,5%; С(3,2)=6,75%. После третьего перехода: С(1,3)=3,38%; С(2,3)=6,75%; С(3,3)=13,85%. Дальше продолжать процесс не имеет смысла, поскольку равномерность распределения ключевого компонента будет только снижаться. По результатам первого эксперимента следует сделать вывод, что в конце процесса наблюдается увеличение концентрации в последней ячейке, следовательно, необходимо загружать сразу не весь ключевой компонент, а постепенно.
Второй вариант: загружаем ключевой в первую ячейку равномерно, по 3 единицы перед каждым переходом. Перед первым переходом: С0(1,1)=9%, С0(2,1)=0, С0(3,1)=0. После первого перехода: С(1,1)=4,5%, С(2,1)=4,5%0, С(3,1)=0. Перед вторым переходом, после загрузки трех единиц ключевого компонента: 0)(1,2)=13,5%; 0)(2,2)=4,5%; 0,(3,2)=0. После второго перехода: С(1,2)=2,25%, С(2,2)=12,5%0, С(3,2)=2,25%. Перед третьим переходом, после загрузки трех единиц ключевого компонента: С0(1,3)=15,75%; С0(2,3)=9%; С0(3,3)=2,25%. После третьего перехода: С(1,3)=7,87%, С(2,3)=12,5%0, С(3,3)=6,75%. После четвертого перехода качество смеси станет хуже, поскольку в ячейке 1 концентрация ключевого компонента станет еще меньше.
Третий вариант: перед первым переходом загружаем 2 единицы, на втором - 3, а на третьем -4. Перед первым переходом: С0(1,1)=6%, С0(2,1)=0, С0(3,1)=0. После первого перехода: С(1,1)=3,0%, С(2,1)=3,0%0, С(3,1)=0.
Перед вторым переходом: С0(1,2)=12,0%; С0(2,2)=3,0; С0(3,2)=0%. После второго перехода: С(1,2)=6,0%, С(2,2)=7,5%, С(3,2)=1,5%. Перед третьим переходом: С0(1,3)=18,0%; С0(2,3)=7,5%; С0(3,3)=1,5%. После третьего перехода: С(1,3)=9,0%, С(2,3)=12,76%0, С(3,3)=5,24%. После четвертого перехода качество смеси станет хуже, поскольку в ячейке 1 концентрация ключевого компонента станет меньше необходимой, а в третьей ячейке - больше необходимой.
Четвертый вариант: перед первым переходом загружаем 4 единицы, перед вторым - 1,5, а перед третьим -3,5. Перед первым переходом: С0(1,1)=12%, С0(2,1)=0, С0(3,1)=0. После первого перехода: С(1,1)=6%, С(2,1)=6%, С(3,1)=0. Перед вторым переходом: С0(1,2)=10,5%; С0(2,2)=6; С0(3,2)=0. После второго перехода: С(1,2)=5,25%, С(2,2)=8,25%, С(3,2)=3%. Перед третьим переходом: С0(1,3)=15,8%; С0(2,3)=8,25%; С0(3,3)=3%. После третьего перехода: С(1,3)=7,88%, С(2,3)=12%0, С(3,3)=7,12%. После четвертого перехода качество смеси станет хуже, поскольку в ячейке 1 концентрация ключевого компонента станет меньше необходимой, а в третьей ячейке - больше необходимой.
Как отмечалось выше, при идеальном смешивании, концентрация в каждой ячейке должна быть равна 9%. Для каждого варианта определим отклонения концентрации ключевого компонента от заданного значения. Средние отклонения концентрации ключевого компонента от заданного значения для вариантов равны: первый - 47%; второй - 30%; третий - 27%; четвертый - 22%.
