1  

 ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - ГАБРОВО ___________________________________________________________________

инж. НИКОЛАЙ ПАНАЙОТОВ МАРЧЕВ

ПОДХОД ЗА ОПТИМИЗИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО НА КАРУСЕЛНА СИСТЕМА ЗА ПРЕНОС НА КОНТЕЙНЕРИ

С ТЕЧНОСТИ

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т на

ДИСЕРТАЦИЯ

за получаване на образователната и научна степен “ДОКТОР”

Научни ръководители:

доц. д-р инж. Мариел Христов Пенев

проф. д-р инж. Галя Великова Дунчева

Рецензенти: 1. проф. дтн инж. Йордан Тодоров Максимов 2. доц. д-р инж. Божидар Русанов Колев

Научна специалност „Машинознание и машинни елементи”

Габрово 2016 г.

2  

ПРИЕТИ ОЗНАЧЕНИЯ

h - максимално вертикално отклонение на флуида при движение на контейнера

α - ъгъл в края на канала на МК

β - ъгъл в началото на канала на МК

а - симетричен фактор за смяна на посоката на вълната

c - разстояние между центъра на закръгление и радиалната ос на симетрия

r - радиус на кривина на оста на криволейните канали на малтийския кръст

d - диаметър на палеца на ММ

Т - време за преместване на едно деление на карусела (време за един цикъл)

ПРИЕТИ СЪКРАЩЕНИЯ

ММ - малтийски механизъм

МК - малтийски кръст

ПФЕ - пълен факторен експеримент

ММПК - малтийски механизъм с прави канали

ММКК - малтийски механизъм с криволинейни канали

ДМ - делителен механизъм

3  

А. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД Анотация В наши дни всички течни продукти, предлагани на крайния потребител, са във

вид на опаковани изделия. Като цяло, технологичният цикъл на опаковане на течни продукти в твърди опаковки съдържа последователност от операции, като обезпе-чаването на спомагателните движения в този цикъл се свежда до движение на течности в отворени твърди съдове. Независимо от типа на опаковъчната система стъпковото движение по същество е циклично прекъснато и причинява движение на течноста в опаковката, което физически се свързва с явлението „плискане“. Неконтролираното плискане води до некачествено запечатани опаковки, отсъствие на херметичност и до повишени енергийни разходи.

Най-масово използваният механизъм за прекъсната еднопосочна ротация е малтийския механизъм (ММ). Степента на плискането е в пряка зависимост от геометрията на каналите на малтийския кръст (МК) на ММ. Каруселните системи за пренос на контейнери с течности, базирани върху ММ, са смесени системи, тъй като съдържат едновременно твърди тела и флуиди. Управлението на такива смесени системи практически се свежда до минимизиране на инерционните натоварвания на позициониращата система. Проблемът се усложнява поради липсата на корелация между движението на течния продукт и движението на меха-низмите в машината. Следователно, оптимизирането на процеса на пренасяне на течности трябва да се основава върху избор на подходящ модел на закона на движение на изпълнителното звено, получен на основа на натурни експерименти.

Авторът защитава

Методика за количествена оценка на ефекта от плискане при движение на каруселна система за пренос на контейнери с течности, базирана върху използване на високоскоростна камера;

Доказано, че използването на МК с нелинейни канали с S-образна геометрия осигурява ефект на гасене на вълната от разплискване на течности при преноса им в твърди отворени съдове;

Подход за многоцелева оптимизация на геометричните параметри на „S”-образни канали на малтийски кръст, базирана върху планиран експеримент;

Оптимални геометрични параметри на малтийски механизъм с S-образни канали, осигуряващи минимално плискане при движение на каруселна система за пренос на контейнери с течности;

Хипотеза за геометрично подобие между профилите на угасената вълна при плискане и траектория на точка от палеца на малтийски механизъм;

Стенд за изследване на движението на малтийски механизъм в корелация с ефекта от плискане при пренос на течности;

4  

Обща характеристика на работата Актуалност Оптимизирането на процеса на пренасяне на течности в съвременните опаковъчни машини допринася за повишаване на производителноста, качеството на опаковката и използване на нови материали. Обща методика на провежданите изследвания Поради липсата на корелация между движението на течния продукт и движението на механизмите в машината, единствено възможен е експериментален подход, на основа на натурни експерименти. Научна новост Обоснована е и е разработена методика за количествено оценяване на плискането при пренос на течности в каруселни системи, базирана върху използването на високоскоростна дигитална камера. На основа на предварителен и планиран експеримент е доказано, че използването на МК с нелинейни канали с S-образна геометрия осигурява ефект на гасене на вълната от разплискване на течности при преноса им в твърди отворени съдове. Формулирана е и е решена многоцелева оптимизационна задача за определяне на оптималните геометрични параметри на МК с S-образни нелинейни канали. Практическа полезност Дефинирани са оптималните геометрични параметри на S-образни нелинейни канали на ММ в условията на каруселна система за пренос на течности в пакетираща машина с постоянна производителност. Това позволява да се реализира технологичен процес на опаковане на течности в отворени съдове при осигуряване на качествено запечатани опаковки с минимален енергиен разход. Апробация  на  работата Дисертационната работа е докладвана и обсъждана на разширено заседание на катедра “Индустриален дизайн и текстилна техника” при ТУ – Габрово.

Етапи от дисертационната работа са обсъждани и публикувани в: - Седма научна конференция, Смолян, 2005;

- 5-th International conference research and development in mechanical industry, Serbia and Montenegro, 2005;

- Международна научна конференция Унитех’06, Габрово, 2006; - Четвърта конференция с международно участие „Машинознание и машинни елементи”, София, 2008; - Международна конференция по Общо машиностроително конструиране, Русе, 2009; - Шеста конференция с международно участие „Машинознание и машинни елементи”, София, 2010;

- Седма научно-техническа конференция с международно участие машинознание и машинни елементи, София, 2011;      ‐    Научно списание с международен редакторски борд – Известия на ТУ- Габрово, бр. 52,2016.

5  

Публикуване По темата на дисертацията са разработени 8 научни доклада и една статия, от които статията е публикувана в Известия на Технически университет Габрово, а докладите са публикувани на научни конференции. Структура  и  обем  на  дисертационната  работа  Дисертационният труд съдържа: въведение, означения и съкращения, 4 глави, класификация на приносите, публикации по дисертацията, литература, съдържание и приложения в общ обем 117 стр., в което са поместени текст, формули, 67 фигури и графики и 9 таблици. Литературата обхваща 91 заглавия – статии, доклади и книги, от които 54 на латиница и 13 интернет страници. Б. КРАТКО ИЗЛОЖЕНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД ГЛАВА ПЪРВА. СЪСТОЯНИЕ НА ПРОБЛЕМА. ЦЕЛ И ЗАДАЧИ НА ИЗСЛЕДВАНЕТО

1.1.Същност на проблема с разплискването при опаковане на течности 1.1.1. Роля и значение на опаковките и процеса на опаковане

Секторите свързани с производството на опаковки и производството на опаковани стоки имат ключова роля в съвременната индустрия. Като цяло, двата сектора са взаимно зависими, а разитието им е много динамично. За разлика от твърдите продукти, опаковането на на течни продукти е без алтернатива. Произвоството и опаковането на течни продукти има следните аспекти: - Пазарен обем на производство – относителният дял на течните опаковки е около

30 % в леката промишленост. В определени сегменти през последните години този процент се увеличава, например при перилните препарати.

- Функционалност – произвеждат се нови видове материали за опаковки, респективно нови технологии на опаковане, които позволяват подобряване качеството на опаковане, транспотриране, съхранение и обслужване.

- Екология – масовият характер на опаковките и големия обем на производство на опаковъчните материали влияе в голяма степен върху устойчивоста на околната среда.

- Енергиен аспект – новите технологии допринасят за ефикаснно използване на ресурсите.

- Дизайн – новите материали и новите технологии позволяват ново формообразуване на опаковките, което преди всичко подобрява функционалноста. Също така се променя значението на опаковката, като носител на информация и реклама, като се отчитат и моментните модни тенденции.

Машините за опаковане на течности традиционно представляват чисто механични системи - тип гърбични автомати. Гърбичните автомати се харак-теризират със сложна механична конструкция, изграждаща пространствена кинематична структура. С напредъка на компютърните технологии и електрониката, през последните години стана възможно да се разработят по-евтини

6  

и много по-ефективни машини чрез използване на активен контрол – така наречените мехатронни системи. Технологичните процеси за опаковане на течности се базират върху два основни принципа – непрекъснат и прекъснат. Непрекъснатият принцип се използва изключително при бутилиране на течности, а прекъснатият намира относително по-широко приложение - за опаковане на течни продукти с различен вискозитет в твърди опаковки от термопласти с различни размери и конфигутации. Прекъснатият принцип на опаковане на течни продукти в твърди опаковки се базира върху механични системи с циклично действие. В резултат се получават инерционни натоварвания върху преносните механизми, респ. върху опаковките и течностите. Този характер на натоварване причинява ефекта от плискане на течността.

Фиг. 1.1. Морфология на изграждане на опаковъчна мехатронна система

7  

Удовлетворяването на изискванията за максимална производителност и гарантирано качество на опаковките е в пряка зависимост с ефекта от плискане.

