Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние промышленной технологии приготовления компонентов радиопоглощающего бетона 14
1.1 Классификация радиопоглощающих материалов и состояние их производства у нас в странен за рубежом. 14
1.1.1 Радиопоглощаюпщй бетон. 20
1.2 Структура радиопоглощающего бетона. Механизм поглощения электромагнитных волн 22
1.2.1 Структура радиопоглощающего бетона 23
1.2.2 Электрические свойства заполнителя радиопоглощающего бетона 23
1.2.3 Электрические свойства цементного камня 28
1.2.4 Электрические свойства контактной зоны 29
1.2.5 Механизм поглощения электромагнитных волн в радио-поглощагощем бетоне 32
1.3 Существующие методы промышленной технологии приготовления компонентов радиопоглощающего бетона 41
1.4 Промышленная технология изготовления радиопоглощающего бетона 48
1.5 Выводы и постановка задач исследования 52
2. Методология автоматизации технологического процесса приготовления компонентов радиопоглощающего бетона 55
2.1 Анализ существующих методов подбора состава электропроводных композитных материалов 56
2.1.1 Экспериментальные методы 56
2.1.2 Механические модели: 56
2.1.3 Математические модели 61
2.2 Общее состояние дискретного дозирования компонентов бетонной смеси. Системы и устройства для автоматического многокомпонентного дозирования 64
2.2.1 Связное многокомпонентное дозирование и алгоритмы управления: 69
2.2.2 Обоснование выбора критерия оценки качества управления многокомпонентным дискретным дозированием: 80
2.3 Выводы по разделу 2. S5
3. Разработка математической модели связи электрофизических характеристик радиогоглощающе-го бетона со свойствами проводящей фазы и её объёмной концентрацией 87
3.1 Теоретические и организационные основы построения мате матической модели электрофизических характеристик РПБ.. 87
3.2 Анализ методов расчета электрических полей. 93
3.3 Математаческое моделирование структуры радиопоглощаю щего бетона методом случайных упаковок 96
3.3.1 Алгоритм моделирования структуры радиопоглощающего бетона. 97
3.3.2 Результаты моделирования 107
3.4 Математическая модель электрофизических характеристик радиопоглощающего бетона 113
3.4.1 Основы теорий «эффективной среды» и «просачивания».. 114
3.4.1 Математическая модель для исследования критических концентраций композитных материалов 125
3.5 Результаты моделирования электрофизических характеристик радиопоглощающего бетона: 140
3.5.1 Сопоставление экспериментальных данных с данными, полученными при моделировании. 143
3.5.2 Исследование влияния различных факторов на электрофизические характеристики радиопоглощающего бетона. 144
3.6 Связьгранулометрического состава заполнителя с критической концентрацией 150
3.7. Выводы по разделу 3 157
4 Разработка математических основ закона управления дозами компонентов рпб с учётом ограничений на допустимые погрешности дозирования 160
4.1 Теоретический вывод закона управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.. 160
4.2 Определение оптимальной очередности дозирования компонентов смеси 167
4.3 Взаимосвязь погрешностей связного дискретного дозирования и законов управления. 174
4.4 Выводы по разделу 4. 181'
5. Разработка автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающего бетона 183
5.1. Теоретические основы синтеза структуры автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающих бетонов 185
5.2 Техническая реализация автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающих бетонов 195
5.3 Экспериментальная проверка автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающего бетона 202
5.3.1 Методика производственных испытаний 202
5.3.2 Результаты производственных испытаний 202
5.4 Выводы по разделу 5 206
Общие выводы по диссертационной работе 207
Литература 209
Приложения 228
- Электрические свойства заполнителя радиопоглощающего бетона
- Общее состояние дискретного дозирования компонентов бетонной смеси. Системы и устройства для автоматического многокомпонентного дозирования
- Математическая модель для исследования критических концентраций композитных материалов
- Определение оптимальной очередности дозирования компонентов смеси
Введение к работе
Актуальность работы. Потребность в разработке и освоении новых материалов для строительства гражданских и промышленных сооружений координирует направления ведения исследовательских работ во многих областях науки. Качественные изменения в технологии производства бетонных смесей и получения бетонов с заданными свойствами: является основным звеном, обеспечивающим прогресс в строительном производстве.
В настоящее время потребности строительного производства требуют оптимизации макроструктур бетонов на основе оптимизации составов бетонных смесей с использованием новых физических принципов и возможностей современной компьютерной техники.
