Автоматизация процесса виброуплотнения бетонной смеси

ДИПЛОМ ПОЯСНИЛКА.doc

Важнейшими показателями современного научно-технического прогресса являются значительная интенсификация технологических процессов рост единичной мощности и производительности агрегатов и тесно связанное с ними развитие технических средств контроля и техники управления.
Бурный рост строительного производства в нашей стране создание уникальных строительных конструкций требует значительного совершенствования технологий производства строительных материалов и изделий основанных на современных научных достижениях строительной науки.
При строительстве гражданских и промышленных сооружений бетон остаётся наиболее распространённым материалом из всего многообразия применяемых в настоящее время строительных материалов. Поскольку наиболее дорогим компонентом бетона является цемент то экономия этого материала позволяет значительно снизить стоимость строительных работ.
Промышленность железобетонных изделий в настоящее время потребляет более трети выпускаемого в стране цемента что свидетельствует о необходимости поисков путей его рационального использования в этой отрасли. Одним из резервов экономии цемента и повышения качества выпускаемой продукции является снижение вариации прочности бетона поскольку по данным [1 2] вариация прочности бетона в нашей стране достигает 20%. В связи с этим именно снижение вариации прочности при одновременной экономии цемента является основным путём совершенствования технологии производства железобетонных изделий поскольку в соответствии с ГОСТ разрешено сокращение расхода цемента без ущерба для прочности готовых железобетонных изделий.
Как показано в [3] качество железобетонных конструкций во многом зависит от процессов структурообразования происходящих в бетоне. Контролируя процессы структурообразования можно наблюдать кинетику формирования цементного геля при различных минералогических составах и дисперсностях портландцементов определять водопотребность портландцементов определять продолжительность изотермического прогрева бетона. Пожалуй наибольшее значение контроль структурообразования бетона имеет для определения момента времени наиболее эффективного повторного вибрационного воздействия на бетонную смесь (так называемое повторное переформирование). Повторное переформирование при внедрении его в производство железобетонных панелей изготавливаемых в кассетных установках очень эффективно экономически поскольку позволяет на имеющихся площадях без дополнительных капиталовложений в оборудование и увеличения расхода цемента достигать значительного повышения прочностных свойств изделия на первые сутки изготовления. Это в свою очередь дает возможность либо повысить прочность панелей (для строительства домов повышенной этажности) либо уменьшить расход цемента на 1 куб. метр бетонной смеси либо увеличить оборачиваемость технологического оборудования (кассетных установок).
Особенно важно для крупных домостроительных комбинатов что внедрение повторного переформирования бетона позволяет значительно увеличить производительность труда.
Таким образом разработка методики и создание устройств контроля процессов структурообразования бетона для управления процессом повторного переформирования как показано выше позволит получить значительный экономический эффект.
Анализ существующих методов и приборов контроля структурообразования бетона показал что в настоящее время нет устройств обеспечивающих такой контроль стабильно и устойчиво в производственных условиях.
В данном дипломном проекте предлагается техническое решение по созданию устройства обеспечивающего стабильный контроль структурообразования бетона и автоматически определяющего момент качественного перелома для управления процессом повторного вибрирования.
1 Обзор методов и средств контроля структурообразования бетона 11
1.1 Общие вопросы структурообразования бетона ..11
1.2. Некоторые технологические особенности повторного вибропереформирования бетона ..14
1.3. Анализ существующих методов и устройств контроля структурообразования бетона .. 17
2. Выбор метода контроля структурообразования ..26
3 Выводы и постановка задачи проектирования 27
4 Разработка теоретических основ контроля структурообразования бетона по его электропроводности ..28
5 Функциональная схема устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий ..50
6 Принципиальные электрические схемы устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий ..53
6.1 Принципиальная электрическая схема генератора разнополярных импульсов и генератора тока 54
6.2 Принципиальная электрическая схема входного усилителя инвертирующего усилителя линейного выпрямителя и пикового детектора 61
6.3 Принципиальная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя и устройства управления ..64
6.4 Принципиальная электрическая схема регистра памяти устройства сравнения I устройства сравнения II счётчика состояний и счётчика выборки 68
6.5 Принципиальная электрическая схема таймера времени вибрации .70
6.6 Принципиальная электрическая схема блока питания .71
1 Определение экономической эффективности при внедрении контроля структурообразования бетона в производство 73
2. Бизнес-план . .79
2.1. Производственный план 79
2.1.1. Перечень необходимого оборудования и площадей ..80
2.1.2. Малоценное имущество 80
2.1.3. Расчет себестоимости товара .. .81
2.1.4.. Комплектующие изделия (на единицу изделия) ..81
2.1..4.1. Расчет трудоемкости изделия: ..82
2.1.4.2. Расчет годовой программы выпуска 83
2.1.4.3. Расчет численности основных рабочих 83
2.1.4.5. Расчет заработной платы основных рабочих . 84
2.1.4.6. Расходы на содержание оборудования 84
2.1.4.7. Определение производственной себестоимости 85
2.1.5. Расчет постоянных затрат (накладные расходы) СПОСТ. .85
2.1.5.1. Расчет заработной платы прочих работающих .85
2.1.5.2. Амортизация основных производственных фондов ..86
2.1.5.3. Аренда помещений и оборудования ..86
2.1.5.4. Амортизация оборудования ..86
2.1.5.5. Затраты на рекламу ..87
2.1.6. Страхование имущества 87
2.1.7. Налог на имущество .87
2.1.8. Прочие расходы СПР 88
2.2. Цена продукции .89
2.3. Оценка степени риска 89
3 Финансовый план 90
3.1. Расчет точки безубыточности 94
3.2 Расчет чистого дисконтированного дохода по проекту 95
Производственная и экономическая безопасность.
1 Воздействие неблагоприятных факторов на операторов . .98
2 Воздействие шума . ..98
2.1 Защита от шума .. ..101
3 Вибрация производственная .. 102
3.1 Воздействие вибрации на организм ..102
3.2 Защита от вибрации .107
3.3 Защита кабины оператора от вибрации .. ..108
3.4 Виброзащитное устройство расчет 109
1 Обзор методов и средств контроля структурообразования бетона
1.1 Общие вопросы структурообразования бетона
Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на её формирование оказывают схватывание и твердение цемента.
На основе данных по изучению процессов гидратации цемента на основе контроля начального периода структурообразования по скорости прохождения ультразвука [4] зависимость нарастания структурной прочности (рис. 1.1) имеет два характерных участка.
Рис. 1.1 Зависимость продолжительности периода формирования структуры определяемого по скорости распространения ультразвука
Первый участок характеризуется тем что продукты взаимодействия цемента с водой гелеобразны - это особо мелкие частицы волокнистой войлокообразной и пластинчатой формы которые возникают в поровом пространстве между зернами цемента заполненном сначала водой затворения. Возникшая пористая матрица постепенно упрочняется и заполняется продуктами дальнейшей гидратации.
Время от начала затворения до момента резкого возрастания прочности называется периодом формирования структуры. Плотность и пористость образующейся к концу периода твердой матрицы зависят главным образом от концентрации цемента в цементном тесте т. е. от ВЦ или ЦВ теста. Таким образом матрица образующаяся из первичных продуктов гидратации цемента представляет собой «первоначальный каркас» оказывающий решающее влияние на будущую структуру цементного камня.
Дальнейшее упрочнение структуры (после «узловой» точки перегиба) происходит за счет роста новообразований внутри сложившейся матрицы и соответствует второй стадии гидратации. К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в камень совершается довольно резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.
Проведённые исследования [5] показали что если произвести повторное переформирование в момент наступления «узловой» точки перегиба в формировании структуры готового изделия то прочность такого изделия будет значительно выше (рис. 1.2).
Так по данным [6] переформировав структуру бетона в данный период можно получить бетон с маркой по прочности выше чем проектная на 10 и более МПа. Другим положительным эффектом повторного вибрирования является высокая скорость твердения позволяющая довести цикл тепловой обработки до 5 6 часов (вместо 16 18) за счет чего ускоряется оборачиваемость кассетных установок.
В настоящее время около 80% всего объема железобетонных стеновых панелей изготавливаются в кассетных установках. Поэтому решение вопроса о более рациональном использовании цемента или увеличении оборачиваемости кассетных установок является крайне важным. Применение способа переформирования структуры бетона в раннем возрасте позволяет коренным образом изменить технологию производства сборного железобетона получать более высокие физико-механические свойства бетонов при одном и том же расходе цемента и при значительном сокращении продолжительности цикла тепловлажностной обработки.
Рис. 1.2 Зависимость прочности готового изделия от времени начала повторного виброуплотнения
Таким образом в современных условиях автоматический контроль за структурообразованием железобетонных изделий приобретает весьма важное значение. Он является основой для создания систем управляющих процессами переформирования структуры бетона на основании чего можно достичь повышения качества продукции и увеличения производительности оборудования за счёт сокращения времени термообработки и как следствие увеличения оборачиваемости кассетных установок.
1.2. Некоторые технологические особенности повторного вибропереформирования бетона
Анализ современных методов тепловой обработки [7] показывает что имеются значительные резервы для сокращения времени цикла. Это в основном обусловлено значительной продолжительностью цикла тепловой обработки изделий доходящей в настоящее время до 18 часов.
Для внедрения в практику производства сборного железобетона наиболее эффективных способов ускорения твердения бетона необходимо совершенствование систем автоматизации процессов тепловой обработки. Например разработанные в последние годы способы учета кинетики структурообразования бетона и управления процессом твердения бетона требуют разработки устойчиво работающих датчиков и измерительных приборов для объективной оценки и корректирования управляющих воздействий.
Если рассматривать способ повторного виброуплотнения то следует отметить что момент наложения повторной вибрации на твердеющий бетон должен определяться кинетикой твердения бетона. Так Ю.С. Малинин считает что повторная вибрация должна быть наложена в момент достижения максимума электропроводности Г.Д. Алферов определяет момент приложения вибрации по наступлению минимума электрического сопротивления фильтрата жидкой фазы.
Как видно из перечисленных способов интенсификации процесса твердения бетона при повторном вибрировании требуется создание специальных датчиков регистрирующих вариации того или иного параметра бетонной смеси и отражающих кинетику твердения бетона. Информация поступающая с таких датчиков должна быть преобразована в управляющее воздействие причем без непосредственного вмешательства со стороны операторов.
Структурообразование в твердеющем бетоне это сложный процесс включающий в себя как конструктивные так и деструктивные процессы. К основным деструктивным процессам можно отнести: тепло- и массообмен во влажных капиллярно-пористых телах и напряжения которые возникают при температурном расширении материала.
