Разработка конструкции и исследование динамики бироторного вискозиметра

Политов, Евгений Николаевич

Разработка конструкции и исследование динамики бироторного вискозиметра тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Политов, Евгений Николаевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Разработка конструкции и исследование динамики бироторного вискозиметра»

Автореферат диссертации на тему "Разработка конструкции и исследование динамики бироторного вискозиметра"

На правах рукописи

'О

ПОЛИТОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ БИРОТОРНОГО ВИСКОЗИМЕТРА

01. 02. 06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2005

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете на кафедре теоретической механики и

мехатроники.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Яцун Сергей Федорович

Защита состоится 29 ноября 2005 г. в 12.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.105.01 в Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Автореферат разослан «¿¿_» охт^е&я2005 г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кобелев Николай Сергеевич

кандидат физико-математических наук, доцент Соколов Владимир Сергеевич

• \

Ведущая организация: Орловский государственный

технический университет

Ученый секретарь Диссертационного совета

Локтионова О.Г.

46747

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной их основных технологических операций на предприятиях пищевой, химической промышленности, во многих отраслях машиностроительного производства, в медицинской деятельности, является измерение реологических параметров жидких материалов в процессе их обработки или на стадии проверки качества готовой продукции.

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.

Современное производство располагает широким спектром методов и технологий для определения и контроля реологических параметров, основанных в большинстве случаев на косвенных измерениях. При этом одним из наиболее точных, оперативных и перспективных методов контроля реологических параметров является ротационный, реализующий прямые измерения вязкости среды путем рассмотрения особенностей движения материала в кольцевом канале рабочей области вискозиметра.

Повышение эффективности современных методов измерения реологических параметров жидкостей, а также внедрение новых ставит задачу проведения теоретических и экспериментальных исследований динамики ротационных вискозиметров как сложных гидроэлектродинамических объектов во взаимосвязи с изучением процессов течения жидких сред в различных условиях работы оборудования.

Одной из существенных особенностей течения среды в рабочем канале ротационного вискозиметра является наличие центробежных сил инерции, исследованию влияния которых на характер движения жидкости в кольцевом зазоре в фундаментальных трудах отечественных и зарубежных учёных уделено недостаточно места. 1

В связи с этим усовершенствование существующих технологий определения реологических свойств жидких материалов на основе ротационного метода, в строгой взаимосвязи с исследованием динамики жидкости в кольцевых каналах ротационных вискозиметров с учётом действия центробежных полей представляется актуальной задачей.

Цель работы - повышение эффективности работы ротационного вискозиметра за счёт расширения функциональных возможностей посредством применения двух вращающихся роторов с индивидуальными электроприводами.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели устройства.

2. Разработка математической модели сдвигового течения жидкости, исследование влияния центробежных сил на характер течения.—

3. Исследование переходных и стационарных рвй^й^^й^ВМ'

4. Выбор рациональных режимов работы вискозиметра.

5. Разработка конструкции опытного образца, исследование его динамики.

6. Проведение вычислительных и натурных экспериментов, анализ и сравнение полученных экспериментальных данных.

Научная новизна исследования и положения, выносимые на защиту:

> 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.

V Изучен эффект 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 реализована путем использования положений механики сплошных сред, теоретической механики, электродинамики, теории автоматического управления, методов математического моделирования, численного решения уравнений с применением ПЭВМ.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов, согласованностью теоретических исследований с экспериментальными данными.

Практическая значимость и результаты внедрения работы.

Предложена модернизация конструкции 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 к 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 уцА^^ИдетЬ в виде лабораторных работ по различным дисцип-<> # «(» ^ 2

линам. Разработанный автором биротороный 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 пятой и шестой международных научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (г.Курск, 2001, 2003 г.), «Проблемы истории науки и техники» (г. Курск, 2003 г.), «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004 г.), «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе получено 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 145 страниц основного текста, 65 рисунков, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость рабо1ы.

В первой главе приводится обзор современных методов и технологий для определения реологических параметров жидкостей, доказывается, что применение ротационного метода с двумя коаксиальными цилиндрами для измерения вязкости является наиболее перспективна пои.ольку шьиоляег провести прямые измерения вязкости жидкости, а исполыование индивидуальных приводов обоих роторов позволяет существенно расширить функциональные возможности измерительного прибора и, следовательно, повысить его эффективность. Вместе с тем показывается, что для разработки более эффективной методики идентификации реологических параметров жидких сред необходимо провести комплексные исследования сдвиговых течений материала в кольцевом зазоре измерительного оборудования при воздействии на жидкость центробежных сил.