Таким образом, за счет загрузки ключевого компонента, склонного к сегрегации, с переменной производительностью, можно значительно улучшить качество готовой смеси. Данная технология дозирования может быть использована при приготовлении смеси в барабанных смесителях. Например, в барабанном смесителе используется способ приготовления смеси [9], включающий дозирование исходных
компонентов, последовательную загрузку этих компонентов в порядке увеличения плотностей и/или уменьшения размера частиц. Время загрузки отдельных компонентов пропорционально объему материала, находящегося в смесителе к моменту загрузки данного компонента, а время между загрузками отдельных компонентов, начиная со второго, пропорционально объему материала, находящегося в смесителе, плотностям и размерам загружаемых частиц. Было проведено сравнение результатов эксперимента и моделирования процесса смешивания сыпучих материалов в барабанном смесителе с использованием ячеечной модели [10]. Более подробно особенности смешивания компонентов, склонных к сегрегации и моделирование этого процесса изложены в монографии [11]. Экспериментально было установлено, что максимально детерминированное движение частиц компонентов наблюдается при циркуляционном режиме движения, т.е. когда в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана частицы движутся по замкнутому циркуляционному контуру вокруг точки С, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Схема движения частиц в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана
Весь материал можно разделить на два слоя: поднимающийся (ниже линии АСВ; скатывающийся (выше линии АСВ). В поднимающемся слое частицы движутся по дугам концентрических окружностей, их скорость вращения равна скорости вращения барабана, т.е. они неподвижны относительно друг друга и относительно обечайки барабана. В скатывающемся слое частицы движутся по криволинейным траекториям с разными скоростями. Именно в скатывающемся слое происходит смешивание компонентов. Если частицы смешиваемых компонентов отличаются по размерам или удельной плотности, то в результате длительного вращения барабана более мелкие или тяжелые частицы сконцентрируются вокруг центра циркуляции (см. рис. 4.1, точка С), независимо от того, как первоначально были загружены компоненты. Произойдет сегрегация частиц по размерам или по удельным плотностям материалов, из которых они состоят. Это происходит потому, что при движении в скатывающемся слое мелкие или тяжелые частицы "проваливаются" или "тонут" в зазоры между нижележащими частицами, тем более, что в скатывающемся слое материал разрыхляется. Таким образом, для более тяжелых и более мелких частиц вероятность перехода в подслой, находящийся ближе к центру циркуляции, будет больше вероятности перехода в подслой, находящийся ближе к обечайке барабана. Результаты экспериментальных исследований показали, что если во вращающийся барабан сначала загрузить крупные или легкие частицы компонента В, а затем мелкие или тяжелые частицы компонента А (рис. 6а), то в конечном итоге, более мелкие или тяжелые частицы сконцентрируются вокруг центра циркуляции (точка С, рис.6, б).
Рис. 6. Распределение компонентов, отличающихся диаметрами и/или плотность частиц, в поперечном сечении барабана
На рис. 7 показаны графики изменения коэффициента неоднородности V во времени. Компоненты смеси - песок и стеклянные шарики. Концентрация песка - 0,466, Кривые 1, 2, 3 построены для случая сегрегации однородной исходной смеси при угловых скоростях вращения барабана 2,07; 2,89; 3,6 с-1, кривая 4 - для случая, когда сначала в смеситель загружали основной компонент (стеклянные шарики), а затем при вращающемся барабане равномерно по его длине загружали ключевой компонент. Сравнивая
б)
численные значения коэффициентов неоднородности при одинаковых значениях т, можно сделать вывод о том, что коэффициент неоднородности нелинейно зависит от угловой скорости вращения барабана. Из характера кривой 4 видно, что коэффициент неоднородности сначала уменьшается, а затем начинает возрастать. Это можно объяснить тем, что сначала часть ключевого компонента из наружных подслоев (в рассматриваемом примере это 10 подслоев при общем количестве 38), где первоначальная его концентрация была равна единице, переходит в подслои, находящиеся ближе к центру циркуляции, в результате чего распределение ключевого компонента становится более равномерным. Таким образом, концентрация компонента в наружных подслоях постоянно уменьшается, а во внутренних - увеличивается. Анализ изменения численных значений концентраций ключевого компонента по подслоям в процессе смешивания показал, что характер этих изменений аналогичен характеру изменения концентраций ключевого компонента в рассмотренном выше модельном примере. Таким образом, можно предположить, что загрузка ключевого компонента с переменной производительностью позволит улучшить качество готовой смеси.