Основные нарушения структуры бетона при нагреве возникают в раннем возрасте под воздействием избыточных давлений образующихся в порах материала вследствие миграции жидкой фазы. При нагреве твердеющего бетона возникает движение жидкой фазы по направлению теплового потока. Мигрирующая жидкая фаза встречает на своем пути сопротивление и создает в порах твердеющего бетона избыточное давление которое нарушает его структуру. Избыточное внутреннее давление возникает при нагревании воздействием на жидкую фазу расширяющихся пузырьков «защемленного» воздуха. Избыточное давление на жидкую фазу направлено от поверхности к центру конструкции и его величина определяется величиной температурного градиента размером конструкции по направлению прогрева и размерами пузырьков «защемленного» воздуха.
По достижении температуры изотермического прогрева происходит выравнивание температуры и давления по сечению конструкции но они возрастают по сравнению с первоначальными. Прорыв воздуха на поверхность и образование открытых пор изменяет направление избыточного давления которое при этом будет действовать от центра к поверхности. Сокращение количества воздуха участвующего в процессе миграции может быть достигнуто повышением степени уплотнения бетона. В этом случае размер пузырьков воздуха уменьшается поверхностное натяжение жидкости увеличивается. Это приводит к уменьшению избыточных давлений «защемленного» воздуха на жидкую фазу.
Управлять деструктивными процессами в период тепловой обработки можно с помощью технологических приемов таких как предварительное выдерживание за счет которого бетон приобретает определенную прочность медленный подъем температуры введение добавок ускорителей твердения и др. Однако указанные приемы обладают рядом недостатков – удлиняют цикл термообработки что приводит к значительному повышению стоимости продукции и снижению производительности.
Свободен от этих недостатков такой технологический прием как повторное вибрирование бетона. Повторное вибрирование впервые было предложено в 1959 году А.Г Мкртумяном и несмотря на большое количество работ имеющихся в этой области (О.А. Гершберг С.В. Шестоперов А.Г. Мкрутумян Ю.С. Калинин и др.) еще не вошло в практику изготовления железобетонных изделий так как для получения достаточного эффекта от повторного вибрирования вибрирующие воздействия на бетонную смесь должны согласовываться с кинетикой структурообразования. Приложение этих воздействий необходимо производить в строго определенный отрезок времени в период перехода от формирования структуры бетона к его упрочнению (так называемый момент начала схватывания). Точки перелома на зависимостях структурообразования могут служить критерием для определения момента приложения или прекращения воздействия на бетонную смесь. Это позволяет влиять на ход структурообразования в нужном направлении и таким образом управлять этим процессом. Так по данным Г.Д. Алферова повторное вибрирование во время растворения цемента и насыщения жидкой фазы продуктами гидратации практически не влияет на последующую кинетику структурообразования. Виброобработка цементного теста во время существования в нем коагуляционной структуры обусловливает более позднее образование кристаллизационной капиллярно-пористой структуры и наибольшую скорость ее развития. Вибрационное воздействие во время начала образования кристаллизационной капиллярно-пористой структуры удлиняет этот период и уменьшает скорость формирования кристаллизационной капиллярно-пористой структуры что связано с частично необратимыми разрушениями в сформировавшейся к этому времени структуре.
Проведение повторного вибрирования в промежуток времени определенный протекающими физико-химическими процессами обуславливает прирост прочности бетона за счет устранения дефектов структуры вызванных преимущественным развитием к этому времени кристаллизационной структуры продуктов гидратации алюминатной составляющей и реакции ее с гипсом. Кроме того упрочнение достигается за счет уменьшения степени отрицательного влияния процессов контракции седиментации тепловыделения и более полной гидратации цементных зерен. Все это позволяет добиться повышения прочности в 15 раза увеличить водонепроницаемость и долговечность.
Учет деструктивных процессов и контролирование структурообразования бетона приводит не только к резкому сокращению цикла тепловой обработки бетонов. Если применить метод выдерживания изделий за счет аккумулированного ими тепла (метод учета последующего нарастания прочности предложен Л.А. Малининой) то можно получить большие резервы экономии цемента увеличения оборачиваемости кассетных установок уменьшения их числа а также уменьшения металлоемкости кассетного производства.
1.3. Анализ существующих методов и устройств контроля структурообразования бетона
Контроль за структурообразованием бетона может быть осуществлен многочисленными методами как разрушающими образцы так и неразрушающими. Наиболее прогрессивными являются неразрушающие методы контроля за структурообразованием так как в этом случае имеется возможность контролировать структурообразование бетона непосредственно на производстве при изготовлении изделия.
В основу методов неразрушающего контроля (рис. 1.3) положен принцип получения информации о происходящих внутри изделия процессах с помощью измерения параметров косвенно отражающих этот процесс и регистрации этой информации различными измерительными устройствами.
На современном этапе развития производства железобетонных изделий необходимо чтобы информация о структурообразовании бетона не только регистрировалась но и давала возможность автоматически управлять воздействиями необходимыми для переформирования структуры бетона. Контроль за структурообразованием бетона осуществляется такими методами как экзотермический метод контроля степени гидратации цемента метод контроля по степени контракции бетона акустический ультразвуковой метод метод контроля по электрическим измерениям бетона.
Рис. 1.3 Методы контроля структурообразования бетона
Контроль по степени гидратации цемента представляет собой измерение теплоты которое выделяется при реакции гидратации. Как известно при реакции гидратации наблюдается три пика подъема температуры: в момент затворения через 2 5 часов в период совпадающий с началом схватывания цемента и последний через 5 6 часов в период совпадающий с окончанием схватывания и началом твердения. Поэтому контроль за структурообразованием с достаточной степенью точности можно вести измеряя температуру твердеющего бетона калориметрами различной конструкции.
Метод контроля по степени контракции бетона основан на том что при твердении портландцемента уменьшается суммарный объем твердой и жидкой фаз. Такое изменение объема как бы его стяжка названное контракцией вызывает внутренний вакуум в формирующемся материале с образованием пор часть из которых имеет специфическое строение. Разрежение возникающее в порах по мере твердения увеличивается и его можно измерить дифференциальным контракциометром.
Существуют также различные вискозиметрические и виброреологические методы контроля структурообразования бетона однако их применение ограничивается использованием для цементных паст и мелкозернистых растворов.
Вышеописанные методы предназначены для контроля структурообразования бетона в лабораторных условиях и применение их в производстве для оперативного контроля значительно затруднено.
За последние десятилетия к физическим методам контроля структурообразования бетона проявляется значительный интерес в связи с необходимостью осуществления неразрушающего контроля качества продукции заводов сборного железобетона. В результате исследований проведенных в нашей стране и за рубежом в настоящее время нашли применение приборы и методы позволяющие по скорости распространения ультразвуковой волны оценивать прочность бетона а также контролировать процесс структурообразования бетона. Исследования кинетики твердения бетона в естественных условиях и в процессе тепловой обработки с помощью ультразвука были проведены И.С. Вайштоком В.В. Дзенисом Д.М. Цинцкиладзе и другими авторами.
На основании этих работ динамика изменения скорости распространения ультразвука в твердеющем бетоне представляется как процесс происходящий в несколько периодов. Первый индуктивный период характеризуется малыми значениями скоростей передача энергии происходит в основном за счет соударения частиц. Во второй период период образования начальных контактов скорость значительно увеличивается. В дальнейшем с ростом механической прочности структуры бетона скорость ультразвука плавно увеличивается.
Для регистрации структурообразования бетона в процессе твердения возможно применение пассивного акустического метода – метода акустической эмиссии. Этот метод основан на регистрации отдельных импульсов-тресков возникающих в бетоне в измерении акустических параметров или энергии выделяемой при образовании трещин. Так момент начала образования устойчивой кристаллической структуры цемента сопровождается образованием пор и микродефектов и следовательно звуковыми колебаниями которые фиксируются соответствующей аппаратурой. Указанный метод нашел применение на Айхальском комбинате строительных материалов для определения времени возникновения трещин в строительных изделиях в автоклаве с целью регулирования режимов автоклава. Однако авторами не указывается ни методика ни аппаратура контроля.
Сотрудниками ВНИИЖелезобетона С.Р. Котляр и Д.М. Цинцкиладзе был разработан и технологически опробован прибор позволяющий контролировать момент начала процесса схватывания бетона. Принцип работы этого прибора заключается в том что от датчика заформованного в твердеющий бетон идут ультразвуковые импульсы в приемник тоже заформованный в бетон на расстоянии 50 мм от датчика. Прибор фиксирует время прохождения ультразвука в бетоне от датчика к приемнику и преобразует время при фиксированном расстоянии между датчиком и приемником в скорость прохождения ультразвука. В задатчик вводится информация о скорости соответствующей моменту начала схватывания для бетона данного состава и температуры. Для нахождения этой скорости предварительно для данного бетона строится кривая скорости прохождения ультразвука в функции времени и по моменту изменения угла наклона кривой определяется скорость соответствующая моменту начала схватывания бетона. Когда скорость измеряемая прибором становится равной заданной появляется информация которую можно преобразовать в управляющий сигнал для автоматизации производства железобетонных изделий в кассетных установках. Вследствие отсутствия прямой зависимости между прочностью твердеющего бетона и скоростью распространения в нем упругих волн связующим звеном между ними служит динамический модуль упругости величина которого предопределяется вязко-упругими свойствами кристаллогидратных комплексов и плотностью цементного камня. Исходя из вышесказанного становится ясно что хотя описываемый прибор можно включить в систему автоматического регулирования однако при переходе на другой технологический состав прибор требует перенастройки.
В качестве другого средства неразрушающего контроля свойств бетона может служить метод основанный на способности цементного теста проводить электрический ток. Еще в 50-х годах К. Доршем в Германии и Ю.А. Нилендером в СССР были проведены исследования которые позволили выявить некоторые закономерности характеризующие электропроводность бетонной смеси. Впервые полученные результаты были успешно использованы при возведении плотины Днепрогэса для контроля прохождения экзотермического процесса в твердеющем бетоне. В последующем исследования в этой области получили свое дальнейшее развитие в работах отечественных и зарубежных исследователей.
Так очень перспективным направлением в области измерения электрических величин твердеющего бетона являются исследования изменения электропроводности бетона по мере твердения. Работы в этой области были проведены И.Н. Ахвердовым Ф.Я. Ковалевым В.П. Ганиным и др.
