Актуальность темы
.
Исследование реологических параметров жидких сред является важной задачей во многих отраслях промышленности: пищевой, автомобильной, химической, в медицинской деятельности.
Изменение реологических свойств материалов, продуктов или их компонентов в процессе работы оборудования или их изготовления может существенно влиять на рабочие параметры технологических процессов, качество готовой продукции, работу готового изделия.
При этом принципиальным является обеспечение непрерывного контроля за свойствами продукта при высокой точности и автоматизации измерений.
К основным реологическим свойствам материалов относятся: упругость, пластичность, прочность и вязкость.
Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих тел (жидкостей и газов) сопротивляться перемещению одной их части относительно другой под действием внешних сил [41, 56, 82]. Вязкие свойства жидкостей и газов различны, так, с увеличением температуры вязкость газов возрастает, а жидкостей резко уменьшается. Для жидкостей характерна динамическая вязкостьвеличина, равная отношению силы внутреннего трения, действующей на поверхности слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к единице площади этого слоя.
При измерении вязкости жидкостей следует иметь в виду значительное влияние на неё температуры.
Приборы для измерения вязкости жидкостей называются вискозиметрами.
Современное производство располагает широким спектром методов и технологий для определения и контроля реологических параметров, основанных, в основном, на косвенных измерениях. При этом одним из наиболее точных, оперативных и перспективных методов контроля реологических параметров является ротационный метод, реализующий прямые измерения вязкости среды путем рассмотрения особенностей сдвигового движения материала в кольцевом канале рабочей области вискозиметра.
Фундаментальные исследования движения сплошных сред в кольцевых каналах рабочего и измерительного оборудования содержатся в трудах Ньютона, Стокса, Навье, Рейнольдса, а также работах Жермена [41], Мейза [63], Рейнера [82, 83], Лойцянского [55, 56], Нигматуллина [67, 68], Маслова [60], Седова [95] и многих других учёных.
Однако, в теоретических и экспериментальных исследованиях зарубежных и отечественных авторов достаточно мало внимания уделено особенностям течения среды при воздействии на неё поперечных сил различного происхождения, в частности центробежных сил инерции, возникающих при движении среды в кольцевом зазоре ротационных вискозиметров.
Применяемые в настоящее время в лабораторных и производственных условиях ротационные вискозиметры представляют собой сложные гидроэлектромеханические объекты, задачей которых является обеспечение высокой автоматизации, оперативности и высокой точности измерений.
В имеющихся литературных источниках недостаточно полно отражены вопросы расчёта динамики ротационных приборов для измерения реологических параметров жидкостей, представляющих собой сложный гидроэлектромеханический комплекс.
Создание и внедрение наиболее точных и оперативных измерительных средств для контроля реологических свойств жидкостей, повышение их эффективности, качества и надёжности, а также внедрение новых технологий ставит задачу проведения теоретических и экспериментальных исследований динамики ротационных вискозиметров как сложных мехатронных объектов во взаимосвязи с изучением процессов течения жидких сред в различных условиях работы оборудования.
Достижения научно-технического прогресса используются в двух основных направлениях: улучшение технико-экономических параметров уже известных моделей оборудования и создание принципиально новых моделей технологического и измерительного оборудования и средств автоматизации. Оба направления, безусловно, должны базироваться на наиболее совершенной технологии измерений и прогрессивных методах автоматизации проектирования и обслуживания.
В связи с вышеизложенным усовершенствование существующих технологий определения реологических свойств жидких материалов на основе ротационного метода, в строгой взаимосвязи с исследованием динамики ротационных вискозиметров как сложных мехатронных объектов, а также с учётом динамических свойств течения жидкости в кольцевых каналах ротационных вискозиметров при воздействии центробежных полей представляется актуальной задачей.
Актуальность поставленной темы формулирует цель работы как повышение эффективности работы ротационного вискозиметра за счёт расширения функциональных возможностей посредством применения двух вращающихся роторов с индивидуальными электроприводами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Разработать математическую модель устройства.
2. Разработать математическую модель сдвигового течения жидкости, исследовать влияние центробежных сил на характер течения.
3. Исследовать переходные и стационарные режимы работы устройства.
4. Выбрать рациональные режимы работы вискозиметра.
5. Разработать конструкцию опытного образца, исследовать его динамику.
6. Провести вычислительные и натурные эксперименты и их сравнительный анализ.
Научное содержание диссертации составляет теоретическое обоснование технических решений, использованных при создании рассматриваемой конструкции вискозиметра посредством разработки уточнённой методики расчёта сложной гидроэлектромеханической системы вискозиметра.
Практическое значение данной работы нашло отражение в создании принципиально новой конструкции ротационного вискозиметра, позволяющей повысить его эксплуатационные и измерительные характеристики и расширить функциональные возможности, и разработке уточнённой методики расчёта динамических свойств течения жидкости в рабочем канале измерительного оборудования данного класса с учётом действия центробежных сил и динамических характеристик бироторного вискозиметра как единого комплекса.
