Модели и вариантность структур систем автоматического дозирования сыпучих материалов

УДК 621.923

МОДЕЛИ И ВАРИАНТНОСТЬ СТРУКТУР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

В.В. Жарков, В.В. Прейс

Рассматриваются вопросы разработки понятийного аппарата в области автоматического дозирования сыпучих материалов на основе системного подхода, одним из инструментов которого являются иерархическая и внутренняя модели структуры изучаемого объекта - системы автоматического дозирования.

Ключевые слова: автоматическое дозирование, сыпучий материал, модели структуры, система автоматического дозирования.

Постановка любой научно-технической задачи во всех случаях должна опираться на тщательно разработанную понятийную базу (систему терминов и определений). Как показал информационный поиск, применительно к области автоматизированного дозирования сыпучих материалов, обобщённый понятийная база разработана в недостаточной степени [1].

Разработка системы терминов и определений должна базироваться на концепциях теории системного подхода, одними из центральных понятий которого является принцип целостности изучаемого технического объекта, который предполагает иерархическое строение изучаемого объекта, позволяющее представлять сложный объект в виде отдельных составных частей и элементов, подчиняющихся закону иерархии (приоритетов). То есть в каждом техническом объекте можно выделить основные определяющие части и подчиненные им элементы. Иерархическое строение объекта или технической системы приводит к понятиям части, свойства и функции. При этом свойства и функции части технической системы являются взаимозависимыми со свойствами и функциями целого, свойства целого не могут быть приняты без учета свойств составных его частей и наоборот. Представление о целостности технической системы выявляется через понятие связи. Выделяют следующие основные группы связей:

- структурные связи, которые определяют архитектуру строения технической системы, её компоновку и внешний облик;

- функциональные связи, которые обеспечивают действие технической системы по её прямому назначению, например, автоматическое дозирование конкретного вида продукции с заданной производительностью и требуемой точностью;

- связи взаимодействия (внутренние и внешние), которые обеспечивают взаимодействие частей и элементов изучаемой технической системы между собой и с другими системами (например, внешние связи взаимодействия системы автоматического дозирования с человеком-оператором, с

системой технического обслуживания и ремонта, фасовочно-упаковочной или транспортной системой и т.п.).

Структурные связи технической системы раскрываются и определяются в иерархической модели структуры, в которой структурные компоненты технической системы выделяются и группируются по принципу подчинённости (иерархии) нижестоящих элементов вышестоящим частям;

Внутренние и внешние связи взаимодействия технической системы раскрываются и определяются во внутренней модели структуры, которая отражает взаимосвязь между структурными компонентами (частями, элементами) технической системы.

При разработке комплекса терминов и определений в области автоматического дозирования сыпучих материалов основывались на методологических подходах и положениях, изложенных в работе [2].

Модели структуры системы автоматического дозирования. Иерархическая модель структуры системы автоматического дозирования сыпучих материалов представляет собой четырёхуровневую систему, распределённую по рангам (рис. 1). На первом уровне определяется система нулевого ранга - система автоматического дозирования (САД), обеспечивающая автоматическую выдачу заданного количества сыпучего материалов в последующие (внешние) технологические машины с требуемой производительностью и точностью.

На втором уровне модели определяются системы первого ранга -функциональные устройства системы автоматического дозирования:

А - устройство хранения материала (УХМ), обеспечивающее хранение запаса материала, необходимого для продолжительной работы системы автоматического дозирования, а также выдачу материала в последующее устройство системы;

В - устройство подачи материала (УПМ), служащее для захвата материала из устройства хранения и подачи его в следующее устройство;

С - устройство дозирования материала (УДМ), осуществляющее формирование и выдачу дозы материала во внешнюю систему (технологическую машину) с требуемой производительностью и заданной точностью;

В - система управления (СУ), обеспечивающая поддержание заданных режимов работы системы автоматического дозирования, контроль за происходящими процессами и синхронизацию работы отдельных функциональных устройств системы.