Кинетика электропроводности цементного геля характеризуется кривыми имеющими следующий вид. Вначале сразу после затворения бетонной смеси электросопротивление резко падает затем падение замедляется электросопротивление как бы стабилизируется. Через 2 25 часа от начала затворения в зависимости от марки цемента наступает подъем сопротивления сначала незначительный затем все более резкий. После 5 6 часов реакции гидратации сопротивление снова немного снижается а затем наступает подъем сопротивления который продолжается до тех пор пока затвердевший бетон не становится диэлектриком. Таким образом кривые электросопротивления имеют две критические точки – два экстремума.
В.П. Ганин получал кривые пропуская постоянный ток импульсами малой длительности. В результате исследований он сделал вывод что деление процесса на схватывание и твердение цементного геля является условным фактически есть один важный переломный момент – это начало схватывания которое отмечается довольно точно минимумом величины электрического сопротивления бетона.
И.Н. Ахвердовым и Ф.Я. Ковалевым были проведены исследования электропроводности бетона при помощи электронного самопишущего моста [8]. Вначале для измерения электропроводности была испробована уравновешенная мостовая схема питаемая постоянным током однако исследователям не удалось сбалансировать схему. Дальнейшими опытами было установлено что бетон вместе с материалом электродов составляет гальваническую пару то есть является источником электрического тока непостоянной величины медленно изменяющейся с течением времени. Поэтому дальнейшие исследования были проведены на переменном токе частотой 50 Гц. Материал электродов тоже оказывает существенное влияние на точность измерений. Исследователями были опробованы стальные медные алюминиевые никелевые и графитно-угольные электроды. Лучшими оказались последние поскольку остальные подвергались окислению и поляризации а полученные кривые имели ступенчатый вид что затрудняло их расшифровку. В результате исследований были соотнесены кривые электропроводности к данным о времени схватывания по игле Вика.
В.П. Ганин исследовал сроки схватывания цементного геля при его электроподогреве. Электродами служили кольцо прибора Вика и центральный электрод-стержень. Из результатов исследований следует что при прогреве максимум электропроводности наступает несколько позднее чем начало схватывания по Вика что еще раз указывает на то что по Вика определяется не кинетика структурообразования а физико-механические свойства бетона в исследуемый момент. В.П. Ганин также предлагает первый максимум на кривой электропроводности считать началом схватывания.
И.Н.Ахвердовым и Ф.Я.Ковалевым было предложено применение самопишущих электронных мостов для автоматического контроля схватывания и твердения бетона [8]. Установка состоит из трех основных частей: электронного автоматического самопишущего моста на базе прибора ЭПП-09М1 термостата для поддержания постоянной температуры твердения образцов в формах из органического стекла и графитно-угольных электродов. Измерительный прибор автоматически записывает кривые изменений электрической проводимости твердеющего бетона при этом схема прибора выполнена так что его шкала линейна относительно измеряемой величины. Однако данная установка никак не фиксирует экстремальные точки кривой электропроводности что делает невозможным применение ее в автоматическом контроле структурообразования бетона.
Существует также аппаратура для определения электрического сопротивления бетона в основу которой заложены принципы использованные в геофизическом приборе типа КМБК-3. Прибор состоит из блока питания фильтра усилителя мощности генератора стабилизатора тока автокомпенсирующего усилителя электродов и вольтметра. На вольтметре записывается кривая изменения напряжения на электродах но так как измерительный ток стабилизированный то есть имеет неизменную величину кривая напряжения отражает изменения электропроводности (электросопротивления) бетона. Поскольку величина тока известна возможно протаривать шкалу вольтметра и получить не только качественную но и количественную кривую электропроводности. Г.Д. Алферовым был создан прибор где в качестве датчиков были использованы масспотенциометры представляющие собой цилиндры диаметром 8 мм в которые впаяны 2 электрода. Измеряется электросопротивление жидкой фазы бетона. Им установлен оптимальный момент для начала повторного вибрирования соответствующий минимуму кривой электросопротивления масспотенциометра. Для установления оптимальной продолжительности цикла повторной вибрации была предложена эмпирическая зависимость. Однако несовершенство описываемого прибора состоит в том что использование датчиков масспотенциометра при контроле структурообразования бетона с объемным весом 2 4 наиболее широко применяемых в строительстве сдерживается малым содержанием жидкой фазы так как вода в основном находится в связанном состоянии.
Сотрудниками НИИЖБ был создан прибор для автоматического фиксирования экстремальной точки на кривых электросопротивления. В качестве регулирующего прибора был использован серийный прибор мостовой схемы типа МСР-1 с соответствующими изменениями для работы с частотой в диапазоне выше 5 КГц. Был также смонтирован блок питания дающий измерительный ток плотностью 100 мкАсм2 и частотой от 5 КГц и выше. Для фиксации минимума электросопротивления было применено механическое дифференцирующее устройство состоящее из рычага укрепленного неподвижно на вал реверсивного двигателя прибора МСР-1 и двух упоров на контактных дисках позиционного регулирования. На контактных дисках укрепляются регулирующие контакты фиксирующие появление минимума и замыкающиеся в момент повышения электросопротивления после прохождения минимума. Но как показали испытания этого прибора проведенные на Калининском домостроительном комбинате механический экстрематор не удовлетворяет технологическим требованиям при фиксации минимума электросопротивления что в свою очередь приводит к несвоевременному включению повторного вибрирования что приводит к снижению качества изготовляемой продукции вместо ожидаемого повышения.
2. Выбор метода контроля структурообразования
Из анализа проведенного в 1.1 выявлено что в настоящее время не существует метода который можно было бы без модификации использовать для устройства автоматического контроля структурообразования бетона. Необходимо выбрать метод и соответствующим способом модифицировать его для использования на практике при разработке автоматического устройства.
На данный момент из проанализированных методов контроля структурообразования бетона наиболее приемлемым можно считать метод контроля основанный на измерении электропроводности бетона. Этот метод во-первых является непосредственным при контроле структурообразования бетона т.к. формообразование кривой зависит от физико-химических процессов происходящих в бетоне. Во-вторых метод электропроводности позволяет фиксировать кинетику структурообразования непосредственно на самопишущих приборах без каких-либо тарировочных кривых. Моменты качественных изменений в структуре бетона соответствуют экстремальным точкам на кривых электропроводности. В-третьих этот метод очень удобен при разработке устройства так как выходная величина (напряжение) легко поддается считыванию и регистрации и соответственно нет необходимости создавать устройство преобразующее неэлектрическую выходную величину первичного измерительного преобразователя в электрическую величину для контроля и обработки.
Из сказанного выше следует что метод электропроводности бетона является наиболее пригодным для целей автоматизированного контроля однако он требует соответствующих модификации что и осуществлено в данном дипломном проекте.
3 Выводы и постановка задачи проектирования
В настоящее время не существует устройства дающего возможность не только регистрировать физико-химические процессы происходящие при структурообразовании бетона но и автоматически контролировать начало схватывания бетона без каких-либо вычислений поскольку в этом случае они не будут ограждены от фактора субъективной оценки процессов. В следствие чего необходима автоматическая измерительно-управляющая система которая не требовала бы дополнительного вмешательства оператора.
На существующей аппаратуре появление экстремальных точек на кривых электропроводности да и сами кривые фиксируются нестабильно и имеют большой разброс по своей форме что чрезвычайно затрудняет анализ получаемых кривых. Объяснить такой разброс можно тем что исследователи при определении электропроводности бетона использовали либо постоянный ток либо ток небольшой плотности.
Для создания автоматического устройства контроля структурообразования бетона необходимо модифицировать известные методы измерения электропроводности бетона таким образом чтобы стабильно и автоматически определять в начальный период твердения бетона опорную точку для начала процесса повторного вибровоздействия.
Исходя из вышесказанного в дипломном проекте предлагается разработка автоматического устройства контроля структурообразования бетона позволяющего на основе измерения его электропроводности определять момент включения вибратора для осуществления повторного переформирования.
Для этого необходимо:
-математически обосновать методику отыскания точки качественного перелома процесса структурообразования бетона на основе измерения его электропроводности;
-разработать функциональную и принципиальные электрические схемы автоматического устройства контроля структурообразования бетона который позволяет автоматически определять момент качественного перелома процесса структурообразования бетона.
4 Разработка теоретических основ контроля структурообразования бетона по его электропроводности
Многочисленные экспериментальные исследования описанные в 1.1 показывают что общая закономерность изменения проводимости бетонной смеси после затворения имеет вид приведённый на рис. 1.4.
Рис. 1.4 Зависимость электропроводности бетонной смеси во времени
Как видно кривая имеет ярко выраженный экстремум наступающий в момент времени t0. Именно этот момент соответствует точке на временной оси при которой наступает так называемый «тиксотропный период» в который и необходимо производить переформирование бетонной смеси.
Таким образом задача устройства контроля состоит в определении точки экстремума зависимости измеренной электропроводности и подачи команды на включение вибратора. Из математики известно что точка экстремума функции может быть легко определена по изменению знака первой производной данной функции. Однако попытки использовать такой метод не привели к успеху поскольку задача осложняется наложением на кривую электропроводности скачкообразных помех и медленным протеканием процесса (экстремальная точка появляется через 15 25 часа с момента начала отсчета). Реальный характер изменения электропроводности бетонной смеси по экспериментальным данным полученным Г.С. Табуновой в НИИЖБе приведён на рис. 1.5. Как видно зависимость сильно «зашумлена» помехами что приводит к многократному изменению знака первой производной в течение всего процесса контроля и делает невозможным выявление реальной точки экстремума.
Рис. 1.5 Реальная зависимость изменения электропроводности бетонной смеси
Таким образом можно сформулировать общий принцип функционирования автоматического устройства контроля структурообразования бетона который заключается в непрерывном измерении электропроводности бетонной смеси и анализе полученных данных с целью определения кинетики протекающего процесса и необходимости вмешательства в него. В связи с этим такое устройство должно содержать измерительный и анализирующий блоки. Для разработки и создания устройства прежде всего необходимо разработать математическую модель анализирующего блока. Анализирующий блок должен проводить анализ медленно текущего процесса изменения электропроводности и принимать решение о наступлении экстремальной точки поэтому по сути своей он является устройством поиска экстремума кривой электропроводности. По этой причине в дальнейшем будем называть его - экстрематор.
Для быстротекущих процессов экстрематоры строятся с накопителем информации на аналоговом элементе и устройством регистрации изменения знака производной однако в условиях медленно протекающих процессов аналоговые устройства неприменимы так как не могут длительное время стабильно сохранять записанную на аналоговых элементах (например конденсаторах) информацию особенно в условиях повышенной влажности и помех в цепях питания.
