Введение к работе
Актуальность темы исследования:
В настоящий момент технологии производства современных наукоемких изделий все больше ориентируются на применение строительных композиционных материалов (КМ). Стратегии развития промышленности в разных странах мира, охватывающие период до 2030 г., предусматривают сохранение бетона в качестве основного строительного материала. Именно цементный бетон, обладающий необходимыми пластическими свойствами при формовании конструкций, служит основой для создания эффективных разновидностей КМ, применяемых в строительстве.
Появление новых КМ, особенно с учетом их структурных особенностей, представляет большой теоретический и практический интерес. Это заставляет дорожно-строительные организации идти в ногу со временем и разрабатывать технико-экономические решения, позволяющие осуществлять технологический процесс с поддержанием высокого уровня качества выполняемых работ. Качество инженерного сооружения со специальными свойствами (ИС) напрямую зависит от правильности выбора и соблюдения режимов работы машин и оборудования, задействованного при производстве работ. Наиболее перспективным типами машин по производству КМ являются мобильные бетоносмесительные установки (МБСУ), способные обеспечить заданный уровень качества.
Работа посвящена обоснованию режимов работы МБСУ при изготовлении электропроводного композиционного материала (ЭКМ) на основе цементного вяжущего, а именно электропроводным бетонам на основе цементной связки с углеродными добавками. Однако, в настоящий момент, отсутствуют рекомендации по режимам работы машин и оборудования, которые обеспечивали бы необходимое качество ЭКМ при его производстве в полевых условиях. Т.е. необходима разработка метода по совершенствованию режимов работы машин и оборудования при производстве ЭКМ, который позволял бы с достаточной быстротой и высокой точностью обеспечивать стабильность состава итогового изделия с прогнозируемыми характеристиками.
Актуальность выбранного направления исследования базируется на необходимости изучения режимов работы МБСУ в процессе дозирования компонентов и установлении закономерностей их влияния на конечные характеристики ИС, а так же создания математического описания этого взаимодействия.
Степень разработанности темы исследования:
Основы теории дозирования и качественная зависимость готового КМ от результата дозирования составляющих компонентов в БСУ представлена в работах Баженова Ю.М., Баловнева В.И., Барского Р.Г., Васильева Ю.Э., Воробьева В.А., Доценко А.И., Илюхина А.В., Новикова А.Н. и многих других ученых. Изучению ЭКМ посвящено не малое количество работ, в которых рассматриваются различные свойства материала во взаимосвязи с технологией их производства, составом и структурой, но не приведены данные о каких-либо систематических исследованиях электрических свойств ЭКМ во взаимодействии с его другими свойствами и характеристиками, не отражены пути направленного изменения этих свойств путем оптимизации режимов работы машин и оборудования, на которых он производится. Большинство расчетов электрических свойств и характеристик ЭКМ представляют собой статистическую обработку большого массива экспериментальных данных, что достаточно трудоемко и экономически
затратно. А что самое важное: данные методы не обеспечивают необходимой точности при изменении комплекта бетоносмесительного оборудования, в особенности блока дозирования, и при изменении входных характеристик компонентов заполнителя и цементной связки.
Проведенный анализ БСУ и технологии производства КМ на основе цементного вяжущего выявил недостатки научной проработки в области оптимизации режимов работы МБСУ, используемых для изготовления ЭКМ, и обоснования их применения для устройства ИС.
Анализ результатов научных исследований ведущих ученых показал, что перспективным направлением оптимизации режимов работы МБСУ при производстве ЭКМ может являться моделирование в трех направлениях: моделирование структуры ЭКМ, пригодной для устройства ИС; моделирование электропроводных свойств ЭКМ для создания ИС; моделирование режимов работы МБСУ при производстве ЭКМ.
Цель диссертационной работы: обоснование режимов работы мобильной бетоносмесительной установки при производстве электропроводных композиционных материалов, применимых для устройства инженерных сооружений со специальными свойствами.
Основные задачи исследования в соответствии с целью состояли в следующем:
1. Изучить существующие виды установок по производству бетонных смесей и
эффективность их применения с учетом отечественной и зарубежной практики.
-
Определить критерии оптимизации состава, свойств ЭКМ и режимов работы МБСУ для устройства ИС.