Следует отметить, что математический аппарат случайных марковских процессов часто используется для моделирования не только смешивания, но и совмещенных процессов [12, 13, 14]. В работе [15] на основе теории марковских процессов предложена модель деаэрации сыпучих материалов в совмещенных или последовательных операциях со смешиванием с учетом степени неоднородности смеси и способа ее уплотнения. Построены функции распределения по состояниям системы твердых частиц для случайного относительного изменения выделенного деаэрируемого объема на основе одномерного или многомерного законов Пуассона. Модель проиллюстрирована совмещением указанных процессов в рабочем объеме центробежного устройства. Выполнено построение случайной порозности смеси с применением одномерного закона Пуассона (дискретного по состояниям системы и непрерывного по временному параметру). Большое внимание уделяется исследованию и моделированию процессов смешивания компонентов, склонных к сегрегации [16, 17, 18, 19].
Предлагаемый способ двухстадийно дозирования может быть успешно использована при реализации нонмиксинговой технологии [20, 21, 22, 23, 24]. Сущность данной технологии заключается в упорядоченной укладки отдельных компонентов в смесь, поэтому качество готовой смеси в основном зависит от точности дозирования компонентов. Результаты предварительных экспериментов показали, что совмещение нонмиксинговой технологии с вибрационной обработкой позволяет получать смеси высокого качества из компонентов склонных к сегрегации. Нонмиксинг это максимально детерминированный процесс и процесс смешивания под действием вибрации компонентов склонных к сегрегации также детерминированный процесс. Объединение двух детерминированных процессов позволяет максимально детерминировать весь процесс приготовления смеси. В отличие от вероятностных процессов, детерминированными процессами можно управлять, а следовательно, можно не только прогнозировать, но и получать в высокое качество готового продукта.
Выводы. Предлагаемая технология двухстадийного дозирования сыпучих материалов позволяет значительно повысить точность дозирования, за счет полного исключения воздействия динамических нагрузок на весоизмерительное устройство. Эту технологию можно использовать при смешивании компонентов склонных к сегрегации, а также при реализации нонмиксинговой технологии приготовлении смесей.
Список литературы:
1. Thayer Weigh Belt Feeder [Электронный ресурс] URL: https://www.thaverscale.com (дата обращения: 03.02.2022).
2. Loss-In-Weight feeders [Электронный ресурс] URL: www.pharmaceuticalonline.com (дата обращения: 03.05.2022).
3. Першин В.Ф., Барышникова С.В. Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов // Патент на изобретение RU 2138783, 27.09.99. Заявка № 98110906/28 от 02.06.98.
4. Першин В.Ф., Барышникова С.В., Каляпин Д.К., Осипов А.А. Способ непрерывного дозирования сыпучих материалов устройство для его осуществления // Патент на изобретение RU 2251083, 27.04.05. Заявка № 2003109774/28 от 07.04.03.
5. Першина С. В., Ди Джиннаро А.И., Однолько В.Г., Осипов А.А. Першин В.Ф., Явник П.М. Устройство для непрерывного двухстадийного дозирования углеродных материалов // Патент на полезную модель RU 113353, 10.02.12. Заявка № 2011126102/28 от 24.06.11.
6. Першин В.Ф., Алсайяд Т.Х.К., Ткачев А.Г., Баранов А.А., Осипов А.А. Способ непрерывного весового дозирования сыпучего материала и устройство для его осуществления // Патент на изобретение RU 2 691 786, 18.06.2019. Заявка № 2018126204/28 от 31.10.2018.
7. ГОСТ 8.469-2002 Дозаторы автоматические весовые непрерывного действия. Методика поверки. Дата введения 2003-05-01.
8. Баранцева, Е.А. Процессы смешивания сыпучих материалов: моделирование, оптимизация, расчет / Е.А. Баранцева, В.Е. Мизонов, Ю.В. Хохлова// ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». Иваново. 2008. 16 с.
9. Першин В.Ф. Способ приготовления смеси сыпучих материалов // Авторское свидетельство SU 1326323, 30.07.1987. Заявка № 3834337/31-26 от 02.01.1985.
10. Першин В.Ф. Модель процесса смешивания сыпучего материала в поперечном сечении вращающегося барабана // Порошковая металлургия. 1986. №10. С. 1-5.
