Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. постановка задач исследования 9
1.1. Обзор бетононасосного оборудования. Выбор объекта и направления исследования 9
1.2. Анализ методов прогнозирования и оптимизапии, разработка алгоритма для определения оптимальных конструкций перспективных образпов поршневых бетононасосов 17
1.3. Требования к системе "Поршневой бетононасос" и обоснование критериев эффективности создаваемых машин 33
1.4. Постановка пели и задач исследований 40
1.5. Выводы 41
Глава 2. Прогноз и оптимизация конструкций поршневых бетононасосов с использованием патентной информации 43
2.1. Сбор и обработка патентной документации 43
2.2. Разработка морфологической классификации, поршневых бетононасосов 48
2.3. Исследование тенденций развития поршневых бетононасосов на основе анализа массивов патентов 77
2.4. Морфологический анализ функциональных возможностей поршневых бетононасосов 90
2.5. Качественный анализ патентной информации и выбор перспективных конструкций КРУ поршневых бетононасосов 99
2.6. Выводы 111
Глава 3. Оптимизация параметров системы "поршневой бетононасос" 113
3.1. Исследование параметров поршневых бетононасосов 113
3.2. Анализ связей между параметрами поршневых бетононасосов с использованием теории подобия 129
3.3. Оптимизация параметрической модели поршневых бетононасосов методом корреляпионного анализа 135
3.4. Разработка показателя для опенки технического уровня параметров и конструкций поршневых бетононасосов 148
3.5. Разработка методики расчета технических параметров и оценки качества поршневых бетононасосов 153
3.6. Выводы 156
Глава 4. Функциональная оптимизация системы "поршневой бетононасос" 158
4.1. Анализ функциональных возможностей системы машинного комплекса 158
4.2. Исследование рабочего процесса поршневого бетононасоса с гидроприводом 164
4.3. Исследование влияния конструктивных особенностей бетононасосов на энергоемкость рабочего процесса и поиск новых конструкций машин 172
4.4. Поиск и анализ новых технических средств для снижения статической составляющей потерь давления при подаче бетонной смеси по бетоноводу 177
4.5. Вывода 187
Глава 5. Верификация прогнозных исследований 188
5.1. Комплексная верификация прогноза конструкций поршневых бетононасосов 188
5.2. Верификация вероятностных параметрических связей путем физического моделирования 194
5.3. Экспериментальная проверка эффективности локального вибрационного воздействия на структуру потока транспортируемой по трубам бетонной смеси 197
5.4. Выводы 201
Общие выводы и результаты 202
Литература 205
Приложение 216
- Анализ методов прогнозирования и оптимизапии, разработка алгоритма для определения оптимальных конструкций перспективных образпов поршневых бетононасосов
- Исследование тенденций развития поршневых бетононасосов на основе анализа массивов патентов
- Анализ связей между параметрами поршневых бетононасосов с использованием теории подобия
- Поиск и анализ новых технических средств для снижения статической составляющей потерь давления при подаче бетонной смеси по бетоноводу
Анализ методов прогнозирования и оптимизапии, разработка алгоритма для определения оптимальных конструкций перспективных образпов поршневых бетононасосов
Повышение технического уровня выпускаемых машин и их конкурентоспособности на внешнем рынке на базе новых научно-технических разработок - важная задача развития строительно-дорожного машиностроения.
Предпроектные исследования должны обеспечивать создание эффективных машин и координировать изыскания разработчиков в наиболее перспективных направлениях развития машин и оборудования.
Определить перспективы развития технических средств (ТС) можно, методами научно-технического прогнозирования.
Методология прогнозирования насчитывает более 150 методов и приемов, отличающихся по уровню, глубине, научной обоснованности [l2] .
Рассматривая прогноз как "систему обоснованных оценок возможных целей исследований и разработок, доступных путей достижения этих целей и требуемых для этого ресурсов", Г.М.Добров предлагает классифицировать прогнозы по функциональному признаку и делит их на три типа: исследовательский, программный и организационный [15] . Исследовательский прогноз направлен на выявление новых возможностей и перспективных направлений и тенденций развития ТС, исходя из познания объективных закономерностей развития и накопленного опыта.
