Сборник проектов Питер

На рисунке 7 представлены зависимости, полученные в результате математического моделирования и после выполнения экспериментов. Параметры, обусловленные индивидуальностью системы, принимали значение: Κ = 2,4 , ν = 0,85 . Эксперименты подтвердили, что оптимальное значение параметра β соответствует рассчитанному по модели и лежит в пределах β = 2,7 ÷3,5 .

Рис. 7. – Изменение подводимой энергии при работе на нелинейных режимах:

Κ = 2,5, ν = 0,85 :

1 – эксперимент; 2 – расчет; 3 – гармонические колебания

Сложность анализа эволюции реальной модели заключалась в том, что имевшимися средствами не представлялось возможным определить скорость подвижных частей устройства для каждого момента времени.

Рис. 8. Устройство преобразования механических колебаний в электрический сигнал: 1 – крышка; 2 – шток; 3 – диафрагма; 4 – корпус; 5 – изоляционная втулка; 6 – угольный порошок; 7 – контакт

241

Решение данного вопроса предлагается с помощью представленного ниже устройства (рисунок 8), входящего в состав лабораторного стенда, можно оценить характер колебаний, а оценку динамики проводить методом построения псевдофазового портрета. Результат должен будет иметь те же свойства, что и при использовании истинной фазовой плоскости.

Действие устройства для преобразования механических колебаний в электрический сигнал основано на свойстве слоя угольного порошка изменять сопротивление под воздействием внешнего давления. Шток, соединенный с подвижным электродом с одной стороны и с вибрирующей пластиной с другой, приходит в колебательное движение и изменяет плотность угольного порошка. При уплотнении порошка сопротивление между подвижным и неподвижным электродами уменьшается, а при разрыхлении увеличивается. Устройство включается в цепь последовательно с питающим элементом. Изменение сопротивления угольного порошка приводит к появлению пульсирующего тока. Постоянная составляющая этого тока является током питания в состоянии покоя, а его переменная составляющая представляет собой «вибрационный» ток. Снимаемая переменная составляющая (в нашем случае амплитуда модулированного сигнала) позволяет проанализировать и оценить колебания, возникающие в системе.

После обработки и удаления шумов записанных сигналов для гармонических и нелинейных колебаний их можно представить в следующем виде (рисунок 9).

По представленным зависимостям можно сделать вывод о том, что после введения в состав конструкции ограничителей в поведении системы наблюдается нестабильность поведения, позволяющая утверждать о присутствии хаотического движения.

а

б

Рис. 9. – Пример записанного и обработанного сигнала:

а – гармонические колебания; б – нелинейные колебания: =0,6·10-3м, k2/k1=2,4

242

На рисунке 10 представлены результаты по смешиванию компонентов модельной смеси. Смешивание осуществлялось при следующих условиях: частота воздействия 34 Гц, амплитуда колебаний 1 мм, коэффициент заполнения рабочей емкости 0,35, отношение жесткостей ограничителей и основных упругих связей k2/k1=2,4, зазор =0,6·10-3м.

Рис. 10. – Изменение коэффициента неоднородности смеси: 1 – нелинейные колебания; 2 – гармонические колебания

Реализация нелинейного режима работы смесителя благотворно сказывается на качестве смеси. При общей интенсивности смешивание протекает эффективней при использовании нелинейных колебаний. При этом следует обратить внимание на общую стабильность процесса (устойчивость достигнутого композицией равновесного состояния). Так в случае реализации эффекта нелинейных колебаний она выше, нежели при гармонических режимах работы.

На рисунке 11 представлены графические зависимости изменения коэффициента неоднородности, полученные во время исследования влияния величины зазора на качество получаемой композиции.

Оптимальные значения качества смеси достигались при зазоре 0,6 мм (β = 3,4 ). Уменьшение зазора до 0,3 мм снижало стабильность процесса. При увеличении времени протекания смешивания наблюдалась сегрегация компонентов. Уменьшение зазора до 0,1 мм приводило к значительному увеличению времени смешивания до 320 – 350 секунд.

При этом коэффициент неоднородности хоть и вел себя стабильней, нежели при зазоре в 0,3 мм, но так и не достигал возможного при зазоре 0,6 мм значения.

Эксперименты показали, что при соответствующем порядке проектирования, после проведения предварительной настройки оборудования можно добиться

243

улучшения качества обрабатываемой композиции и повысить эффективность как имеющегося, так и вновь проектируемого оборудования.

Рис. 11. Изменение коэффициента неоднородности смеси во время смешивания

1 – β=0,64; 2 – β=1,94; 3 – β=3,4

Рис. 12. Методика расчета смесителя

244

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о целесообразности использования эффекта нелинейных колебаний для вибрационного смешивания тонкодисперсных материалов.