На фиг. 1.1. е показана морфологията на изграждане на опаковъчна мехатронна система с прекъснато действие.  

                              

Фиг. 1.2 Процес на изграждане на опаковъчна мехатронна система за течни продукти

Ако се анализира и обобщи показаната схема и взаимовръзки между елементите и се отчете практическия опит на производителите, се вижда, че възможно най-трудоемката за изпълнение комбинация съответства на означението

8  

1,5,7,10,13,14,15 - опаковане на течни продукти в твърди отворени опаковки, посредством цикличен механизъм за еднопосочна прекъсната ротация около неподвижна ос.  

За анализиране на описаната по-горе комбинация е разработена схема,

показана на фигура 1.2. Очевидно, при удовлетворяване на ограничителните условия, се вижда, че е

необходим специфичен закон на ускорение на изпълнителното звено на делителния механизъм (ДМ), който се различава от постоянния закон на ускорение на конвенционалните ДМ. Следователно, е необходимо да се оптимизира конструк-цията или геометрията на съответния ДМ с оглед на постигане на компромис между производителност на опаковъчната машина и минимизиране на ефекта от плискане.

Преместването на опаковката от една позиция до друга е от ключово значение при опаковъчните машини. Тези действия трябва да бъдат изпълнени достатъчно бързо при добре контролирано позициониране. Този проблем може да бъде решен посредством т.н. „ad hoc methods ” – методи, специално разработени за конкретен случай. 1.1.2. Аспекти на проблема с плискането при опаковане на течни продукти

Проблемът с плискането се проявява в различни сектори на индустриалното производство. Типични примери за технологични процеси, в които проблемът за плискане на течности е ключов са: вътрешно-заводски транспорт на контейнери, съдържащи стопени сплави на цветни метали при производството на отливки; транспортиране на напитки във винарската промишленост.

В най-голяма степен проблемът с плискането се проявява при експлоатацията на различни системи опаковъчни машини, защото при тях се развиват възможните най-големи скорости при пренасяне на течности – 0,2 m / s. Тези скорости са свързани с необходимостта от висока производителност, характерна за масовото производство при удовлетворяване на изискванията за точност на позициониране и качествено затваряне на опаковката.Плискането на течността в процеса на опаковане е ключов проблем при разработване на опаковъчните машини. Изплискването води до загуба на продукт, нарушен грамаж и нарушен естетически вид. Проблемът има и важен технологичен аспект, тъй като причинява замърсяване в мястото на запечатване. Действието на опаковъчните машини се базира върху от два основни модула - пакетиращ и дозиращ. Схема, визуализираща технологичния цикъл на опаковъчната машина е показана на фигура I.3.

Кофичките са поставени в каруселна глава, която пренася опаковката през всички позиции на машината. Преместването на опаковката се реализира на стъп-ки, като броят на стъпките между различните операции зависи от типа на маши-ната. Едно и също преместване се прилага при всяка стъпка върху всички опаков-ки. Времето, необходимо за да се произведе една опаковка, се лимитира от времето

9  

за напълване, което е най-продължителната работна операция, и времето, необхо-димо, за да се премести опаковката на една стъпка.

Фиг. 1.3. Схематична фигура на пакетираща машина

Кофичките са поставени в каруселна глава, която пренася опаковката през

всички позиции на машината. Преместването на опаковката се реализира на стъп-ки, като броят на стъпките между различните операции зависи от типа на маши-ната. Едно и също преместване се прилага при всяка стъпка върху всички опаков-ки. Времето, необходимо за да се произведе една опаковка, се лимитира от времето за напълване, което е най-продължителната работна операция, и времето, необхо-димо, за да се премести опаковката на една стъпка.

Проблемът с плискането на течния продукт се проявява именно при движение на отворената опаковка между позициите за напълване и запечатване. Стъпковото преместване поражда движение на течноста в опаковката. Физически понятието „плискане“ се свързва с това спомагателно движение. Степента на плискането зависи от закона на движение на съответното изпълнително звено, геометрията на опаковката и от вътрешното триене (визкозитета) на течноста. Съществуват големи разлики между визкозитетите дори на подобни течности - например обезмаслено мляко и кисело мляко.

При наличие на интензивно плискане, течността би могла да се изплиска вър-ху повърхността, която подлежи на залепване. Това води до некачествено запе-чатани опаковки и отсъствие на херметичност. Ако опаковката не е херметична, времето за съхранение се намалява значително. Това е особено критично за асеп-тични (стерилни) опаковки, за които се изисква много дълъг срок за съхранение.

Операцията „запечатване“ се осъществява чрез термозалепване. С цел да се изпарят попадналите капки в зоната на термозалепване, практически се използва висока температура (250 ˚С), което води до значителни енергийни загуби. Решава-нето на проблема с плискането по този начин влошава пазарния вид на опаков-

10  

ката и налага използването на един единствен вид материал за капачка - алуминиевото фолио. Това оскъпява опаковката и премахва възможността за използване на капачки от друг материал, екологично чист или с по-ниска цена, за които нормалната температура на залепване е 150 ˚С.

Увеличаването на производителността на опаковъчната машина може да се постигне чрез намаляване на времето за напълване или на времето за преместване, или комбинация от двата подхода. Като се отчете, че първата компонента зависи от обема на опаковката, то в инженерен аспект интерес представлява законът на движение за преместване между две съседни позиции. Очевидно, плискането на течността е важен фактор, който ограничава движението на изпълнителното звено.

Преместването на опаковката се определя от съответния ДМ. Най-масово използваният механизъм за прекъсната еднопосочна ротация е малтийския механизъм (ММ), поради удобството да преобразува непрекъснатото въртеливо движение на задвижващото звено в периодично прекъснато движение на изпъл-нителното звено – малтийски кръст (МК). ММ е част от мехатронната система, показана на фиг. 1.4. Активният контрол от обратните връзки на мехатронната система не може да контролира прекъснатото движение .Ако се приеме, че времето за преместване на опаковката от една позиция на друга е определено от производителността, то плискането е в пряка зависимост от геометрията на МК.

По същество каруселната система за пренос на контейнери с течности, базира-на върху ММ, е смесена система, тъй като съдържа твърди тела и флуиди. Управлението на смесени системи, съдържащи твърди тела и флуиди практически се свежда до минимизиране на инерционните натоварвания на позициониращата система. Проблемът се усложнява поради липсата на корелация между движението на течния продукт и движението на механизмите в машината. Следователно, оптимизирането на процеса на пренасяне на течности трябва да се основава върху избор на подходящ модел на закона на движение на изпълнителното звено.

Фиг. 1.4. Блокова диаграма на системата за контрол на движението

11  

1.1.3. Избор на подход за изследване Принципно възможни са следните подходи за изследване:

- Аналитичен подход Базира се върху уравненията на Стокс-Навие - система от частни диференциални уравнения, описваща движението на визкозен флуид. Уравненията на Стокс-Навие са фундаментални в хидродинамиката и се прилагат в математическото моделиране на много природни явления и технически задачи. Системата се състои от уравнение на движението и уравнение за непрекъснатост. Този подход е обречен на неуспех, поради непреодолими трудности от аналитичен характер.

- Крайно-елементен подход - в числения анализ, методът на крайните елементи е удобен инструмент за числено решаване на частни диференциални уравнения. Такива уравнения често описват динамиката на разнообразни механични системи. Този метод позволява да се моделира числено поведението на сложни системи, при условие че се разглеждат като непрекъснати среди и динамиката им се описва с линейни частни диференциални уравнения. Както и други методи за приближено решаване на частни диференциални уравнени, и при метода на крайните елементи трябва да се отделя особено внимание на евентуалните проблеми, свързани с дискретизацията на интервала, в който се търси решението, стабилност, сходимост. Особенно важно е да се постигне адекватност на крайно-елементния модел. В това отношение определящи са критериите за сравнение на полученото числено решение с действителното поведение на изследваната система. Поради сложноста и спецификата на изследвания проблем, използването на числени симулации в конкретния случай е много трудоемко и изисква голям ресурс от изчислително време.

   ‐  Експериментален подход (на основа на натурни експерименти) - Отчитайки вида на изследваната система (смесена система), както и липсата на корелация между движението на течния продукт и движението на механизмите в каруселната система, за изследване на ефекта от плискане е целесъобразно да се използва експериментален подход. Поради сложността на проблема подходящи са предварителни експерименти, последвани от планиран експеримент. По този начин може да се направи реалистична оценка на явлението плискане чрез въз-произвеждането му при точно определени вид на течния продукт, кинематични и геометрични параметри на системата.

1.2.Класификация на опаковъчни системи за пренасяне на течности  При пакетиране на течни продукти в твърди опаковки съществуват различни

конструктивни версии на машини. Основен фактор при конструктивните разновидности се явява производителноста. Според този фактор пакетиращите модули на опаковъчните машини се разделят на два основни вида - линейни и каруселни.

Линейните системи са високо производителни, защото линейния принцип може да бъде реализиран на няколко писти, т.е. технологичния процес да бъде

12  

мултиплициран няколко пъти. Това позволява производителноста да се увеличи няколко пъти.