Развитие промышленности, требующей всё большее количество ресурсов, ставит задачу их экономии и поиска альтернативных решений возникающих задач. В строительной отрасли одним из направлений позволяющим значительно снизить потребление ресурсов является разработка и внедрение строительных материалов обладающих специальными свойствами.
Современный научно-технический, прогресс привел к бурному развитию радиоэлектроники, и электроэнергетики, что повлекло за собой значительное усиление напряженности электромагнитного поля, широкое внедрение компьютерной техники остро ставит вопрос о защите данных хранящихся в них от несанкционированного считывания. Существовавшая и ранее проблема защиты компьютерных данных дополнилась необходимостью защиты окружающей среды, аппаратуры и особенно людей, находящихся по роду выполняемых ими работ в зонах с повышенной напряжённостью электромагнитного поля. Бурное развитие мобильных средств связи, ещё более обострило проблему электромагнитного воздействия на человеческий организм и аппаратуру, поскольку влияние сотовых телефонов на здоровье человека до конца ещё не выяснено.
Эта задача перекликается и с задачами оборонного порядка, направленными на создание зданий и сооружений не поддающихся обнаружению средствами радиолокационной разведки. Речь, идёт о так называемых «ра-диопоглощающих» и «радиоэкранирующих» материалах [14, 34, 74, 106, 181], в качестве которых в настоящее время используются дорогостоящие материалы или металлические листы и сетки (достаточно вспомнить о стоимости американской технологии «СТЭЛС»),
В нашей стране разработан новый радиопоглощающий материал, получивший название «Радиопоглощающий бетон» (РПБ). Этот материал может с успехом применяться как для предотвращения влияния электромагнитных излучений на приборы, оборудование и обслуживающий персонал,, т.е. для обеспечения радиогерметичности зданий и сооружений, так и для обеспечения защиты от радиоэлектронных средств обнаружения и слежения объектов наземного; долговременного характера.
Изготовление изделий из электропроводных бетонов облегчается тем, что, применяя методы формования бетонной смеси,, им можно придавать практически любую форму. Основным заполнителем этого материала являются продукты высокотемпературной обработки углерода (коксовая мелочь, пековая электродная), которая, в свою очередь, является отходом процесса коксования углей при производстве электродов. Конструкции из РПБ можно выполнять без применения специального оборудования, а технология его производства является практически безотходной.
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что применение РПБ весьма эффективно. Однако в отличие от традиционных защитных материалов Радиопоглощающий бетон обладает значительным разбросом значений, эффективности поглощения (ЭП) от образца к образцу, что является следствием зависимости его электрофизических свойств от определённого количества параметров. Как известно, степень поглощения электромагнитных волн нелинейными диэлектриками, не обладающими магнитными свойствами (к которым относится-РПБ), зависит от их электропроводности и,частоты поглощаемого электромагнитного поля. Следовательно, для получения материала с заданными свойствами необходимо производить оптимизацию, как по электропроводности, так и по частотным характеристикам электромагнитных полей.
Кроме того, поскольку РГТБ является композитным материалом, то его свойства должны зависеть от его структуры, концентрации проводящей фазы, а также от точности поддержания рецептуры бетонной смеси.
Следовательно, при приготовлении компонентов бетонной смеси необходимо учитывать фактор электропроводности компонентов, частоту электромагнитного поля, на которой должен работать готовый РПБ и точности дозирования компонентов бетонной смеси; причём все эти параметры тесно взаимосвязаны друг с другом, и изменение одного из параметров приводит к необходимости изменять и другие по сложным законам.
В связи с вышеизложенным, вопрос о создании автоматической системы, осуществляющей; процесс приготовления компонентов бетонной смеси РГШ, обеспечивающей её оптимизацию по электрофизическим параметрам электропроводной фазы, представляет собой актуальную задачу.
Данная работа выполнена в рамках целевой программы Госстроя РФ ОЦ 0.31 по теме 01.05.07 «Разработать и внедрить конструкции из специальных радиоэкранирующих и радиопоглощающих бетонов, в том числе с комплексными свойствами».
Цель и задачи работы.
С учётом актуальности проблемы целью диссертационной работы является разработка теоретических основ оперативного автоматизированного управления процессом приготовления компонентов радиопоглощающих бетонов, на основе информации об электрофизических характеристиках проводящей фазы и требуемых параметров готовых изделий, включающего в себя процессы расчёта состава бетонной смеси и адаптивную коррекцию на его основе процесса дозирования компонентов смеси, а также создание автоматизированной системы осуществляющей данные процессы.