На третьем уровне модели располагаются системы второго ранга -функциональные механизмы и блоки управления, входящие в состав функциональных устройств системы автоматического дозирования. Функциональные механизмы служат для выполнения основных рабочих функций (операций) над материалом, а блоки управления обеспечивают соблюдение заданных режимов и синхронизацию работы функциональных механизмов.

А1 А2 А3

БМ ПобМ ЗМ

В1

ПодМ

УХМ

В УПМ С УДМ

С1 С2

МФД МВД

т Б2 Б3 Б4

БУХМ БУПМ БУДМ БС

САД

Б

СУ

А2а А2Ъ

ИО Пр

В1а В1Ъ

ИО Пр

С2а С2Ъ

ИО Пр

Рис. 1. Иерархическая модель структуры системы автоматического дозирования сыпучих материалов

Функциональные механизмы устройства хранения материала:

А1 - бункерный механизм (БМ), обеспечивающий хранение запаса материала;

А2 - побудительный механизм (ПобМ), воздействующий на материал для улучшения его истечения из бункерного механизма;

А3 - затворный механизм (ЗМ), служащий для запирания (отпирания) выпускного отверстия бункерного механизма, удержания материала в бункере и предохранения его от самопроизвольного истечения.

Функциональный механизм устройства подачи материала:

В1 - подающий механизм (ПодМ), осуществляющий захват материала из бункерного механизма и подачу его в последующее устройство.

Функциональные механизмы устройства дозирования материала:

С1 - механизм формирования дозы (МФД), обеспечивающий формирование дозы материала заданной массы (объёма) или поддержание заданного расхода материала с требуемой точностью;

С2 - механизм выдачи дозы (МВД), осуществляющий транспортирование и подготовку к выдаче дозы материала и собственно выдачу заданного количества материала с требуемой производительностью во внешнюю технологическую машину.

Блоки системы управления:

В1 - блок управления хранением материала (БУХМ), служащий для контроля количества материала в бункерном механизме и управления приводами побуждающего и затворного механизмов;

Б2 - блок управления подачей материала (БУПМ), предназначенный для управления работой подающего механизма;

В3 - блок управления дозированием материала (БУДМ), контролирующий и регулирующий процессы подачи, формирования и выдачи дозы материала;

Б4 - блок синхронизации (БС), обеспечивающий синхронизацию работы всех функциональных механизмов и блоков управления системы.

На четвёртом уровне находятся системы третьего ранга - исполнительные органы (ИО) и приводы (Пр), входящие в состав функциональных механизмов, а также датчики блоков управления. Исполнительные органы (А1а, А2а, А3а ...) выполняют непосредственную технологическую функцию, а приводы (Л2Ъ, Л3Ъ, В1Ь, С1Ъ ...) сообщают исполнительным органам необходимые кинематические движения и передают рабочую энергию. Так в побуждающем механизме исполнительным органом является, например, цепной ворошитель, а в подающем механизме - шнек; к датчикам относится, например, оптический датчик уровня материала.

Внутренняя модель структуры системы автоматического дозирования сыпучих материалов (рис. 2) отражает взаимосвязь между структурными компонентами системы и позволяет на основе анализа функциональных и управляющих связей взаимодействия дать полное представление об основных процессах взаимодействия функциональных механизмов и блоков управления системы.

Функциональные связи обеспечивают выполнение основных рабочих операций соответствующими функциональными механизмами, например: подача материала, формирование дозы, выдача дозы материала.

Управляющие связи обеспечивают соблюдение заданных режимов работы функциональных механизмов и согласование их действий в соответствии с циклограммой работы всей системы дозирования.

Как функциональные, так и управляющие связи взаимодействия могут быть внутренними и внешними. Внутренние связи обеспечивают взаимодействие функциональных механизмов и блоков управления между собой внутри системы автоматического дозирования, а внешние - между системой автоматического дозирования и внешними системами, например, технологической машиной или транспортной системой.