Недостатъците на линейните системи са: - Висока цена - непосилна за малките и средни предприятия, респективно

дълъг период на изплащане; - Големи габарити и обхващане на голямо пространство от производствените

помещения, защото са свързани със спомагателни устройства на входа и на изхода; - Специални изисквания относно източници на енергия, условия за монтаж,

системи за промиване, техническо обслужване и др; - Необходимост от напълно автоматизиран процес на входа и изхода на

машината; - Необходимост от допълнително оборудване - крейтери, декрейтери,

транспортни системи и др; Предимствата на линейните системи са: - Висока производителност; - Лесно управление на процеса на плискане, посредством директно управление

на сервомоторите на машината от микропроцесорната система.         Съществува подход при управление на плискането в линейни опаковъчни машини „Tetra pak”. Разработен е програмен продукт, управляващ динамиката на стъпково линейно движение на картонени кутии с мляко, при което се получава минимално плискане. При линейните опаковъчни системи се използва сервомотор, управлението на който се осъществява на принципа на управление на времето за преместване. Това време съдържа ”n” на брой подвремена, разделени на време за движение и време за покой. Получава се „накъсване” на главното движение на ”n” на брой микродвижения. Двата вида времена могат да се променят по стойности, чрез настройка на микропроцесорната система и по този начин може да се моделира произволен закон на ускорение, респективно да бъде моделиран профила на вълната на плискане.

Каруселните системи се вграждат в по-малки опаковъчни машини, предназ-начени за работа в малки и средни предприятия. За осъществяване на тех-нологичния процес при пренасяне на контейнерите с течност се използват ДМ за кръгово стъпково движение. ДМ в този вид каруселни опаковъчни машини е определящ фактор за производителноста при опаковане. От друга страна, по-голямата производителност рефлектира в по-големи инерционни натоварвания върху опаковките, респ. върху течния продукт, и оттам върху ефекта на плискане. От конструктивна гледна точка, диаметърът на карусела не може да бъде минимизиран поради габаритните размери на модулите, изпълняващи отделните операции в технологичния цикъл – зареждане на опаковката, напълване (с един или два последователни дозатора), поставяне на капачка, термозалепване и освобож-даване на готовата опаковка от карусела. Практически се използват каруселни платформи с външен диаметър от 800 mm до 1400 mm. Тези устройства са

13  

разположени диаметрално до всяка отделна позиция. В определени случаи поради относително големите габарити на обслужващите модули се предвиждат междинни празни позиции, и дори сдвояване на позициите, свързани със всяка от работните операции. Посочените причини рефлектират в относително по-големите диаметри на карусела, и оттам в големи инерционни сили. Поради това е невъзможно да се приложи подхода, използван при линейните опаковъчни системи. Големината на инерционните сили прави невъзможно директното куплиране на сервомотор към задвижващия вал на карусела. Следователно при каруселните системи е неце-лесъобразно използването на сервомотор за управление динамиката на стъпковото преместване, респективно управление на плискането на течноста. 

При познатите ДМ законът на ускорение е детерминиран, и следователно, минимизирането на плискането може да се постигне единствено за сметка на по-малката производителност. Следователно, за управление на плискането е необ-ходимо да се моделира по подходящ начин геометрията на звено от ДМ.

1.3. Видове ДМ 1.3.1 ДМ за прекъсната ротация

ДМ са механизми за прекъснато движение на изпълнителното звено. При редица машини с автоматично и полуавтоматично действие, както и при устройст-ва за задвижване на лентови и други носители на информация, се използуват механизми, за които е характерно, че изпълнителното звено има фази на престой и движение. Такива механизми, наречени механизми с прекъснато движение на из-пълнителното звено, позиционират детайлите при контролни автомати, извършват смяна на инструментите при обработващи центри, използват се в опаковъчната техника и т.н. 

Прекъснато движение на изпълнителното звено може да се получи по няколко начина - чрез спиране и пускане на двигателя, чрез пневмо - механични системи, , при които началното звено се движи непрекъснато, а изпълнителното извършва желаните престои. Първият начин се използува масово в периферните устройства на изчислителната техника чрез въвеждане на стъпкови двигатели за радиално позициониране на магнитните глави при дискови запаметяващи устройства, както и в различни мехатронни системи. Недостатък е невъзможноста за използване при големи инерционни натоварвания. По-широко приложение намират ДМ, при които задвижващото звено извършва просто движение – ротация или транслация.

Възможни са четири метода за осъществяване на прекъснато движение на изпълнителното звено при непрекъснато движение на задвижващото звено - чрез направляващи лостови механизми, чрез механизми с променлива структура, чрез еднопосочни съединители и чрез гърбични и лентови механизми.

14  

1.3.2. Малтийски механизми Малтийските механизми (ММ) са най-разпространените механизми за осъще-

ствяване на еднопосочна прекъсната ротация около неподвижна ос. На фиг. 1.22 са показани различни видове малтийски механизми. Характерно за ММ, че изпълнителното звено 2 съдържа праволинейни канали К (радиални при ротационно и успоредни при транслационно движение) и стопорни дъги С. Задвижващото звено 1 извършва въртене около неподвижна ос и съдържа цилиндричен палец А и ограничителна дъга D с радиус еднакъв с този на стопорната дъга. Дължините на ограничителната D и стопорната С дъга се допълват до цяла окръжност.

ММ биват: с външно зацепване (фигура 1.22а), с вътрешно зацепване (фигура 1.22б) и с рейково зацепване (фигура 1.22,в). Показаните ММ са еднородни, тъй като ъгловата стъпка между каналите е постоянна. Съществуват и нееднородни механизми, които съдържат повече от един цилиндрични палци, разположени на различни радиуси.

Движението на изпълнителното звено, наречено малтийски кръст, се определя от структурата на механизма. Когато цилиндричният палец А се намира извън канала К, изпълнителното звено е неподвижно, тъй като е ограничено от стопорната дъга С, която се допира до ограничителна дъга D. Когато цилиндричният палец попадне в канала А, ограничителната дъга D се прекъсва, стопорната дъга не е ограничена и механизмът се трансформира в кулисен.

а. б. в.

Фиг. 1.22 Различни ММ а). с външно зацепване; б). с вътрешно зацепване; в). с рейково зацепване

Основни параметри на ММ са броят на каналите z и междуосовото

разстояние a = OB. Ha фигура 1.23 е показан четириканален ММ и неговата кинематична схема за интервала на движение. За да няма разлика в скоростите в

15  

началото на зацепването, радиусът ОА трябва да сключва прав ъгъл с нап-равлението на канала. Тъи като ъгловата стъпка на каналите съвпада с ъгьла на завъртане на малтийския кръст (МК), от триъгьлника ОАВ се намира ъгьлът на завъртане на С.

Фиг. 1.23 Четириканален ММ и неговата кинематична схема От направения преглед на съществуващите каруселни опаковъчни машини и

видовете ДМ, може да се направи извода, че в каруселните системи най-масово се използва ММ. Вграждането на ММ се обуславя от следните предимства:

- относително проста конструкция; - възможности за използване на различни варианти на коструктивни

решения; - достъпна методика за пресмятане; - технологичност на конструкцията; - възможност за прилагане на съвременни методи на изработка на

елементите на ММ.

1.4. Изводи 1). При опаковане на течности в автоматичен режим, основен проблем е

плискането в процеса на транслиране на опаковката между отделните операции на технологичния цикъл.

2). При каруселните системи не е решен проблемът с плискането, независимо от навлизане на системите за активен контрол и това води до сериозни загуби за производителите поради необходимостта от ограничаване на скоростите.

3). Основният ДМ, който се вгражда в каруселните системи, е ММ. 4). Необходимото изследване на процеса на плискане при стъпково

пренасяне, може да се извърши единствено чрез натурни експерименти, поради липсата на корелация между движението на флуида и движението на механизмите в машината.

16  

5). За минимизиране на ефекта от плискане е необходимо да се уточни подходящ закон на ускорение на изпълнителното звено на ММ. Задачата практически се свежда до синтез на МК с нелинейни канали на основа на количест-вена оценка на степента на плискане. По този начин, чрез промяна на линейната траектория на палеца на ММ могат да бъдат моделирани различни закони на ускорение на изпълнителното звено;

6). Ефектът на гасене на вълната на разплискване посредством нелинейна траектория на палеца на изпълнителното звено на ММ е подход за апроксимация на процеса на накъсване на движението при микропрцесорно управление на сервомотор, използвано в линейните опаковъчни системи.

1.5. Цел и задачи на дисертационната работа На основа на проведения анализ и систематизиране на информацията,

свързана с технологичните процеси на опаковане на течни продукти в твърди опаковки, използваните системи за опаковане и направените изводи относно управление на негативния ефект от плискане, е формулирана следната: Цел на дисертационната работа: Да се разработи подход за оптимизиране на стъпковото движение на каруселна система за пренос на опаковки с течност.