Вторая глава посвящена разработке моделей и методов расчёта динамических процессов в рассматриваемой гидроэлектромеханичсской системе биро-торного вискозиметра.

С целью расширения функциональных возможностей при динамических испытаниях жидких сред предложен метод центробежного моделирования, представляющий собой ротационный метод, сущность которого заключается в получении зависимости касательных напряжений от скоростей сдвига среды, находящейся в кольцевом зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, для различных значений центростремительного ускорения. Такая технология измерений возможна при обеспечении вращения обоих цилиндров от независимых приводов.

Использование индивидуальных приводов обоих роторов позволяет воздействовать на исследуемую среду управляемым за счёт регулирования скоростей вращения роторов центробежным полем, что даёт возможность исследования реологических параметров среды в широком диапазоне градиентов скоростей сдвига и профилей течения.

Схема измерений, а также схема сил, действующих на частицу среды, приведена на рис. 1.

а) б)

1 - ¡•А \(*

<,* - *

3 — - -

; -

1. У

0)2

ты2Я

Яг

1 - внутренний ротор,

2 - наружный ротор,

3 -исследуемая жидкость, А, 5 - электродвигатели,

а>} со2-угловые скорости роторов,

радиусы роторов. т - масса частицы ср еды

Рис. 1. Схема измерений и схема сил, действующих на частицу среды, в кольцевом зазоре бироторного вискозиметра

При моделировании в бироторном вискозиметре центробежные силы, развиваемые в каждой точке исследуемого материала вследствие вращения, можно рассматривать как модель поля сил тяжести.

При этом согласно теории подобия и размерности линейный масштаб моделирования /(■ определяется по формуле:

(О

где g - ускорение свободного падения, со - угловая скорость наружного ротора, Л - радиус траектории частицы.

Масштаб времени:

'с = 1с- (2)

Таким образом, центробежное моделирование поведения среды устанавливает подобие процессов течения сред в кольцевых зазорах при различных величинах ширины зазора, а также позволяет как бы сжать процесс во времени и предсказать изменение реологических свойств среды.

Далее предложена математическая модель, описывающая динамику биро-торного вискозиметра (рис. 1, а).

Для составления системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику данной гидроэлектромеханической системы воспользуемся уравнениями Лагранжа - Максвелла. С учётом параметров электроприводов постоянного тока исходная система уравнений принимает вид:

¿ <?1 +Я <7| +Се <¿>1 =е,;

■1\Ф\ =Ст (3)

Ь цг + Н-Яг +Се ф2=е2;

где <р/, (р:- механические обобщённые координаты (углы поворота двигателей); цI, д2 - электрические заряды; /, - индуктивность; И - активное сопротивление; Л ./? - моменты инерции роторов; Мс - момент сопротивления; е;, е2 - ЭДС дви-га1елей; С„„ Се - соответственно коэффициент момента на валу двигателя и скоростной коэффициент; С,.: = Иит, / шхх; См = М,ю%, / /„„„,„' £/„„„ и /„„„„ - номинальное значение напряжения и якорного тока двигателя; М„„„ и со„ - номинальный крутящий момент и скорость холостого хода двигателя.

Величина момента сопротивления определяется из следующих соотношений:

Л/Г1=Л,2 ¡Р12<И> Л/Г2 =Л22 \гпЛ> (4)

'«1 '/¡2 где Ма, Мс2 - момент сил трения соответственно на внутренней поверхности наружного ротора и наружной поверхности внутреннего ротора; Рп - касательное напряжение.

Предложена расчётная схема жидкой среды в кольцевом канале биротор-ного вискозиметра, при этом предполагается, что движение жидкости в расчётной области является сдвиговым.

Приводится обзор существующих реологических моделей жидкостей. С целью упрощения математической модели сдвигового течения в качестве реологической модели материала выбрана ньютоновская жидкость.

Далее составлена математическая модель сдвигового течения жидкости в кольцевом зазоре между двумя цилиндрами бироторного вискозиметра при воздействии поля центробежных сил.