11. Першин В.Ф., Однолько В.Г., Першина С.В. Переработка сыпучих материалов в машинах барабанного типа. - М.: Машиностроение/ 2009. 220 с.
12. Черпицкий С.Н. Исследование процесса смешивания сыпучих материалов в барабанноло-пастном смесителе / С.Н. Черпицкий, М.Ю. Таршис, Л.В. Королев, А.Б. Капранова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2020. №1. С. 3-10.
13. Kapranova A.B. To the calculation of the average value of the volume fraction of the key bulk component at the intermediate stage of mixing with an inclined bump / A.B. Kapranova, I.I. Verloka, D.D. Ba-haeva, M.Yu. Tarshis, S.N. Cherpitsky // Frontiers in Energy Research: Process and Energy Systems. - 2020. Vol.8. pр.1-11.
14. Kapranova A.B. Stochastic modeling of bulk components batch mixing process in gravity apparatus / I.I.Verloka, A.B.Kapranova, M.Yu.Tarshis, S.N.Cherpitsky// International Journal of Mechanical Engineering & Technology (IJMET). 2018. V. 9. Is. 2. рр. 438-444.
15. Капранова А.Б. Стохастическая модель совмещенных или последовательных процессов деаэрации и смешивания сыпучих сред на примере работы центробежного устройства// Теоретические основы химической технологии. 2019. том 53. № 2 С. 229-240.
16. А.Е. Лебедев. Аппараты для переработки дисперсных сред. Теория и расчет. Монография / А.Е. Лебедев, А.И. Зайцев, А.Б. Капранова, А.А. Ватагин, С. Суид. - Ярославль :Издат. дом ЯГТУ. 2018. 132 с.
17. A. B. Kapranova, Distribution of the components of the building mixture in the presence of secondary raw materials during rotary mixing / A. Kapranova, D. Bahaeva, D. Stenko, A. Vatagin, A. Lebedev, D. Lichak // E3s Web of Conference. 2020. V. 220, 01060.
18. A. B. Kapranova. Stochastic analysis of impact mixing of bulk materials in a rotary apparatus / A.B Kapranova, D.D. Bahaeva, D.S. Stenko, D. Fedorova, A.A. Vatagin and A.E. Lebedev // E3 S Web of Conferences. Volume 247. 2021.
19. A.B. Kapranova. Analysis of the efficiency of the rotary method for producing a mixture of granular raw materials in the preparation of a cyber-physical platform / A.B. Kapranova, D.V. Stenko, D.D. Bahaeva, A.A. Vatagin, A.E. Lebedev // In: Kravets A.G., Bolshakov A.A., Shcherbakov M. (eds)Cyber-
20. Лукаш А.Н., Евсеев А.В., Чувпило Physical Systems: Modelling and Industrial Application, Studies in Systems, Decision and Control. Springer Nature Switzerland AG 2022. 2022. V. 418. рр.
21. Евсеев А.В. Развитие технологий и оборудования для приготовления смесей сыпучих материалов // Изв. ТулГУ, сер. Машиностроение. 2000. вып.5. С.218-224.
22. Евсеев А.В., Парамонова М.С. Нонмиксинговые технологии и оборудование для получения многокомпонентных смесей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8. Ч.2. С.188-194.
23. Евсеев А.В. Проектирование роторных дозаторов для детерминированного формирования однородности смесей сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.12. Ч.1. С.23-33.
24. Евсеев А.В. Экспериментальные исследования процесса детерминированного формирования однородности смеси сыпучих материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.12. Ч.1. С.151-158.
Мансур Васем (Сирийская Арабская Республика), аспирант, wasemmansour5@gmail. com, Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет,
Першин Владимир Федорович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Тамбов, Тамбовский государственный технический университет
PROSPECTS FOR THE USE OF TWO-STAGE DOSING IN THE PREPARATION OF MIXTURES
W. Mansur, V.F. Pershin
As a result of the analysis ofmethods for continuous weight feeding, it was found that the main obstacle to increasing the accuracy of dosing is the dynamic effects on the weighing device. A two-stage feeding method is proposed, which completely eliminates dynamic effects when determining the weight capacity of the feeder. The results of experimental studies of the accuracy of the weight two-stage feeding of bulk materials are presented, confirming the increase in feeding accuracy when using the new method. The options for using two-stage feeding in the preparation of mixtures from components prone to segregation are considered.