-
Разработать математическую модель, описывающую влияние режимов работы МБСУ на свойства ЭКМ и позволяющую управлять технологическим процессом производства.
-
Разработать методику оперативного расчета и дозирования в МБСУ компонентов ЭКМ заданной электропроводности и гранулометрического состава для изготовления инженерных сооружений, обладающих требуемыми механическими и электрофизическими свойствами, применимую в полевых условиях.
5. Разработать алгоритм и программу статистического моделирования оптимального
подбора состава смеси и оптимального управления режимами работы МБСУ при производстве
ЭКМ.
6. Разработать структуру оптимизированной системы управления режимами работы МБСУ
для технологического обеспечения процесса изготовления ИС с применением ЭКМ и рассчитать
технико-экономическую эффективность от ее внедрения.
Объект исследования: мобильная бетоносмесительная установка, используемая при изготовлении инженерных сооружений со специальными свойствами.
Предмет исследования: режимы работы мобильной бетоносмесительной установки при управлении дозированием электропроводных композиционных материалов.
Методология и методы исследования:
Применяемые методы исследования основаны на теории эффективной среды, теории перколяции, теории графов, теории вероятности, теории информации, теории подобия, на методе противопоставлений, методах планирования эксперимента, на результатах математического моделирования и натурных экспериментов по исследованию свойств ЭКМ при различном составе оборудования и режимах работы МБСУ.
Исследования направлены на поиск путей оптимизации режимов работы МБСУ, с учетом требуемых механических и электрофизических свойств изготавливаемого электропроводного композиционного материала.
Теоретические и практические исследования проводились автором самостоятельно в ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» в период с 2013 по 2017гг.
Научная новизна работы заключается в обосновании режимов работы МБСУ при приготовлении ЭКМ, выполненном на основе теоретических и экспериментальных данных, в которых учтены требования к механическим и электропроводным свойствам инженерных сооружений.
На основании имитационного моделирование разработана математическая модель подбора оптимального соотношения компонентов ЭКМ и функционально зависимая модель выбора режимов работы МБСУ. Коэффициенты уравнений регрессий на основании структурированного анализа экспериментальных данных были получены с использованием современного программного обеспечения. Для анализа структурно-концентрационных характеристик ЭКМ при оптимальном режиме работы МБСУ было применено 3-D моделирование.
Предложена реализация математических моделей и оптимизационных процедур режимов работы МБСУ с помощью разработанного пакета прикладных программ: модельно-вычислительного комплекса по подбору режимов работы МБСУ при производстве ЭКМ.
Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы:
1. Разработанные методы и модели анализа зависимости изменения критической
концентрации электропроводных заполнителей от гранулометрического состава ЭКМ и общих
структурных свойств от режимов работы МБСУ, ориентированы на практическое применение при
строительстве ИС.
-
Экспериментальным путем получена взаимосвязь между критической концентрацией электропроводного заполнителя ЭКМ и диапазонами вариаций гранулометрического состава в зависимости от комплектности и выбранного режима работы дозирующего оборудования МБСУ.
-
Разработана математическая модель прогнозирования электропроводных свойств ЭКМ, пригодных для строительства ИС, в зависимости от характеристик исходных компонентов ЭКМ и выбранного режима работы МБСУ.
-
Предложен метод определения критической концентрации ЭКМ, который учитывается в процессе дозирования в МБСУ, позволяющий расширить область применения теории перколяции применительно к гетерогенным электропроводным материалам.
-
Разработан алгоритм и математическая модель проектирования оптимальных режимов работы МБСУ для получения ЭКМ с заданными свойствами.
-
Предложены рекомендации дорожно-строительным и эксплуатирующим организациям по повышению эффективности применения МБСУ при производстве ЭКМ с учетом вероятностных отклонений исходных параметров компонентов смеси и режимов дозирующего оборудования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты системного анализа критериев эффективности применения МБСУ, применимых для изготовления ЭКМ, пригодных при строительстве ИС: комплектность оборудования МБСУ, режимы работы, особенности процесса дозирования компонентов, общие и электропроводные свойства исходных компонентов и готовой к укладке смеси ЭКМ на основе цементного вяжущего.
2. Методика определения оптимального задания на дозирование (требуемого
концентрационного и гранулометрического состава) электропроводного заполнителя в МБСУ в
полевых условиях для получения ЭКМ с заданным значением сопротивления.