Программный прогноз определяет конкретные цели и намечает пути их достижения, исходя из потребностей производства и тенденций развития ТС. Он позволяет оценить сроки и средства достижения поставленных целей и предусматривает воздействие человека на процесс развития ТС в соответствии с потребностями и целями.
Организационный прогноз служит для определения объемов и со става затрат, требуемых для достижения конкретными путями определенных целей, на основе знаний общих закономерностей развития отрасли. Все три типа прогнозов последовательно дополняя друг друга образуют систему данных и способов действия для принятия оптимального решения. Так, определение перспектив и направлений развития ТС является задачей исследовательского прогноза. Задачи программного прогноза по своей сущности более близки к оптимизационным задачам. Задача организационного прогноза - оценить возможные фи нансовые и трудовые затраты, необходимые для создания и освоения ТС
Для прогнозирования перспективных образцов строительно-дорожных машин наиболее эффективными и применяемыми являются методы, которые можно объединить в три класса: методы экстраполяции, методы экспертизы и методы моделирования.
Экстрадоядаионные методы основаны на определении перспектив развития ТС путем исследования механизма его развития в прошлом и настоящем и экстраполирования характеристик состояния в некотором доверительном интервале на будущее. При этом предполагается определенная стабильность комплекса требований к функциони-» рованию ТС. Глубина прогноза экстраполяоионных методов обычно составляет 5-12 лет и зависит от глубины и стабильности ретроспективного развития ТС, сложности объекта, требуемой точности прогноза и используемых методов оценки параметров зависимостей. Экстраполя-ционнне методы широко используются при анализе тенденций развития параметров строительных и дорожных машин L16-21J .
Методы экспертных оценок основаны на анализе интуитивных оценок или суждений о процессе и характере развития объектов техники. Представления специалистов относительно перспектив развития определенных ТС, их профессиональный опыт и интуиция обеспечивают определение общей гипотетической картины перспективного развития ТС, а также возможных путей преодоления возникающих технических противоречий [22-25J .
Интуитивное мышление существенным образом отличается от мышления, опирающегося на логический анализ. Выявление, систематизация и обобщение мнений экспертов по проблемам развития - информационная база для прогнозирования методами экспертных оценок. Эти методы применяются при средне- и долгосрочном прогнозировании при возможных качественных сдвигах в развитии ТС, когда применение других методов не обеспечивает требуемой определенности из-за сложности или невозможности разработки адекватной модели.
Методы моделирования основаны на анализе и моделировании внутренней логики продесса развития. Моделирование особенностей развития и функционирования ТС как сложной динамической системы допускает и предполагает абстрагирование самого процесса. Различают логическое, математическое и информационное моделирование. Наиболее распространено математическое моделирование, поскольку оно обеспечивает достаточную общность свойств модели и объекта и необходимую строгость при обобщениях. Методы информационного моделирования онованы на анализе потоков опережающей научно-технической информации. Особую роль при прогнозировании развития объектов техники имеет анализ патентной информации, которая отражает поиск новых решений и путей повышения технического уровня машин.
Планирование повышения качества ТС возможно, когда перспективному планированию технико-экономических параметров машин предшествует прогноз их конструктивного развития, так как нет смысла оптимизировать параметры машин, структура которых устарела или малоэффективна. При кратко- и среднесрочном прогнозировании перспектив развития конструктивных особенностей ТС используются патентные методы.
Исследование тенденций развития поршневых бетононасосов на основе анализа массивов патентов
Одним из важных этапов исследования, в соответствии с разработанным алгоритмом (рис.1.1), является определение тенденций развития, современного и перспективного уровня ТС. Предусматривается определение уровня развития поршневых бетононасосов по ведущим странам и обоснование перспективного направления их совершенствования, Такой анализ необходимо проводить, исследуя динамику патентования конструкций машин.
Динамика изменения общего количества патентов по бетононасосному оборудованию показана на рис.2.24. Кривая динамики показывает, что интенсивное патентование рассматриваемого оборудования началось с середины 60-х годов. Наивысший подъем патентования конструкций машин приходится на 1968-1969 годы, что связано с применением в поршневых бетононасосах гидравлического привода.
