CC BY
2
DEVELOPMENT OF AN ALGORITHM FOR AN INTEGRATED SYSTEM FOR OPERATIVE DIAGNOSTICS OF DIESEL ENGINE
A.N. Kalyakulin, A.G. Starikova, L.L. Saidova
The article develops a block diagram of the system of operational diagnostics, analyzes the existing systems-analogues based on artificial intelligence. The main diagnostic algorithms are revealed.
Key words: internal combustion engine diagnostics, data processing, engine interface.
Kalyakulin Alexey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State University of Railway Engineering,
Starikova Anna Gennadievna, senior lecturer, starikova@samgups. ru, Russia, Samara, Samara State University of Railway Engineering,
Saidova Lyubov Leonidovna, postgraduate, l. saidova@samgups. ru, Russia, Samara, Samara State University of Railway Engineering
УДК 621.77
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-568-569
РАЗРАБОТКА ШНЕКА МАЛООТЖИМНЫХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ-СТОКСА С ЭФФЕКТОМ САМООЧИСТКИ
А.В. Гукасян, В.С. Косачев, Д.А. Шилько, Н.А. Яковлев
В статье описывается процесс разработки модели шнекового узла в рамках концепции цифрового двойника. Используя методы математического моделирования на основе уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности удалось достичь снижения застойной зоны в каверне шнека, построить сравнительные 3D модели шнека, разработать программный комплекс для расходно-напорных характеристик маслоотжимных агрегатов. Доказательность представленной математической модели является патент на полезную модель шнеково узла со сниженной металлоемкостью с эффектом самоочистки, за счет использование шнеков разного диаметра. Для синхронизации работы предлагается использовать известную модель редуктора.
Ключевые слова: уравнение Навье-Стокса, гидродинамика, шнек, маслоотжимной агрегат, самоочистка, цифровые двойники.
Создание инновационных технологических решений в области отжима растительных позволяет получить продукты питания с улучшенными органолептическими свойствами. Для снижения затрат на НИОКР современным конструкторским институтами выполняется компьютерное моделирование. В этом контексте моделирование физико-механических процессов в пищевой технологии играет важную роль, позволяя оптимизировать производственные процессы, повысить качество продукции и сократить затраты на прототипирование.
В рамках общего тренда цифровых двойников математическое моделирование применяется в: авиации и космонавтике, архитектура, автомобилестроении, строительстве, энергетике, госсекторе, IT технологиях и др. Поэтому, создание методов и инструментов для проектирования цифровых двойников, с учетом тенденции к большим данным (big data) и общей информатизации - это важная задача для отечественной пищевой промышленности.
Цифровой двойник — это виртуальная модель реального объекта, процесса или системы, которая отображает его состояние, поведение и характеристики в реальном времени или в определенных условиях. Моделирование в пищевой промышленности позволяет ускорить процесс проектирования, осуществить мониторинг и диагностику процесса, выполнить оптимизацию производственных процессов. Визуальная составляющая двойников позволяет проводить натурное обучение с возможность отслеживать, прогнозировать и оптимизировать технологические операции.
На первом этапе выполняется математическое моделирование процесса - процесса отжима растительного масла в маслоотжимных шнековых агрегатах. В работе [1] отражены проведенные исследования в области оптимизации конструкции шнекового узла. Математическое моделирование процесса отжима растительных масел основывается на уравнении Навье-Стокса (1) и уравнении неразрывности (2), с учетом допущения, что масличный материал - вязкая несжимаемая жидкость:
= -у? + ß^AV, i = 1,2 (1)
dT
M = 0 (2)
Математические преобразования в статье [2] были внесены в программу PTC MathCAD Prime 4.0. Благодаря составленному алгоритму, удалось получить градиент, определяющий направление и скорость переноса потоков масличного материала внутри каверны шнека (рис.1) [3].
568
Рис. 1. Математическая модель распределение вихревых течений внутри канала шнека
Рисунок 1 показывает, что в случае большого расстояния между витками происходит образование застойных зон, которые не оказывают необходимого механического влияния на отжимаемый масличный материал даже с учетом изменения полей давления [4].
Более того, наличие свободного пространства сверху позволило предполагать, что образуется застойная зона в верхней части пространства, за счет большой высоты зуба шнеков. Это позволяет предположить, что для улучшения процесса отжима растительных масел можно:
1. Изменить геометрические параметры витка: уменьшить высоту зуба шнека и межвитковое расстояние;
2. Интенсифицировать процесс отжима масла путем дополнительного перемешивания именно в этой части каверны;
3. Совместить оба представленных способа для более динамичного движения токов и увеличения производительности масложировых агрегатов;
Далее благодаря компьютерному моделированию в программе КОМПАС 3Б было выполнено моделирование 3Б модели шнеков: с учетом застойной зоны и с измененной геометрией витков (рисунок 2).
