Введение к работе
з
При производстве продуктов питания, товаров бытовой
химии, изделий электронной техники контроль массы является
неотьемлемьім этапом іехнолиі ичеиаїх процессов на —
промежуточной и (или) заключительной фазе.
Анализ процессов производства весьма оопшрной номенклатуры фасованной продукции показывает, что дальнейший рост производительности обуславливает снижение заірит ррсмсли на основные и вспомогательные стадии производсіва и снижение брака.
Последний фактор как раз и может бьиь реализован благодаря комплексной автоматизации процесса, предусматривающей з данном случае организацию контроля параметра, оперативное выявление тенденций в его изменениях и подналадку оборудования по его результатам.
Однако организация контроля, дающего боле» или менее представительные результаты, влечет за собой при использовании современных средств контроля массы дополнительные затраты времени.
Это противоречие может быть разрешено путем совмещения операций контроля массы с другими операциями, например, транспортирования, манипулирования, сортировки и т.п.
Таким образом для повышения производительности * технологических линий предпочтительны методы и средства, обеспечивающие мгновенный контроль на участках межоперационного перемещения, либо контроль, производимый одновременно с манипулированием изделием.
Серьезные предпосылки для комплексного решения вопросов автоматизации технологических процессов созданы трудами известных ученых: Е.А.; Андреевой, СИ. Артоболевским, О.Ь.
Балакшиным, В.К. Битюковым, М.М.Благовещенской, И.И.
Блехманом, В.П. Бобровым, Б.Л. Богуславским, Ю.В. Бурляем, А.П.
Владзиевским, Л.И. Волчкевичем, А.В. Высоцким, Ю.Н.
Герулайтисом, В.Н. Дмитриевым, В.П. Жедь, Н.Д. Заблоцким, Л.А.
Залманзоном, Ф.Г.Зуевым, А.А. Ивановым, В.И. Карповым, B.C.
Карповым, И.А. Клусовым, А.К. Ковалевым, А.П.Курочкиным,
Л.И.Кошкиным, М.С.Лебедовским, А.Н. Маловым, СВ.
Пинегиным, А.С. Прониковым, И.В.Сердюковым, А.И.
Рабиновичем, Ю.В. Табачниковым, Г.А.Шаумяном,
А.Г.Шашковым, С.А. Шейнбергом и др.
Применительно к. сило- и массоизмерительным системам современное состояние развития контрольно-измерительной техники характеризуется тем, что наряду с традиционными рычажными устройствами решение различных проблем контроля и измерений осуществляется на основе использования контрольных элементов с тензорезисторными датчиками, вибрационно - частотных, магнито -анизотропных, пневматических датчиков, гидравлических и бесконтактных силоизмерителей и многочисленных типов преобразователей, индуктивных тензометров.
Актуальность темы. Многообразие принципов построения первичных преобразователей средств автоматизации контроля массы объясняется тем, что рычажные механизмы не могут удовлетворить всем современным требованиям: высокой жесткости, малоинерционности и быстродействия, предъявляемым к автоматическим контрольно - измерительным устройствам. Однако замена рычажных механизмов, например, конвейерных весов различными силоизмерителями привела к тому, что последние, находясь в обязательном контакте с изделием или несущей лентой транспортера, приводят к повышенному истиранию отдельных частей устройства и опорной плоскости изделия. Продукция же целого ряда отраслей промышленности характерна существенной
долей изделий (например, пищевые продукты, технологические элементы микросхем), к поверхности которых предъявляются повышенные санитарно-гигиенические и эстетические требования, что делает практически недопустимым применение устройств,
работа которых предусматривает обязательный контакт ~ с
поверхностью изделия.
На сегодняшний день единственным реальным способом устранения контакта с изделием в процессе производства является создание под ним воздушной прослойки.