Большей точностью обладают экстрематоры позволяющие преобразовать кривую в совокупность цифровых значений. Эти значения запоминаются и обрабатываются в цифровых устройствах памяти и сравнения которые в свою очередь легко программируются на экстремумы различных видов.
Следовательно задача разработки математического аппарата для экстрематора заключается в том чтобы разработать код и алгоритм цифрового вычислительного блока позволяющего по двум признакам определить два класса входных сигналов соответствующих состоянию кривой до экстремума и после него.
Пусть мы имеем кривую распределения некоторых значений в нашем случае зависимости электропроводности от времени представленную на рис. 1.6.
Рис. 1.6 Формирование совокупности признаков по кривой с экстремальной областью
Проводя отсчеты в момент времени t1 t2 t3 tn получаем некую совокупность значений электропроводности g1 g2 g3 gn.
Зная что t2 - t1= t3 - t2= ; tn - tn-1=Dtn-1; примем что Dt1= Dt2= Dt3= Dtn-1= Dt т. е. отсчет будет проводиться через равные промежутки времени. Аналогично g2 - g1= g3 - g2= ; gn - gn-1=Dgn-1. Известно что численное значение первой производной приблизительно равно
Поэтому что означает что в условиях равных отсчетов численное значение и знак касательной прямо пропорциональны разнице абсолютных значений электропроводности в данных точках.
Вполне очевидно что для всех отсчетов до экстремальной точки и соответственно . Для удобства реализации экстрематора можно пренебречь абсолютными значениями и регистрировать только ее знак. Зададимся что событие соответствует символу 0 событие соответствует символу 1. В таком случае кривая на рис. 1.6 преобразуется в единичную функцию приведённую на рис. 1.7.
Рис. 1.7 Совокупность признаков гладкой кривой с экстремальной областью
Или если учесть что отсчёты дискретны то совокупность значений
можно представить как совокупность 0000 01 111. Это означает что для случая кривой на рис. 1.6 при условии отсутствия помех событие прохождения экстремума соответствует изменению знака производной.
На процесс изменения электропроводности накладываются различные деструктивные помехи. Электрический ток в дисперсной среде характерной для начальной фазы гидратации бетона протекает по определенным каналам электропроводимости формируемым в процессе его протекания. Это определяется тем что раствор в основном существует в виде пленок покрывающих дисперсные частицы включения большого числа неэлектропроводящих структур наличия пузырьков воздуха. Для отдельных случаев модель формирования каналов электропроводности рассмотрена строго математически в работе В.А. Воробьева и др. [9] где анализируется влияние цепочек электропроводящих включений на электрические свойства основного материала. Однако в начальный период гидратации происходят интенсивные деструктивные процессы разрушающие отдельные каналы проводимости и создающие новые. На кривой электропроводности деструктивные процессы проявляются в виде скачкообразных изменений затрудняющих оптимизацию кривой (см. рис. 1.5). Деструктивные помехи проявляют себя не только скачкообразными изменениями электропроводности но и регистрируются акустически нарастанием поверхностных трещин и другими способами. Следовательно в реальных кривых на процесс изменения электропроводности накладываются скачкообразные деструкциооные и прочие помехи затрудняющие распознавание экстремума.
Совокупность знаков производных в точках отсчета для реальных кривых за все время измерений есть 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 Признаки первого и второго события с определенной вероятностью распределены по всему времени измерения. При предъявлении в порядке очередности реальной совокупности признаков цифровое вычислительное устройство должно выделить среди них ту группу признаков которая соответствует границе разделения классов.
В такой постановке задача нахождения экстремума соответствует задачам по статистической теории распознавания где по совокупности некоторых априорно заданных признаков принимают с определенной степенью вероятности решение о принадлежности предъявляемого объекта к одному из априорно заданных классов.
На вход распознающего автомата поступает реализация из числа распознаваемых объектов (в нашем случае величина электропроводности). Функцией воспринимающего устройства является представление конкретных физических характеристик объекта (признаков) в виде совокупности электрических сигналов. Следовательно воспринимающее устройство осуществляет преобразование результатом которого является формирование сигнального кода – описания реализации.
Следовательно разрабатываемое устройство в соответствии с принятым в данной схеме правилом решения (критерием распознавания) осуществляет отождествление предъявленной реализации с одним из эталонов. В результате работы устройства на выход автомата поступает сигнал 1 или 0 если все вероятности гипотез не удовлетворяют критерию распознавания.
Одним из основных критериев оценки работы устройства является величина вероятной ошибки распознавания Р(e). Под улучшением качества распознования будем понимать уменьшение средней вероятности ошибки распознования.
При создании кода решаются следующие относительно самостоятельные задачи:
-предварительный выбор некоторой совокупности признаков;
-определение вероятностных характеристик выбранной совокупности признаков P[
-количественный анализ признаков и окончательное определение совокупности признаков которые необходимо использовать в процессе распознования (минимизация описания классов).
Определение вероятностных характеристик заданных классов представляет собой построение распределений вероятностей значений признаков для каждого из классов и распределение вероятностей классов по ограниченной выборке. Если случайная природа классов и шумы сопровождающие процесс распознования носят стационарный характер то есть не меняют своих параметров с течением времени то процесс создания кода можно охарактеризовать следующим выражением:
где - – вероятность ошибки распознования при выборке объема реализации;
- – вероятность ошибки распознования при полностью известных распределениях и определенных на основании генеральной совокупности реализации объема T.
В основе распознования любых объектов лежит сравнение их признаков с априорными характеристиками. Основные трудности в получении априорных сведений заключаются в обработке экспирементальных распределений с учетом статистических связей. Однако не всегда имеется практическая возможность получения представительной выборки для всех признаков и классов. Поэтому рассмотрим некоторые вопросы обработки экспериментальных данных когда выборка ограничена по причинам не зависящим от исследователя. Предположим что имеются основания считать признаки независимыми так что априорные сведения могут быть представлены совокупностью одномерных распределений признаков.
Результаты экспериментов представленные в виде таблиц при небольших выборках лишь весьма приближенно отражают действительные статистические характеристики признаков. Поэтому основная сложность заключена в нахождении непрерывной функции распределения по возможности наиболее полно отражающей распределение генеральной совокупности.
Если же функция распределения признака известна и требуется определить по экспериментальным данным только ее параметры то обработка результатов экспериментов сводится к расчетам моментов.
где – математическое ожидание случайной величины; - j-ое значение признака; n – общее число измерений; – число j-х значений признака.
Дисперсия распределения – второй центральный момент
Если предположить что закон распределения нормальный то
На практике часто заранее неизвестно существует ли между признаками статистическая связь или они могут рассматриваться как независимые случайные величины. Для проверки этого между любыми парами признаков необходимо найти попарные экспериментальные коэффициенты корреляции.
Достаточно общий и строгий анализ составления программ распознающих систем требует привлечения сложного математического аппарата. Ограничимся в нашем случае несколько упрощенным рассмотрением вопроса так как распознаванию подлежат два класса по одному признаку с нормальными распределениями значений признаков.
Минимально возможная в данных условиях вероятность ошибки
где – порог установленный по генеральным совокупностям (истинным распределениям) значений признаков.
Иногда целесообразно вместо прямого интегрирования распределения признаков применять способы косвенной оценки вероятности ошибки одним из которых является метод интегрирования отношения правдоподобия.
Введем понятие отношения правдоподобия:
Если распознаваемый объект относится к первому классу то отношение правдоподобия распределено некоторым вполне определенным образом. Плотность такого распределения обозначим . При условии что объект объект относится ко второму классу плотность распределения которого . Отсюда вероятность ошибки при распознавании объектов первого класса равна
Вероятность ошибки распознавания обоих классов составляет
Определим вероятность ошибки распознавания двух классов объектов распределения признаков которых описываются нормальными законами – вектор среднего значения признаков i-го класса а V – ковариационная матрица одинаковая для обоих классов. Плотность распределения значений признаков i-го класса равна
где – определитель матрицы V; – матрица обратная V; – вектор транспонированный относительно.
Отношение правдоподобия в рассматриваемом случае
В случае нормальных распределений удобно пользоваться не отношением правдоподобия а его логарифмом
Если объект относится к первому классу распределен то логарифм отношения правдоподобия распределен нормально с математическим ожиданием
где a - дивиргенция определяемая как мера трудности разделения двух классов по заданным признакам. Если объект относится ко второму классу распределен то распределен нормально с той же дисперсией что и в первом случае и с математическим ожиданием
Таким образом имеются два нормальных распределения и пересекающиеся в одной точке. Если считать что то вероятность ошибки составит
Поэтому зная что характер распределения признаков нормальный мы можем оценить ошибку расчетным образом.
Итогом работы распознающей системы на каждом цикле распознавания является принятие решения о принадлежности заданной реализации к конкретному классу. Это решение принимается в соответствии с решающей схемой которая используется в данной распознающей системе. Решающая схема представляем собой алгоритм по которому на основании анализа значений признаков каждой реализации делается вывод о том к какому классу принадлежит эта реализация. В большинстве практических задач распределение вероятностей значений признаков пересекаются поэтому ошибки при распознавании являются неизбежными. Следовательно в основу решающей схемы могут быть положены такие критерии которые минимизируют либо среднюю ошибку распознавания либо ошибку распознавания по каждому классу либо риск распознавания. Разберем один из критериев распознавания. Изменением порогового значения X0 можно уменьшить одну из указанных ошибок но только за счет увеличения другой. Поскольку критерий решения определяет выбор пороговых значений выбор критерия сводится к выбору соотношения между ошибками распознавания. В частном случае равномерных распределений признаков изменение сопровождается таким перераспределением при котором вероятность суммарной ошибки распознавания остается постоянной. В общем случае вероятность суммарной ошибки является функцией порогового значения X0.
Если обе ошибки имеют равную значимость или равную цену то оптимальным критерием будет такой который минимизирует вероятность суммарной ошибки.
Минимум обеспечивает «критерий идеального наблюдателя». Данный критерий требует выбора такого значения X0 при котором выполняется равенство
Часто используется несколько иная форма записи с помощью отношения правдоподобия
Отношение правдоподобия очевидно является функцией X и критерий может характеризоваться пороговым значением L0. Для критерия идеального наблюдателя
Гипотеза h1 о принадлежности объекта к классу А1 принимается при а гипотеза h2 – при .
Условие вероятности гипотез определяются из выражений
где - плотность признака при всех актах распознавания - функции правдоподобия.
Из данных выражений следует что
Таким образом критерий идеального наблюдателя требует принимать решение в пользу той гипотезы вероятность которой в данном акте распознавания наибольшая. Например принимается гипотеза h1 если
Следовательно алгоритм решающей схемы должен реализовывать это соотношение с учетом предыдущего равенства.