Схема рабочей области бироторного вискозиметра приведена на рис. 2. В общем случае оба цилиндра вращаются с разными угловыми скоростями ш, и а>2. На каждую точку среды вследствие вращения цилиндров действует центробежная сила инерции ¥"

Выделим в расчётной области малый элемент жидкости. При больших абсолютных размерах цилиндров по отношению к величине зазора в первом приближении данный элемент можно рассматривать как область прямоугольной

формы, а центробежные силы, действующие на жидкость в каждой точке, - как поле поперечных параллельных сил.

Тогда в предложенной постановке задача сводится к рассмотрению случая сдвигового движения жидкости между двумя параллельными пластинами, находящимися в плоскости Х\ОХь движущимися с линейными скоростями УК1 и Ущ. Расчётная схема приведена на рис.3.

Свяжем расчётную область с локальной системой координат Вся

расчётная область заполнена жидкостью. Исследуемую среду считаем гомогенной несжимаемой.

Рассмотрим случай, когда внутренний цилиндр неподвижен, т.е. левая пластина неподвижна, правая движется вдоль оси X/ с некоторой скоростью

1 - внутренний цилиндр;

2 - наружный цилиндр;

3 - исследуемая среда; Х1О1Х1 - неподвижная система координат.

У Хх

Рис. 2. Схема рабочей области вискозиметра

На каждую точку среды действует некоторая объёмная поперечная сила Я", параллельная оси х% Считаем силу Р" постоянной по модулю:

Г-ра, (5)

где р - плотность жидкости; а - поперечное ускорение.

Рис. 3. Расчётная схема сдвигового течения

Для плоской задачи сдвигового течения ньютоновской жидкости исходная система дифференциальных уравнений, включающая законы сохранения импульса и массы с учётом реологического уравнения, а также ряда общепринятых допущений в безразмерной форме записи, будет иметь вид

ЗУ, - дУ, - дУ,

дУ, д!

- + У,

—+к2 — Зс, дх2

ЗГ, - ЭК,

йх.

• + У,

Эх,

сЕ| Ле

r, DP 1 -Ей-—+-

—г- + —;г

йс. Re

дх{ д2У2 дх,2

дх

2 У 2i7 >

azK.

(6)

+ а,

2 У

зк, ак2 -L +--

Scj дх2

= 0,

В (6) безразмерные параметры представлены следующим образом:

V, =

L ' II 14 _ aT2 °= L ; 1 L

V2T L ' — _ PT~ . /2 ' pL Re = L2p ; TM Eu= , pV2 (7)

где xi, х2 - координаты; L - масштаб длины, равный ширине канала; Vh V2 - проекции вектора скорости на оси координат; Т- параметр времени; Р - касательное напряжение; ц - динамическая вязкость жидкости Re- критерий Рейнольдса; Ей - критерий Эйлера.

Граничные условия (рис.3) задавались следующим образом: границы АС к ОБ- протекание, неприлипание; границы ЛВ и ОС - непротекание, прилипание.

Характерной особенностью предложенной математической модели течения жидкости является наличие поперечного ускорения в правой части второго уравнения, учёт которого позволил более комплексно рассмотреть процессы, происходящие при движении материала в кольцевом зазоре бироторного вискозиметра.

В дальнейшем, для упрощения записей чёрточки над безразмерными параметрами опущены

Решение уравнений (6) сдвигового течения жидкости производилось численным методом крупных частиц. Для аппаратной реализации метода крупных частиц в приложении к поставленной задаче был разработан программно-вычислительный комплекс «Динамика сплошных сред». Данный программный продукт выполнен на базе среды объектно-ориентированного программирования Delphi 6.0. Программный модуль позволяет визуализировать динамические процессы в среде. Обработка полученных расчётных данных осуществлялась с применением вычислительного комплекса Mathcad Professional 2001.

В третьей главе приводятся методика расчёта сдвигового течения среды и динамики бироторного вискозиметра, а также результаты численного эксперимента.

Анализ полученных результатов выявил влияние поперечной силы на характер течения среды в зазоре между двумя параллельными пластинами.

На рис. 4 представлены профили течения исследуемой среды при движении правой пластины со скоростью У при воздействии на каждую частицу среды различных поперечных ускорений. Из теоретических выкладок известно, что при отсутствии поперечных сил движение жидкости между двумя параллельными пластинами имеет характер течения Куэтта. Проведенные расчёты подтверждают это положение (рис. 4, прямая 1).