По способу реализации выделяют типы связей взаимодействия:

1. Механические - характеризуются непосредственным механическим взаимодействием элементов системы между собой и материалом, т.е. передачей механической энергии. Данный вариант наиболее распространён в системах автоматического дозирования. Примером может служить захват материала из бункера шнеком, формирование дозы материала и т.п. В этом случае функциональные элементы системы определяют как механические.

2. Пневматические - характеризуются воздействием газовых потоков или вакуума на материал либо на элемент системы автоматического дозирования. Например, подача материала аэрационным питателем, фор-

мирование дозы с применением вакуумирования и т.п. В этом случае функциональные элементы системы определяют как пневматические.

Рис. 2. Внутренняя модель структуры системы автоматического дозирования сыпучих материалов:

' функциональные связи;------- управляющие связи

3. Электрические, электромагнитные - характеризуются электрическим или электромагнитным взаимодействием, как между элементами системы автоматического дозирования, так и между системой дозирования и внешними устройствами. Например, подача электроэнергии на приводы функциональных механизмов или блоков управления, передача сигналов управления от блоков управления к функциональным устройствам и механизмам. В этом случае функциональные элементы системы определяют как электрические или электромагнитные.

4. Оптические, ультразвуковые и т.п. - встречаются в основном при контроле наличия материала в бункере. Элементы блоков управления определяют в этом случае как оптические, ультразвуковые и т.д.

Классификация и определения структурных связей системы автоматического дозирования представлены в табл. 1.

Таблица 1

Классификация и определения структурных связей САД

Обозначение Сущность связи

А1В1 А2А1 А3А1 В1С1 С1С2 Б1Л1 В1Л2 тлз В2В1 Б3С1 тзс2 В4В1, В4В2, В4В3 Я1Л1 С202 СМ ЕА, ЕВ, ЕС, ЕВ $в ІС 1. Внутренние связи 1.1 Функциональные связи Захват питателем материала из бункера Воздействие побудителя на материал для улучшения его истечения из бункера Запирание (отпирание) выпускного отверстия бункера Подача питателем материала в механизм формирования дозы Подготовка дозы к выдаче 1.2 Управляющие связи Контроль количества материала в бункере Управление приводом побудителя Управление приводом затвора Управление режимами работы питающего механизма Контроль и регулирование процесса формирования дозы Управление процессом выдачи дозы Согласование работы блоков управления 2. Внешние связи 2.1 Функциональные связи Загрузка материала в бункер Выдача доз материала Синхронизация работы системы автоматического дозирования с работой внешней технологической машины 2.2 Управляющие связи Подача электроэнергии на функциональные устройства системы Синхронизация работы системы с другими устройствами Информационный обмен между системой дозирования, центральной системой управления, оператором

Вариантность структур системы автоматического дозирования.

Множество вариантов структур системы автоматического дозирования определяется признаками двух уровней (табл. 2).

Признаки первого уровня: наличие или отсутствие соответствующего функционального механизма в структуре системы дозирования.

Признаки второго уровня: а) при наличии функционального механизма - число его рабочих позиций (одна или несколько); б) при отсутст-

вии функционального механизма - совмещение нескольких технологических функций, т.е. выполнение нескольких технологических функций одним механизмом (если эти функции необходимы).

Таблица 2

Варианты структурного построения САД

Функциональные механизмы Варианты построения

БМ Наличие обязательно

Один Два

ПобМ Имеется Отсутствует

Одна рабочая позиция Несколько рабочих позиций Функции выполняет БМ 1 ции тПи ц т у нл Фо п ы в Д Ф ии Мт цт це ун нл Ф ол п ы в Выполнение функций не требуется

ЗМ И меется Отсутствует

Одна рабочая позиция Несколько рабочих позиций Функции выполняет ПитМ Д Ф ии Мт цт це ун нл Ф ол п ы в Выполнение функций не требуется

ПодМ Имеется Отсутствует

Одна рабочая позиция Несколько рабочих позиций Функции выполняет МФД

МФД Наличие обязательно

Одна рабочая позиция Несколько рабочих позиций

МВД Имеется Отсутствует

Одна рабочая позиция Несколько рабочих позиций Функции выполняет МФД

По признакам первого уровня наличие двух основных механизмов БМ и МФД обязательно, поэтому для них вариант «отсутствует» не имеет смысла. Для всех остальных функциональных механизмов (ПобМ, ЗМ, ПодМ, МВД), возможны оба варианта, так как их наличие в структуре системы автоматического дозирования не является обязательным.