Основными задачами, вытекающими из сформулированной цели являются:
Разработка методологических основ автоматизации технологического процесса приготовления компонентов радиопоглощающего бетона. Для чего провести анализ существующих методов подбора составов электропроводных композитных материалов и методов дозирования компонентов сухих смесей.
- Проведение анализа и выбор основных направлений совершенствования методов подбора состава РПБ, для чего разработать математическую модель связи электрофизических характеристик РПБ со свойствами проводящей фазы и её объёмной концентрацией.
- Проведение анализа и выбор основных направлений совершенствования методов дозирования компонентов РПБ, для чего разработать математические основы закона управления дозами компонентов смеси РПБ с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.
- Синтез структуры и техническая,реализация автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающего бетона, включая систему дозирования.
- Экспериментальная проверка автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающего бетона и оценка ее эффективности в производственных условиях.
Методы исследования
В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, а также имитационное моделирование на компьютере с использованием специально разработанных алгоритмов и программ на их основе. Теоретические исследования основывались. на использовании основных положений и расчётных выражений теорий диэлектриков, «эффективной среды», «просачивания» (percolation), математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных и промышленных образцах плиток из радиопоглощающего бетона
при использовании метрологически аттестованного испытательного оборудования ОАО «Корпорация ФАЗОТРОН-НИИР» Обработка экспериментальных данных велась с использованием интегрированной среды Mathcad 2000 Pro.
На защиту выносятся
1. Общая концепция автоматизации технологического процесса приготовления компонентов радиопоглощающего бетона с оптимизацией по электрофизическим характеристикам электропроводной фазы
2. Теоретические и организационные основы концепции «Компьютерное материаловедение» для анализа влияния различных факторов на свойства готовых композитных материалов.
3. Математические модели для анализа связи электрофизических; характеристик радиопоглощающего бетона со свойствами проводящей фазы и её объёмной концентрацией
4. Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования
5. Автоматическая система приготовления компонентов радиопоглощающего бетона, включая систему дозирования.
Научная новизна работы.
Решена крупная научно-техническая проблема теоретического обоснования, синтеза и практического создания автоматической системы приготовления компонентов радиопоглощающего бетона, обеспечивающей получение материала с заранее заданными свойствами, который создает эффективную защиту от электромагнитных излучений людей, окружающей среды и технических средств.
Диссертантом впервые:
1. Разработаны методологические основы автоматизации технологического процесса приготовления компонентов радиопоглощающего бетона, позволяющие на основе требований к свойствам конечных изделий; и свойствах исходных компонентов, получать материал с заранее заданными свойствами.
2. Разработана математическая модель структуры радиопоглощающего бетона с возможностью моделирования процесса уплотнения смеси.
3; Показано, что для описания электрофизических свойств радиопоглощающего бетона применима теория «просачивания» в широком диапазоне возможных концентраций проводящей фазы.
4. Предложен аналитический метод решения «континуальных» задач теории «просачивания».
5. Разработаны математические модели связи электрофизических характеристик радиопоглощающего бетона со свойствами проводящей фазы и её объёмной концентрацией, а также модель для моделирования «критических концентраций» теории «просачивания», позволившая впервые получить численные значения критических концентраций для континуальных задач данной теории.
6. Выявлена взаимосвязь и получено аналитическое выражение, связывающее гранулометрический состав электропроводной фазы радиопоглощающего бетона с её «критической концентрацией».
7. Разработана математическая модель и предложен закон управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования
8. Разработан комплекс технических средств и программного обеспечения, обеспечивающих эффективную реализацию автоматизированной системы управления технологическим процессом приготовления компонентов радиопоглощающего бетона.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Научные результаты и комплекс исследований, изложенные в диссертационной работе выполнялись в соответствии с научно-техническими программами:
- Российская Государственная академия архитектуры и строительных наук «Нетрадиционные строительные технологии и проблемы их компьютерного моделирования».
- ГКРФ по высшему образованию. Программа «Фундаментальные проблемы в области архитектуры и строительных наук». Тема: «Исследование процессов структурообразования строительных материалов на основе теории «просачивания»» 1994. „ 1995 гг.