За постигане на целта са формулирани и решени следните основни задачи: 1. Конструиране и изработване на експериментален стенд за изпитване на процеса на пренос на течности посредством ММ;

2. Изследване влиянието на геометричните параметри на канала на МК за управление на вертикалното отклонение на флуида чрез числен експеримент;

3. Разработване на методика за провеждане на натурните експерименти и обработване на резултатите от тях;

4. Провеждане на предварителни натурни експерименти с нелинейни канали с различна геометрия;

5. Провеждане на пълен факторен експеримент, базирани върху S-образни канали на МК;

6. Формулиране и решаване на многоцелева оптимизационна задача за минимизиране на ефекта от плискане;

7. Моделиране на оптималната геометрия на нелинейните канали на МК. ГЛАВА ВТОРА. РАЗРАБОТВАНЕ НА СТЕНД ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПЛИСКАНЕТО И ПРОВЕЖДАНЕ НА ПРЕДВАРИТЕЛЕН ЕКСПЕРИМЕНТ

2.1. Разработване на стенд за изследване на плискането Проектиран е и е изработен в метал стенд, базиран върху каруселна система с

ММ.

17  

Задвижващата трансмисия

на стенда е показана на фигура 2.1. Състои се от мотор-редук-торна група, ремъчна предавка, зъбна предавка и равнинен ММ. Конструкцията позволява мон-таж на МК с различна геометрия на каналите. Вьрху ДМ може да бъде монтирана каруселна плоча или раменен лост с определена дължина на рамото. Каруселната плоча е конструирана така, че да може да пренася един или няколко контейнера с течност и е идентична с каруселните пло-чи, практически използва в опа-ковъчните машини.

Фиг. 2.1. Задвижваща трансмисия

Контейнерът за течност може да бъде с конусна, цилиндрична или правоъгълна форма, като за тази цел са предвидени сменяеми гнезда в каруселната плоча. Същото се отнася и за раменния лост.

На фигура 2.2. е даден компановъчния чертеж на стенда.Основната идея в разработката е възможноста стендът да се използва за различни натурни експери-менти. Конструкцията позво-лява монтаж на различни видове датчици, а също така и монтаж на високо скоростна камера.

Фиг. 2.2. Компановъчен чертеж на стенда                    

18  

     Конструкцията е с достатъчно голяма коравина, за да не оказва влияние при измерванията, т.е. трансмисията е преоразмерена. Задвижването е из-пълнено с асинхронен електродвигател, управляван с инвертор. Това позволява да се управлява ъгловата скорост на изпълнителното звено.

Техническите параметри на стенда са следните: 1. Ел. захранване - 380 V ; 50 Hz. 2. Мощност на електродвигателя - 0.15 Kw. 3. Обороти на изпълнителното звено - от 5 до 20 tur/min. 4. Външен диаметър на МК - 240 mm. 5. Разгъната дължина на канал на МК - 55 mm. 6. Максимален диаметър на кръговата траектория - 1200 mm. 7. Възможност за реверс на изпълнителното звено. 8. Система за управление – Използван е микропроцесор SIEMENS, който съвместява следните функции: управление работата на камерата, регистри-ране на броя на работните цикли, запаметяване на различни режими на работа, управление оборотите на МК.

2.2. Анализ на методите за измерване на плискането

Измерването на плискането е необходимо за моделиране на явлението и за оценяване на характеристиката на конструираните профили на ускорението. Целта е да се направи количествена оценка на ефекта от плискане в тангенциално (окръжно) направление, като се пренебрегне ефекта от плискане в радиално направление. Тази постановка е приета, тъй като приносът на тангенциалното ускорение е от определящо значението върху ефекта от плискане. Това се потвърждава от наблюдение на реални опаковъчни процеси (с цилиндрични опаковки) на тенденцията на ориентация на капките течност следст-вие от разплискване преди всичко по кръгова траектория. В съответствие с посочената постановка, е целесъобразно да се използват контейнери с правоъгълно сечение, позиционирани тангенциално, така, че радиалният размер е минимален.         Проблемът за измерването на плискането е важен от гледна точка на оценка на различни начини за измерване: Оценка, базирана на налягането; Оценка, базирана на капацитивно съпротивление; Оценка чрез ултразвуков сензор; Оценка, базирана на електрически контакт; Оценка, базирана на фото датчици. 2.2.6. Оценка чрез заснемане на движението

За целта се използва специална високоскоростна дигитална камера, закрепена към карусела на стенда чрез специално разработена носеща конструкция. Носещата конструкция позволява различни координати на фиксиране на камерата в радиална посока от центъра на карусела към контейнера, както от вътрешна страна, така също и от външна. Носещата конструкция е с голяма коравина, статично балан-сирана спрямо геометричната ос на карусела.

19  

Измерванията са с гарантирана точност и са максимално близки до реалноста при наблюдаваното движение на течноста в контейнер. Този начин на измерване позволява да се използват течности с различен вискозитет и свойства.

Като недостатък може да се посочи необходимоста от използване на прозрачен контейнер, което води до ограничения в използване на контейнери с различна конфигурация. Друг фактор минимално влияещ на точноста на измерването, е пречупването на светлината през стените на контейнера. Проблемът се минимизира чрез използване на контейнер с възможно най тънка стена, контрастно оцветена течност и премахване влиянието на външни светлинни източници. 2.2.7. Избор на метод за измерване на ефекта от плискане

Анализирайки възможностите на посочените методи, за провеждане на експерименталното изследване е избран методът, базиран върху високоскоростна дигитална камера.

На фигура 2.3. е показана опитната установка с монтирана система за заснемане.

При направени първоначални опити с движение на различни видове контейнери се констатира сложно поле на разплискване

Фиг. 2.3. Общ вид на стенд за изследване на плискането в каруселни системи

Заснетите резултати не показват точния профил на вълната, защото центробежните сили създават сложна пространствена структура.         В следствие на посочените недостатъци е взето решение за използване на плосък контейнер. При него се пренебрегва центробежното влияние, защото анализа на профила в направено сечение в радиална посока показва, че отклонението е около 10 пъти по малко, отколкото в сечение по дъгата на траекторията. Течноста се движи между стени с разстояние между тях 5 mm. Също така се подобрява прозрачноста на снимания обект. Формата на контейнера е показана на фигура           2.3.2.3. Предварителен експеримент с криволинейни канали с геометрия, базирана върху дъги от окръжности

Предварителният експеримент е наложителен поради липса на информация относно вида на геометрията на каналите. По тази причина се прави произволен

20  

избор на криволинеен канал с възможност за вариране на определени геометрични параметри.

2.3.1. Експериментално определяне ускорението на МК с нелинейни канали

Прекъснатото движение за изследване разплискването на отворени контейнери се осъществява с ММ върху изработения стенд. На фигура 2.8. е показан стенда в разглобен вид, като са показани изработените МК с различна геометрия на каналите. В случая върху стенда е монтиран МК с праволинейни радиални канали, а до него е показан още един МК с нелинейни канали.

Геометрията на нелинейните канали представлява комбинация между дъги от окръжности. Основните геометрични параметри на МК с нелинейни канали са показани на фигура 2.9.

Фиг. 2.8 Стенд за изследване на плискането в разглобен вид, показващ окомплектовка

с два вида МК

За провеждане на предварителният натурен експеримент е изработен малтийски кръст, показан на фигура 2.10. Всеки един от каналите е с различни геометрични параметри, в съответствие с таблица 2.1.

За провеждането на експерименталните изследвания е използвана схемата на свързване показана на фигура 2.11. Използван е акселерометър тип КS50 на фирмата Metra Mess- und Frequenztechnik (с резонансна честота >30kHz), поставен непосредствено на МК.

Посредством АЦП се преобразува сигнала в цифров вид и с последващо тариране се визуализира изменението на ускорението в реално време (фиг. 2.12.).

21  

Фиг. 2.9. Основни геометрични параметри на МК с нелинейни канали

а) б) Фиг. 2.10. Малтийски кръст с нелинейн а) реален модел; б) чертеж на модела

Фиг. 2.11. Схема на провеждане на експеримента:

22  

Фиг. 2.12. Експериментални резултати получени за ускорението на ММ с нелинейни

канали при движение: а) посока на въртене по часовата стрелка (ред 123456); б) посока обратна на часовата стрелка (ред 654321)

Експериментът е проведен трикратно, като всеки опит започва с една и съща

позиция на малтийския кръст от канал 1. Полученият сигнал е кратен на един оборот на коляното в зависимост от посоката на въртене на входните звена на ММ (фиг. 2.13).

Геометрични параметри на малтийски кръст с нелинейни канали Таблица 2.1.

№ на канала α R, mm ρ, mm 1 15° 69,25 69,25 2 30° 69,25 69,25 3 45° 69,25 69,25 4 15° 69,25 138,50 5 30° 69,25 138,5 6 45° 69,25 138,5

В настоящото изследване е избран програмния продукт TableCurve 2D, поради широката гама от функции, интерфейса и скоростта, с която потребителят може да създаде комплекс сплайни за моделиране на данните.

Функцията на TableCurve2D генерира списък от уравнения. Най-достоверен резултат се получава с прилагане на Furies Series Polynomial 10x2 и имаща вида:

1 2 3 4 5 6

6 5 4 3 2 1

23  

Acceleration t( ) a b cos t( ) c sin t( ) d cos 2 t( ) e sin 2 t( ) f cos 3 t( ) g sin 3 t( )h cos 4 t( ) i sin 4 t( ) j cos 5 t( ) k sin 5 t( ) l cos 6 t( ) m sin 6 t( )

n cos 7 t( ) o sin 7 t( ) p cos 8 t( ) q sin 8 t( ) r cos 9 t( ) s sin 9 t( )

t cos 10 t( ) u sin 10 t( )   ( 2.1.) 