Для снижения ошибки классификации объекта применяется метод накопления. Его сущность заключена в том что решение принимается не по одному отсчету а по нескольким. Это соответствует тому что распознавание по n отсчетам эквивалентно распознаванию по одному отсчету некоторого множества n независимых признаков.
Качественно вероятность ошибки распознавания от числа независимых отсчетов можно оценить следующим образом. Вероятность ошибки распознавания по одному отсчету при двух классах равна.
Тогда при распознавании по n отсчётам получим
где – вероятность ошибки распознавания по K -тому отсчету.
Если считать что то вероятность ошибки определяется следующим образом
Учтя что в случае если получим
С помощью выражения (1.34) нельзя точно определить вероятность поскольку Lк для различных отсчетов не будут равными. Однако полученное выражение дает возможность с определенной степенью точности определить изменение вероятности ошибки распознавания при увеличении числа отсчетов.
Основным вопросом при распознавании по многим отсчетам является выбор временного интервала между отсчетами. При распознавании сигналов интервал можно выбрать так что корреляция между соседними отсчетами будет либо положительной либо отрицательной либо нулевой. Нас интересуют в основном отрицательные значения соответствующие нарастанию вероятности определяющего признака. В уравнении учтя что признак классов стационарен дивиргенция определится
где r – коэффициент корреляции между замеренными значениями.
Таким образом предполагая что распределение признаков нормальное в соответствии с приведенной выше методикой можно оптимизировать код экстрематора. Определив по экспериментальным данным корреляционный коэффициент в зависимости от принятого временного интервала и затем увеличением числа отсчетов снизив ошибку до допустимой величины получим оптимальный код экстрематора. Он состоит из величины временного интервала и (X1X2 Xn) числа отсчетов соответствующих в данном случае признакам опознаваемых классов. Вероятность допустимой ошибки определяет возможность появления среди признаков наиболее вероятного класса определенного количества признаков противоположного класса.
Экспериментально полученные кривые в реальных заводских условиях чаще всего представляют собой отрезки кривых которые хотя и можно аппроксимировать нормальным распределением удобно анализировать графоаналитическим способом с учетом изложенных выше положений.
Если принять что отсчет признаков начался в момент и закончился при то суммарная ошибка распознавания определится как
Поскольку мы не определяем характера распределения и следовательно не знаем аналитической формы то интеграл будет вычисляться по правилу трапеции. Разбиваем отрезок на произвольные равные интервалы и определяем совокупность значений тогда
Рассчитав подобным методом величину ошибки и подставив ее в выражение (1.37) определяем задавшись допустимой величиной минимальной ошибки: разделимы ли предъявленные классы на данном экстрематоре и если классы разделимы то необходимое для этого минимальное количество отсчетов.
Как уже было рассмотрено увеличение числа признаков при распознавании события резко снижает ошибку. По выражению (1.37) наглядно видно что при наличии 10 отсчетов (признаков) любая реальная ошибка становится мала. Ошибка по теории статистического распознавания не может быть больше 05. Реальные ошибки при распознавании экстремальных точек по экспериментальным данным варьируются в пределах 03 – 05 при одном отсчете (признаке). Получив из выражения необходимое число отсчетов определяем интервал между ними как математическое ожидание полупериода пульсаций помех на экспериментальной кривой. Выбор такого интервала обладает наилучшими коррелирующими свойствами. Задавшись двумя параметрами как то число отсчетов и интервал между ними можно просчитать вероятность гипотезы о прохождении экстремума.
Из выражения (1.38) видно что наиболее вероятна гипотеза о прохождении экстремума если
Анализ вероятностей в экстрематоре осуществляется дискретным путем поэтому их соотношения должны удовлетворять одному из ряда значений типа . Определив величину для полученных параметров сравниваем ее с рядом допустимых соотношений. Если величина меньше чем минимально возможное соотношение вероятности прохождения экстремума то мы передвигаем влево на один интервал определение вероятностей и подсчитываем новое .
Если полученное опять не соответствует допустимым значениям далее сдвигаем влево интервал отсчета. Сдвиг продолжаем до тех пор пока не стане равным либо больше минимально допустимого соотношения прохождения экстремума. Получив таким образом ту точку в которой решающее устройство выдает сигнал что экстремум прошел определяем величину запаздывания регистрации равную . Если это значение допустимо по технологическим причинам то считаем код экстрематора составленным. Если запаздывание велико то уменьшаем интервал хотя это и ухудшает коррелирующие свойства и проводим расчет повторно. Таким образом методом последовательных приближений составляем оптимальный код экстрематора. Полученный код отрабатываем и корректируем экспериментально. В качестве примера приведем расчет кода экстрематора для кривой изображенной на рис. 1.8. Значения а также первые производные в точках отсчета сведены в табл. 1.1
Табл 1.1 (продолжение)
Рис. 1.8 Пример изменения входного сигнала экстрематора
По таблице можно построить кривые распределения признаков. В точке мин согласно критерию располагается экстремальная точка. Методом трапеций определяем
что свидетельствует о разделимости классов при использовании десяти отсчетов. Математическое ожидание полупериода пульсации помех откуда
Вероятность прохождения гипотезы при первом цикле измерения составит
Минимальное допустимое соотношение вероятности прохождения экстремума при десяти отсчетах. Значит следовательно сдвигаем суммарный интервал расчета вероятности прохождения экстремума влево до значений 134 – 143 мин.
сдвигаем суммарный интервал расчета вероятности прохождения экстремума влево до значений 135 – 144 мин.
сдвигаем суммарный интервал расчета вероятности прохождения экстремума влево до значений 138 – 147 мин.
Таким образом решающее устройство выдает управляющий сигнал в момент времени Запаздывание в выдаче управляющего сигнала составит 9 мин. что является допустимым в условиях такого медленно протекающего процесса.
На основании проведённых теоретических исследований и экспериментов выполненных Г.С. Табуновой можно сформулировать основные параметры для построения схемы экстрематора:
-число отсчетов в выборке
-интервал между отсчетами
-минимальное соотношение определяющее прохождение гипотезы экстремума (6 нулей и 4 единицы).
На основании сформулированных параметров была произведена разработка функциональной и принципиальных электрических схем устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий выпускаемых по кассетной технологии.
5 Функциональная схема устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий
Функциональная схема устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий приведена на листе 3.
Схема состоит из генератора разнополярных импульсов – 1; генератора тока – 2; датчика в виде электродов – 3; входного усилителя – 4; инвертирующего усилителя – 5; линейного выпрямителя – 6; пикового детектора – 7; устройства управления – 8; регистра памяти – 9; счётчика выборки – 10; счётчика состояний – 11; устройства сравнения I – 12; аналого-цифрового преобразователя – 13; таймера времени вибрации – 14; устройства сравнения II – 15; задатчика – 16 и блока питания – 17.
Датчик представляет собой корпус на котором размещаются два ряда конусообразных электродов по три электрода в каждом ряду. Электроды каждого ряда соединены электрически параллельно и при помощи разъёма подсоединены к экранированному кабелю который соединяется с устройством. Возможная конструкция датчика приведена на рис. 1.9.
Рис. 1.9 Возможная конструкция датчика
Устройство управления повторным переформированием железобетонных изделий работает следующим образом:
Генератор разнополярных импульсов - 1 вырабатывает прямоугольные импульсы переменного тока симметричные относительно общего провода. Применение импульсов переменного тока позволяет исключить эффект поляризации который наблюдается в среде содержащей воду при пропускании через неё постоянного тока. Импульсы переменного тока поступают на генератор тока – 2 который вырабатывает сигнал совпадающий по форме с входным сигналом но обладающий стабильной величиной тока. Поскольку для определения точки экстремума необходимо контролировать изменение сопротивления бетонной смеси то используя сигнал со стабильным значением тока изменение сопротивления будет соответствовать изменению напряжения на электродах – 3.
Импульсы переменного стабильного тока поступают на электроды – 3 с которых снимается переменное напряжение пропорциональное изменению сопротивления бетонной смеси. Это напряжение усиливается входным усилителем – 4 характерной особенностью которого является высокое входное сопротивление что предотвращает его влияние на результаты измерения. Выход входного усилителя – 4 соединён с входом инвертирующего усилителя который преобразует изменение входного напряжения имеющего форму аналогичную приведённой на рис. 1.8 в более удобную для обработки (типа приведённой на рис. 1.5). С инвертирующего усилителя – 5 переменное напряжение поступает на линейный выпрямитель – 6 который линейно преобразует переменное напряжение в постоянное. Необходимость линейного выпрямителя обусловлена тем что диоды входящие в обычные мостовые выпрямители обладают нелинейной характеристикой сопротивления в зависимости от амплитуды выпрямляемого напряжения. Линейный выпрямитель позволяет компенсировать эту нелинейность.
С выхода линейного выпрямителя постоянное напряжение пропорциональное изменению сопротивления бетонной смеси поступает непосредственно на экстрематор в состав которого входят блоки 7 16.
Экстрематор функционирует следующим образом:
По команде устройства управления – 8 пиковый детектор - 7 запоминает значение напряжения поступающего с линейного выпрямителя – 6. Применение пикового детектора позволяет зафиксировать значение напряжения на время достаточное для его преобразования в цифровой код. Далее при осуществлении первого измерения устройство управления подаёт команду на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 13 для начала преобразования напряжения в цифровой код. Когда преобразование закончено АЦП подаёт команду на устройство управления – 8 которое в свою очередь подаёт команду на регистр памяти – 9 для записи кода с АЦП. На этом процедура первого измерения заканчивается после чего устройство управления – 8 изменяет настройки системы для проведения последующих измерений. Через одну минуту после проведения первого измерения устройство управления - 8 снова повторяет описанную процедуру но после появления кода на выходе АЦП соответствующего второму измерению происходит сравнение результатов первого измерения хранящегося в регистре памяти – 9 и результатов текущего измерения находящегося на цифровых выходах АЦП – 13 при помощи устройства сравнения I. Если результат текущего измерения больше чем результат предыдущего измерения то по команде устройства управления – 8 в счётчик состояний записывается единица в противном случае запись единицы не производится. После окончания процедуры сравнения устройство управления – 8 подаёт команду на счётчик выборки – 10 который увеличивает своё состояние на единицу одновременно с этим результат текущего сравнения с выходов АЦП переписывается в регистр памяти. Далее процедура соответствующая второму измерению повторяется десять раз.