3. Методика формирования оптимального задания на дозирование (рецептура) и выбор
оптимального режима работы МБСУ при изготовлении ЭКМ, пригодных при строительстве ИС.
-
Математические и компьютерные модели, позволяющие оптимизировать режимы работы МБСУ при производстве ЭКМ: структурная и электропроводная модели ЭКМ, описывающие зависимость критической концентрации заполнителя от количества отдозированных компонентов; математическая модель оптимизации режимов работы МБСУ.
-
Результаты экспериментальных исследований режимов работы МБСУ при изготовлении ЭКМ, пригодных для устройства ИС.
-
Адаптированный к использованию в полевых условиях модельно-вычислительный комплекс по подбору оптимального задания на дозирование ЭКМ и режимов работы МБСУ.
-
Программное обеспечение по оптимизации задания дозировочного оборудования и режимов работы МБСУ при изготовлении ЭКМ, пригодных для изготовления ИС.
Степень достоверности и апробации работы:
Достоверность результатов исследования подтверждена согласованностью теоретических и практических выводов, полученных в рамках проведенного эксперимента, расчетов разработанного программного обеспечения по оптимизации режимов работы МБСУ при производстве ЭКМ.
Диссертационная работа выполнена в рамках ГРАНТа программы стратегического развития МАДИ за 2014 год по теме «Компьютерные технологии в проектировании бетонных и асфальтобетонных смесей с применением теории перколяции» (проект № 12/3.1.2).
Эффективность теоретических и экспериментальных результатов подтверждена соответствующими актами о внедрении полученных результатов диссертационной работы (Приложение Б):
- на предприятии ОАО «Ирбис», внедрены рекомендации по определению оптимальной
очередности дозирования компонентов в МБСУ с учетом ограничений по массе компонентов и
допустимой погрешности дозирования;
- на предприятии ЗАО «Союз лес», оптимизирована работа производственно-
технологического оборудования, за счет внедрения вычислительного комплекса по подбору
оптимального задания на дозирование и управлению технологическими режимами работы БСУ.
- на ПК АБЗ «Дмитровка» ГБУ «Автомобильные дороги», оптимизирована работа
технологического оборудования смесительного цеха.
- в ФГБОУ ВО МАДИ в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению
23.03.02 «Наземные транспортные технологические комплексы», инженеров по специальности
23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства» и магистров по направлению
23.04.02 «Наземные транспортно-технологические машины и комплексы».
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на
следующих конференциях и семинарах:
- XXVIII Международной конференции «Актуальные проблемы в современной науке и
пути их решения», г. Москва, Россия, 28 июля 2016 г.
- XIV, XVI Международных научно-практических конференциях молодых ученых «Теория
и практика применения информационных технологий в промышленности, строительстве и на
транспорте», МАДИ, Москва, Россия, 2015 – 2016 гг.
VIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения», МАДИ, Москва, Россия, 19-21 мая 2016 г.
Молодежном международном научно-практическом семинаре молодых ученых и студентов «Современные исследования в области прикладных инженерных наук», ФГАОУ ВО Российский университет дружбы народов, Москва, Россия, 6 – 8 декабря 2016 г.
XXIV, XXV Международных научно-технических интернет конференциях «Новые материалы и технологии в машиностроении», Брянск, Россия, 2016 – 2017 гг.
Научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ №№ 74, 75, ФГБОУ ВО МАДИ, Москва, Россия, 2016 – 2017 гг.
- Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и
ресурсосберегающие технологии», ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», Могилев,
Беларусь, 27 апреля 2017 г.
- Международной школе молодых ученых и специалистов в области робототехники,
производственных технологий и автоматизации, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»», Москва,
Россия, 18 мая 2017 г.
- Международной научно-технической конференции «Энерго-ресурсосберегающие
технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях», ФГБОУ ВО «Белгородский
государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», Белгород, Россия, 22-23
сентября 2017 г.
Публикации:
По теме работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 статьи опубликовано в изданиях, входящих в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» по специальности 05.05.04. В печатных работах подробно изложено содержание всех основных разделов диссертации, выводы и результаты работы.
Структура и объем диссертации:
Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа содержит 151 страницу основного текста, включающего 3 таблицы, 51 рисунок, 2 приложения на 24 станицах. Список литературы содержит 180 наименований.