  На основата на получените резултати са определени максималните амплитуди на ускорението, показани в таблица 2.4.

Максималните амплитуди на ускорението в различните посоки на въртене са почти идентични.

Определя се първа версия на профила на криволинейните канали, чийто профил е съставен от две дъги от окръжности, кривината на които е различна не само по големина, но и по знак (фигура 2.16).

Таблица 2.4. Максимални амплитуди на ускорението Таблица 2.4.

№ на канала Acceleration, m.s-2 за ред 123456

Acceleration, m.s-2 за ред 654321

Δ

1 0.134 0.115 0.165 2 0.111 0.127 0.144 3 0.190 0.202 0.063 4 0.089 0.109 0.225 5 0.126 0.122 0.033 6 0.208 0.232 0.115

а)

24  

Фиг. 2.16. Графично представяне на уравнения (2.1) при използване на коефициентите от таблица 2. 3.а) въртене на ММ по посока на часовата стрелка; б) въртене на ММ в

посока обратна на часовата стрелка.

2.3.3. Числен експеримент Целта на числения експеримент е да се изследва влиянието на геометричните

параметри на нелинейните канали с геометрия, базирана върху дъги от окръжности, върху изменението на максималното ускорение на изпълнителното звено на ММ.

При численият експеримент е използван модел, показан на фигура 2.18, със следните параметри: R = 50 mm; L = 100 mm и z = 6 . Променливите параметри, подлежащи на изследването са: допълнителен ъгъл на престой на ММ - αo и отношението на радиуса на кривина ρ към междуосовото разстояние L - τ(ρ).

Началното звено се завърта на ъгъл 120º от крайно долно до крайно горно положение за интервал от 0.5 s.

2.3.3.1. Изследване влиянието на допълнителния ъгъл на престой За изследване на влиянието на допълнителния ъгъл на престой (αo) е направен

числен експеримент при стойност на τ = 1 и ъгъл αo = 5°, 10°, 15° и 20°.

25  

Фиг.2.18. Изменение на каналите

на малтийския кръст при τ=1 и стойности на допълнителния ъгъл на престой α0=5°, 10°, 15° и 20°

2.3.3.2. Изследване влиянието на τ(ρ) Промяната на каналите на МК при различни стойности на τ(ρ) е показано на

фигура 2.20. Изследването е извършено за различни стойности на ъгъла на престой α0 при постоянно τ(ρ). Резултатите от числения експеримент за максималните стойности на ускорението на МК са показани в таблица 2.6. Резултатите от числения експеримент са визуализирани на фигура 2.21.

Резултатите от числения експеримент дават основание за следните изводи: 1. Разглежданият ММ позволява увеличаване на производителността на сис-

темата с увеличаване ъгъла на престой α0. 2. От табл. 2.5. е видно, че максималното ускорение на МК почти не се

променя и изменението е в рамките на 2,6%. 3. С увеличаване на радиуса на кривина ρ, максималната амплитуда на

ускорението на МК намалява. 4. С намаляването на отношението τ, максималната амплитуда на ускорението

на МК намалява. Изменение на макс. ускорение на МК при различни стойности на τ(ρ) и α0

Табл. 2.6.

Допълнителен ъгъл на престой α0 (ρ) 5 10 15 20

1 33.888 33.568 33.326 33.132½ 33.607 33.383 33.213 33.083⅓ 33.528 33.338 33.167 33.063¼ 33.482 33.313 33.149 33.052⅛ 33.482 33.313 33.149 33.0520 33.367 33.224 33.109 33.017

α0=5°α0=10°

α0=15°

α0=20°

26  

Фиг.2.20 Изменение на

каналите на МК при различни стойности на τ

Фиг.2.21.Изменение на максимал-ните стойности на ускорението на МК при различни стойности на α0 при промяната на τ(ρ).

Резултатите от предварителните експерименти показват, че при проекти-ране на криволинеен канал на МК има промяна на профила на вълната на плискане, но няма гасене на вълната, респективно удар. Дори в някои от вариантите е регистрирано по-силно изразено плискане

2.3.4. Изводи от проведения предварителен експеримент

1. Профилът на получената при експериментите вълна има геометрично сходство с профила на ускорението (фиг. 2.15б);

2. При проектиране на криволинеен канал на МК се наблюдава изменение на профила на вълната на плискане;

3. Чрез вариране на зададените променливи геометрични параметри, може да се управлява профила на вълната;

4. При произволно избрана геометрия на канала може да се получи обратния ефект - ускоряване на вълната вместо гасене – фиг. 2.22.

τ=1τ=0,2

τ=0,3

τ=0,4

τ=0,8

τ=0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 133.0

33.2

33.4

33.6

33.8

34.0

α0=5°

α0=15°α0=20°

α0=10°

max. acceleration, mm.s-2

27  

5. За получаване на угасена вълна е необходимо да се проектира такъв профил, който да генерира „удар”.

6. За получаване на „удар” е необходимо каналът на МК да има „S-образна форма.

ГЛАВА ТРЕТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПЛИСКАНЕТО, БАЗИРАНО ВЪРХУ „S” – ОБРАЗНИ КАНАЛИ НА ММ

3.1. Дефиниране на геометричните параметри на „S” – образни канали За постигане на гасене на вълната е необходим удар между палеца и канала,

насочен срещу посоката на движение на вълната. Получава се разбиване на вълната на многократно по малки вълнички, а ефектът се изразява в минимизиране на височината й. В съответствие с инерционните сили, при движение на контейнера се наблюдават две вълни: едната се натрупва в задната част на контейнера при започване на движението, а втората се получава с обратна посока при спиране на контейнера За определени геометрия на контейнера и вискозитет на течноста, височината на двете вълни е в пряка зависимост от скороста на преместване, респективно от закона на ускорението на изпълнителното звено.

На фиг. 3.2 е даден модел на „S” канал, състоящ се от две срещуположни дъги, така че да бъде постигнат удар. Основната идея е да се провокира този удар, съответно за първата и втората вълна.

Въвеждат се следните геометрични параметри: - Ъгъл на траекторията на входа на канала спрямо радиалната ос на

симетрия - „ β ” (deg.) ; - Ъгъл на траекторията на изхода на канала спрямо радиалната ос на

симетрия – „ α ” (deg.) ; - Разстояние между срещуположните дъги на траекторията на канала –

„ a ” ( mm) ; - Разстояние между центъра на радиусите на кривина и радиалната ос на

симетрия – „ c ” ( mm) ; - Диаметър на палеца – „ d ” ( mm) ; - Радиус на кривина по оста на симетрия на канала – „ r ” ( mm) . Първите четири са променливи, а последните две са константни величини,

приети по конструктивни съображения съответно: d = 16 mm, r = 8 mm. Влиянието на променливите параметри физически е свързано с: - Параметърът “ β „ определя плавното влизане на палеца в канала, защото

не е спазено правилото за безударно влизане на палеца, както е при ММ с прави канали. При по-големи стойности на “ β „ се очаква по-отсечен удар на гасене на вълната. Респективно по-малките стойности ще водят до умекотен удар.

28  

- Параметърът „ c „ дава възможност за

определяне на оптималното място на центъра на радиусите на закръгление и се очаква да влияе на удара на вълната. Също така той е в пряка зависимост от ъгъл „ β ”.

- Параметърът „ а „ определя изместването във времето между първия и втория удар на вълната. По-големите стойности на този параметър водят до раздалечаване на двете срещуположни вълни, а по-малките стойности водят до сближаване. По този начин може да се влияе на микровълните, възникнали след първия удар и интерференцията между тях и вто-рия удар.

Фиг. 3.2. Геометрични параметри на „S” канал - Параметърът „ α „ определя траекторията на движение на палеца в най-

дълбоката част на канала, след осъществяване на първото гасене вълната след задвижването на контейнера. Така също оказва влияние при започване на второто гасене на вълната, при спиране на контейнера. В случая се наблюдава размяна на функцийте на „ α „ и „ β ”.

На база на направените проучвания на научните публикации по изследвания проблем може да се заключи, че няма никаква информация относно влиянието на всеки от въведените геометрични параметри на „S„-образния канал върху ефекта от плискане при пренос на течности. От друга страна, отчитайки резултатите, описани в т. 2.3.4., е необходим предварителен експеримент. 

Обект на изследване при провеждане на предварителния експеримент са два вида канали с различна геометрия. Целта на експеримента е да се провери ефекта на гасене на вълната и да се сканира предварително факторното пространство.

Избрани са следните стойности на геометричните параметри на „S„-образните канали:

Първи канал: α = 40º ; β = 40º ; a = 15.8 mm ; c = 0.9 mm Втори канал: α = 35º ; β = 35º ; a = 9.5 mm ; c = 1.1 mm Експериментът е проведен при следните условия:

- Използва се разработеният стенд (фиг. 2.3); - Използва се контейнер за течност (фиг. 2.3) с геометрични параметри:

29  

L=100 mm; B=5 mm; H=50 mm, така, че дължината му (размера L) е разположена тангенциално; - Дигитална високоскоростна камера CASIO EH-F1 – 60FPS, закрепена в съответствие с фиг. 2.3 и осигуряваща 1200 кадъра в секунда. На фиг. 3.4 и фиг. 3.5 са показани кадри от заснетия процес съответно за лява

вълна и за дясна вълна. На фигура 3.4 е показан моментът на гасене на вълната при преминаване на палеца към вътрешността на канала, а на фигура 3.5 е показан момента след процеса на гасене на вълната при връщане на палеца от вътрешноста на канала. Същите доказват правилността на тезата за ефекта от ударно гасене на вълната.

Фиг. 3.4. Кадри от заснет процес на Фиг. 3.5. Кадри от заснет процес на ударно гасене на лява вълна ударно гасене на дясна вълна Показаните кадри са от „S” – образен канал с параметри: α = 40º ; β = 40º ; a

= 15.8 mm ; c = 0.9 mm. Проведеният предварителен натурен експеримент потвърждава ефекта на

гасене на вълната, и следователно предложеният „S” – образен канал изпълнява предназначението си. За оптимизиране на геометрията на канала е целесъобразно да се проведе планиран натурен експеримент.

3.3. Уточняване границите на факторното пространство Уточняване границите на факторното пространство се осъществява след

анализ на резултатите от предварителния натурен експеримент и съобразяване със следните аспекти:

- Геометрични ограничения – горните гранични стойности на ъглите „α” и „β” се ограничават от заклинване на палеца в канала, а големината на параметъра „a” се ограничава от приетия радиус на траекторията на палеца – r=8 mm;

- Технология за изработка на каналите – каналите могат да бъдат изработени по два метода: обработка на машина с ЦПУ, или лазерно рязане. Първият метод дава относително добро качество на обработваната повърхнина, като геометрич-ните ограничения се отнасят до режещия инструмент. Вторият метод няма гео-метрични ограничения, но осигурява лошо качество на изрязаната повърхнина при по-големи дебелини на МК. При подбор на оптимален режим на рязане се постига необходимото качество, поради което каналите са изработени чрез лазерно рязане.

30  

- Пътят, изминат от палеца при влизане и при излизане – определя се от големината на ъгъл „β”;

- Необходимата работна хлабина между стените на канала и палеца. След направените уточнения, границите на факторното пространство са: α = 20º ÷ 60º ; β = 20º ÷ 60º ; a = 10 ÷ 30 mm ; c = 1 ÷ 5 mm ; Приети са следните ограничителни условия

1. МК е с външен диаметър D = 240 mm; 2. MK е с шест канала - масово използван в опаковъчната техника. 3. Оптимален размер на диаметъра на палеца d = 16 mm 4. Радиус на движение на палеца (по отношение на задвижващото звено) – 70 m 5. Време на движение на контейнера от позиция до позиция - 1 s 6. Работна хлабина между палеца и стените на канала - 0.1 mm; 7. Условие против заклинване - ъгъл β е дефиниран по посока на завъртане на палеца (системата не е реверсивна) 8. Разгъната дължина на канала - 55 mm; 9. Контейнерът е с форма на паралелепипед; 10. Контейнерът е с размери: L=100 mm; B=5 mm; H=50 mm.; 11. Постоянно тегло на контейнера заедно с течноста - 0.1 kg; 12. Радиус на движение на контейнера - R = 400 mm; 13.  Вид на течноста - вода. Така избраната течност определя възможно най-неблагоприятните условия предвид ефекта от плискане. ГЛАВА ЧЕТВЪРТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ИЗСЛЕДВАНЕ И ОПТИМИЗИРАНЕ НА ДВИЖЕНИЕТО НА НА КАРУСЕЛНА СИСТЕМА ЗА ПРЕНОС НА ТЕЧНОСТИ В ПАКЕТИРАЩИ МАШИНИ 4.1. Планиран натурен експеримент

Основна цел на натурния експеримент е да се направи количествена оценка на влиянието на геометричните параметри на “S”-образни канали върху ефекта от гасене на вълната при плискане на вода в условията на каруселна система.

4.1.1. Разработка на методика за количествена оценка на ефекта от плискане

Методиката съдържа следните етапи: 1. Заснетият материал се разделя на кадри през определен интервал – изпълнен е с програмен продукт SONY VEGAS PRO 11; 2. Прави се селекция на важните за опита кадри – количеството на кад-рите е в голям обем, а движението на флуида е инертно; 3. Изработва се растерна решетка – изработени са няколко варианта на решетки с растер от 1 mm, до 10 mm. След предварителни проби е уточ-нена решетка с размери на растера – 5 mm;

31  

4. Извършва се растерно кодиране на профилите на вълната чрез наслаг-ване на растерната решетка върху всеки избран кадър – операцията се из-вършва ръчно – фиг. 4.1; 5. Извършва се мащабиране на профилите на вълната чрез наслагване на растерната решетка върху всеки избран кадър - операцията се извършва ръчно; 6. Получените точки, респективно профил се пренасят в аналогична коор-динатна система на графична програма; 7. Обработка на резултатите и апроксимация в графичен вид.

При обработка на някои от кадрите се налагат повторни опити, защото

въпреки предварителната подготовка, в процеса на движение на флуида се забелязват малки капчици или разпенване, което явление има случаен характер. Това налага при започване на всяка нова серия експерименти да се използва нов флуид.

Точността на пренасяне на профилите на вълните е между 89 % и 92 % - цити-раните данни са получени чрез сравняване на повторни опити на едни и същи кадри. Констатира се определена разлика в кадрите при повторни опити поради инертността в системата, причинена от хлабината между палеца и канала, защото при контролирания „удар” се сменя посоката на действащите инерционни сили.

Фиг. 4.1. Визуализиране на процеса на наслагване на кадри и апроксимация на

профилите на вълните

4.1.2. Условия за провеждане на планирания експеримент Планираният експеримент е проведен при следните условия:

1.Използвана апаратура: - Стенд за изследване на плискането на течност при стъпково пренасяне в контейнер по дъга от окръжност. - Комплект приспособления с балансиран раменен лост. - Комплект МК с изработени различни профили на каналите. МК са

32  

изработени от стомана с дебелина 5 mm, чрез лазерно изрязване с висока точност на среза. - Контейнер за течност – L=100 mm; B=5 mm; H=50 mm. Контейнерът е с форма на паралелепипед, изработен от прозрачен плексиглас с дебелина на стените 2 mm , с цел да се минимизира негативния ефект от пречупване на светлината. - Дигитална високоскоростна камера CASIO EH-F1 – 60FPS – скорост на снимане – 1200 кадъра в секунда. - Комплект осветителни тела, разположени по определена схема за получаване на концентрирана светлина в зоната на експеримента, без сенки и отблясъци. 2. Експериментите се правят на серии в затъмнено помещение, по предварително зададена програма в процесора на системата за управление. 3. При всяка смяна на МК, се прави центровка и баланс на цялата механична система. 4. Заснетите данни са обработени по разработената методика.

а. б.

Фигура 4.2. Общ вид на стендовата установка с комплект МК Общият вид на стенда за изследване на плискането на течност при стъпково

пренасяне по дъга от окръжност.е показан на фиг. 4.2.

4.1.3. Детайли на планирания експеримент Провежда се пълен факторен експеримент от вида 24 с четири управляващи

фактора: геометричните параметри на S-образните канали съгласно фиг. 3.2. Нивата на факторите в натурален и кодиран вид са показани в табл. 4.1.

33  

Управляващи фактоири и техните нива Таблица 4.1

Управляващи фактори Нива на факторите Натурални 20 60

X1 Ъгъл β, deg. Кодирани -1 +1 Натурални 20 60

X2 Ъгъл α, deg Кодирани -1 +1 Натурални 10 30

X3 Линеен параметър a, mm Кодирани -1 +1

Натурални 1 5 X4

Линеен параметър c, mm Кодирани -1 +1

За количествена оценка на плискането за всяка експериментална точка са

въведени следните параметри (целеви функции): Y1 ≡ m1max [mm] – максимално отклонение на течността в момента на

влизане на палеца; Y2 ≡ n1max [mm] – минимално отклонение на течността в момента на влизане

на палеца; Y3 ≡ m2min [mm] – максимално отклонение на течността в момента на

излизане на палеца; Y4 ≡ n2min [mm] – минимално отклонение на течността в момента на излизане

на палеца; В таблица 4.2 е плана на експеримента и резултатите от него.

План на експеримента и резултати от него Таблица 4.2.

ПАРАМЕТРИ ФАКТОРИ Опит

№ X1 X2 X3 X4

Y1 mm

Y2 mm

Y3 mm

Y4 mm

1 +1 +1 +1 +1 11,4 2,1 12,3 3,2 2 -1 +1 +1 +1 8,1 2,2 12,5 2,8 3 +1 -1 +1 +1 10,9 2,8 9,1 1,5 4 -1 -1 +1 +1 8,9 1,4 9,3 1,2 5 +1 +1 -1 +1 11,1 3,1 9,8 2,3 6 -1 +1 -1 +1 9,3 2,5 11,4 1,8 7 +1 -1 -1 +1 11,3 2,8 10,2 1,5 8 -1 -1 -1 +1 8,7 1,3 9,8 1,4 9 +1 +1 +1 -1 12,3 3,2 11,4 2,6 10 -1 +1 +1 -1 9,3 2,8 12,6 2,5

34  

11 +1 -1 +1 -1 11,5 2,9 10,2 1,8 12 -1 -1 +1 -1 9,6 1,6 10,2 1,5 13 +1 +1 -1 -1 12,3 2,8 11,6 2,5 14 -1 +1 -1 -1 10,4 2,6 12,8 2,3 15 +1 -1 -1 -1 12,5 3 11,3 2,1 16 -1 -1 -1 -1 10,2 1,8 11,8 1,8 10,5 2,4 11 2

4.1.4. Резултати от експеримента Обработените резултати за профила на вълната в съответствие с методиката

за всички експериментални точки са показани на фиг.4.3.

Фиг.4.3. Експериментални резултати от проведени натурни експерименти

35  

4.2. Оптимизиране на каруселна система за пренос на течности

4.2.1. Същност на многокритериалната оптимизация В общия случай оптимизирането на техническите изделия и процеси се свежда

до съставя-не и решение на многокритериална оптимизационна задача.

Управляващите фактори kX в целевите и ограничителните функции могат да бъдат геометрични, технологичните и физични параметри на изследвания процес.

Формулира се и се решава следната оптимизационна задача на нелинейното програмиране [(Стоянов, 1983); (Стоянов, 1993); (Стоянов, 1990)]: Дадени са

целевите функции iY , компоненти на векторния критерий {Y({X})}, и

ограничителни функции jF , компоненти на вектора {F({X})}, ,....,})}({{;.......,})}({{ 2121

Tm

Tn FFFXFYYYXY (4.1)

зависещи от управляващите фактори: .....,}{ 21

TiXXXX (4.2)

За jF и kX са известни зависимостите: ,,....2,1})({ max, mjFXF jj (4.3)

,,,....,2,1})({ max, mmmmjFXF jj (4.4)

xkkk XXXX }{max;,min, (4.5)

Трябва да се намери числовият вектор }{ X , за който множеството целеви

функции niXYi ,...2,1}{ ще удовлетвори комплекс от компромисни изисквания

(Стоянов, 1983). В идеалния случай: ,,....2,1,}{;}{ max,min, niiiiYXYYXY iiii

(4.6)

при което x

X }{ Най-широко приложение за решение на поставената многокритериална задача

е намерил подходът на скалализиране на векторния критерий. От методите, реализиращи този подход, най-голямо приложение са намерили методите на препоръчaните решения; метод на функция на загубите (оптимистичен подход); метод на функция на полезност (песимистичен подход); рамков метод; метод на статистически-средна препоръчена стойност; метод на функция на желаност.

4.2.2. Постановка на оптимизационната задача За провеждане на оптимизацията допълнително се изчисляват следните две

целеви функции: mm,2Y1Y5Y (4.7) mm,4Y3Y6Y (4.8)

36  

Оптимизацията се базира върху следните условия: 1). Условие, гарантиращо минимално отклонение на профила на вълната в

момента на влизане на палеца в канала на ММ: min1Y ; (4.9)

2). Условие, гарантиращо минимално отклонение на профила на вълната в момента на излизане на палеца от канала на ММ:

min3Y ; (4.10) 3). Условие, гарантиращо минимална турбуленция на течността в контейнера в

момента на влизане на палеца в канала на ММ: min5Y ; (4.11)

4). Условие, гарантиращо минимална турбуленция на течността в контейнера в момента на излизане на палеца в канала на ММ:

min6Y . (4.12) Оптимизационната задача се състои в определяне на стойността на

числовият вектор T4321* x,x,x,x}x{ , за който едновременно да са удовлетворени

условия ((4.7) - ((4.12). Оптимизацията е проведена в съответствие с „генетичен алгоритъм”, като

целевите функции са въведени според приоритета им в следната последователност: 6Y,5Y,3Y,1Y .

Посочената последователност на подреждане на целевите функции гарантира, че се акцентира върху условията за миниминизиране на плискането в началото и края на един работен цикъл.

4.2.3. Получени регресионни модели на целевите функции Регресионните модели на целевите функции са получени посредством

системата QStatLab, базирана върху статистическитe методи за управление на качеството. 4.2.3.1. Регресионен модел на функцията 1Y

Наблюдения: 16 Входни променливи: 4 Брой избрани коефициенти: 7 Обозначения: x1 <--> x1 x2 <--> x2 x3 <--> x3 x4 <--> x4 y <--> Y1 За регресионен модел на функцията 1Y е избран следният полином:

Y1 = 10.488+1.175x1-0.237x3-0.525x4+0.100x1x3+0.100x3x4+0.075x1x2 (4.13)

37  

4.2.3.2. Регресионен модел на функцията  2Y1Y5Y Наблюдения: 16 Входни променливи: 4 Брой избрани коефициенти: 8 Обозначения: x1 <--> x1 x2 <--> x2 x3 <--> x3 x4 <--> x4 y <--> Y1-Y2 За регресионен модел на функцията 5Y е избран следният полином:

Y5=8.056+0.769x1-0.194x2-0.181x3-0.369x4+ +0.344x1x2+0.194x3x4+0.131x1x3 (4.14)

4.2.3.3. Регресионен модел на функцията 3Y Наблюдения: 16 Входни променливи: 4 Брой избрани коефициенти: 8 Обозначения: x1 <--> x1 x2 <--> x2 x3 <--> x3 x4 <--> x4 y <--> Y3

За регресионен модел на функцията 3Y е избран следният полином: Y3 = 11.019-0.281x1+0.781x2-0.469x4-0.244x1x2+ +0.469x2x3+0.319x3x4+0.169x2x4 (4.15) 4.2.3.4. Регресионен модел на функцията 4Y3Y6Y

Наблюдения: 16 Входни променливи: 4 Брой избрани коефициенти: 8 Обозначения: x1 <--> x1 x2 <--> x2 x3 <--> x3 x4 <--> x4 y <--> Y3-Y4

Избран е следния регресионен модел: Y6=8.969-0.419x1+0.331x2-0.156x3-0.381x4-0.256x1x2+0.281x2x3+0.194x3x4 (4.16)

38  

4.3. Дисперсионен анализ (ANOVA) Дисперсионният анализ ANOVA (Analysis Of Variance) има за цел да се

определи относителната тежест и влиянието на факторите върху изследваните целеви функции. Същият е проведен посредством системата QStatLab. За всяка от дефинираните във формулираната оптимизационна задача целеви функции е визуализирано влиянието на факторите чрез т.н. “Главни ефекти”.

Главни ефекти по отношение на функцията Y1

От фигура 4.4. се вижда, че основният фактор, влияещ върху минималното отклоне-ние на профила на вълната в момента на влизане на палеца в канала на ММ е X1 (ъгъл β). Следващите по вли-яние фактори са X4 и X3 – съответно линейни-те параметри a и c. Факторът X2 (ъгъл α) практически не оказва влияние върху целевата функция 1Y .

Фиг. 4.4. Влияние на управляващите фактори върху функцията Y1 В съответствие с установената тежест на управляващите фактори от

проведения дисперсионен анализ върху функцията 1Y (фиг. 4.4) са показани сечения на хиперповърхнината на модела на 1Y с ралични хиперравнини (фиг. 4.5 а, б, в):

X1 X3 X1 X4 X3 X4

( a ) ( б ) ( в )

Фиг. 4.5. Сечения на хиперповърхнината на модела на Y1 с ралични хиперравнини

39  

Главни ефекти по отношение на функцията Y5 Минимизирането на функцията Y5 е насочено към минимална турбуле-нция на течността в кон-тейнера в момента на вли-зане на палеца в канала на ММ. От фиг. 4.6 се вижда, че върху нея най-голямо е влиянието на X1 (ъгъл β), а следващият по значение фактор е X4 (линейния параметър c). Същевремен-но, тези фактори имат раз-нопосочно действие върху целевата функция Y5 – за нейното минимизиране е необходимо ъгъл β да е минимален, а линейния

Фиг. 4.6. Влияние на управляващите параметър c трябва да е на фактори върху функцията Y5 горно ниво. В съответствие с установената тежест на управляващите фактори от про-

ведения дисперсионен анализ върху функцията Y5 (фиг. 4.6) са показани сечения на хиперповърхнината на модела на Y5 с ралични хиперравнини (фиг. 4.7 а, б, в). За 2Y1Y5Y най-силно влияние оказват X1 и X3.

X1 X2 X1 X3 X1 X4

( а ) ( б ) ( в )

Фиг. 4.7. Сечения на хиперповърхнината на модела на Y5 с ралични хиперравнини

X3 

40  

Главни ефекти по отношение на функцията Y3 Минимизирането на функ-цията Y3 ще гарантира минимално отклонение на профила на вълната в момента на излизане на палеца от канала на ММ. От главните ефекти е оче-видно, че основно влияние върху нея оказват фактори-те X2 и X4, т.е. ъгъл α и линейния параметър c, кои-то имат разнопосочно действие. За осигуряване на минимално отклонение на профила на вълната в момента на излизане на палеца от канала е необ-ходимо ъгъл α да е мини-

Фиг. 4.8. Влияние на управляващите мален, а параметърът c – фактори върху функцията Y3 максимален. Факторът X3 оказва незначително влияние. Показани са сечения на хиперповърхнината на модела на функцията Y3 с

ралични хиперравнини (фиг. 4.9 а, б, в).

X1 X2 X1 X4 X2 X4

( а ) ( б ) ( в )

Фиг. 4.9. Сечения на хиперповърхнината на модела на Y3 с ралични хиперравнини

41  

Главни ефекти по отношение на функцията Y6 Минимизирането на

функцията Y6 съответства на минимална турбуле-нция в момента на излизане на палеца от канала на МК. От фиг. 4.10 се вижда, че всички фактори имат съществено влияние върху тази целева функция, като относителната им тежест е в следната последова-телност: X1 (ъгъл β), X4 (линейния параметър c), X2 (ъгъл α) и X3 (линей-ния параметър a).Съще-временно, за осигуряване на минимална турбулен-

Фиг. 4.10. Влияние на управляващите фактори ция в момента на излизане

върху функцията 4Y3Y6Y на палеца от канала, е це-лесъобразно ъгъл β, линейния параметър c и линейния параметър а да бъдат максимални по стойност, и обратно за ъгъл α , който трябва да се минимизира.

В съответствие с установената тежест на управляващите фактори от проведения дисперсионен анализ върху функцията 4Y3Y6Y (фиг. 4.10) са показани сечения на хиперповърхнината на модела на Y6 с различни хиперравнини (фиг. 4.11. - а, б, в).

X1 X2 X1 X3 X1 X4

( а ) ( б ) ( в )

Фиг. 4.11.. Сечения на хиперповърхнината на модела на Y6 с ралични хиперравнини

42  

4.6. Резултати от оптимизационното изследване

От намерен Парето-Фронт за оптимално решение е избрана комбинация №34, при която се наблюдава оптимално съчетаване на най-ниските стойности на Y1 и Y3 – съответно ъглите α и β клонят към ниски стойности, а линейните параметри a и c клонят към високи стойности. На практика получените оптимални стойности помагат за безударно влизане и излизане на палеца в канала на МК и най-ефективно гасене се получава при увеличаване на интервала между първата и втората вълна.

Оптималните геометрични параметри на нелинейните „S”- образни канали са показани в таблица 4.3.

Оптимални геометрични параметри на нелинейни „S”- образни канали Таблица 4.3. Геометрични параметри Кодирани Натурални Ъгъл β (X1) -0.7501 24.998 deg. Ъгъл α (X2) -1 20 deg. Линеен параметър a (X3) 0.999 29.99 mm Линеен параметър c (X3) 0.9986 4.9972 mm

На фиг. 4.12. е показан общият вид и конфигурацията на МК с „S”- образни

канали, с посочените в таблица 4.3 оптимални геометрични параметри. С цел обобщаване на резултатите от проведеното изследване е направен

сравнителен анализ на профила на вълната при плискане за различна геометрия на каналите на МК при един и същи мащаб (фиг. 4.13). На първата графика ( а ) е показан теоретичен профил на ударена вълна според Grundelius (1998). На втората графика ( б ) е показан резултат от натурен експеримент с „S” – образен канал. На третата графика ( в ) е показан резултат от натурен експеримент с произволен криволинеен канал.

Фиг. 4.12. Общ вид и конфигурация на МК с „S”- образни канали с оптимални                               геометрични параметри

43  

Фиг. 4.13. Обобщени резултати от изследването

На четвъртата графика ( г ) е показан резултат от натурен експеримент с прав канал. Графиките дават основания за следните изводи: 1.От сходството между последните две графики ( в и г ) се вижда, че при МК с прав канал, горното отклонение на вълната може да достигне стойности по-високи от 25 mm и при произволен криволинеен канал тези стойности могат да бъдат още по-високи. 2.От сходството между първите две графики ( а и б ) се вижда ефекта от разбиване на вълната с имитиран удар - горното отклонение на вълната може да достигне максимални стойности не по-високи от 12.5 mm. Допълнителен ефект е получената интерференция от малки вълнички след всеки удар. Те се движат с различна амплитуда и честота, което води до непрекъснато вторично и третично гасене. 4.7. Хипотеза, базирана върху резултатите от изследването Съществува геометрично подобие между профила на угасената вълна при плискането на флуида и профила на траекторията на точка от палеца при движение в криволинеен канал на МК. На фиг. 4.16. е показана степента на съвпадение на профила на угасена вълна от плискането на флуида, и профила на траекторията на точка от палеца при движение в криволинеен канал на МК. За проверка на издигнатата хипотеза е

Теоретичен профил на угасена вълнасъгласно ( Grundelius)

44  

използван един от методите на подобието - методът на квадратите. Полученият резултат показва сходство до 93 % , и дава основание да се твърди, че издигнатата хипотеза е вярна.

Фиг. 4.16. Визуализация на степента на съвпадение на профила на угасена вълна от плискането на флуида, и профила на траекторията на точка от палеца при движение в криволинеен канал на МК.

Фиг. 4.17. Траектория на точка от палеца на ММ при вариране с различни стойности на параметрите α, β, a и c.

α = 60º ; β = 60º ; a = 20 mm ; c = 1 mm

Полученият резултат може да се използва за графично проектиране на

профила на „S” - образен канал на МК, като допълнение към решената по-горе оптимизационна задача. По то-зи начин предложеният комплексен подход би допринесъл за по-точно практическо реалииране на процес на проектиране на ММКК, намиращ приложние при каруселни опаковъчни системи за пренос на течни продукти.

45  

 В. КЛАСИФИКАЦИЯ НА ПРИНОСИТЕ ПО ДИСЕРТАЦИОННАТА РАБОТА

A. Научно-приложни приноси

1. Разработена е методика за количествена оценка на ефекта от плискане при движение на каруселна система за пренос на контейнери с течности, базирана върху използване на високоскоростна камера;

2. По експериментален път е доказана необходимостта от „S”-образна форма на нелинейни канали на малтийски кръст с оглед на гасене на вълната при плискане на течности;

3. Регресионни модели на комплекс целеви функции за количествена оценка на плискането в зависимост от геометричните параметри на „S”-образни канали на малтийски кръст, получени на основа на планиран експеримент;

4. Формулирана е и е решена многоцелева оптимизационна задача за мини-мизиране на плискането при движение на каруселна система за пренос на контейнери с течности;

5. Дефинирани са оптималните стойности на геометричните параметри на „S”- образни нелинейни канали на малтийски кръст в условията на постоянна производителност;

6. Доказана е хипотезата за геометрично подобие между профилите на угасената вълна при плискане при движение на каруселна система за пренос на контейнери с течности и траектория на точка от палеца на малтийски механизъм, даваща възможност за геометрично моделиране на профила на вълната или на профила на канала с точност до 90%.

  

Б.Приложни приноси

7. Проектиран и изработен в метал стенд за изследване на движението на малтийски механизъм в корелация с ефекта от плискане при пренос на течности;

8. Комплект малтийски кръстове с различна геометрия на каналите; 9. Дефинирани са оптималните геометрични и технически параметри на

малтийски механизъм за скоростно пренасяне на течности с минимален визскозитет;

46  

В. Публикации по темата на дисертацията

1. Марчев, Н., Ив. Ангелов, Д. Железарова. Измерване нивото и моделиране на

неустановеното движение на течност в кофички при работа на каруселни пакетиращи

машини. Седма научна конференция, Смолян, 2005.

2. Marchev. N. Complex optimization approach during desing of mechanical constructions.

5-th International conference research and development in mechanical industry, Serbia and

Montenegro, 2005.

3. Марчев, Н., М. Пенев. Поведение на съд в сложно силово поле. Международна

научна конференция Унитех’06, Габрово, 2006.

4. Марчев, Н., М. Пенев. Установка за изследване поведението на флуид в отворен

контейнер при движението му по дъга. Четвърта конференция с международно

участие „Машинознание и машинни елементи”, София, 2008.

5. Marchev, N., M. Penev. Methodology for determining the geometrical characteristics and

a number of satellite pair in PE material corrugating system. 8-th International Conference

“Research and Development in Mecanical Industry”, Radmi, 2008.

6. Марчев, Н., М. Пенев. Изследване малтийски механизъм с нелинейни канали.

Международна конференция по общо машиностроително конструиране, Русе, 2009.

7. Марчев, Н., М. Пенев, Н. Петкова. Установка за експериментални изследвания

поведението на флуид при задвижване от малтийски механизъм. Шеста конференция с

международно участие „Машинознание и машинни елементи”, София, 2010.

8. Марчев, Н., М. Пенев. Експериментално определяне ускорението на малтийски

механизъм с нелинейни канали. Седма научно-техническа конференция с

международно участие машинознание и машинни елементи, София, 2011.

9. Дунчева,Г., Н.Марчев. Експериментално изследване и многоцелева оптимизация

на движението на каруселна система за пренос на течности в пакетиращи машини.

Научно списание с международен редакторски борд – Известия на ТУ- Габрово,

бр. 52,2016, Габрово, 2016.