По окончании десятого измерения счётчик выборки – 10 подаёт команду на устройство сравнения II которое сравнивает состояние счетчика состояний – 11 с заданным значением устанавливаемым задатчиком – 16. В соответствии с основными параметрами для построения схемы экстрематора сформулированными в 1.4 при числе отсчетов в выборке и интервале между отсчетами равными 1 мин минимальное соотношение определяющее прохождение гипотезы экстремума составляет (6 нулей и 4 единицы). Т.е. если после десяти отсчётов в счётчике состояний будет записано не менее шести единиц (т.е состояние счётчика будет на менее 6) то с вероятностью ошибки 0000671 экстремум на кривой изменения сопротивления бетонной смеси наступил.
В этом случае устройство сравнения II - 15 подаёт команду на включение вибратора а таймер времени вибрации – 14 задаёт время в течение которого происходит вибрирование железобетонного изделия.
Если же за десять измерений состояние счётчика состояний – 11 будет меньше 6 то устройство управления - 8 обнуляет этот счётчик а также счётчик выборки – 10. После чего осуществляются следующие десять измерений.
Описанная выше процедура повторяется до тех пор пока не определится гипотеза прохождения экстремума (6 нулей и 4 единицы) и не будет выполнена операция повторного переформирования данного железобетонного изделия. После этой операции датчик извлекается из изделия а образовавшиеся на нём отверстия заделываются раствором после чего можно обрабатывать новое изделие.
6 Принципиальные электрические схемы устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий
Принципиальные электрические схемы устройства управления повторным переформированием железобетонных изделий строятся по блочно-модульному принципу и выполнены в виде типовых элементов замены (ТЭЗ).
6.1 Принципиальная электрическая схема генератора разнополярных импульсов и генератора тока
Принципиальная электрическая схема генератора разнополярных импульсов и генератора тока приведена на листе 4.
Генератор разнополярных импульсов реализован на операционном усилителе DA1.1.
Принцип работы генераторов прямоугольных импульсов как и вообще всех генераторов основан на использовании цепи положительной обратной связи в операционном усилителе. Однако в отличие от генераторов синусоидальных колебаний такие схемы обычно имеют только активное сопротивление в цепи положительной обратной связи.
Простейшая схема генератора прямоугольных импульсов показана на рис. 1.10 [10]. В этой схеме неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с выходом через резистивный делитель R2 R1 так что коэффициент передачи сигнала по петле положительной обратной связи равен
Рис. 1.10 Простейший генератор прямоугольных импульсов
Операционный усилитель с таким включением представляет собой самовозбуждающийся автогенератор амплитуда выходного напряжения которого периодически изменяется между предельными уровнями определяемыми насыщением выходного каскада операционного усилителя. Время в течение которого амплитуда выходного сигнала остается постоянной равной одному из значений напряжения насыщения U+нас или U-нас и зависит от номиналов элементов схемы. Справедливы следующие выражения для определения времени пребывания схемы в одном из устойчивых состояний:
где t1 и t2 – время в течение которого величина выходного напряжения схемы равна значению положительного и отрицательного уровней ограничения соответственно; - коэффициент определяемый из выражения (1.40).
Если уровни ограничения выходного напряжения одинаковы что имеет место практически для всех типов операционных усилителей то времена t1 и t2 определяемые из выражений (1.41) и (1.42) равны между собой и выходные импульсы симметричны. В этом случае период генерируемого сигнала можно определить из выражения
Для того чтобы иметь возможность изменять длительность положительных и отрицательных импульсов выходного сигнала генератора (регулировать коэффициент заполнения) можно в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя использовать переменный резистор и два диода (рис. 1.11).
Рис. 1.11 Генератор с регулируемым коэффициентом заполнения
В такой схеме обеспечивается регулировка коэффициента заполнения выходных импульсов генератора почти во всем 100%-ном диапазоне.
Схема работает следующим образом. Когда выходное напряжение операционного усилителя включенного в режиме компаратора находится на высоком уровне U+нас диод VD1 открыт диод VD2 закрыт и конденсатор С заряжается до тех пор пока напряжение на обоих входах операционного усилителя не станет одинаковым В этот момент выходное напряжение компаратора достигает низкого уровня диод VD1 закрывается а диод VD2 открывается и конденсатор С начинает разряжаться. Когда напряжения на входах операционного усилителя снова сравняются компаратор снова переключается и весь цикл работы схемы повторяется. Резистор R3 обеспечивает необходимую для самовозбуждения генератора положительную обратную связь.
Длительность выходного импульса схемы можно определить из выражения
где К = 0 - 1 - коэффициент показывающий в каком положении находится движок потенциометра; Uд - прямое падение напряжения на диоде VD1.
Выражение для интервала времени между импульсами имеет вид
Выражения (1.44) и (1.45) справедливы при условии что R3 = R1 максимальный и минимальный уровни выходного напряжения одинаковы и равны по модулю U+нас а прямые падения напряжения на диодах равны между собой. Тогда коэффициент заполнения выходных импульсов генератора определяется как
Предельные значения коэффициента заполнения получаются из выражения (1.46) при подстановке соответственно К = 0 и К = 1;
Таким образом подстраивая резистор R1 (рис. 1.11) добиваются полной симметричности отрицательной и положительной составляющих переменного напряжения.
Как уже отмечалось для того чтобы контролировать изменение сопротивление бетонной смеси через неё необходимо пропускать стабильный по величине ток тогда изменение напряжения на электродах будет пропорционально изменению сопротивления.
Для обеспечения этого в схеме используется генератор тока переменного напряжения выполненный на операционных усилителях DA1.2 DA2.1 DA2.2 и транзисторах VT1 и VT2.
Независимо от конструктивного исполнения любой источник тока состоит из одних и тех же функциональных узлов приведённых на рис. 1.12 [11].
Рис. 1.12 Функциональная схема источника тока
Это первичный источник питания регулирующий элемент датчик тока и нагрузка. В большинстве конструкций используется также цепь обратной связи соединяющая датчик тока с регулирующим элементом. Ток в нагрузке устанавливается изменением параметров цепи обратной связи или датчика тока.
Если ток в цепи обратной связи достаточно мал что обычно выполняется на практике то через последовательно соединенные источники питания датчик тока регулирующий элемент и нагрузку протекает одинаковый ток. При этом условии практически любой вариант схемы получается перестановкой последовательно соединенных узлов и выбором точки заземления. Если же ток в цепи обратной связи соизмерим с током в основной цепи необходимо учитывать появление погрешностей при установке нужного тока в нагрузке. Однако существуют схемные решения в которых ток обратной связи протекает как через датчик тока так и через нагрузку что компенсирует возникновение ошибки.
В качестве регулирующего элемента в практических схемах обычно применяют одиночные или чаще составные транзисторы в качестве датчика тока - резистор или диод.
В нашем случае требуется сформировать в нагрузке ток переменный как по величине так и по направлению. Для таких применений хорошо работает схема [12] приведенная на листе 4. Эта схема может быть получена из общей функциональной схемы рис. 1.12 при условии что два одинаковых источника тока - один для тока положительной полярности а другой для отрицательной - работают на общий датчик тока (резистор R23) общую нагрузку и имеют общую цепь обратной связи. В этой схеме выходной ток Iн в точности повторяет форму входного напряжения Uвх и определяется выражением
Недостатком базовой схемы (без использования выходного каскада на транзисторах VT1 и VT2) являются жесткие ограничения на величину выходного напряжения связанные с максимальным выходным напряжением операционного усилителя и определяемые неравенствами
В то же время для получения напряжения на электродах которое уверенно может преобразовываться АЦП амплитуда импульсов на выходе генератора тока должна быть значительной. Для достижения этого в базовую схему был введён усилитель.
Усилитель собран на двух последовательно соединенных транзисторах VT1 и VT2 разной структуры. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером что позволило получить коэффициент передачи по напряжению больше единицы. Выходной сигнал снимается с точки соединения коллекторов транзисторов.
Напряжения смещения на базах транзисторов создаются цепочкой резисторов R11 R12 R13. Ток покоя каскада устанавливают исходя из минимальной мощности потребляемой каскадом и обеспечения стабильности его работы.
Входом усилителя является средняя точка цепочки резисторов смещения. Резисторы R21 и R22 включенные между эмиттерами транзисторов и проводниками цепи двуполярного источника питания создают местную отрицательную обратную связь что способствует некоторому повышению стабильности.
Резисторы R16 и R20 являются токоотводящими элементами и служат для уменьшения влияния изменения параметра IКБ0 транзисторов под действием температуры на стабильность выходного нуля усилителя. Чтобы уменьшить дрейф нуля на выходе усилителя вызываемый изменением этого тока из-за неравномерного прогрева транзисторов их для выравнивания температур необходимо установить на общий теплоотвод возможно ближе друг к другу.
Подбором резистора R19 регулируют начальное смещение выходного нуля усилителя что необходимо для его балансировки. Подстроечным резистором R18 обеспечивают начальный ток транзистора VT1 добиваясь нуля на выходе усилителя. Нулевое напряжение на входе усилителя устанавливают подстроечным резистором R12.
Амплитуда выходного напряжения усилителя ограничивается предельно допустимыми для транзисторов значениями напряжения Uкэ макс и в случае применения транзисторов КТ815 КТ814 может достигать ±32В.
Генератор тока соединяется с электродами через разъём Х1 а далее при помощи экранированного кабеля для устранения наводок которые могут возникнуть при работе устройства в условиях цеха завода по производству железобетонных изделий.
6.2 Принципиальная электрическая схема входного усилителя инвертирующего усилителя линейного выпрямителя и пикового детектора
Принципиальная электрическая схема входного усилителя инвертирующего усилителя линейного выпрямителя и пикового детектора приведена на листе 5.
Изменяющееся в соответствии с изменением сопротивления бетонной смеси напряжение с электродов поступает на входной усилитель. Для предотвращения влияния входного сопротивления усилителя на величину напряжения на электродах оно должно иметь большое значение. Этим требованиям в полной мере отвечает усилитель с регулируемой отрицательной обратной связью [13].
Усилитель выполнен на транзисторной сборке полевых транзисторов DA1 и операционном усилителе DA2.1. При коэффициенте усиления до 10 усилитель обладает входным сопротивлением 1010 Ом. Коэффициент усиления может меняться в достаточно широких пределах с помощью подстроечного резистора R7. Форма АЧХ усилителя линейная при частоте входного сигнала до 50 кГц при этом напряжение шума равно 1 2 мкВ.