Второй подъем патентования отмечается в 1973-1974 годах и связан с созданием и совершенствованием самоходных бетононасос-ных установок. В это же время начинают интенсивно патентоваться распределительные стрелы, которые выполняются как общего так и специального назначения, например, для автобетононасосов.
Динамика патентования бетононасосов по ведущим странам показана на рис.2.25 и рис.2.26. Из графиков видно, что развитие и совершенствование оборудования для трубопроводного транспортирования бетонной смеси происходит по-разному. Наиболее интенсивно патентование бетононасосного оборудования ведется в ФРГ. В США и Японии процесс совершенствования машин достиг предела, который обусловлен рядом причин как технического, так и экономического характера. Момент перегиба кривых патентования относится к началу 70-х годов. В Советском Союзе авторские свидетельства по бетононасосному оборудованию появились в середине 70-х годов. С 1980 года по числу изобретений, выданных на конструкции поршневых бетононасосов, СССР превосходит Италию, Францию, Великобританию.
Предварительный анализ массива патентов ФРГ показывает, что наибольшим патентным потенциалом обладают фирмы "Швинг" и "Цутц-майстер". Совершенствование машин в этих фирмах происходит непрерывно.
Основным узлом, определяющим принципиальные отличия поршневых бетононасосов, является КРУ. На них приходится более 85$ всех изобретений. В соответствии с морфологической классификаци ей выделено девять технических направлений развития и совершенствования КРУ, по которым необходимо провести сравнительный анализ.
На рис.2.27 показаны кривые распределения по годам патентных документов, защищающих конструкции КРУ, выполненных в виде трубчатых поворотных, поворотных пластинчатых и пробковых клапанов.
Перспективность технических направлений выявлялась путем регрессионного анализа отобранных массивов изобретений, последовательно развивающих конкретное техническое решение или признак. В качестве критериев перспективности приняты коэффициенты динамики патентования, предложенные Н.М.Тимофеевой [29J .
Анализ связей между параметрами поршневых бетононасосов с использованием теории подобия
Для исследования и разработки параметрических моделей строительно-дорожных машин широко используются методы теории вероятностей и математической статистики LI6-2IJ . После сбора параметрической информации о поршневых бетононасосах необходимо провести ее качественный анализ, который заключается в исследовании параметров на однородность для определения оптимальных параметрических моделей подобных машин. Для однородных или подобных групп машин должны выполняться условия подобия.
Необходимое условие подобия двух систем выражено в первой теореме подобия, которая определяет, что подобные явления имеют одинаковые критерии подобия, или индикаторы подобия равны единице. Критерии подобия могут быть определены, если известны уравнения, описывающие процессы, либо из анализа размерностей. Достаточным условием подобия двух систем является равенство определяющих критериев этих систем, составленных из их основных параметров и начальных (граничных условий) [107J . Для исследования параметров поршневых бетононасосов целесообразно использовать функциональную зависимость между основными параметрами где Л/ - мощность привода, кВт; № - развиваемое давление, МПа; Dii - диаметр рабочего цилиндра, м; Lx - длина хода поршня, м; ґі - частота ходов поршня, мин" ; Z - число рабочих цилиндров; с - постоянная; 7 - КПД. С использованием (3.2) получены два определяющих критерия подобия, составленных из основных параметров бетононасосов, и связанных соотношением Каждый из критериев представляет случайную величину, имеющую нормальный закон распределения. Отношение определенных безразмерных показателей для двухцилиндровых поршневых бетононасосов -величина постоянная. На рис.3.10 в безразмерных координатах нанесены параметры поршневых бетононасосов.