Рис. 4. Профили течения при действии различных поперечных сил (и = 0.05; V- 12): \ - а = 0; 2 - а = 7; • 3-а = 25;

4 - я = 75; 5 -а = 250; 6 -а = 750

Профиль течения в данном случае описывается функцией

У\=У'Х2, (8)

где у - безразмерная скорость сдвига: V

у - — ; V- безразмерная скорость правой границы.

Воздействие поперечной силы на жидкость приводит к изменению профиля течения (рис. 4, кривые 2-6).

В работе введена в рассмотрение функция нелинейности профиля как разница между истинным значением скорости при воздействии на среду поперечных сил и линейным значением скорости при отсутствии поперечных сил, определяемым по формуле (8)

ЛУ=/(х2,а)-, ЛУ = Уа-у-х2, (9)

где Уа - скорость частицы среды при приложении соответствующего поперечного ускорения.

Также введён в рассмотрение так называемый коэффициент нелинейности профиля К, определяемый как отношение максимума функции нелинейности профиля к скорости сдвига:

т ах ( ЛУ )

К =-!--. (10)

Анализ расчётных данных в исследованной области параметров выявил наличие линейной зависимости между коэффициентом нелинейности профиля К и действующей постоянной поперечной силой. На рис. 5 показаны зависимости коэффициента нелинейности профиля от приложенных поперечных ускорений

при различной вязкости жидкости.

03Г " I "Г

3 4 3 в 7 ( а Х101

Рис. 5. Зависимость коэффициента нелинейности профиля от центробежной силы при различной вязкости среды: 1 - ц = 0.15; 2- = 0.1; 3- /< = 0.05

00! ОМ 006 0 08 0 1 013 01« 016 01) 03

Рис. 6. Зависимость коэффициента нелинейности профиля от вязкости среды

Получена также зависимость коэффициента К от вязкости жидкости. На рис. 6 приведен график изменения коэффициента нелинейности профиля, рассчитанного при действующем поперечном ускорении а = 600, от коэффициента вязкости среды. Установлено, что при постоянной скорости правой и неподвижной левой границе влияние центробежной силы на характер течения тем более ощутимо, чем меньше вязкость исследуемой жидкости.

Воздействие поперечной силы на жидкость, также вызывает возникновение поперечной составляющей скорости V2. При этом получен линейный характер зависимости скорости V2 от поперечной силы.

Выявленные особенности движения вязкой ньютоновской среды при воздействии на неё поля центробежных сил накладывают ограничения на технологические параметры процесса измерения реологических свойств жидкостей ротационным методом. Использование существующих ротационных методов для определения вязкости жидкостей ограничивается сдвиговыми скоростями, при которых отклонение профиля от линейного незначительно. Применение индивидуальных приводов для вращения обоих роторов позволяет устранить данный нежелательный эффект и следовательно, позволяет расширить функциональные возможности и повысить эффективность работы вискозиметров.

Полученные в результате расчёта данные о сдвиговых напряжениях являются исходными для решения системы дифференциальных уравнений (3) динамики бироторного вискозиметра., для решения которых применялись стандартные численные методы, реализованные в программно-вычислительном комплексе Mathcad Professional 2001. На рис. 7 показана зависимость момента сопротивления среды от сдвиговой скорости при различных абсолютных значениях угловой скорости наружного ротора и трёх фиксированных значениях скорости внутреннего ротора.

Были рассчитаны динамические характеристики системы при различных стационарных и переходных режимах работы. Показано, что при различных входных параметрах системы можно получить различные динамические режимы (коэффициента скорости, коэффициента момента на валу двигателя, вязкости жидкости, входных напряжений и т.д.) работы вискозиметра.

На рис. 8 приведен график скорости роторов вискозиметра в режиме плавного разгона, на рис. 9 - график скорости при наличии колебательных переходных процессов при пуске. Получены зависимости времени разгона ротора до рабочих значений скоростей от коэффициента момента на валу См, скоростного коэффициента С/, коэффициента динамической вязкости жидкости.

Рис. 7. Зависимость момента сопротивления от скорости сдвига: I -со, = 0, 2- си, = 0 4 с 3- ы, = 1 0 с'1

1 75 1 5 1 21 1

0 75 05 0 21

-Л-''

10!