При работе устройства на выходе входного усилителя напряжение изменяется в соответствии с рис. 1.8. Для придания этому напряжению формы соответствующей рис. 1.5 которая более удобна для обработки используется инвертирующий усилитель выполненный на операционном усилителе DA2.2. Усилитель выполнен по стандартной схеме нивертирующего усилителя и каких-либо особенностей не имеет.
Для нормальной работы АЦП на него необходимо подать постоянное положительное напряжение для чего переменное напряжение на выходе инвертирующего усилителя необходимо выпрямить. Обычные мостовые схемы выпрямителей не обеспечивают постоянство коэффициента передачи во всём диапазоне изменения входного напряжения из-за нелинейности вольтамперной характеристики диодов на которых они выполняются. Поэтому в измерительных схемах где необходимо точное соответствие входного переменного и выходного постоянного напряжений используются специальные схемы линейных выпрямителей позволяющих линеаризовать их выходную характеристику.
В данной разработке используется линейный выпрямитель [14] который выполнен на двух операционных усилителях DA3.1 DA3.2. DA3.1 выполняет функции детектора а DA3.2 - интегратора. Напряжение получаемое в точке соединения VD1 и R13 содержит положительные полуволны входного сигнала. Этот сигнал суммируется с противофазным входным сигналом. На входе операционного усилителя DA3.2 будет сигнал положительной полярности с амплитудой равной одной трети от амплитуды сигнала действующего на входе. Аналогичная амплитуда будет формироваться от положительной полярности входного сигнала при помощи диода VD2 и сопротивления R14. В результате на выходе операционного усилителя DA3.2 получается постоянное напряжение пропорциональное входному переменному напряжению. Линейность преобразования достигается выбором сопротивлений резисторов из условия R11 = 2R25 и R1 = R16.
В настроенной схеме динамический диапазон преобразования входного сигнала находится в пределах от 10 мВ до 15 В с погрешностью не более 15%; частота входного сигнала в пределах от 0 до 100 кГц.
Поскольку в процессе измерения напряжение на электродах постоянно изменяется и присутствуют достаточно высокочастотные флуктуации обусловленные наложением помех то велика вероятность того что в процессе преобразования напряжения в цифровой код которое выполняет АЦП может резко измениться напряжение что приведёт к погрешности преобразования. Для устранения данной погрешности в схеме используется пиковый детектор который позволяет на некоторое время (достаточное для преобразования АЦП) зафиксировать величину входного напряжения.
Пиковый детектор выполнен на операционных усилителях DA4.1 DA4.2 DA5 и полевом транзисторе VT1. За основу была взята схема приведённая в [15].
Входной сигнал поступает на вход операционного усилителя DA4.1 (вывод 2). С выхода усилителя напряжение поступает на конденсатор С1 и заряжает его. Постоянное напряжение появляющееся при этом на конденсаторе через цепь отрицательной обратной связи (резисторы R19 R18) подается на инвертирующий вход DA4.1. На конденсаторе С1 устанавливается максимальное значение входного сигнала. По мере увеличения напряжения на конденсаторе увеличивается напряжение обратной связи на инвертирующем входе DA5. В результате этого напряжение обратной связи DA5 будет равно амплитуде сигнала на выходе микросхемы DA4.1. Это напряжение может продолжительное время оставаться на конденсаторе поскольку входное сопротивление операционного усилителя DA5 (КР544УД1) высоко благодаря применению на входе полевых транзисторов с изолированным затвором. При подаче положительного импульса на контакт 6 разъёма Х3 (Сброс ПД) происходит шунтирование выходов DA4.1 и DA5 на выходе операционного усилителя DA4.2 появляется положительное напряжение что приводит к открытию сток-истокового перехода транзистора VT1. Происходит быстрый разряд конденсатора С1 после этого конденсатор может вновь запомнить максимальное значение выпрямленного напряжения входного сигнала.
На рис. 1.13 показаны временные диаграммы напряжений на входе (пунктирная линия) и выходе (сплошная линия) пикового детектора.
Рис. 1.13 Временные диаграммы пикового детектора
6.3 Принципиальная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя и устройства управления
Принципиальная электрическая схема аналого-цифрового преобразователя и устройства управления приведена на листе 6.
АЦП выполнен на микросхеме DD5 типа К1113ПВ1 [16] которая является функционально законченным АЦП последовательного приближения работающими с ТТЛ-уровнями. АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения тактовый генератор и компаратор напряжения. Для включения АЦП требуются источники питания и формирователь сигналов управления преобразованием. Режимы работы микросхемы определяются управляющими импульсами. При поступлении на вход «Гашение и преобразование» (Гаш) микросхемы уровня логического нуля АЦП начинает преобразование входной информации. Через время необходимое для преобразования на выходе АЦП «Готовность данных» (Гот) появляется сигнал с уровнем логической единицы разрешающий вывод данных с АЦП. При установке на входе «Гашение и преобразование» АЦП уровня логической единицы происходит «гашение» информации содержащейся в регистре последовательного приближения и АЦП снова готов к приему и обработке входных данных. Аналого-цифровой преобразователь может обрабатывать входную информацию в виде однополярного аналогового напряжения до 10 24 В и двухполярного ±512 В. При включении АЦП в двухполярном режиме вывод 15 (управление сдвигом нуля) должен быть открыт а в однополярном режиме его необходимо соединить с выводом «цифровая земля». Микросхема К1113ПВ1 допускает предварительную установку напряжения смещения нуля. В зависимости от точности регулирования и диапазона необходимой шкалы входного напряжения применяются различные варианты схем регулирования напряжения смещения. Так. при максимальном диапазоне входного сигнала U = 1024В регулировка напряжения смещения проводят переменным резистором 100 200 Ом подключенным между источником сигнала и аналоговым входом 13 а для достижения точности. ±12 единицы младшего значащего разряда - переменным резистором 5 50 Ом подключенным с вывода 14 («аналоговая земля») на «корпус».
Поскольку входы и выходы АЦП предназначены для работы с ТТЛ-логикой а вся цифровая часть схемы реализована на логике КМДП [16] (для повышения помехозащищённости и снижения потребляемой энергии) то для согласования входов и выходов АЦП применены микросхемы преобразователей. Микросхема DD3 типа К561ЛН2 представляет собой преобразователь КМДП-уровня в ТТЛ а микросхемы DD7 и DD8 – преобразователи ТТЛ-уровней в уровни КМДП.
Устройство управления содержит тактовый генератор DD2 счётчик Джонсона с дешифратором в позиционный код DD6 и три RS-триггера управления DD1 DD4.1 DD4.2 и DD9.1 DD9.2.
Триггер DD1 выполняет роль устройства осуществляющего управление всей схемой. При нажатии на кнопку SB1 («Пуск») на выходе DD1.1 появляется уровень логической единицы который поступая через контакт 1 разъёма Х5 разблокирует счётчик выборки и счётчик состояний и разрешает их работу. Одновременно с этим на выходе DD1.2 появляется уровень логического нуля который разрешает работу тактового генератора DD2 и через дифференцирующую цепочку R9 С8 устанавливает триггер DD9.1 DD9.2 в исходное состояние. Тактовый генератор выполнен на микросхеме К176ИЕ12 представляющей собой генератор минутных и секундных импульсов с кварцевой стабилизацией частоты. Через одну минуту после нажатия на кнопку «Пуск» на выходе М DD2 появится импульс уровня логического нуля. Этот импульс при помощи дифференцирующей цепи R5 С5 переключит триггер DD4.1 DD4.2 в состояние при котором на выходе DD4.1 появится уровень логической единицы который пройдя через дифференцирующую цепь R7 С6 запустит АЦП на преобразование. Одновременно с этим на выходе DD4.2 установится уровень логического нуля который разрешит работу счётчика DD6 и разрешит пиковому детектору запомнить напряжение соответствующее сопротивлению бетонной смеси (контакт 16 разъёма Х5).
Через время необходимое для преобразования аналогового напряжения в двоичный код на цифровых выходах АЦП появится двоичный код который поступит на разъём Х5 а на выходе «Гот» АЦП появится ТТЛ-уровень логической единицы. Этот сигнал преобразованный DD7 в КМДП уровень поступит на вывод 11 элемента И-НЕ DD4.3 и разрешит прохождение импульсов частотой 2 Гц с выхода S2 DD2 на счётный вход счётчика DD6. Первый импульс приведёт к появлению логической единицы на выходе 1 которая управляет операцией сравнения кодов с регистра памяти и АЦП. Второй импульс осуществит перезапись двоичного кода с выходов АЦП в регистр памяти подготовив тем самым второе измерение. Третий импульс увеличит на единицу содержимое счётчика выборки а четвёртый импульс переключит триггер DD9.1 DD9.2 и тем самым сформирует сигнал «Пропуск» (контакт 12 разъёма Х5). Поскольку при самом первом измерении в регистре отсутствует двоичный код соответствующий предыдущему измеренному сопротивлению бетонной смеси то уровень логического нуля на выходе DD9.2 запрещает операцию сравнения и увеличения состояния счётчика выборки допуская только запись измеренного значения сопротивления в регистр памяти. Таким образом первое измерение приводит только к запоминанию его результата в регистр и следовательно самый первый цикл будет содержать не десять а одиннадцать измерений. Поскольку триггер DD9.1 DD9.2 является RS-триггером то последующая многократная подача импульсов с выхода DD6 на него не приведёт к изменению состояния данного триггера и все последующие измерения будут обрабатываться в соответствии с полной программой обработки. Триггер DD9.1 DD9.2 вернётся в исходное состояние либо при нажатии на кнопку «Стоп» либо при поступлении сигнала «Вкл. вибрат» (контакт 17 разъёма Х5) когда экстремум на кривой изменения сопротивления наступил и дальнейший контроль уже не нужен.
Пятый импульс выхода S2 DD2 приведёт к появлению импульса на выходе 5 DD6 который установит триггер DD4.1 DD4.2 в исходное состояние что вызовет сброс счётчика DD6 и пикового детектора. Устройство управления переходит в ждущий режим ожидая появления через минуту следующего импульса с выхода М DD2. После появления этого импульса вся описанная выше последовательность повторится и так будет продолжаться постоянно до тех пор пока не будет обнаружен экстремум на кривой изменения сопротивления бетонной смеси. При включении питания дифференцирующая цепь R8 С7 вырабатывает короткий импульс который будучи сформирован элементами DD10.2 DD10.3 установит в исходное состояние все триггеры и подготовит устройство управления к работе.
6.4 Принципиальная электрическая схема регистра памяти устройства сравнения I устройства сравнения II счётчика состояний и счётчика выборки
Принципиальная электрическая схема регистра памяти устройства сравнения I устройства сравнения II счётчика состояний и счётчика выборки приведена на листе 7.