^^тш
Рис. 2. Сравнительное моделирование 31) моделей шнека
Сравнение полученных моделей демонстрирует снижение высоты пера и межвиткового расстояния на 25%. Общий диаметр шнека и длина шнека уменьшились на 13,6%. Количество витков увеличилось на 2, то есть увеличилось на 14,3%. Уменьшение массы и объема шнека составило 14,3% [5].
Далее был использован разработанный программный комплекс кафедры ТОСЖ КубГТУ [6] на основе представленной математической модели, благодаря которому вычислили производительность сравниваемых 3Б моделей (рисунок 3 и 4). Полученные значения адекватно описывают экспериментальные и промышленные данные [7].
Расчет расходно-напорных характеристик экструдера
им
«м 1 0.22
1.03
0.08
ш (рэд/с} 1.5
12 V' I- V" •
** 1
0.03
»[») 0.009
гМ 0.003
0,м 0.088
| Рассыпать |
Производительность экструдера 03 = 5.568159321033776е-7 (м3/с)
Скорость продукта вдоль винтового канала Уг= 0.0009051109978998619 (м/с)
Рассходно-напорная характеристика нагнетающей части
Лр = 2187363&.302347742 (Па>
Рис. 3. Расходно-напорные характеристики первого шнека
Расчет расходно-напорных характеристик экструдера
В (и)
им
!/■ 10й (Па-с) 3(м) ш (рад/с) Ч»1
Я (и) г(м) О,
Производительность экструдера Оэ = 5.7626460238 53749е-7 (и3/с)
Скорость продукта вдоль Уг = 0.001213495282240&794 (м/с}
Рассходно-напорная характеристика нагнетающей ч
Лр = 22637864.608815745 (Па)
Рис. 4. Расходно-напорные характеристики обновленного шнека
Загрузочная ворота
Рис. 5. Разрез загрузочной зоны двухшнекового маслоотжимного агрегата
570
Представленные значение демонстрируют, что в случае использования обновленного шнека с изменением трех геометрических параметров (шаг витка, высота пера, длина шнека) рост производительности увеличился на 3,45%, скорость продукта возросла на 34%, давление нагнетающей части выросло на 3,5%.
Представленные показатели демонстрируют возможность использования полученных разработок для использования в одношнековых малоотжимных агрегатах. В случае использования данной модели для двухшнековых узлов необходимо предусмотреть избегания заклинивания с возможностью заходов зубьев разных шнеков в межвит-ковые пространства друг друга для дополнительного перемешивания и самоочистки, а различный диаметр валов и оптимальный шаг витка позволяет увеличить пропускную способность в рабочей зоне. Благодаря этому, увеличивается степень отжима масличного сырья за счет снижения степени прокручиваемости материала в каверне (рисунок 5) [8,9].
Для реализации разработанной модели необходимо определиться с возможностью использования редукторов для валов шнеков, с целью синхронизации работы и регулированию зазоров между шнеками для предотвращения заклинивания. Одним из возможных вариантов может быть [10], в котором прямозубое колесо для одного потока ведущего вала нарезано со смещением относительно прямозубого колеса другого потока. Это позволяет равномерно распределить мощности по потокам и выполнить точно позиционирование будущих валов.
Заключение. Проведенное комплексное исследование демонстрирует этапы создания прототипов от создания математической модели до создания как цифрового двойника, так и создания прототипов. Проведенные работы позволяют снизить затраты при производстве опытно-промышленных образцов шнековых маслоотжимных агрегатов.
Список литературы
1.Шилько Д.А. Математическая модель тока в канале шнека на основе уравнений Навье-Стокса // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 10. С. 129-133. EDN VUZKIR.
2.Подгорный С.А., Кошевой Е.П., Косачев В.С. Термодинамический подход в теории сушки // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2015. № 4(346). С. 88-91. EDN ULUONL.
3.Меретуков З.А., Косачев В.С., Кошевой Е.П. Решение задачи нелинейной напоропроводности при отжиме // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2011. № 5-6(323-324). С. 62-64. EDN OKMNFP.
4.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023616255 Российская Федерация. Программа для расчета расходно-напорных характеристик пресс-экструдера : № 2023614574 : заявл. 14.03.2023 : опубл. 23.03.2023 / А. В. Гукасян, В. С. Косачев, Д. А. Шилько [и др.] ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный технологический университет». EDN FOVKIU.
5.Шорсткий И.А., Кошевой Е.П., Косачев В.С., Меретуков З.А. Вязкость спиртовых суспензий измельченных семян подсолнечника // Новые технологии. 2015. № 3. С. 40-44. EDN VDHJCH.
6.Патент на полезную модель № 221906 U1 Российская Федерация, МПК C11B 1/10, B30B 9/16. Двухшнековый пресс-экструдер для отжима масла из масличного материала : № 2023126222 : заявл. 13.10.2023 : опубл. 29.11.2023 / А. В. Гукасян, В. С. Косачев, Д. А. Шилько ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет". EDN YFAOWV.