На рисунке 12 представлена методика расчета, позволяющая осуществлять предварительный анализ режима работы смесителя на стадии проектирования, а так же в случае модернизации уже эксплуатируемого оборудования.

ВЫВОДЫ

В результате анализа литературы, научного поиска и проведенных теоретических и экспериментальных исследований по работе можно сделать следующие основные выводы.

1.Предложено математическое описание поведения системы с целью исследования возможности моделирования процесса. При составлении дифференциального уравнения, описывающего движение вибростола устройства (и соответственно материала внутри вибрирующей емкости) учтены основные параметры

идинамические характеристики, оказывающие влияние на поведение системы и в совокупности характеризующие ее динамическую индивидуальность.

2.Разработан алгоритм осуществления численного расчета по предложенной модели описания динамики поведения системы, который может быть использован при моделировании поведения вибрационного оборудования разнообразного назначения при его модернизации или проектировании.

3.Показано, что отображения на фазовой плоскости, полученные из математической модели и на основе анализа экспериментальных данных с устройства преобразования механических колебаний, позволяют говорить о возможности проектирования процесса и предсказания поведения системы.

4.Проанализированы режимы работы смесительной установки при различных параметрах и условиях и назначен оптимальный для изучаемой композиции.

5.Изучено влияние эффекта нелинейных колебаний на состояние двухкомпонентной мелкодисперсной композиции. Показано, что по сравнению с гармоническими колебаниями, возбуждаемыми в системе при прочих равных условиях, качество смеси, достигаемое при использовании хаотических колебаний выше, а результат устойчивее. Выявлено влияние ряда параметров характеризующих режим работы на качество смеси.

6Предложена оригинальная конструкция вибрационного смесителя с нелинейными колебаниями, реализующая возможность гибкого управления режимами работы и подстройки под самый разнообразный состав готовящихся композиций.

Отличительной особенностью предлагаемой конструкции является конструктивная простота, возможность легкой смены смесительной камеры на камеру другой вместимости или формы. Также в предлагаемом смесителе предусмотрена возможность одновременно со смешиванием реализовать проведение других

245

технологических операций: сушки, нагрева, охлаждения и т.д. При этом не требуется изменять конструкцию всего устройства.

Практическая значимость. Разработан и впервые предложен к использованию оригинальный метод смешивания тонкодисперсных материалов, особенность которого заключается в использования эффекта нелинейных колебаний.

Экспериментально исследована эффективность лабораторного оборудования при гармоническом и нелинейном режиме работы для смешивания тонкодисперсных материалов.

Предложен к применению смеситель с инерционным возбуждением колебаний, реализующий в своей конструкции возможность эксплуатации, как на гармоническом режиме, так и на режиме с использованием эффекта нелинейных колебаний, позволяющий добиться более равномерного распределения компонентов тонкодисперсных композиций по объему смеси.

Реализация результатов. Созданный лабораторный стенд вибрационного смешивания используется в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) в курсах «Машины и аппараты химических производств» и «Автоматизированные расчет и конструирование элементов оборудования отрасли» при выполнении лабораторных практикумов.

Образец опытно-промышленной установки используется в ОАО ФНПЦ «НИИ прикладной химии» в производстве пиротехнических составов гражданского назначения.

246

Д.С. Медведев (старший преподаватель)

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР, Томск)

Научный консультант – П.Н. Дробот, к.ф.-м.н., доцент ФИТ ТУСУР

ПРОЕКТ КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ «ЭЛЕКТРОННЫЙ ВОДОПРОВОДНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ»

Реферат

Ключевые слова: регулятор, датчик температуры, датчик расхода, система автоматического управления, микропроцессорная система, серводвигатель, система гарантированного электропитания, система автоматизированного проектирования.

Введение

В быту при использовании смесителей в ванной комнате или на кухне возникают следующие проблемы:

• при открытии крана мы обжигаемся, настраивая нужную температуру

воды;

•случаются изменения температуры или напора воды, когда мы принимаем душ, доставляющие определенный дискомфорт;

•не удается набрать ванну с комфортной температурой воды (для купания маленьких детей это особенно актуально);

•мы забываем про набирающуюся в ванну воду и затапливаем соседей;

•мы тратим впустую слишком много воды.

Автор проекта предлагает создать простое в использовании, надежное и безопасное электронное устройство, которое позволит задавать и поддерживать на нужном уровне температуру и напор воды. Также прибор сможет автоматически включать воду при поднесении рук к смесителю, и отключать ее через некоторое время, когда кран не используется, что позволит экономить воду. Схема применения такого устройства приведена ниже.