Каждая точка прямой связывает между собой пять основных параметров - Л/,ЯЛ,/./,/?. На рис.З.П построена номограмма, позволяющая однозначно определять связанные критериями подобия параметры машин. Используя эту номограмму, можно по заданным производительности и давлению на бетонную смесь определять требуемую мощность. Затем по скорости движения бетонотранспортного поршня и известной производительности определяются необходимые параметры блока рабочих цилиндров. Поршневые бетононасосы относятся к классу поршневых машин, основные параметры которых представляют одну большую выборку. Методика расчета поршневых машин с использованием элементов теории подобия изложена в ряде работ [107-1081 . Используя эти методики можно определить группу параметрических связей двухцилиндровых поршневых бетононасосов в общем виде. Так при подобии бетононасосов При одинаковых давлениях на модели и натуре скорости совер ж Здесь и далее индекс "н" относится к параметрам оригинала (натуры), индекс "м" - к параметрам модели. шающихся подобных явлений одинаковы, а времена пропорциональны линейным размерам. Отношение чисел двойных ходов:
При одинаковых скоростях поршней и одинаковых свойствах бе-тоннойь смеси мощности подобных машин относятся как квадраты диаметров рабочих цилиндров. При одинаковом числе двойных ходов и одинаковых плотностях смесей tc I и J с — т.е. в таком случае в цилиндрах крупных машин требуется создание высокого давления. Необходимая мощность определяется из соотношения Для бетононасосов с S образным поворотным патрубком характерным условием работоспособности является точность перемещения торца патрубка относительно торцев рабочих цилиндров. Поэтому необходимо патрубок рассчитывать на жесткость. Жесткость патрубка при изгибе определяется его деформацией где F - действующая сила; А - коэффициент, зависящий от характера закрепления є патрубка; - модуль упругости при растяжении; J - момент инерции поперечного сечения патрубка относительно нейтральной оси при изгибе. Для подобных бетононасосов величины постоянные. В связи с тем, что зазор между торцами рабочих цилиндров и патрубка имеет определенное значение, а зазоры в шарнирных сопряжениях патрубка одинаковы f—comt;
Поиск и анализ новых технических средств для снижения статической составляющей потерь давления при подаче бетонной смеси по бетоноводу
Параметрами пристенного слоя являются fJR , Тй и ЕR . Ядро течения движется как твердое тело с небольшим изменением (до 2 %) скорости в радиальном направлении. Параметрами ядра потока являются и7 , Ті » Е. 7 . Скорость ядра потока принимается постоянной. Скорость в пристенном слое меняется от нуля у стенок бетоновода Д Vmax на границе с ядром потока. Крупный заполнитель, попадая в поле различных скоростей пристенного слоя, стремится занять устойчивое положение и, отодвигаясь к середине потока, вытесняет цементное тесто и растворную часть в пристенный слой. Таким образом, формирование пристенного слоя происходит в процессе движения смеси по трубам. Исследования влияния реологических и структурных характеристик бетонной смеси на гидравлические сопротивления представлены в ряде работ. В разделе 4.2 приведена формула (4.29), выведенная Л.Е.Под борским и отражающая зависимость гидравлических сопротивлений смеси от ее вязкости, предельного напряжения сдвига, толщины пристенного слоя, скорости подачи и параметров бетоновода. На рис. 4.8 показана зависимость сопротивления от параметра д , определенная по формуле 4.29. Кратко приведем некоторые результаты и выдержки из других работ [П7-123] . По реологическим характеристикам бетонную смесь можно отнести к неньютоновской жидкости, поведение которой при движении по прямому горизонтальному трубопроводу можно описать формулой Шведова-Бшгама: где - -— градиент скорости. а? Профиль потока смеси отражается на его поперечных сечениях по всей длине трубопровода, что выводится из решения уравнения движения для стационарного параллельного слоистого потока в горизонтальном трубопроводе в случае отыскания распределения напряжений по радиусу трубы и закона Шведова-Бингама с учетом пристенного слоя ( щ %у 0 ). Часть бетона, граничащая с трубой в области 7 R имеет параболическое распределение скоростей Ддро потока (область 0 7 0 ) движется как твердое тело со скоростью Величина граничной области задается через так называемый радиус ядра
Из (4.37) видно, что гидравлические потери давления определяются величиной параметра К=-]г Анализ графика (рис.4.8), построенного на основе формулы Л.Е.Подборского и формулы (4.37) показывает, что для определенных смесей существует критическое значение К , при котором гидравлические сопротивления начинают резко возрастать. Кроме этого параметра на сопротивления влияют скорость подачи смеси, эквивалентная длина и диаметр бетоновода, а также вязкость и напряжение сдвига бетонной смеси. При заданных параметрах бетонотранспортной системы, энергоемкость процесса транспортирования смеси зависит в большей степени от гидравлических сопротивлений, которые определяются реологическими характеристиками и параметрами структуры потока, транспортируемой по трубам бетонной смеси.