Воздушная прослойка создает предпосылки использования пневматических измерительных устройств, которые отличаются низкой стоимостью по сравнению с электрическими (примерно на 50 %), значительно меньшим сроком окупаемости. При этом они почти не уступают и в быстродействии: пневматические системы имеют инерционность порядка 0,001 с и могут работать с частотой до 200 Гц, что на порядок превышает быстродействие, требующееся в самых современных контрольно-измерительных устройствах.
Пневматические датчики легко сочетаются с различными вторичными приборами, в том числе и с имеющими цифровые входы. Они предпочтительны во взрывоопасных производствах. Во многих случаях введение пневматических датчиков позволяет отказаться от использования движущихся механических систем.
И, наконец, наиболее существенное преимущество, присущее только пневматическим датчикам, - возможность бесконтактного измерения массы и связанных с нею параметров.
Это создает необходимые предпосылки для разрешения противоречия между потребностью в увеличении доли контролируемых изделий для повышения произподіїтельносіи путем снижения брака на основе автоматизации процесса, с одной стороны, и в уменьшении времени, затрачиваемого на контрольные операции вообще, - с другой.
Таким образом создание устройств бесконтактного контроля массы является перспективным направлением в области повышения эффективности технологических процессов.
К настоящему моменту среди всего многообразия преобразователей массы сложилась гамма устройств, реализующих эффекты воздушной прослойки, причем применение этих устройств позволяет:
производить мгновенный и многократный контроль массы каждой единицы продукции современных поточных линий;
обеспечивать максимальную полноту данных для выявления тенденций в изменениях контролируемой величины и подналадки оборудования;
;. - осуществлять операции контроля и измерения массы изделий без.контакта с их поверхностью;
- совмещать операции транспортирования и манипулирования
изделиями с одновременным контролем их массы;
- производить бесконтактный контроль массы изделий с
развитой нижней или верхней плоскостью;
повышать производительность поточных линий;
создавать предпосылки для расширения числа контролируемых параметров;
создавать на их основе схемы автоматизации как отдельных участков, так и целых поточных линий.
Цель и задачи исследований. Целью исследований, результаты которых представлены в данной работе, является разработка научно обоснованной идеологии создания средств автоматизации бесконтактного контроля масс, обеспечивающих повышение производительности поточных линий путем применения устройств с несущей воздушной прослойкой.
Поставленная цель определила следующие задачи теоретических и экспериментальных исследований:
1. Теоретически обосновать возможность применения.
работоспособность и рентабельность устройств пневматического
контроля массы с несущей воздушной прослойкой для автоматизации поточных линий пищевой промышленности.
-
Исследовать физическую сущность и провести математическое моделирование аэрогидродинамических процессов в рабочих элементах устройств бесконтактного контроля массы и установці ь степень информативности выходных параметров преобразователей
-
Используя преимущества и эффекты тонкого воздушного слоя теоретически обосновать новые принципы построения устройств бесконтактного контроля как неподвижных, так и движущихся изделий в поточных линиях.
-
На основании анализа степени информативности параметров преобразователей с несущей воздушной прослойкой разработать принципы обработки выходных сигналов, обеспечивающие повышение эффективности автоматизации как отдельных машин-автоматов, так и целых поточных линий.
5. Произвести производственную реализацию, доказать
эффективность, оценить область рационального использования
бесконтактных преобразователей с несущей воздушной прослойкой
и устройств автоматизации производственных линий.
Методы исследования. Основные задачи работы решались путем построения и анализа моделей, полученных с помощью математического аппарата теории гидро- и аэродинамики тонкого слоя жидкости (газа) с одной свободной ограничивающей поверхностью, а также с применением теории газовой смажи и проточных элементов пневмоавтоматики. При этом привлекался математический аппарат, который традиционно используется при решении дифференциальных уравнений в частных производных. Для
проверки и качественной оценки полученных аналитически либо приближенно расчетных соотношений, а также для учета факторов, не нашедших отражения в теоретических разработках, были проведены экспериментальные исследования на специально, созданных макетах и установках.