- ГКРФ по высшему образованию. Программа «Фундаментальные проблемы в области архитектуры и строительных наук». Тема: «Теоретические основы компьютерного материаловедения строительных материалов» 1996.. Л998 тт.
- Министерство общего и профессионального образования РФ. Программа «Фундаментальные исследования в области архитектуры и строительных наук». Тема: «Теоретические основы компьютерного материаловедения строительных материалов, модельные представления» 1999...2000 гг.
- Министерство образования РФ. Научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Тема: «Теория и практика компьютерного материаловедения строительных материалов» 2003...2004 гг.
Автор является ответственным исполнителем по данным темам.
Выполненные исследования реализованы в автоматической системе приготовления компонентов радиопоглощающего бетона с доведеішем её до практического использования на предприятии ОАО «Корпорация ФАЗО-ТРОН-НИИР».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных Всероссийских и региональных конференциях, семинарах и чтениях, в том числе:
- Научно-технической конференции «Интенсификация дорожного строительства». Владимир, 1988г.
- Всесоюзной конференции «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении». Белгород, 1989г.
- Всесоюзной конференции «Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте дорог». Владимир, 1991г.
- VI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии - 98». Курск, 1998г.
- Годичном собрании РААСН Москва, 1999г.
- Шестых академических чтений РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения». Иваново, 2000г.
- Годичном собрании РААСН Москва, 2000г.
- 41-м международном научно-техническом семинаре РАН «Совершенствование качества в строительном комплексе». Брянск, 2000г.
- Международной научно-практической конференции «Проблемы физико-технического образования в атомной промышленности». Томск, 2000г.
- 57-й областной научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды». Самара, 2000г.
- Годичном собрании РААСН Москва, 2001г.
- Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», Пенза, 2003г.
- Годичном собрании РААСН Казань, 2003г. ХШ сессии Российского акустического общества РАН. Москва, 2003г.
- На 40...62 научно-методических и научно-исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) 1982... 2004гг.
Публикации.
Результаты исследований изложены в 36 статьях, 2 авторских свидетельствах на изобретение и 4 отчётах о научно-исследовательских работах.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературы из 215 наименований и 4 приложений.
Общий объём работы составляет 272 страницы, включая 81 рисунок и 2 таблицы.
Электрические свойства заполнителя радиопоглощающего бетона
Как было отмечено выше РПБ представляет собой композитный материал, состоящий из, мелкодисперсного углерода, помещенного в цементную связку. В связи с этим РПБ можно отнести к гетерогенным материалам [132, 133] из двух компонентов с резко отличающимися друг от друга электрическими свойствами. Для рассмотрения процессов, происходящих в материалах данного типа при поглощении ими электромагнитной волны, необходимо проанализировать электрические свойства отдельных компонентов РПБ и всей композиции в целом.
Важнейшей особенностью РПБ является наличие в нем электрохимически активного компонента - углерода, который и формирует электрофизические свойства всей композиции. В композитном материале с углеграфитовым наполнителем электропроводность осуществляется непрерывными проводящими цепочками, в которых расстояние между частицами не превышает (10-20)-10-10 м:
Основными критериями пригодности того или иного заполнителя являются: - малое удельное электрическое сопротивление; - стабильность электрофизических свойств. Были исследованы на пригодность применения в г РПБ следующие углеродистые вещества:. - поликристалл ические.углеграфиты: кокс литейный по ГОСТ 8204-— 63, кокс пековый электродный Кемеровского коксохимического завода по ГОСТ 3213-—71, кокс каменноугольный электродный по ГОСТ 9985—62, кокс пековый электродный Новолипецкого коксохимического завода по ГОСТ 3213—71; - технический углерод марок: ПМ-15, ПМ-30, ПМ-50, ПМ-75, ПМ-80 и ПМЭ-100 В (ГОСТ 7885—77, ТУ 38-41570-79). Поликристаллические углеграфиты Углерод имеет различные модификации - от полупроводника (графит) до диэлектрика (алмаз). Имеются промежуточные формы: антрациты, уголь различной степени коксования и т.д. Наиболее полно разновидности углеродистых материалов изучены в [207, 208], свойства и структура - в [161, 166, 211]. Свойствами углеродистых материалов можно управлять путём изменения технологии термообработки, особенно в случае поликристаллических углеграфитов, обладающих повышенной воспроизводимостью характеристик в размолотом или диспергированном состоянии. Измельченный пековый кокс склонен к образованию твердых пространственных агрегатов. Особенно это свойство проявляется при затворении смесей РПБ водой. Значительное влияние на электрофизические характеристики РПБ оказывает дисперсность поликристаллических углеграфитов. Проведенные исследования позвол ил и регламентировать не только тонкость помола, но и величину удельной поверхности порошка и рекомендовать для, приготовления РПБ кокс пековый электродный по ГОСТ 3212—71.