Снизить энергоемкость рабочего процесса поршневых бетононасосов можно путем изменения как вязкости так и предельного напряжения сдвига бетонных смесей. Одним из путей снижения сопротивлений движению смесей по трубам является использование пласти-фипирующих или воздухововлекающих добавок, которые даже в незначительном количестве повышают пластичность в 1,5-2 раза [119,125J Влияние добавок на свойства бетонной смеси проявляется в снижении эффективной вязкости и уменьшении предельного напряжения сдвига.
Влияние направленных колебаний на энергоемкость процесса подачи бетонной смеси в настоящее время недостаточно изучено. В.Н.Евстифеев исследовал влияние вибрации бетонотранспортной системы, включающей пневмонагнетатель и бетоновод на сопротивления движению смеси по трубам LII6j . По результатам выполненных исследований отмечалось снижение сопротивлений в 2-6 раз. Однако использование предложенного автором способа и устройства малоэффективно, так как приходится вибрировать всю систему, что связано, во-первых, со сложностью устройства, во-вторых, с передачей колебаний на бетононагнетательное устройство (бетононасос). При исследовании отмечалось частое пробкообразование, что связано с неправильным выбором режимов и характером воздействия на смесь.
Анализ недостатков известных технических средств для вибрационного воздействия на бетонную смесь, транспортируемую по трубам, позволил найти по разработанной методике структурной оптимизации и поиска новых технических решений (см.рис.1.1), иное устройство и способ снижения энергоемкости рабочего процесса с использованием вибрации (рис.4.9). Устройство представляет собой виброэпемент, установленный телескопически в секциях бетоновода через регулируемые упругие прокладки. Конструкция виброзвена исключает передачу вибрации на бетононасос. Привод виброэпемента может быть электрическим, механическим или гидравлическим. Предусмотрена возможность передачи на бетонную смесь как продольных, так и поперечных колебаний, а также круговых (тангенпиальных) колебаний при непрерывном вращении или дискретном повороте виброэлемента. При возбуждении приводом направленных колебаний, последние передаются на бетонную смесь. При этом происходит вибрирование смеси, что вызывает ряд изменений.
Пропесс вибрационного воздействия на бетонную смесь и его частный случай - уплотнение, в общем виде имеет три основные стадии: переукладка .составляющих смеси, их сближение и компрессионное уплотнение LI26J .
Вибрационное воздействие на бетонную смесь, протекающую по трубам в общем аналогично глубинному уплотнению, особенностью ко-зеорого является то, что в различных точках потока все три стадии протекают одновременно.
В непосредственной близости от виброэлемента, возбуждающего направленные колебания, создается интенсивное разжижение смеси. Под воздействием вибрации уменьшаются силы внутреннего трения и вибрируемая смесь приобретает некоторые свойства жидкости (.127J . В этой зоне происходит разрушение структурных связей вибрируемой смеси и приток к виброэлементу, т.е. к стенкам бетоновода жидкой фазы, состоящей из цементного молока и растворной части, а также пузырьков воздуха. В результате пристенный слой, непосредственно прилегающий к виброэпементу можно рассматривать как жидкость относительно малой вязкости. За этим, сильно разжиженным слоем масса бетонной смеси, получающая от виброэлемента намного меньше энергии, хотя и разжижается, но обладает значительно большей эффективной вязкостью, увеличивающейся по мере удаления от вибрирующей поверхности. Здесь весьма существенно сказывается упругость смеси, зависящая в основном от насыщения ее защемленным воздухом.Наконец, в самом центре неразжиженная бетонная смесь по своим свойствам близка к обычной, обладающей внутренним трением и сцеплением.
В экспериментах В.И.Евстифеева вибрапия передавалась на весь поток движущейся смеси, что приводило к разрушению не только сцепления между заполнителями, но и структуры самого потока. Интенсивное вибрирование приводит к тому, что крупный заполнитель, обладающий большой массой, стремясь занять наиболее низкое положение, меняет взаимную ориентацию составляющих смеси. Образуется новая устойчивая структура, которая отличается от обычной структуры потока транспортируемой по трубам смеси. Этот необратимый процесс и создает условия для пробкообразования.