7.Бородянский В.П., Гукасян А.В., В.С. Косачев [и др.] Моделирование коэффициентов внешнего трения масличного материала при экструдировании в шнековом прессе // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2019. № 5-6(371-372). С. 80-83. DOI 10.26297/0579-3009.2019.5-6.20. EDN NRSAOV.
8. Патент № 2307965 C1 Российская Федерация, МПК F16H 1/22. двухпоточная зубчатая передача : № 2006120927/11 : заявл. 13.06.2006 : опубл. 10.10.2007 / В.В. Кулешов, К.Р. Салахутдинов, А. Д. Сметанин ; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет". EDN JSSWHS.
Гукасян Александр Валерьевич, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, aleksandr_gukasvan@mail. ru, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет,
Косачев Вячеслав Степанович, д-р. техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет,
Шилько Денис Александрович, аспирант, shilko-da@yandex. ru, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет,
Яковлев Николай Алексеевич, канд. техн. наук, преподаватель, [email protected], Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет
DEVELOPMENT OF AUGER OF SMALL SQUEEZING UNITS ON THE BASIS OF NA VIER-STOKES EQUATIONS WITH SELF-CLEANING EFFECT
A.V. Gukasyan, V.S. Kosachev, D.A. Shilko, N.A. Yakovlev
The paper describes the process of developing a model of a screw assembly within the framework of the digital twin concept. Using methods of mathematical modeling on the basis of Navier-Stokes equations and continuity equation it was possible to achieve reduction of stagnation zone in the screw cavity, to build comparative 3D models of screw, to develop a software complex for flow-pressure characteristics of oil squeezing units. Proof of the presented mathematical model is
571
a patent for a useful model of a screw unit with reduced metal consumption with the effect of self-cleaning, due to the use of screws of different diameters. For synchronization of work it is suggested to use the known model of the reducer.
Key words: Navier-Stokes equation, hydrodynamics, auger, oil squeezing unit, self-cleaning, digital doubles.
Gukasyan Alexander Valeryevich, doctor of technical sciences, head of the department, ale-ksandr [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University,
Kosachev Vyacheslav Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, vs. kosachev@gmail. com, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University,
Shilko Denis Alexandrovich, postgraduate, shilko-da@yandex. ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological
University,
Yakovlev Nikolay Alekseevich, candidate of technical sciences, lecturer, nikolaj.yakovlev. 50@mail. ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University
УДК 006.91:005.6:621.36
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-5-572-573
ПРИМЕНЕНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ КАРТ ШУХАРТА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОПАР В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Д.С. Перепелица, Л.Г. Варепо, Д.Б. Мартемьянов, И.В. Нагорнова, Э.Г. Беззатеева
Совершенствование методики контроля метрологических характеристик термоэлектрических преобразователей (термопар) в процессе эксплуатации актуально, поскольку недостатком стандартной методики является то, что при периодической поверке термопары не учитывается возможность возникновения термоэлектрической неоднородности. Для оперативного контроля метрологических характеристик (температуры) термопар предлагается ввести перед началом операции термообработки дополнительный контроль показателей температуры с помощью калибратор-измерителя стандартных сигналов КИСС-03 и контрольной термопары. Рассмотрено применение контрольных карт Шухарта для контроля температуры. Таким образом, представленные результаты позволили получить методику, которая позволяет улучшить качество контроля температуры и уменьшить выпуск брака.
Ключевые слова: термоэлектрические преобразователи (термопары), термическая обработка, контрольные карты Шухарта.
Вопрос о качестве промышленного сырья, такого как металлы (сталь, алюминий, медь и др.) и сплавы, которые используются при изготовлении современных машин, оборудования и двигателей, остается актуальным.
Для того, чтобы изделие отвечало техническим требованиям и выдерживало более высокие производственные нагрузки, необходимо постоянное улучшение его свойств, которые в свою очередь, во многом зависят от технологических особенностей, заложенных на этапе термической обработки (твёрдость, механические свойства и др.).
Под термической обработкой понимают совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры.
Одним из ключевых параметров при термической обработке является температура. Основой оптимального регулирования температуры в индукционных нагревательных установках являются термоэлектрические преобразователи (далее - термопары).
Краткая теория. Термопара (ТП) - это основной измерительный элемент, представляющий из себя отрезок термоэлектродной проволоки, последовательно спаянной из двух разнородных электропроводящих металлов (рис. 1).
В соответствии с предназначением и конструкцией, термопара может быть: погруженной или поверхностной; герметичной или негерметичной; стационарной или переносной и т. д. (рис. 2).
Согласно ГОСТ 6616-94 термопары разделяются по подгруппам и типам (таблица 1) [1].
Рис. 1. Конструкции термопар: 1 - электроды; 2 - рабочий спай; 3 - трубка; 4 - защитная арматура; 5 - керамический наконечник; 6 - заливка; 7 - головка; 8 - сборка; 9 - зажимы; 10 - удлинящие провода; 11 - гермитизированный ввод; 12 - элементы крепления