Key words: bulk material; weight feeding;feeding accuracy; mixing; mixture quality.
Mansur Vasem (Syrian Arab Republic), postgraduate, wasemmansour5@gmail. com, Russia, Tambov, Tambov State Technical University,
Pershin Vladimir Fedorovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tambov, Tambov State Technical University
УДК 621.763
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-432-439
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОЁМКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ПЛИТ ПРЕСС-ФОРМ
И.В. Сорокин, М.В. Терехов, Р.А. Филиппов, А.А. Кузьменко, Л.Б. Филиппова
Статья посвящена актуальной проблеме снижения материалоёмкости конструкций деталей пресс-форм с использованием методов аддитивного производства. Приведено решение задачи снижения материалоёмкости конструкций деталей при сохранении их прочностных свойств за счёт использования методики удаления материала в зонах с относительно большим запасом прочности. Особое внимание уделено разработке методики и алгоритму снижения материалоёмкости конструкций, на основе которых проводились исследования. Для решения поставленной задачи были разработаны трёхмерные модели плит пресс-форм с исходной конструкцией и модифицированной. Проведен анализ полученных моделей со сниженной материалоёмкостью с целью выявления соответствиям функциональным характеристикам.
Ключевые слова: материалоёмкость, аддитивные технологии, пресс-форма, системы автоматизированного проектирования, метод конечных элементов, запас прочности.
Пресс-форма является весьма распространённой оснасткой для получения изделий различных конфигураций. Детали типа «плита», которые являются частью пресс форм, довольно успешно могут быть подвергнуты снижению материалоёмкости конструкции, что значительно сокращает время их изготовления и как следствие экономические затраты на изготовление пресс-формы в целом. При этом снижение материалоёмкости конструкции деталей, как правило, чаще используется в рамках механической обработки, чем в аддитивном производстве, которое данном аспекте демонстрирует более высокие показатели по снижению массы деталей или изделий. В настоящее время известны следующие основные направления снижения материалоемкости [1]:
1. Снижение массы.
2. Повышение коэффициента использования материала (отношение основного параметра машины к массе).
3. Выбор рационального материала.
4. Унификация узлов и деталей.
5. Рационализация конструктивных схем путем устранения излишних запасов прочности, замены металлических материалов неметаллическими, применения прочных материалов.
Снижение массы является наиболее распространённым методом снижения материалоёмкости. Один из способов - рациональное нагружение деталей, когда напряжения будут одинаковы в каждом сечении детали по ее продольной оси и в каждой точке этого сечения. Это возможно, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (сжатие-растяжение). Таким образом достигается равнопрочность. При изгибе, кручении и сложных состояниях напряжения распределяются по сечению неравномерно (т. е. нужно стараться по возможности осуществить замену изгиба и кручения растяжением-сжатием). Удаление слабона-груженного центра сечения обеспечивает более равномерное распределение напряжений [1].
Таким образом, одним из направлений облегчения деталей является удаление металла из явно мало напряженных участков, находящихся в стороне от силового потока. В рамках механической обработки одновременно со снижением металлоёмкости конструкции поднимается вопрос технологичности изготовления детали. При удалении материала важно сохранить области, содержащие основные конструктивные элементы (например, отверстия, пазы и т.д.), что приводит к формированию труднообрабатываемой геометрии. А в аддитивном производстве технологичность не столь важна, так как послойный синтез позволяет формировать весьма сложную геометрию. Следовательно, в рамках аддитивного производства возможно более гибкое и эффективное снижение материалоёмкости конструкций деталей.
Методы и материалы исследования. Для решения поставленной задачи была разработана методика снижения материалоёмкости конструкции, включающая в себя CAD и CAE модули, блоки формирования технического задания, принятия решений, анализа результатов и аддитивной подготовки производства, а также базы данных материалов и 3D-принтеров (рис. 1).
