авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Динамика вибрационных технологических процессов и машин для переработки неоднородных гранулированных сред

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЛОКТИОНОВА Оксана Геннадьевна

ДИНАМИКА ВИБРАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И МАШИН ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕОДНОРОДНЫХ

ГРАНУЛИРОВАННЫХ СРЕД

Специальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Курск – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Курский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая механика и мехатроника»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Яцун Сергей Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пановко Григорий Яковлевич;

доктор технических наук, профессор

Ушаков Леонид Семенович

доктор технических наук, профессор

Бляхеров Игорь Соломонович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Защита состоится 25 июня 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.Н. Шевякин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время широкое распространение получили вибрационные методы интенсификации технологических процессов, которые позволяют повысить производительность и энергонапряженность процесса, снизить эксплуатационные затраты. Вибрационное оборудование обычно позволяет легко автоматизировать процесс обработки материалов, совместить несколько операций обработки в одной. Кроме того, вибрационные машины отличаются высокой надежностью, большим сроком службы, возможностью автоматизации и механизации производственных процессов, обеспечивают решение экологических проблем.

Особенно эффективно применение вибрационного оборудования в технологических процессах, связанных с обработкой различных сыпучих сред таких, как транспортирование, дозирование, перемешивание, разделение, уплотнение. В этом случае наряду с интенсификацией технологических процессов при вибрационном воздействии на обрабатываемый материал улучшается качество конечной продукции: при перемешивании достигается высокая степень однородности смеси, при формовании обеспечиваются одинаковые свойства по всему объему и т.д.

Все вышеуказанное, с одной стороны, обусловило интенсивное внедрение вибрационных процессов в промышленность, с другой стороны, требует развития методов анализа сложных динамических систем, вибрационных машин, разработки теоретических и экспериментальных методов исследования технологических вибрационных процессов.

В настоящее время в области динамики машин исследован широкий круг вопросов, связанных с анализом поведения различных динамических систем. Однако дальнейшее успешное внедрение вибрационных машин требует разработки динамических моделей, учитывающих особенности движения реальных систем, адекватно описывающих течение обрабатываемого материала при различном вибрационном воздействии и его взаимодействие с рабочим органом.



Особая специфика вибрационных технологических процессов во многом связана со свойствами обрабатываемых материалов, наименее изученными из которых являются гранулированные (сыпучие) среды. К таким средам относятся материалы, представляющие собой совокупность твердых частиц, размеры которых позволяют считать силы межчастичного взаимодействия малыми по сравнению с весом частиц, и движение которых определяется сцеплением, трением и столкновением между ними. Сложности, возникающие при построении математической модели такой среды, вызваны, в первую очередь, тем, что она представляет собой динамический объект с постоянно изменяющимися под действием вибрации свойствами. Кроме того, большинство сыпучих сред, встречающихся в природе и используемых в технике, являются неоднородными (многофазными или многокомпонентными). Их экспериментальные исследования связаны со значительными трудностями, так как требуют разработки и применения новых методов измерений, позволяющих измерять скорость и объемную концентрацию дисперсной фазы и параметры дисперсионной. Поэтому в этой области научных исследований широко применяются методы математического моделирования.

В настоящее время существует достаточно много моделей, но при таком широком разнообразии технологических процессов и перерабатываемых неоднородных сыпучих сред решение задач, связанных с описанием их течения, должно основываться на существенно различных допущениях и упрощающих предпосылках. Поэтому одним из путей решения этого вопроса является создание математической модели, которая для определенного круга задач дает наилучшие результаты в ограниченных пределах применения.

Математическое моделирование и проведение вычислительных экспериментов на ЭВМ являются наиболее перспективной технологией исследования процессов течения сред со сложной реологией, представляющей эффективный метод получения проектных решений и решения задачи оптимального синтеза.

Таким образом, разработка математической модели вибрационного технологического оборудования для переработки сыпучих сред, которая позволила бы выполнять оптимальное проектирование и выбор параметров технологического оборудования и процессов на основе комплексного моделирования их динамики является актуальной научно-технической проблемой.

Работа по тематике диссертации в разные годы велась в соответствии с координационным планом «Теория машин и систем машин» АН СССР, а также в рамках грантов РФФИ № 04-01-04002 ННИО-а «Научные основы создания мобильных роботов на базе новых принципов движения в различных средах» и № 05-08-33382 «Изучение закономерностей движения вибрационных мобильных роботов в различных средах».

Цель работы: повышение эффективности вибрационных процессов переработки неоднородных гранулированных сред за счет создания теоретического, методологического и алгоритмического подхода к исследованию динамики, расчету и оптимальному синтезу технологических машин и процессов.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ существующих моделей и методов расчета вибрационных технологических процессов и оборудования.

2. Разработка математической модели неоднородной гранулированной среды с учетом сил межфазного взаимодействия, аэродинамических сил, изменения объемной концентрации в широких пределах и взаимодействия с рабочим органом.