Регулятор устанавливается в скрытом месте под ванной или раковиной кухонной мойки, с помощью стандартных шлангов подключается к системе подачи воды и к уже установленному смесителю, а также к бытовой сети электропитания. Панель управления, соединенная с регулятором, располагается над смесителем, крепится к стене и служит для включения, регулирования и отключения воды. В варианте панели, представленном на рисунке, имеется всего три органа управления: кнопка включения/выключения устройства, а также два поворотных регулятора,

247

позволяющих задавать нужную температуру и напор воды. Также на панели для удобства расположены два индикатора, показывающие текущие настройки.

Таким образом, конечным продуктом является прибор, состоящий из двух частей: панели управления и регулятора, соединенные между собой через проводной или беспроводной канал связи (будет предусмотрено оба варианта).

На данный момент нами создан макет устройства, проводится его тестирование и доработка, отлаживается программная часть, продумывается функционал и дизайн опытного образца.

1. Научно-техническая часть проекта

Разрабатываемое устройство по своей сути представляет собой комбинированную замкнутую двухконтурную систему автоматического регулирования. Объектом управления в системе являются исполнительные механизмы

– серводвигатели, соединенные с вентилями, изменяющими площадь живого сечения в трубах с горячей и холодной водой. В качестве управляющего устройства выступает микропроцессор c высокой производительностью, получающий информацию с двух датчиков температуры, установленных на входе системы в месте подведения горячей и холодной воды, с измерителя потока смешанной воды (расходомера) и с задающих элементов, расположенных на панели управления (кнопочные и поворотные переключатели). Структурная схема интеграции электронного смесителя приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема подключения электронного смесителя

248

Основой задачей в рамках проекта является синтез оптимального с точки зрения сложности технической реализации, инерционности и чувствительности к внешним воздействиям цифрового регулятора. Для достижения оптимума требуется создать адекватную математическую модель с заданными свойствами, которая позволит построить и реализовать программно на базе микропроцессора необходимый алгоритм управления.

На данный момент создан макет регулятора (рис. 2), состоящий из двух водопроводных шаровых вентилей, тройника, расходомера и двух серводвигателей. Все это закреплено на жестком деревянном основании. Серводвигатели соединяются с отладочной платой, на которой расположен контроллер, подающий сигналы управления двигателями, жидкокристаллический дисплей, поворотный регулятор (энкодер), кнопки и разъемы для подключения внешней периферии. При помощи энкодера и кнопок двигатели приводят в действие вентили, тем самым регулируя поток воды. Кроме ручной регулировки макет может работать в режиме стабилизации напора воды и температуры.

Рис. 2. Фотографии панели управления

Разработана система гарантированного электропитания, которая позволяет не только обеспечить необходимый уровень мощности для питания всех узлов системы, но и ее безопасную и бесперебойную работу (рис. 3). Безопасность достигается применением гальванической развязки, заземлением, а бесперебойность – использованием аккумуляторных батарей и зарядного устройства. В случае пропадания напряжения в сети происходит переключение на питания от батарей. При работе в штатном режиме, т.е. при наличии сетевого напряжения, заряд восстанавливается с помощью зарядного устройства. Система гарантированного электропитания по принципу работы является импульсной, что позволяет снизить ее массу и габариты, поэтому блок питания не займет много места при эксплуатации. Электромагнитные

249

помехи, неизбежно возникающие в импульсных схемах, компенсируются за счет применения корректора коэффициента мощности.

Рис. 3. Модель источника бесперебойного питания

На текущий момент создана работающая математическая модель источника питания, отвечающая всем вышеописанным требованиям. Модель построена на базе SPICE-описаний электронных компонентов, что позволяет с высокой долей вероятности получить работоспособное устройство.

Не менее важной задачей является конструкторская часть проекта. Здесь речь идет не только о грамотном сочленении электрических (системы управления и питания), механических (корпуса, двигатели) и сантехнических узлов (шланги, фитинги, вентили), и обеспечении защиты от внешних факторов (температуры и влажности). Ключевая с потребительской точки зрения задача – построение эргономичного дизайна корпуса панели управления и регулятора, и дружественного интерфейса пользователя. При создании макета будут использованы стандартные корпуса и пленочная клавиатура. Но в перспективе планируется продумать вариант собственного дизайна, который позволит с уверенностью выйти на рынок электронной продукции.

Благодаря тому, что разработка решает вполне конкретные жилищные проблемы и устраняет неудобства в быту, она потенциально может быть востребована широким кругом потребителей. Однако, имея в виду довольно высокую сложность устройства в смысле его реализации, цена на рынке предположительно будет составлять не менее 10 т.р., что сужает круг потребителей: позволить себе заплатить такие деньги смогут люди со средним или высоким уровнем дохода, ценящие комфорт в быту. Таким образом,

250