со,

Время, с

Рис. 8. Плавный разгон роторов

переходный режим

БрСЛР? с

стационарным режим

Рис. 9. Переходные режимы при разгоне роторов

Зависимость времени разгона от коэффициентов С/ и См приведена на рис. 10 и II соответственно. Проведенные численные эксперименты позволили установить расчетные параметры вискозиметра, обеспечивающие устойчивую работу прибора и высокую точность измерений.

Ютг

0 5 1 1 5 2 2 5

Скоростной коэффициент двигателя Се

64'

3 2-

.. . ^ \ '

\* !

V • ! ^^ » 1 ! > ! 1

• -^тт; —4-1-1

90 120 150

Коэфф ициент момента Сш

Рис. 10. Зависимость времени разгона Рис. 11. Зависимость времени разгона от от скоростного коэффициента коэффициента момента на валу

В четвёртой главе приведены результаты разработки конструкции и принципа работы бироторного вискозиметра, расчёт основных его элементов, а также результаты экспериментальных исследований.

Бироторный вискозиметр (рис. 12) содержит внутренний ротор, соосный с наружным, заполненным исследуемой жидкостью. Оба ротора приводятся во вращение от индивидуальных двигателей. Измерение угловых скоростей рото-

ров и момента сопротивления осуществляется посредством бесконтактной измерительной системы на основе оптических датчиков.

Обработка информации с оптических датчиков, а также управление дви-1а1елями осуществляется картой сбора данных с встроенными АЦП/ЦАП L-Card, подключающуюся к персональному компьютеру (ПК) посредством стандартного порта USB 2.0.

Рис. 12. Схема вискозиметра: 1 - ротор внутренний; 2 - ротор наружный; 3 - жидкость; 4, 5 - электродвигатели; 6 - муфта упругая; 7-9 - диски-прерыватели; 10, 11 - датчики опти- /> ческие; 12 - АЦП/ЦАП Ь-Сагс1, подключенная к ПК; 13 - блок питания

На разработанную конструкцию бироторного вискозиметра получено 2 и

патента на полезную модель. Общий вид установки представлен на рис. 13. Градиент скорости можно регулировать в широком диапазоне значений за счёт изменения питающего напряжения двигателей постоянного тока.

Для работы с бироторным вискозиметром было разработано соответствующее программное обеспечение, позволяющее осуществлять управление двигателями отслеживать изменение выходных характеристик в режиме реального времени.

В работе исследованы динамические характеристики экспериментальной установки бироторного вискозиметра при различных режимах работы. Проведен сравнительный анализ данных вычислительных и натурных экспериментов. На

рис. 14 приведен график момента сопротивления для двух жидкостей, полученный в ходе измерений. Данные зависимости свидетельствуют об удовлетворительной сходимости экспериментальных данных с реальными значениями вязкости и моментов сопротивления.

Рис. 13. Общий вид экспериментальной установки

Коэффициенты вязкости для двух тестируемых жидкостей определены с помощью лабораторной установки бироторного вискозиметра с высокой точностью; погрешность измерений не превышает 4-6 %.

Рис. 14. График момента сопротивления: 1 - вода; 2 - растительное масло

Рис 15, 16 иллюстрируют изменение момента сопротивления соответственно воды и растительного масла в зависимости от абсолютных значений угловых скоростей роторов.

Скорость сдвига, с' Скорость сдвига, с 1

Рис. 16. Зависимость момента Рис. 17 . Зависимость момента

сопротивления воды от скорости сдви- сопротивления растительного масла о г

га: скорости сдвига:

1 -а>К2 = 0; 2 - соК2 = 0.4 с' 1 - шю = 0; 2 - ш,и = 0.4 с"1

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена математическая модель биро горного вискозиметра с индивидуальными электроприводами цилиндров как сложного объекта, состоящего из электромеханических и гидромеханических частей, рассматриваемого как единая управляемая система.

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 экспе-ентальные исследования его динамических свойств при различных режи-

мах 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)

В приложении приведены копии патентов на полезную модель, а также копии актов о внедрении результатов диссертационной работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Политов, E.H. Проблемы развития методов измерения реологических параметров однофазных сред [Текст] // Проблемы истории науки и техники: Сборник научных статей / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2003. с. 54-60.

2. Политов, E.H. Ротационный вискозиметр с двумя приводными цилиндрами [Текст] // Молодёжь и XXI век: Тезисы докладов XXXI вузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований : В 3 ч. Ч. 1 / Курск, гос техн. ун-т. Курск, 2003. с. 178 - 179.