Технический углерод обладает высокими показателями дисперсности и структурности, и получают его в гранулированном виде при термоокислительном разложении жидкого углеводородного сырья.
Исследования показали, что вид и регулярность распределения агрегатов в композиции, способ их контактирования между собой оказывают основное, влияние на электрофизические и физико-механические характеристики резистивных материалов. Стабилизация электрофизических характеристик достигается применением различных наполнителей из переходных форм углерода, обладающих отрицательным коэффициентом сопротивления и относящихся к органическим полупроводникам. К последним относятся различные типы технического углерода (в основном печных марок: ПМ-15, ПМ-30, ПМ-50, ПМ-75), разработанные в 50-х гг., значительно превосходящие ацетиленовый технический углерод по электропроводности.
Высокая коррозионная стойкость, низкая стоимость, способность образовывать развитую цепочечную структуру характеризуют значительное количество марок технического углерода. По отработанности технологии, характеристикам и экономическим соображениям для производства РПБ рекомендованы ПМ-15, ПМ-50, ПМ-75 [144];
Как показали исследования, наилучшим образом для РПБ подходят уг-леродосодержащие материалы с температурной обработкой выше 1000С, как обладающие стабильностью электрического сопротивления и стойкостью к температурам до 450С. Одним из наиболее подходящих материалов является кокс пековый электродный (поликристаллический углерод), продукт высокотемпературной (при 1300С) обработки коксующихся углей. (ГОСТ 3213-58).
Используемый в РПБ заполнитель представляет собой полидисперсныи порошок с размером частиц от 10"1 до 10 4 см и имеет р = 3-Ю"1 Ом-см. Эта величина зависит от давления при прессовании порошка и для реально возможных степеней уплотнения равна (5 4-7)1 О 1 Ом см.
В работах Уббелоде А.Р. и Льюиса Ф.А. [166], А.А. Агроскина [7], Б.С. Гальперина [60], С. Морозовского [207, 208] и некоторых других [12] показано, что все разновидности коксующихся углей и природного углерода, подвергшиеся воздействию высоких температур (от 500С до 3000С), имеют общую закономерность изменения удельного объемного сопротивления от температуры обработки (рис. 1.4).
Общее состояние дискретного дозирования компонентов бетонной смеси. Системы и устройства для автоматического многокомпонентного дозирования
На предприятиях строительной индустрии при производстве различных изделий из бетона, а также товарного бетона широко применяется дискретное дозирование компонентов бетонной смеси. Достаточно сказать, что общая мощность предприятий промышленности сборного железобетона, использующих цикличную технологию приготовления бетонных смесей в настоящее время составляет более 125 млн.м3 бетона в год.
Известно, что качество приготовляемых бетонных смесей в значительной степени зависит от результата дозирования составляющих ее компонентов [107, 170], что позволяет рассматривать процесс дозирования как исходный этап формирования заданных характеристик готового изделия.
Одним из основных параметров, характеризующих качество процесса дозирования компонентов многокомпонентных смесей является точность соблюдения заданной рецептуры. Поскольку отклонение состава бетонной смеси\ от заданной рецептуры вызывает изменения как физических свойств самой: смеси, так и прочностных и других характеристик бетона, то к точности дискретного дозирования составляющих смеси предъявляются довольно жесткие требования.
Так, ГОСТ 7473-76 «Смеси бетонные. Технические условия» и СНиП Ш-І5-76 «Бетонные и железобетонные конструкции монолитные» допускают предельную величину погрешности дозирования цемента и воды ±2% и для; заполнителей ±2,5%. Однако, как это будет показано ниже, на действующих заводах железобетонных конструкций и изделий (ЖБК, ЖБИ), а также домостроительных комбинатах (ДСК), использующих цикличную технологию приготовления бетонных смесей и оснащенных современным весодозиру-щим оборудованием и системами управления к ним, точность дозирования компонентов бетонной смеси зачастую не соответствует требуемой нормативными документами,
Вопросами повышения точности дозирования компонентов; бетонной смеси, а также исследованием и разработкой систем автоматического многокомпонентного дозирования занимались многие научно-исследовательские и учебные институты, различные проектные и конструкторские организации и другие предприятия страны. Решению этих вопросов посвящены труды И.С. Вайнштока, Р.Г. Барского, А.А. Богданова, С.Я. Дулькина, Б.Б. Карпина, О.М. Нечаева, С.С. Щедровицкого, А.Э. Гордона, К.М. Королева, О.В. Монастырского, К.Н, Кима и многих других авторов.