По признаку второго рода «совмещение технологических функций» возможны различные варианты структур системы автоматического дози-

рования. Например, при отсутствии ПобМ, воздействие на сыпучий материал для улучшения его истечения может оказывать вибрирующий бункер; при отсутствии ПодМ захват материала из бункера осуществляет МФД.

В качестве примера приведем простейшие структурную и соответствующую ей принципиальную схему системы автоматического дозирования (рис. 3), в состав которой входят два функциональных механизма - БМ и МФД, выполняющий помимо своей собственной функции ещё технологические функции других механизмов (ПобМ, ЗМ, ПодМ, МВД).

БМ

—I—

ПобМ ЗМ ПодМ МФД МВД

а

Рис. 3. Простейшие структурная (а) и принципиальная (б) схемы системы автоматического дозирования:

1 - дозирующий шнек (МФД);

2 - привод шнека; 3 - бункер

По признаку второго уровня «число рабочих позиций функционального механизма» для БМ возможны два варианта: один и два БМ, например, система автоматического дозирования с предбункером (рис. 4).

1БМ - 1ПобМ

1ЗМ ПодМ

2БМ I - 2ПобМ

2ЗМ ПодМ МФД МВД

1

2

а

Рис. 4. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы системы дозирования с предбункером и подающим шнеком:

1 - предбункер (1БМ); 2 - ворошитель (1ПобМ); 3 - подающий шнек (ПодМ); 4 - бункер (2БМ); 5 - разрыхлитель (2ПобМ);

6 - дозирующий шнек

Для других функциональных механизмов существуют варианты «одна рабочая позиция» и «несколько рабочих позиций». Второй случай указывает на то, что данный функциональный механизм имеет несколько исполнительных органов, объединённых конструктивно, либо с помощью системы управления в единое целое. В качестве примера можно привести многопозиционную систему автоматического дозирования с вибрирующими мерными стаканами (несколько рабочих позиций МФД и МВД), реализованную в фасовочно-упаковочном автомате типа АРЖ (рис. 5).

1

2

3

4

5

6

7

8

БМ

—I—

ПобМ

ЗМ

~г~

ПодМ

МФД МФД МФД МФД

МВД МВД МВД МВД

а

Рис. 5. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы многопозиционной системы автоматического дозирования с вибрирующими мерными

стаканами:

1 - бункер (БМ); 2 - ворошитель (ПобМ); 3 - затворная задвижка (ЗМ); 4 - камерный гравитационный питатель (ПодМ); 5, 6 - верхняя и нижняя части мерного стакана (МФД); 7 - откидное дно (МВД);

8 - вибрационный привод

Предложенные модели структуры могут стать основой для разработки в дальнейшем морфологических таблиц, направленных на синтез новых вариантов систем автоматического дозирования.

Стационарные и роторные системы автоматического дозирования. Варианты структур систем автоматического дозирования сыпучих материалов, рассмотренные выше, по аналогии с системами автоматической загрузки штучных предметов обработки [3, 4] могут быть реализованы в двух различных классах технологических систем: стационарной и роторной (карусельной).

В стационарной системе все функциональные устройства смонтированы на единой неподвижной конструктивной платформе и в зависимо-

сти от числа рабочих позиций формируют один или несколько параллельных выходных потоков дозированной продукции.

Интенсивный рост объемов мирового производства сыпучих (порошкообразных и гранулированных) продуктов и материалов в штучной упаковке привело к появлению в различных отраслях промышленности (химической, фармацевтической, пищевой, строительной) роторных систем автоматического дозирования. Роторные системы автоматического дозирования по своей структуре и принципам компоновки являются технологическими роторными машинами, поскольку осуществляют все технологические операции с дозируемым материалом в процессе непрерывного транспортного вращательного движения функциональных устройств системы и в не зависимости от числа рабочих позиций формируют на выходе системы только один общий поток дозированной продукции.

При выборе класса и конструктивной схемы системы автоматического дозирования сыпучих материалов основными критериями являются требуемая производительность, точность дозирования, надежность, простота и удобство эксплуатации системы. Выбор конструкции дозатора для сыпучих материалов в значительно большей степени зависят от физикохимических свойств подаваемого материала.

Как в стационарных, так и в роторных системах автоматического дозирования широкое применение нашли шнековые питатели-дозаторы, конструктивной разновидностью которых являются спиральные питатели-дозаторы с гибкой транспортирующей спиралью. Подобные питатели-дозаторы отличаются высокой производительностью, широким диапазоном изменения дозы, простотой конструкции. Сравнительно высокая погрешность дозирования (1...3 %) объясняется тем, что она полностью зависит от физико-механических свойств сыпучего материала (насыпная плотность, сыпучесть, влажность, угол естественного откоса) и от равномерности его подачи.

Недостатками шнековых и спиральных питателей-дозаторов является то, что при подаче и дозировании абразивных сыпучих материалов происходит интенсивный износ поверхностей шнека (спирали) и корпуса, что значительно снижает ресурс работы питателей-дозаторов, а при дозировании и слеживаемых материалов, склонных к сводообразованию, возрастает неравномерность подачи материала. С целью устранения указанных недостатков авторами предложены усовершенствованные конструкции спиральных питателей-дозаторов для подачи слеживаемых и абразивных сыпучих материалов [5, 6].

При разработке спиральных питателей-дозаторов для роторных систем автоматического дозирования следует учитывать влияние транспортного вращения системы на характер движения сыпучего материала в питателе и, как следствие, на производительность питателя, что требует проведения комплекса аналитических и экспериментальных исследований.

Список литературы

1. Жарков В.В., Прейс В.В. Проблемы автоматизированного дозирования абразивных и слеживаемых сыпучих материалов // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы Междунар. научно-техн. конф. «АПИР-16», 9-12 ноября 2011 г.; под ред. В.В. Прейса, Д.А. Провоторова. В 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Ч.1. С. 128-133.

2. Галонска М.К., Прейс В.В. Модели, варианты и принципы синтеза структур роторных систем автоматической загрузки // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 30-40.

3. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения. 2002. № 12. С. 16-19.

4. Прейс В.В. Роторные системы автоматической загрузки штучных предметов обработки // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 9. С. 3-8.

5. Патент 110723 РФ. МПК8 B65G 33/00. Спиральный питатель-дозатор / В.В. Жарков, В.В. Прейс. Опубл. 27.11.2011. Бюл. № 33.

6. Патент 111528 РФ. МПК8 B65G 33/14. Шнековый питатель / В.В. Жарков, В.Б. Морозов, В.В. Прейс. Опубл. 20.12.2011. Бюл. № 35.

Жарков Вячеслав Викторович, аспирант, Россия, preys@,klax.tula.ru, Тула, Тульский государственный университет,

Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prevs@klax.tula.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет

MODELS AND NAMBER OF DEGREES OF FREEDOM OF FRAMES OF

SYSTEMS OF SELF-ACTING DOSAGE OF LOOSE MATERIALS

V. V. Zharkov, V. V. Prejs

Problems of development of the notional apparatus in the field of self-acting dosage of loose materials on the basis of the system approach are considered, one of which one instruments are hierarchic and intrinsic models of frame of a body of interest - systems of selfacting dosage.

Key words: self-acting dosage, a loose material, frame models, system of self-acting

dosage.

Zharkov Vjacheslav Viktorovich, the post graduate student, Russia, Tula, the Tula State University

Prejs Vladimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra,, prevs@,klax.tula.ru. Russia, Tula, the Tula State University

Получено 15.07.2013 г.