Научная новизна. Сформулированы физические основы бесконтактного контроля массы устройствами с несущей воздушной прослойкой и проточными элементами и впервые предложены основные структурные схемы преобразователей с несущей воздушной прослойкой.
Проведен комплексный анализ информативности параметров несущей воздушной прослойки и проточных элементов.
Рассмотрена теоретически и определена взаимосвязь между параметрами изделия, с одной стороны, и элементов бесконтактных преобразователей, с другой стороны, в совокупности; получены законы распределения давлений при симметричном и асимметричном расположении питающих отверстий относительно изделия, значения коэффициента расхода проточной части "сопло-несущая воздушная прослойка" для большого числа вариантов расположения сопел; введено понятие приведенного сопла и исследован коэффициент расхода для него.
Аналитически получены функции преобразования предложенных устройств для бесконтактного контроля массы неподвижных и движущихся изделий.
Получены характеристики свободных и вынужденных колебаний изделий на несущей воздушной прослойке, проанализировано влияние параметров прослойки и проточных элементов на параметры колебательного движения, проведено сравнение их информативности.
Проанализировано влияние различных факторов, в том числе сил инерции и характеристик проточных элементов, на область
параметров воздуха и преобразователя, обеспечивающую установившееся течение в прослойке.
Аналитически и экспериментально определена и исследована
чувствительность преобразователей с несущей воздушной
прослойкой.
Обоснована теоретически, экспериментально и конструктивно возможность мгновенных многократных измерений массы без заїра і времени на уравновешивание груза.
Рассмотрены условия образования несушей воздушной прослойки как под нижней опорной плоскостью изделия, так и над верхней плоскостью. Впервые предложены способы и устройства ДІЛ мгновенного определения массы в момент образования прослойки.
Разработаны методики расчета и выбора параметров предложенных конструкций бесконтактных преобразователей массы неподвижных и движущихся изделий с установившимся и неустановившимся течением воздуха в несущей прослойке, а также с образующейся прослойкой.
Предложены ьарпанты решения вопросов автоматизации участков поточных линий на основе контроля массы тлелий в потоке и подналадки технологического оборудования но результатам выявления тенденций в изменениях контролируемых величин.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся: результаты исследований и теоретические основы расчета, проектирования и эксплуатации преобразователей с несущей воздушной прослойкой, обеспечивающих бесконтактны!! кон і роль массы неподвижных и движущихся изделии в различных отраслях промышленности, принципиально новые моголі.і и устройства, обеспечивающие автоматизацию машин-автоматов и автоматических линий.
повышение их производительности; техническая новизна предложенных устройств контроля массы для автоматизации фасовки, сортировки, контроля на межоперационных участках поточных линий различных производств.
Практическая ценность и реализация
результатов данной работы. Создан ряд конструкций
преобразователей (датчиков) с несущей воздушной прослойкой,
которые в совокупности с предложенными схемами обеспечивают
возможность построения высокопроизводительных
автоматизированных поточных линий в различных отраслях промышленности, линий фасовки в пищевой, химической и др. отраслях промышленности.
Технические предложения, основанные на результатах диссертационных исследований, использовались в совместных разработках с НПО УПМАШ; изобретение по а. с. №621967 с 20.10.86 внедрено в организации п/я А-7545 (101000, г. Москва, центр); конвейерные весы по а. с. 756218 прошли промышленные испытания на участке фасовки сливочного масла в условиях АО "Гормолзавод №2" г.Воронежа.
Экономический эффект от реализации таких весов оценивается с учетом индексации в 45 млн. р. в ценах до 1993 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на тринадцати межреспубликанских, всесоюзных и региональных научно-технических конференциях, симпозиумах и совещаниях, посвященных вопросам автоматизации и механизации производства, проектированию средств пневмоавтоматики, основного и вспомогательного оборудования предприятий приборо- и машиностроения, пищевой, химической и других, отраслей, на международном семинаре "Автоматизация : проблемы, идеи, решения" (АПИР-96)(г. Тула.1996 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ и получено 17 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит