from 01.01.1997 until now
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
from 01.01.2003 until now
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
Orenburg, Orenburg, Russian Federation
The article presents an approach to the creation of complex mechanical systems, consisting in a combination of automated design systems of various types. This allows not only implementing multivariate design using CAD-systems, but also achieving optimal design solutions for several criteria simultaneously using CAE-systems. Thus, a multi-criteria design problem can be solved. The article presents new design solutions aimed at improving the performance of the installation for the molding of wood-concrete plates. Calculations are made and the designs are presented: rotary wheel racks, which provide movement of the unit in two mutually perpendicular directions; dosing hopper,a conveyor that dispenses and discharges the finished mortar into the formwork using two pneumatic cylinders; plate forming installation frames; batch hopper frames; conveyor frame.The results of the engineering analysis of the frames for the installation of plate molding, metering hopper and conveyor are presented.Engineering analysis was carried out in the ANSYS CAE system. Engineering analysis included five types of calculations: the calculation of stiffness with the conditions of rigid and elastic fastening; modal; dynamic; thermal and thermal-deformational. The analysis of the obtained calculation results allowed making a conclusion about the insignificance of static and dynamic deformation of the frames. The assessment of the thermal deformation state of the elements of the carrier system of the installation for molding wood-concrete plates showed that the magnitude of the temperature displacements is comparable to the dynamic ones.
plate molding, ramming device, hopper, formwork, thermal characteristics, modal analysis, dynamic calculation, CAD-system, CAE-system
Введение. Древобетон «Арболит» – это один из видов легкого бетона, в состав которого входит древесная щепа, высокосортный цемент, химические добавки и вода. Необходимость химических добавок в составе древобетона связана с тем, что в органической составляющей нужно нейтрализовать остаточный сахар, чтобы повысить сцепление дробилки и цемента, а также улучшить свойства конечного материала, такие как пористость, ускорение твердения, бактерицидность и т. д.
Экономическая эффективность использования такого вида отходов доказана ведущими предприятиями по изготовлению древобетона [1–3]. Немаловажную роль в данном вопросе играет и рациональность использования леса. Основной составляющей для изготовления древобетона, как уже упоминалось выше, являются древесные отходы столярного и мебельного производства, из которых на выходе получается щепа необходимого размера.
Одним из важнейших преимуществ древобетона является его экологичность [4]. Это безопасный для здоровья человека строительный материал. Состав и производство его также абсолютно безопасны, в том числе и для окружающей среды [5–8]. По сравнению с кирпичом и керамзитобетонными блоками, в которых присутствуют минеральные заполнители, «Арболит» обладает теплоизоляционными и звукоизоляционными свойствами и малым весом. «Арболит» не подвержен биологическому разрушению, низкая теплопроводность материала не требует дополнительного утепления; материал также является огнеупорным [9]. Аналогов древобетону среди других строительных материалов по сочетанию свойств и технических характеристик – нет. Это строительный материал, соединивший в себе лучшие свойства дерева и камня [10–12].
Важным фактором в обеспечении высокого качества древобетона является технология производства. Все производство панелей включает в себя пять этапов: производство древесной щепы; деминерализация сырья; смешивание с цементом; формовка с прессованием; «созревание».
Производство «Арболита» невозможно без древесной щепы, которая получается после дробления древесины в специальной машине. Важнейшим условием применения щепы в производстве древобетона является воздействие воздуха. Открытое пространство до 6 месяцев рекомендуется щепе для нейтрализации содержащихся в ней сахаров. Чтобы сократить время нейтрализации сахаров, щепу можно замочить в специальном химическом составе на срок не менее суток. Качество химических добавок также должно быть высоким, чтобы в конечном счете получить качественный материал. Последовательность добавления составляющих также играет немаловажную роль в создании древобетона высокого качества. Смесь должна быть замешана в смесителе принудительного типа.
Прессование – важный процесс в производстве плит. Обычно прессование (уплотнение) бетона осуществляется вручную – штыкование и трамбование (выполняемые ручными инструментами). Время, затрачиваемое на прессование должно составлять не более 20 секунд, иначе на выходе получится слоеная смесь из цемента и щепы, а не «Арболит». Поэтому процесс трамбования должен быть механизирован.
Объект исследований. В данной работе представлен один из вариантов [13, 14, 15] установки формования плит, используемых в дальнейшем для малоэтажного строительства. Разработка проекта установки выполнялась в CAD-системе «КОМПАС-3D» (рис. 1).
Рама установки формования плит (рис. 2, а) используется как несущая система для бункера-дозатора, конвейера с опрокидывающим устройством и трамбующего устройства. Для возможности перемещения установки по цеху от одной опалубки к другой установка оснащена двумя типами колесных стоек: ведущими и ведомыми (рис. 2 б). Соответствующего типа колесные стойки расположены по диагонали (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид установки: 1 – рама установки формования плит; 2 – ведущая колёсная стойка; 3 – ведомая колёсная стойка; 4 – бункер-дозатор; 5 – конвейер с опрокидывающим устройством; 6 – трамбующее устройство; 7 – опалубка
|
а) |
|
|
б) |
Рис. 2. Рама установки формования плит (а) с колесными стойками (б)
Каждая из ведущих колесных стоек оснащена отдельным мотор-редуктором, который через упругую муфту передает движение на колесо и приводит в движение всю установку формования плит. Колесная стойка имеет поворотную часть, которая обеспечивает фиксированный поворот колеса на 90° и, тем самым, перемещение установки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Ведомые колесные стойки не имеют привода.
Бункер-дозатор, установленный на установке формования плит, выполняет функцию накопления, хранения и дозирования уже готового раствора для формования плит (рис. 3, а). Бункер оснащен двигателем с эксцентриком, закрепленным на задней стенке бункера. В данном случае двигатель выполняет роль вибратора. Вибратор нужен для того чтобы готовая смесь, состоящая из перемешанного с водой цемента и древесной щепы, не налипала на стенки бункера, а стекала вниз за счет вибрации. Бункер-дозатор крепится на раме с помощью приваренных к ней кронштейнов и присоединяется с помощью болтов к основной раме установки формования плит. В нижней части бункера установлены два шнека (рис. 3, а), вращающиеся с фиксированной скоростью и тем самым выталкивают раствор через выходное отверстие на конвейер, где смесь распределяется по всей поверхности.
а) б)
Рис. 3. Бункер-дозатор с рамой (а) и шнеками с приводом (б)
Подача материала в опалубку осуществляется двумя конвейерами с опрокидывающими устройствами (рис. 4, а). Эти конвейеры расположены вдоль рамы установки формования плит зеркально друг к другу относительно середины установки. Назначение данных конвейеров – это распределение, накопление на поверхности конвейера готовой смеси для формования плит и опрокидывания распределенной готовой массы в опалубку. Смесь поступает из бункера дозатора за счет вращения приводных барабанов и перемещения ленты. Опрокидывание осуществляется за счет двух пневмоцилиндров, расположенных по краям конвейера. Опрокидывание конвейера осуществляется за счет двух пневматических цилиндров. Привод конвейера выполнен в виде мотора-барабана (рис. 4, б).
а) б)
Рис. 4. Конвейер (а) с мотор-барабаном (б)
Трамбующее устройство (рис. 5, а) используется для уплотнения бетонной смеси после подачи ее на место укладки для удаления из нее воздушных пузырьков и придание ей максимальной плотности. За счет имеющейся пружины трамбователь (рис. 5, б) находится в постоянно напряженном состоянии. Усилие для трамбования передается за счет имеющегося «пневмомускула». Когда трамбователь занял позицию в начальном положении, штыри находятся в выдвинутом положении. С частотой в 2 Гц трамбующее устройство трамбует материал. После первого удара и возвращения в начальное положение, за счет имеющихся пневмоцилиндров, штыри втягиваются в направляющую. Второй удар производится без участия штырей и материал еще сильнее уплотняется. Завершив трамбование, первый трамбователь занимает начальное положение и начинает работу второй трамбователь. После того как оба трамбователя завершили трамбование в начальном положении, они перемещаются на нужное расстояние за счет приводов и операции повторяются заново.
а) б)
Рис. 5. Трамбующее устройство (а) с трамбователями (б)
Опалубка для формования плит – конструкция из металла и дерева, позволяющая придавать форму и габаритные размеры вязким смесям. В данном случае используется опалубка размерами 3500×1000×400 (мм). Собирается данная конструкция из квадратных профилей и деревянных листов. Профили для опалубки свариваются, деревянные листы крепятся винтами. Опалубка находится в неподвижном положении, т.к. установка будет передвигаться по цеху. Опалубка должна простоять не менее 30 минут с момента ее полной утрамбовки. Далее разобрав ее, можно передвигать по цеху сформированную плиту. Для складирования готовых плит нужно предварительно выдержать их в прохладном помещении, при этом они не должны соприкасаться. В таком положении плиты должны простоять три дня, после этого их можно складывать одну на другую.
Результаты исследований. Так как для проектируемой конструкции очень важно соотношение «масса/жесткость», то был выполнен инженерный анализ несущей системы установки. Инженерный анализ установки проводился в универсальной CAE-системе ANSYS. Инженерный анализ включал следующие виды расчетов: на жесткость с условиями жесткого и упругого закрепления в стойках; модальный; динамический; тепловой и термодеформационный. В качестве типового конечного элемента использовался стержневой двухузловой элемент BEAM188. Результаты выполненного инженерного анализа позволили выполнить многовариантные расчеты различных конструкторских решений и добиться оптимального соотношения «масса/(статическая и динамическая) жесткость» несущей системы установки.
На рис. 6–8 в качестве примера представлен результат расчета рам установки формования плит, бункера-дозатора и конвейера.
Статический расчет несущей системы установки показал, что максимальная величина статических смещений рамы установки формования плит при упругих стойках составила около
0,5 мм, рамы бункера-дозатора – около 0,8 мм и рамы конвейера – около 0,08 мм. Эта величина деформации не влияет на точность изготовления плит и установку бункера-дозатора относительно конвейеров.
Установка формования плит обязательно использует трамбующее устройство, являющееся источником вибраций. Для их оценки был выполнен расчет собственных частот. Динамический расчет в заданном рабочем диапазоне частот позволил построить динамические характеристики [16, 17].
В качестве рабочего диапазона частот рассматривался интервал от 0 до 300 Гц. В этом диапазоне частот проявилось 20 частот. Минимальное значение частоты составило14 Гц, максимальное – 280 Гц. Использование упругих опор обеспечило колебание несущей системы установки в области низких частот без искажения контура.
На рис. 9–11 в качестве примера приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), построенные по результатам динамического расчета несущей системы установки в CAE-системе Ansys для осей: X, Y и Z. Ось X направлена вдоль конвейера, ось Y – поперек, а ось Z соответствует вертикальной оси.
а) результат расчета на жесткость б) первая мода
Рис. 6. Результат расчета рамы установки
а) результат расчета на жесткость б) первая мода
Рис. 7. Результат расчета рамы бункера-дозатора
а) результат расчета на жесткость б) первая мода
Рис. 8. Результат расчета рамы конвейера
Анализ АЧХ показал, что вдоль разных осей проявляются различные формы колебаний, а одинаковым значимым собственным частотам соответствуют различающиеся по величине амплитуды. Несмотря на то, что для спроектированной установки формования плит динамическая податливость не так критична, как для металлорежущих станков Тем не менее амплитуда динамической податливости имеет значение для надежного функционирования установки. Анализ амплитуд динамических перемещений, рассчитанных для рамы показал, что только вдоль оси Z их максимальная величина может пиково составить до 1,5 мм. Однако, максимальная частота вращения, установленных на установке двигателей, не превышает 1500 об/мин. Принимая во внимание, 40 %-ый размер неопределенности (+/- 20 %), нетрудно установить, что критичным диапазоном частот является область определения в пределах от 20 до 30 Гц. Динамическая амплитуда колебаний в этой области частот не превышает 0,5 мм, что является вполне допустимым для такой конструкции. Аналогично для рамы бункера-дозатора в этом же диапазоне частот пиковые значения были установлены в пределах 10 мм. Так как ранее было отмечено, что для бункера важнейшим свойством является отсутствие налипания готовой смеси на его стенки, поэтому большая амплитуда колебаний полностью отвечает этому требованию. Рама конвейера испытывает колебания только вдоль оси Y. Их величина не превышает 1 мм.
Установка формования древесно-бетонных плит не относится к высокоточной технике. Однако, множество установленных на ней электродвигателей, являющихся постоянными тепловыми источниками, обязательно приводит к тепловым деформациям. Чрезмерная величина которых может вызвать заклинивание в отдельных ответственных узлах конструкции и вызвать функциональный отказ установки. Поэтому для рамы установки был проведен анализ теплового и термодеформационного состояний. Для расчета температурного поля установки были заданы условия формирования конвективного теплообмена и тепловых потоков. Термодеформационный расчет – это расчет деформированного состояния, вызванного сложившимся тепловым состоянием. Количественный анализ сформированного термодеформационного состояния показал незначительные температурные перемещения (менее 0,5 мм), сопоставимые с амплитудами динамических перемещений, причем только вблизи тепловых источников.
а) ось Х б) ось Y в) ось Z
Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика рамы установки
а) ось Х б) ось Y в) ось Z
Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика рамы бункера-дозатора
а) ось Х б) ось Y в) ось Z
Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика рамы конвейера
Выводы. Таким образом, представленный в работе подход к созданию сложных механических систем, заключающийся в сочетании автоматизированных систем проектирования различного типа, дает возможность не только создавать многовариантное проектирование с использованием CAD-систем, но и, используя возможности CAE-систем, добиваться оптимальности конструкторских решений по нескольким критериям одновременно, т.е. решать многокритериальную задачу проектирования. Развитием работы может стать использование при проектировании несущей системы установки специальных процедур оптимизации, доступных сегодня в наиболее продвинутых CAE-системах.
1. Alyohina E.A. Evaluation of the competitiveness of wall panels of wood concrete for low-rise buildings [Ocenka konkurentosposobnosti stenovyh panelej iz arbolita dlya maloetazhnyh zdanij]. Vestnik Donbasskoj nacional'noj akademii stroitel'stva i arhitektury. 2015. No. 3 (113). Pp. 43-46. (rus)
2. CHigvinceva T.S., Tarasenko E.A., Leonova A.N. Arbolite blocks as a new material [Arbolitovye bloki kak novyj material]. Sovremennye nauchnye issledovaniya i razrabotki. 2018. No. 3 (20). Pp. 609-613.
3. Andrienko V.V., Pashkova M.E. Arbolitovy blocks and their application [Arbolitovye bloki i ih primenenie]. Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferecii "Bezopasnyj i komfortnyj gorod". Orlovskij gosudarstvennyj universitet imeni I.S. Turgeneva. 2018. Pp. 70-72. (rus)
4. Rubinskaya A.V., CHistova N.G., Zyryanov M.A. Environmental assessment of obtaining a modified wood-based building material [Ekologicheskaya ocenka polucheniya modificiro-vannogo stroitel'nogo materiala na osnove drevesiny]. Nauchnye trudy SWorld. 2015. Vol. 6. No. 1 (38). Pp. 22-27. (rus)
5. SHaparin V.D., Samoshin A.P. Wood concrete. Production and its advantages [Arbolit. Proizvodstvo i ego preimushchestva]. Molodezhnyj nauchnyj vestnik. 2017. No. 5 (17). Pp. 160-164. (rus)
6. Matyeva A.K. Modified wood concrete from local raw materials of the Kyrgyz Republic on energy-saving technology for building envelopes [Modificirovannyj arbolit iz mestnogo syr'ya kyrgyzskoj respubliki po energosberegayushchej tekhnologii dlya ograzhdayushchih konstrukcij zdanij]. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovanij. 2019. No. 4. Pp. 33-37. (rus)
7. Sorokin D.S., Beregovoj V.A. Multicomponent binders for concrete on light cellulose-containing aggregates [Mnogokomponentnye vyazhushchie dlya betonov na legkih cellyulo-zosoderzhashchih zapolnitelyah]. Molodoj uchenyj. 2015. No. 8 (88). Pp. 305-308. (rus)
8. Yagubkin A.N., Bozylev V.V. Justification of the mechanism for improving the strength characteristics of wood concrete with directional packing of aggregate [Obosnovanie mekhanizma povysheniya prochnostnyh pokazatelej arbolita s napravlennoj ukladkoj zapolnitelya]. Vestnik Polockogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya F: Stroitel'stvo. Prikladnye nauki. 2012. No. 8. Pp. 63-66. (rus)
9. Tolstoj A.D., Kolomackij A.S., Kolomackij A.S., Ovsyannikov S.I. Wood based on technogenic raw materials [Drevobeton na osnove tekhnogennogo syr'ya]. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya onlajn-konferenciya "Sovremennye tekhnologii derevoobrabatyvayushchej promyshlennosti". Belgorodskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet im. V.G. SHuhova. 2018. Pp. 296-301. (rus)
10. Xu R., He T., Da Y., Liu Y., Li J., Chen C. Utilizing wood fiber produced with wood waste to reinforce autoclaved aerated concrete. Construction and Building Materials. 2019. Vol. 208. Pp. 242-249.
11. Lia M., Khelifab M., El Ganaoui M. Mechanical characterization of concrete containing wood shavings as aggregate. International Journal of Sustainable Built Environment. 2017. Vol. 6(2). Pp. 587-596.
12. Akkaoui A., Caré S., Vandamme M., Experimental and micromechanical analysis of the elastic properties of wood-aggregate concrete. Construction and Building Materials. 2017. Vol. 134. Pp. 346-357.
13. Bozylev V.V., Lisovskij A.L., Yagubkin A.N. Industrial introduction of the technology of oscillatory compaction of arbolit [Promyshlennoe vnedrenie tekhnologii koleba-tel'nogo uplotneniya arbolita]. Vestnik Polockogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya F: Stroitel'stvo. Prikladnye nauki. 2015. No. 8. Pp. 97-102. (rus)
14. Tyul'kin D.V. Development of a new type of plant for the production of wood concrete [Razrabotka novogo tipa ustanovki dlya proizvodstva arbolita]. Nauka i biznes: puti razvitiya. 2017. No. 8 (74). Pp. 5-8. (rus)
15. Dubovickij S.I., Shitova I.YU. Arbolite production line [Tekhnologicheskaya liniya po proizvodstvu arbolitovyh blokov]. Molodezhnyj nauchnyj vestnik. 2017. No. 10 (23). Pp. 60-64. (rus)
16. Polyakov A.N., Kamenev S.V. The calculation of the basic parts of machine tools in the system ANSYS: a tutorial [Raschet bazovyh detalej stankov v sisteme ANSYS: uchebnoe posobie]. Orenburg: OGU. 2006. 112 p. (rus)
17. Polyakov A.N., Kamenev S.V., Romanenko K.S. The calculation of the bearing systems of machines in the CAE-system Ansys: a tutorial [Raschet nesushchih sistem stankov v CAE-sisteme Ansys: uchebnoe posobie]. Orenburg: OGU. 2013. 191 p. (rus)