В результате многочисленных разработок весодозирующего оборудования и систем управления дозированном, выполненных в ВННИСТройдор-маш,.ВНИИжелезобетон, ЦНИИОМТП институте «Оргэнергострой» МЭиЭ СССР и. ряде других институтов и организаций разработан и налажен серийный выпуск систем и устройств для автоматического дозирования компонентов бетонной смеси.
Увеличение потребности в дозировочном оборудовании обусловило специализацию ряда зарубежных фирм. В настоящее время разработкой и изготовлением различного весодозирующего оборудования, оснащенного системами автоматического управления занимаются такие фирмы, как "BIZERBA" "Fix" "PFISTER", "STETTER" (ФРГ), "AVERY", "NEL RIWG WAYGH LTD", "SIMON BARRON LTD" (Великобритания), "TOLEDO" (США), "LAHDENWAAKA" (Финляндия), "LORO & PARISINI" (Италия) и другие [189, 192,194, 200, 206, 209, 210 и др.].
В большинстве зарубежных стран к дискретному дозированию составляющих, бетонной смеси предъявляются такие же требования, как ив России. В [108]:приводятся данные по определению фактической точности дозирования цемента и заполнителей дозаторами цикличного действия, изготовленными фирмами США. Показано, что фактическая точность дозирования цемента составляет 0,5%, для заполнителей - 1 %, что говорит о высоком качестве, как самого оборудования, так и технологии дозирования в целом.
Анализируя состояние автоматизации процесса дискретного дозирования на действующих отечественных заводах ЖБИ и ДСК с позиции соответствия фактической точности дозирования требованиям ГОСТа и СНиПа, ряд авторов приходят к выводу о том, что фактическая точность дозирования не соответствует нормативным требованиям, что приводит к значительной вариации прочности бетона и повышенному расходу цемента [6].
По данным инспекционных проверок ДСК и заводов ЖБИ. выполненных ЦНИИЭПжилкща [6] сделана количественная оценка факторов, влияющих да качество железобетонных конструкций, в частности, показано, что до 50% брака изделий связано с неточностью дозирования: составляющих бетонной смеси.
Вместе с тем исследованиями А.Б; Десова, К.Н. Кима [67] и К.М. Королева [ 107] і показано, что снижение вариации ; прочности бетона позволяет снизить удельный расход цемента: повышение коэффициента однородности бетона по прочности до 0,8 позволяет экономить до 75 кг цемента при приготовлении одного м3 бетонной смеси;
Как известно, погрешности дозирования. составляющих бетонной смеси обусловлены влиянием различных факторов,. некоторые из них имеют стохастический характер и поэтому их влияние на точность дозирования не может быть устранено обычными методами.
Исследованиями: Ю.М. Баженова [17]; В1А. Вознесенского [38, 39], И.А. Рыбьева [148], С. В: Шестоперова [176] и рядом других авторов показано, что качественные характеристики бетонной смеси и бетона зависят от оптимального соотношения всех компонентов смеси, т.е. другими словами; -от точности соблюдения заданной рецептуры смеси.
Д.С. Абрамов и В,Д. Лерман [6] показывают влияние различных технологических факторов, в том числе и влияние изменения соотношения компонентов, на качество железобетонных изделий.
Из известных способов устранения данной = причины можно отметить такие, как применение двустадииного взвешивания, когда при достижении 80-90% массы дозируемого материала изменяется режим работы питателя и далее осуществляется «досыпка» до заданной дозы, а также дозирование материала с разбиением заданной общей дозы материала на поддозы.
Математическая модель для исследования критических концентраций композитных материалов
В описываемой компьютерной программе «CritConc» были применены самые последние подходы к компьютерному моделированию. В их число входят: 1. Процедуры генерирования случайных величин, позволяющие максимально точно воспроизвести заданных закон распределения. В основу данного процесса положено программное решение корпорации «Microsoft», именуемое «GuID», что означает «Глобальные идентификаторы». Суть решения «GuID» состоит в том, что в процессе генерирования случайных чисел по заданному закону распределения, алгоритм использует такие входящие данные как текущая дата, текущее время, размер свободного пространства на жестком диске компьютера, размер свободной оперативной памяти компьютера, время и дата запуска приложения, версия операционной системы, размер файла обеспечения виртуальной памяти компьютера и т.д.. Такой подход позволяет с большой вероятностью избежать факта появления повторяющихся последовательностей случайных чисел или их фрагментов, что искажает результаты моделирования, В некоторых; компьютерных реализациях математического моделирования предыдущих версий проблема «псевдослучайных» чисел не была решена. 2. Механизмы статистического хранения данных и результатов моделиро вания, позволяющие сохранять, восстанавливать, объединять и сравни вать получаемую в ходе экспериментов информацию. По сравнению с ранее используемыми подходами в этой области, описываемые механизмы обладают повышенной производительностью и надежностью, что достигается путем использования индексируемых баз данных типа «Paradox». 3. Механизмы графического отображения и анализа результатов моделиро вания, позволяющие представить полученную информацию в виде гра фиков и гистограмм с автоматическим масштабированием. Кроме того, современные подходы к программированию позволили максимально сократить время работы программ, а также упростить ее интерфейс.
К преимуществам описываемого программного продукта следует отнести также возможность работы под управлением операционных системах Microsoft Windows 9х, Me, Хр, NT 4.0, 2000 и совместимыми с указанными. Инструкция пользователя данной программы;приводится в приложении 1. В приложении 2 представлен листинг исполняемого модуля программы. Исходными данными для программы определения обобщенной электропроводности ЭПБ являются матрица обобщенных координат и радиусов сфер, полученных при моделировании структуры РПБ. Координаты и радиусы сфер находятся в отдельном файле (points.db). Элемент матрицы обобщённых координат приведён в таблице 3.1. Работа программы начинается выполнением операций, задаваемых блоком 1, в котором происходит инициализация всех используемых функций и процедур программы, а также кэширование всех глобальных переменных; На этом этапе вводится значение удельной проводимости материала уо = 1 Сименс. Далее в блоке 2 организуется цикл, количество проходов которого равно количеству упакованных сфер. Данные о количестве: и координатах упакованных сфер считываются из файла «points.db», являющегося индексированной базой данных стандарта «Paradox». В каждом проходе цикл блока 2 позиционируется на очередную (і -ую) конкретную упакованную сферу в общей структуре. Далее в блоке 3 организуется цикл, количество проходов которого равно количеству упакованных сфер. В каждом проходе цикл блока 3 позиционируется на очередную (j - ую) конкретную упакованную сферу в общей структуре. Блок 4 формирует элементы массива взаимных проводи-мостей A;,j сфер размерностью N х N, а также значения проводимостей между сферами и пластинами Ai+ij+i.
После этого рассчитываются проводимости между всевозможными парами сфер по формулам (3.3S) и (3.39) и между каждой і-ой сферой и пластиной. При расчете проводимости между сферами главный модуль программам вызывает подпрограмму расчета интеграла «MylntegralQ», т.к. в формулах (3.3 8) и (3.39) имеется интеграл. Интеграл рассчитывается методом трапеций. Поскольку матрица коэффициентов квадратная (N+l)x(N+l), где N-это количество упакованных сфер, подпрограмма расчета интеграла вызывается 2N2 раз. Таким образом, осуществляется расчет проводимостей между первой и второй, третьей, N-й, между первой сферой и пластиной, между второй сферой и первой, третьей, N-й и т.д. Каждая рассчитанная условная электрическая проводимость между двумя отдельно взятыми сферами, а также между сферами и пластиной конденсатора заносятся в матрицу коэффициентов (матрица уравнений узловых потенциалов для проводимостей), хранящуюся в памяти компьютера в виде массива. По завершении работы цикла в блоке 2 выполняется блок 5. Этот блок вызывает процедуру расчета матрицы «Opred». Расчет матрицы коэффициентов производится с целью определения обобщенной электрической-проводимости композитного материала; Расчет осуществляется методом ЗеЙделя [ 157]. Находится коэффициент хі - значение условной обобщенной электрической проводимости материала. В блоке 6 осуществляется вывод значения «кажущейся» электрической проводимости образца композитного материла на экран.
Определение оптимальной очередности дозирования компонентов смеси
Работы по созданию автоматизированных систем управления процессами приготовления компонентов бетонных смесей начинались в 1980 году в рамках целевой программы ОЦ-026 Госстроя СССР и выполнялись параллельно несколькими коллективами разработчиков в Москве, Минске, Киеве и Баку. Несколько позже аналогичные работы велись в рамках различных региональных программ в Харькове; Одессе; Риге и других городах. В 1986 году разработки были продолжены: в рамках одного из разделов комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ под эгидой Госкомитета по науке и технике СССР и при участии СССР,ТДР, НРБ и ЧССР. В начале 90-х годов с развалом указанных структур и программ соответствующие разработки были свёрнуты, оставив после себя не менее десятка различных моделей систем, изготовленных в единичных или нескольких экземплярах и так и не оказавших реального влияния на строительную индустрию. Практически на протяжении всего этого периода времени ряд иностранных фирм (Lohia, Stetter и др.) предпринимал энергичные усилия по выходу на советский рынок с аналогичными системами управления, но результат оказался близким к нулю. В чем же причина отрицательного результата многолетней работы различных коллективов по созданию системы управления?
На наш взгляд, причин было несколько, причем как о бъективных, так и субъективных: 1. Технические средства общепромышленного назначения, доступные разработчикам, имели невысокую надежность, были мало приспособлены к работе в тяжелых промышленных условиях и, как следствие, требовали регулярного квалифицированного обслуживания в процессе эксплуатации, что могли себе позволить сравнительно крупные предприятия с высокой степенью автоматизации и культурой производства. 2. Недостаточно развитые алгоритмы управления были в большинстве случаев рассчитаны на безупречную работу технологического оборудования и качественное сырье, что на наших отечественных заводах обеспечить весьма проблематично. Попытки применения более совершенных алгоритмов влекли за собой повышение требований к вычислительным ресурсам, что для систем данного класса приводило к недопустимо высокой стоимости оборудования. 3. Сравнительно длительные сроки внедрения систем из-за принятых тогда форм заказа и получения оборудования. 4. И, пожалуй, главная причина - в условиях низких цен на сырье, энергоресурсы, оплату труда и при отсутствии прямой заинтересованности предприятий в выпуске и объективном учете качественной продукции подобные системы в большинстве случаев были скорее необходимы министерствам для демонстрации технического прогресса, чем предприятиям для выполнения производственных заданий.
В настоящее время значительный рост цен на сырьё, энергоресурсы и повышенное требование к качеству продукции, в условиях жёсткой конкуренции, заставляет специалистов возвратиться к вопросу разработки систем автоматизации приготовления компонентов бетонных смесей.
Во втором разделе показано, что как в вопросах подбора состава бетонной смеси РПБ, для изготовления изделий с заранее заданными свойствами, так ив вопросах автоматизации дозирования компонентов, проблемы сохраняются и в настоящее время их решение не найдено.
Полученные аналитические зависимости, связывающие ЭП с объёмной концентрацией проводящей фазы (3.16а), (3.18) и, методика определения критической концентрации (см. параграф 3.4,2) и подраздел 3.6, выражение (3.48); позволяют рассчитывать необходимую объёмную концентрацию проводящей фазы для получения РПБ с заданными свойствами. .
Однако, опираясь на результаты, полученные в разделе 3, можно сделать вывод, что доминирующим фактором, влияющим на качество получаемого РПБ, является точность соблюдения рецептуры бетонной смеси. Из графика 3.24 видно, что незначительные отклонения от заданного значения объемной концентрации электропроводящей фазы в результирующей смеси влекут за собой значительные изменения значений эффективности поглощения электромагнитных волн радиопоглощающим бетоном. В связи с этим, встает задача максимального повышения точности соблюдения рецептуры бетонной;смеси в процессе ее дозирования для максимизации выхода готовой продукции, соответствующей требованиям к ЭП при производстве изделий из РПБ.
В разделе 4 разработана математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования, которую в совокупности составляют выражения (4.1),...,(4.6) и граф состояния системы (рис. 4.2). На основе математической модели разработан закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования. Отличительной особенностью разработанного закона управления является то, что на каждом этапе дозирования осуществляется прогнозирование величины результирующей массы смеси Vp, с целью снижения ее вариации.
Таким образом, математическая: основа для разработки автоматической системы для приготовления компонентов радиопоглощающего бетона разработаны, поэтому данный раздел посвящен разработке такой системы.