3. Яцун, С.Ф. Дифференциальное устройство для измерения реологических параметров многофазных сред [Текст] / С.Ф. Яцун, E.H. Политов // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С. 350 -354.

4. Лушников, Б.В. Вибродиагностика реологических параметров неныотонов-ских жидкостей [Текст] / Б В Лушников, Е.Н Политов // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С 328 - 332

5. Патент на полезную модель 36527 Российская Федерация, МПК7 7 G 01 N 11/00. Ротационный вискозиметр дифференциального типа [Текст] / С.Ф. Яцун, E.H. Политов, В.А. Шеполухин; заявитель и патентообладатель Курск, гос. техн. ун-т, - №2003129336, заявл. 06.10.2003; опубл. 10.03.2004, Бюл. № 7 - 1 с.

6. Политов E.H. Устройство для мониторинга реологических параметров многофазных сред [Текст] // Молодёжь и XXI век: Тезисы докладов XXXII вузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов в области научных исследований: В 2 ч. Ч. 1 / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2004. - с. 75-77.

7. Яцун, С.Ф. Измерение реологических параметров пищевых продуктов биро-торным вискозиметром [Текст] / С.Ф. Яцун, E.H. Политов // Материалы II Меж-дунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности»: В 2 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2004. 4.2. -с. 313-316.

8. Яцун, С.Ф. Центробежное моделирование как способ определения реологических свойств жидких и многофазных сред [Текст] / С.Ф. Яцун, E.H. Политов, Д.Ю. Шоренков //Динамика систем, механизмов и машин: Матер. V Междунар. науч.-техн. конф. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. Кн. 1. с. 462-465.

9. Яцун, С.Ф. Методика определения реологических параметров жидких сред посредством численной аппроксимации / С.Ф. Яцун, E.H. Политов // Известия Курского государственного технического университета. Курск. 2005. № 1 (14). С. 12-17.

10. Яцун, С Ф. Математическая модель динамики бироторного вискозиметра [Текст] / С.Ф. Яцун, E.H. Политов // Известия Курского государственного технического университета. Курск. 2005. № 1 (14). С. 18-21.

11. Патент на полезную модель 43648 Россия, МПК7 G 01 N11/14. Бироторный вискозиметр [Текст] / С.Ф. Яцун, E.H. Политов, Д.Ю. Шоренков; заявитель и патентообладатель Курск, гос. техн. ун-т. - № 2004127022, заявл. 06.09.2004; опубл. 27.01 2005, Бюл. № 3 - 1 с.

ИД №06430 от 10.12.01 Подписано в печать 25.10.2005. Формат 60x84 1/16.

Бумага типографская № 2. Офсетная печать Печатных листов 1,0 . Тираж 100 экз. Заказ . Отпечатано с готового оригинал-макета в издательско-полиграфическом центре Курского государственного технического университета. 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94

№17 998

РНЬ Русский фонд

2006^4 16747

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Политов, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор методов и конструкций для измерения реологических параметров жидкостей.

1.1.1. Назначение и типы вискозиметров.

1.1.2. Капиллярные вискозиметры.

1.1.3. Шариковые вискозиметры.

1.1.4. Вибрационные вискозиметры.

1.2. Ротационные вискозиметры.

Введение диссертация по механике, на тему "Разработка конструкции и исследование динамики бироторного вискозиметра"

Актуальность темы.

Исследование реологических параметров жидких сред является важной задачей во многих отраслях промышленности: пищевой, автомобильной, химической, в медицинской деятельности.

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 вязкость -величина, 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.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

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.

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.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Политов, Евгений Николаевич, Курск

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Гостехиздат. 1951.

2. Азаров Б.М., Арет В.А, Инженерная реология пищевых производств. - М.: МТРШП, 1978. - 112 с.

3. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Т.1. — М.: Мир, 1990, 382 с.

4. Алабужев П.М., Ельников Н.Н., Кирнарский М.Ш., Локтионов АП., Полищук В.Г., Соколов B.C., Татьянченко В.А., Чижов А.Е., Юшин В,В. Подобие и моделирование в задачах и примерах: Учеб. пособие. Ч. I/Курск, гос. техн. ун-т. - Курск, 1997. - 172 с.

5. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Учебное пособие для вузов. М.: Стройиздат. -1975 - 323 с.

6. Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика: Учеб. для вузов / А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский, Л.П.Иванов. - М.: Стройиздат, 198 7.-414с.

7. A.C. 1276957 СССР, МКИ^ G 01 N 11/14. Ротационный электровискозиметр / Ю.И. Климухин, СМ. Телегин. - № 3823045/24-25; Заявлено 05.12.84; Опубл. 15.12.86, Бюл. № 46. - 1 с.

8. А.С. 1296905 СССР, МКИ^ G 01 N 11/14. Ротационный вискозиметр / В.И. Кузьмин, A.M. Пишухин, А.А. Сухарев, О.М. Сухарева - № 3861804/31-25; Заявлено 05.03.85; Опубл. 15.03.87, Бюл. № 10. - 1 с.

9. А.С. 881577 СССР, МКИ^ G 01 N 11/14. Устройство для непрерывного измерения вязкости жидкостей / И.П. Казанцев, B.C. Михайлин - № 2887709/18-25; Заявлено 28.02.80; Опубл. 15.11.81, Бюл. № 42. - 1 с.

10. Астарита Дж., Марруччи Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей.- М.: Мир, 1978.-312 с.

11. Белкин И.М., Виноградов Г.В., Леонов А.И. Ротационные приборы. М.: Машиностроение, 1968. - 272 с.

12. Белоносов СМ., Черноус К.А. Краевые задачи для уравнении Навье-Стокса. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-.мат. лит., 1985.- 312с.

13. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент.- М.: Наука, 1982.-392 с.

14. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред, М.: Физико-математическая литература. 1994. - 448 с.

15. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Изд-во «Профессия», 2003. - 752 с.

16. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов - М : Высш. школа. 1980.-480 с.

17. Блехман И.И. Вибрационная механика.- М,: Физматлит, 1994,- 400 с.

18. Воротников А. Информационные устройства робототехнических систем: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. -384 с.

19. Гениев Г.А., Эстрин М.И. Динамика пластической и сыпучей сред. М.: Стройиздат. 1972. -258 с.

20. ГончареБич И.Ф. Виброреология в горном деле. -М.: Наука, 1977. - 144 с.

21. Гончаревич И.Ф., Урьев Н.Б., Талейсник М.А. Вибрационная ^ техника в пищевой промышленности. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 278 с.

22. Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Колос, 1999.-335с.

23. ГОСТ 1929-87. Нефтепродукты. Методы определения динамической вязкости на ротационном вискозиметре.

24. ГОСТ 26581-85. Смазки пластичные. Метод определения эффективной вязкости на ротационном вискозиметре. ^ 33.гост 29226-91. Вискозиметры жидкостей. Общие технические требования и методы испытаний.

25. Давыдов Ю.М.. Скотников В.П. Анализ метода "крупных частиц "" с помощью дифференциальных приближений. - М.: ВЦ АН СССР. 1979.- 72с.

26. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 384 с.

27. Добронравов В.В., Никитин Н.Н. Курс теоретической механики Учебник для машиностроит. спец. вузов. - М.: Высш. школа, 1983.-575 с.

28. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики» -М.: Машиностроение- 1987.- 440 с.

29. Жакин А.И. Физико-химическая гидродинамика многокомпонентных и дисперсных сред.- Курск, Изд. КГТУ, 1999. -200 с.

30. Жермен П. Механика сплошной среды. -М.: Мир, 1981. - 399 с. 42.3айдель А.Н. Элементарная оценка ошибок измерений. -Л. : Наука, 1967.-163 с.

31. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. Пер. с англ. -М.: Мир, 1986.-е.

32. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983.-450 с. * ^ -287 с.

33. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. М.: Колос, 1997. - 202 с.

34. Картвелишвили Н.А. Нетрадиционные задачи гидравлики - М.: Знергоатомиздат, 1985-168.С.

35. Ким А.Х. Некоторые вопросы реологии вязко-пластичных дисперсных систем. - Минск: Редиздат БПИ, 1960. - 81 с. 5О.Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики жидкости. Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 360 с.

36. Коннор Дж., Бреббиа К, Метод конечных элементов в механике жидкости. Пер. с англ. — Л.: Судостроение. 1979. - 264 с.

37. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.-736 с.

38. Лойцянский Л.Г. Ламинарный пограничный слой. - М.: Физматгиз, 1962. * ^ ^