3. Разработка программного комплекса для исследования динамики сплошной среды, основанного на решении дифференциальных уравнений течения материала методом крупных частиц.

4. Проведение численного эксперимента по исследованию течения однокомпонентных, двухкомпонентных и двухфазных сыпучих материалов в условиях различных технологических процессов, комплексный анализ закономерностей поведения неоднородных гранулированных сред при различных законах вибрационного воздействия.

5. Экспериментальные исследования динамики гранулированой среды, сопоставление результатов численного моделирования с полученными и уже известными экспериментальными данными.

6. Построение математической модели вибрационного технологического оборудования по переработке неоднородных сыпучих сред с электромагнитным виброприводом, разработка алгоритма расчета для исследования его динамики.

7. Оптимальный синтез вибрационных процессов и оборудования по технологическим критериям качества.

Научная новизна:

– предложен принцип построения модели гранулированной среды, позволяющий описать явление дилатансии и основанный на представлении реологических коэффициентов как кусочно-линейных функций объемной концентрации твердой фазы;

– теоретически обоснована и экспериментально подтверждена адекватная математическая модель, описывающая поведение неоднородного сыпучего материала в условиях вибрационного воздействия с учетом переменной объемной концентрации дисперсной фазы и сил межфазного взаимодействия;

– доказано преимущество полигармонических законов вибрационного воздействия для процессов переработки гранулированных сред, позволяющих повысить производительность процессов разделения, уплотнения на 20-30%, увеличить время полета материала в режиме виброкипящего слоя почти в два раза;

– экспериментально установлено, что с увеличением ширины сосуда при вибрационном перемешивании гранулированной среды образуется вихревое течение, причиной которого является разная степень подвижности отдельных слоев материала;

– предложены научно-методологические основы комплексного численного исследования динамики и расчета вибрационных технологических процессов и машин для переработки неоднородных сыпучих сред на базе обобщенной математической модели, включающей в себя уравнения движения обрабатываемой среды и привода и с учетом взаимодействия материала с рабочим органом;

– разработан алгоритм расчета вибрационного технологического оборудования для переработки неоднородных сыпучих сред, позволяющий исследовать динамику вибромашины и обрабатываемой среды, определять параметры привода и решать задачи оптимального синтеза по технологическим критериям качества;

– в результате комплексного исследования динамики вибрационного оборудования установлен эффект пульсирующего динамического взаимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой, движущейся в режиме виброкипящего слоя, обусловленный дилатантными свойствами гранулированной среды.

Объектом исследования являются вибрационные технологические процессы и машины для переработки неоднородных гранулированных сред.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы теоретической механики, теории колебаний и механики сплошных сред, методы математического моделирования. Для численного решения дифференциальных уравнений использовался метод крупных частиц и модифицированный метод Эйлера. Кроме этого применялись методы планирования эксперимента, математической статистики, метод Коши. Для проверки адекватности математической модели использовались методы экспериментальной механики.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью математической постановки задачи с использованием фундаментальных, строго обоснованных методов теоретической механики, теории колебаний и механики сплошных сред, общепринятых положений: гипотезы сплошности, законов сохранения массы и импульса. Достоверность численных решений подтверждается количественным и качественным совпадением результатов численных решений с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту:

– математическая модель, описывающая динамику однородной, двухкомпонентной и двухфазной (сыпучее - жидкость) гранулированной среды как многоскоростного континуума в условиях вибрационного воздействия и построенная на основе феноменологического подхода к реологии, с учетом межфазного взаимодействия, дилатантных свойств дисперсной фазы и сил аэродинамического сопротивления;

– методика расчета динамики сплошной среды, основанная на решении дифференциальных уравнений течения неоднородного гранулированного материала методом крупных частиц с адаптивно изменяющимся шагом интегрирования. Она позволяет теоретически изучать поведение как однородных, так и неоднородных гранулированных материалов при различных законах изменения вибрационного ускорения, определять в каждый момент времени значения объемной концентрации, проекций скоростей, нормальных и сдвиговых напряжений в любой точке расчетной области;





– полученные в результате численного исследования динамики сплошной среды зависимости эффективности процессов транспортирования, перемешивания, разделения, уплотнения от характера вибрационного воздействия и его параметров (частоты и уровня виброускорения), позволившие определить режимы, обеспечивающие высокое качество (однородность перемешивания, равномерность подачи материала) и рост в 1,2-1,6 раза производительности технологических процессов;

–математическая модель вибрационной технологической машины для переработки неоднородных и однородных гранулированных сред с электромагнитным приводом, позволяющая исследовать течение материала, динамику привода и взаимодействие рабочего органа с обрабатываемым объектом;

– методика расчета вибрационного оборудования для сыпучих сред с электромагнитным приводом, позволяющая определять закономерности движения материала, параметры рабочего органа, привода, вибровоздействия и выполнять параметрическую оптимизацию по технологическим критериям качества.