Автор защищает:
1. Математическую модель бироторного вискозиметра, рассматриваемого как единая гидроэлектромеханическая система с учётом влияния центробежных сил на характер течения.
2. Методику расчёта бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров.
3. Результаты математического моделирования сдвигового течения среды при воздействии центробежных сил.
4. Рекомендации к выбору рациональных режимов работы прибора, повышающих его эффективность и точность измерений.
Научная новизна исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложен системный подход к моделированию бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров как сложного объекта, состоящего из электромеханических и гидромеханических частей, рассматриваемого как единая управляемая система.
Разработана математическая модель сдвигового течения среды в кольцевом зазоре бироторного вискозиметра с учётом центробежных сил, для исследования которой создано специальное программное обеспечение.
Установлено влияние центробежных сил на характер течения среды в кольцевом зазоре вискозиметра, в частности, возникновение поперечной составляющей скорости, линейно зависящей от значения центробежной силы, приводящей к изменению формы профиля течения материала.
На основе изучения эффекта изменения формы профиля течения под воздействием центробежных сил установлена зависимость коэффициента нелинейности профиля течения от величины центробежной силы, а также от вязкости среды. Выявлены рациональные режимы работы вискозиметра.
Методы исследования. Поставленная цель достигнута путем использования положений механики сплошных сред, теоретической механики, электродинамики, теории автоматического управления. При этом использовались методы математического моделирования, численного решения уравнений с применением ПЭВМ, математические методы планирования эксперимента.
Реализация системы моделирования на основе разработанных алгоритмов осуществлялась на базе ПЭВМ типа IBM PC. Требования разработанных программ к оборудованию незначительны.
Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических положений и принятых допущений, применением известных современных математических методов, согласованностью теоретических исследований с экспериментальными данными.
Практическая значимость и результаты внедрения работы.
Предложена новая конструкция ротационного вискозиметра за счёт применения индивидуальных приводов вращения роторов, что позволило расширить функциональные возможности приборов для определения реологических свойств жидкостей. Разработаны эффективные методики и программное обеспечение для расчёта динамических характеристик бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров с учётом влияния центробежных сил на характер течения среды в кольцевом канале, которые могут быть использованы при проектировании измерительного оборудования. На основе анализа результатов расчётов выработаны рекомендации по выбору рациональных режимов работы прибора, повышающих эффективность работы вискозиметра.
Предложенные в работе методы и средства внедрены в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники Курского государственного технического университета в виде лабораторных работ по различным дисциплинам. Разработанный автором бироторный вискозиметр внедрён в производственный процесс ОАО «Электроаппарат» (г. Курск) на стадии контроля качества технологических жидкостей.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на шестой международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г.Курск, 2003 г.) — международном научном семинаре «Проблемы истории науки и техники» (г. Курск, 2003 г.) — ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований «Молодёжь и XXI век» (г. Курск, 2003, 2004 гг.) — международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 2004 г.) — а также на пятой международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 138 наименований и приложений, и содержит 144 страницы основного текста, 65 рисунков, 4 таблицы.
4.4. Выводы по главе.
Предложена и реализована конструкция бироторного вискозиметра, имеющая более широкие функциональные возможности по сравнению с прототипом. Разработана бесконтактная система измерения угловых скоростей роторов и момента сопротивления на базе оптических датчиков, а также программный продукт, реализующий пользовательское управление измерительным процессом.
На данную конструкцию получено 2 патента на полезную модель.
Проведен комплекс натурных экспериментов по исследованию динамических свойств бироторного вискозиметра.
Проведён расчёт основных элементов бироторного вискозиметра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
По результатам проведенных исследований, анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы и обобщения.
1. Предложена математическая модель бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров как сложного объекта, состоящего из электромеханических и гидромеханических частей, рассматриваемого как единая управляемая система. I.
2. Разработана методика расчёта бироторного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров.
3. Установлено влияние центробежных сил на характер течения среды в кольцевом зазоре вискозиметра, в частности, возникновение поперечной составляющей скорости. Выявлен линейный характер зависимости этой скорости от значения центробежной силы.
4. Установлено, что возникновение поперечной составляющей скорости приводит к изменению характера течения среды в рассматриваемой области, в частности к изменению профиля течения. Установлена прямо пропорциональная зависимость коэффициента нелинейности профиля от центробежной силы.
5. Предложена конструкция прибора для измерения реологических свойств жидких сред на основе принципа дифференциального вращения коаксиальных цилиндров, позволяющая повысить эффективность работы вискозиметра. На разработанную конструкцию бироторного вискозиметра получено 2 патента на полезную модель.
6. Изготовлен опытный образец бироторного вискозиметра, проведены экспериментальные исследования его динамических свойств при различных режимах работы. Проведен расчёт динамических свойств устройства для определения реологических параметров, выявлены рациональные режимы работы прибора.
7. Научные и практические результаты работы внедрены в учебный процесс в виде лабораторных и практических работ по дисциплинам специальности «Мехатроника», бироторный вискозиметр внедрён в производственный процесс ОАО «Электроаппарат» (г. Курск).