Практическая значимость работы определяется наличием эффективных методик и алгоритмов решения поставленных задач, реализованных в виде компьютерных программ для проведения вычислительных экспериментов и оптимального синтеза технологического оборудования, которые могут быть использованы в проектных организациях, занимающихся усовершенствованием действующего и проектированием нового виброоборудования для транспортирования, уплотнения, перемешивания, разделения сыпучих сред, а также на промышленных предприятиях, использующих данный тип оборудования.

Так программное обеспечение расчета вибромашин для переработки неоднородных сыпучих материалов было использовано для определения оптимальных режимов работы подбункерного устройства (ОАО «Элеватормельмаш»), мукопросеивателя (ОАО «Курскхлеб), для повышения качества очистки сточных вод (завод «Маяк», ООО «Росно»).

Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе Курского государственного технического университета при чтении лекций студентам и аспирантам по дисциплинам «Приводы бытовых мехатронных устройств», «Механика сплошной среды», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на V Всесоюзной конференции «Механика сыпучих материалов» (Одесса, 1991), Международной конференции «Метод крупных частиц: теория и приложения» (Москва, 1992, 1994), II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1994), Воронежской школе по механике «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 1998), I, II Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 1999,2000), Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (Орел, 2000, 2003, 2006), Международной конференции «Медико-экологические информационные технологии» (Курск, 1998), Tenth world congress on the theory of machines and mechanism (Oulu, Finland, 1999), First International Symposium on Microgravity Research and Applications in Physical Sciences and Biotechnology (Sorrento, Italy, 2000), International conference Gearing Transmasions and Mechanical Systems (Nottingham,UK, 2000), Международной научно-технической конференции «Механика неоднородных деформируемых тел: методы, модели, решения» (Орел, 2004), I-VII Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1993, 1995,1997,1999,2001,2003,2005), семинаре проблемной научно-исследовательской лаборатории «Моделирование гидромеханических систем» (ОрелГТУ, 2007).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 54 печатных работах, в том числе в двух монографиях, 17 статьях, их них 9 в изданиях, рекомендованных ВАК, двух патентах на изобретение, одном авторском свидетельстве, двух свидетельствах о регистрации программы, а так же в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 289 страниц, в том числе 8 таблиц, 123 рисунка, 6 страниц приложения. Список литературы включает в себя 242 источника.

Благодарность. Автор выражает благодарность своему научному консультанту, заведующему кафедрой теоретической механики и мехатроники Курского государственного технического университета доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки С.Ф. Яцуну и всему коллективу кафедры за помощь, оказанную при выполнении работы, активное ее обсуждение, доброжелательную критику и полезные советы, которые способствовали решению поставленных задач.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и основные задачи работы, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе дается краткий обзор и анализ вибрационных технологических процессов и машин для переработки сыпучих материалов, основных свойств и методов моделирования рассматриваемой среды.

Вибрационное технологическое оборудование для переработки сыпучих сред находит широкое применение практически во всех отраслях промышленности. Они позволяют создать изделия с прогнозируемыми высокими показателями качества, а внедрение автоматизированных технологических вибромашин приводит к значительному повышению производительности технологического процесса, его полной механизации и автоматизации.

Разработкой методов исследования вибрационной техники и вибрационных процессов занимаются многие ведущие научные организации и институты: Институт машиноведения им.А.А.Благонравова РАН (Москва), ОАО НПК «Механобр – Техника» (Санкт-Петербург), Институт проблем машиноведения РАН (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургский государственный горный институт, Днепропетровский горный университет, Рижский технический университет, Каунасский политехнический университет и др. В них разрабатываются перспективные вибрационные технологические процессы, ведутся исследования, связанные с оптимизацией существующих процессов, разработкой вибровозбудителей, совершенствованием методов анализа динамических систем, разработкой моделей обрабатываемых сред и другими важнейшими проблемами. Широко известны работы в этой области И.И.Блехмана, Л.А. Вайсберга,. А.Я.Вибы, Р.Ф.Ганиева, И.Ф И.Ф. Гончаревича, В.П.Гусева, П.М.Заики, А.А.Кобринского, Б.В.Крюкова, Э.Э.Лавендела, Р.Ф.Нагаева, Г.Я.Пановко, В.Н.Потураева, К.М. Рагульскиса, К.В.Фролова, М.В.Хвингия, А.Г. Червоненко, С.Ф. Яцуна и других ученых. Эти работы легли в основу построения математического аппарата проектирования современной вибрационной техники.

Известно, что вибрационное воздействие придает гранулированной среде качественно новые свойства. Поэтому расчет и проектирование вибрационного оборудования, обеспечивающего высокую эффективность, требуют углубленного изучения физических закономерностей воздействия вибрации на обрабатываемый материал.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.