Регистр памяти выполнен на микросхемах DD1 DD3 типа К561ТМ3 каждая из которых представляют собой четыре D-триггера входы синхронизации которых объединены вместе. Сигнал «Запись в регистр» (контакт 13 разъёма Х6) поступает на объединённые входы С1 С2 каждой микросхемы что приводит к записи в регистр двоичного десятиразрядного кода с цифровых выходов АЦП.
Цифровой код с выходов регистра памяти поступает на устройство сравнения I которое выполнено на микросхемах цифровых компараторов DD4 DD6 типа К561ИП2. На вторые входы цифровых компараторов поступает двоичный код с цифровых выходов АЦП. Поскольку в каждый момент времени на в регистре памяти хранится информация о предыдущем измерении а на цифровых выходах АЦП появляется информация о текущем измерении то устройство сравнения I сравнивает значения сопротивлений бетонной смеси полученные при предыдущем и текущем измерениях.
Если значение кода хранящегося в регистре памяти больше значения кода поступающего с цифровых выходов АЦП то на выходе > DD6 появится уровень логической единицы. Если выполняется это условие то при наличии сигнала «Пропуск» и импульса «Сравнен» на выходе DD9.1 появляется импульс уровня логического нуля что увеличивает состояние счётчика состояний DD8.1. Если же значение кода хранящегося в регистре памяти меньше значения кода поступающего с цифровых выходов АЦП то на выходе > DD6 остаётся уровень логического нуля и состояние счётчика DD8.1 не изменяется.
Счётчик выборки реализован на микросхемах DD8.2 DD9.3 и DD11.1 и представляет собой декаду. Уровень логической единицы на выходе DD11.1 появится когда счётная последовательность счётчика DD8.2 достигнет значения 10. Изменение состояния этого счётчика происходит по импульсу «Счётчик выборки» при наличии сигнала «Пропуск». Таким образом логическая единица на выходе DD11.1 появится после проведения десяти измерений.
Состояние счётчика состояний DD8.1 сравнивается с заданным значением поступающим с задатчика при помощи устройства сравнения II DD7. Поскольку гипотеза прохождения экстремума заключается в превышении последующих результатов измерений над предыдущими не менее чем в шести случаях то установка задатчика соответствует комбинации 0110 (Входы В1 В4 DD7). Если результат сравнения состояния счётчика состояний DD8.1 равен шести или превышает это значение то на выходах > или = устройства сравнения II появятся уровни логической единицы что приведёт к появлению уровня логической единицы на выходе элемента ИЛИ (DD10.1 DD10.2). В случае если это событие наступило в течение десяти измерений то логические единицы с выхода DD10.2 и с выхода DD11.1 вызывает появления импульса логического нуля на выходе элемента И-НЕ DD11.2 и формирования сигнала «Вкл. вибрат.» (контакт 16 разъёма Х6). Если же за десять измерений в счётчик состояний не запишется шесть единиц то на выходе DD10.1 логическая единица не появится и следовательно не сформируется сигнал сигнала «Вкл. вибрат.». Однако логическая единица на выходе DD11.1 обнулит состояние счётчика выборки и счётчика состояний после чего последует следующий цикл из десяти измерений. Так будет продолжаться до тех пор пока не экстремум на кривой изменения сопротивления бетона не будет определён.
6.5 Принципиальная электрическая схема таймера времени вибрации
Принципиальная электрическая схема таймера времени вибрации приведена на листе 8.
Схема состоит из задающего генератора DD1 двух счётчиков Джонсона с дешифраторами в позиционный код DD2 DD3 схемы совпадения DD4.1 и триггера управления DD4.2 DD4.3.
Задающий генератор выполнен на микросхеме К176ИЕ5 представляющей собой кварцевый генератор секундных импульсов появляющихся на выходе 15.
При включении питания импульс с дифференцирующей цепочки R3 С3 устанавливает триггер DD4.2 DD4.3 в состояние когда на выходе DD4.3 появляется уровень логического нуля который поступая на выход «Вибрат» (контакт 4 разъёма Х6) запрещает работу вибратора. Одновременно с этим уровень логической единицы поступающий с выхода DD4.2 запрещает работу тактового генератора и обнуляет состояние счётчиков DD2 DD3. Схема находится в режиме ожидания.
При поступлении сигнала «Вкл. вибрат.» (контакт 3 разъёма Х6) триггер DD4.2 DD4.3 переходит в состояние противоположное первоначальному. Тактовый генератор начинает вырабатывать импульсы которые подсчитываются счётчиками DD2 DD3 причём счётчик DD2 считает единицы импульсов а счётчик DD3 – десятки. Предварительно при помощи переключателей SA1 SA2 устанавливают требуемое время вибрации. Максимальное время вибрации которое может быть установлено составляет 99 секунд. Для положения переключателей SA1 SA2 приведённого на листе 8 время вибрации составляет 23 секунд. Когда счётчики досчитают до 23 на обоих входах элемента И-НЕ DD4.1 появятся уровни логической единицы следовательно на его выходе появится уровень логического нуля который переключит триггер DD4.2 DD4.3 в исходное состояние. Сигнал «Вибрат» исчезнет и вибрация железобетонного изделия прекратится.
6.6 Принципиальная электрическая схема блока питания
Принципиальная электрическая схема блока питания приведена на листе 9
Блок питания построен по классической схеме и содержит силовой трансформатор Тр1 три выпрямительных моста VD1 VD2 VD3 конденсаторы фильтра С1 С6 и три компенсационных стабилизатора напряжения выполненные на микросхемах стабилизаторов DA1 DA3.
Стабилизатор DA1 типа КР1157ЕН502 имеет рабочее напряжение +5В при токе нагрузки до 01 А и обеспечивает питание микросхемы АЦП.
Стабилизатор DA2 типа КР1162ЕН5 имеет рабочее напряжение +15В при токе нагрузки до 15 А и обеспечивает питание операционных усилителей и цифровых микросхем (кроме АЦП).
Стабилизатор DA3 типа КР142ЕН8В имеет рабочее напряжение -15В при токе нагрузки до 15 А и обеспечивает питание операционных усилителей и АЦП.
Экономическая часть.
1.Определение экономической эффективности при внедрении контроля структурообразования бетона в производство.
Как уже говорилось ранее контроль структурообразования бетона имеет большое значение. Повторное переформирование при внедрении его в производство железобетонных панелей изготавливаемых в кассетных установках очень эффективно экономически.
На рис. 2.1 приведена диаграмма эффектообразующих факторов при внедрении автоматического устройства контроля структурообразования
Рис. 2.1. Эффектообразующие факторы при внедрении автоматического устройства контроля структурообразования бетона
На тех же площадях без дополнительных капиталовложений в оборудование и увеличения расхода цемента может быть достигнуто значительное
повышение прочностных свойств изделия на первые сутки изготовления.
Это дает возможность либо повысить прочность панелей (для строительства домов повышенной этажности) либо уменьшить расход цемента на 1 куб. метр бетонной смеси либо увеличить оборачиваемость технологического оборудования (кассетных установок).
В качестве основного фактора при расчёте экономического эффекта принято уменьшение расхода цемента. Исследования показали что после проведения повторного вибровоздействия на бетонную смесь в тиксотропный период гидратации прочность получаемого бетона значительно возрастает.
На рис. 2.2 приведены зависимости прочности бетона на сжатие для образцов подвергнутых повторному вибровоздействию.
Для сравнения приведены данные контрольного образца не подвергавшегося повторному вибровоздействию.
Рис. 2.2. Прочность бетона на сжатие при проведении повторного вибровоздействия
Таким образом требуемая прочность бетона может быть получена с меньшим цементоводным соотношением т.е. повторное вибровоздействие
позволяет сэкономить самый дорогостоящий материал – цемент.
Исследования показали что для получения прочности суточного бетона в 16 МПа при использовании повторного переформирования структуры бетона можно использовать расход материалов приведённый в табл. 2.1:
Расход материалов в кг на 1 м3
При этом «обычный» расход материалов при изготовлении бетона без повторного вибрирования но при той же температуре и длительности
тепловлажностной обработки составлял величины приведённые в табл. 2.2.
Как видно из приведённых таблиц расход цемента уменьшается более чем на 20 кгм3.
Но кроме положительного эффекта (экономия цемента) повторное переформирование несёт за собой и увеличение затрат связанных с увеличением расхода других материалов электроэнергии приобретением и эксплуатацией системы автоматизации.
Чтобы оценить экономический эффект внедрения системы необходимо воспользоваться следующей формулой:
где ПГ – положительный эффект нового варианта (с применением системы автоматизации) относительно базового варианта.
Так как производительность при втором варианте равна производительности при базовом варианте то
где - С1 и С2 - себестоимость годового объема производства соответственно при базовом и проектируемом вариантах.
Чтобы рассчитать ПГ достаточно найти разность между суммами изменяющихся статей расходов при различных вариантах.
Такими статьями в данном случае будут:
расходы на материалы;
затраты на электроэнергию;
затраты связанные с использованием системы автоматизации.
Таким образом для нового варианта:
Затраты на цемент будут равны 9720·566·3 = 16 504 560 руб.год где
– годовая производительность одной кассетной установки – 9720 м3год ;
расход цемента на 1 м3 изделия при использовании метода
повторной виброобработки для получения требуемой прочности – 566 кгм3;
цена 1 кг цемента – 3 руб.кг.
Затраты на щебень будут равны 9720·1305·08=10147680 руб.год
где – расход щебня на 1 м3 изделия при использовании метода
повторной виброобработки для получения требуемой прочности – 1305 кгм3;
цена 1 кг щебня – 08 руб.кг.
Затраты на песок будут равны 9720·600·03 = 1749600 руб.год
где – расход песка на 1 м3 изделия при использовании метода повторной виброобработки для получения требуемой прочности – 600 кгм3;
цена 1 кг песка – 03 руб.кг;
по имеющимся данным расход электроэнергии увеличился с 10 (при базовом варианте) до 11 кВтм3 (при использовании повторного вибровоздействия в течение 120 секунд) т.е. затраты на электроэнергию возрастут по отношению к базовому варианту на 10% и составят:
2400·11= 343640 руб.год.
Итого по изменяющимся статьям затрат по проектируемому варианту:
СИЗМ 2 = 16 504 560 + 10 147 680 + 1 749 600 + 343 640 = 28745480 руб.
Сумма затрат по этим же статьям расходов для базового варианта рассчитываются аналогично и составляют:
– на цемент – 17146080 руб.год;
– на щебень – 10108800 руб.год;
– на песок – 1685450 руб.год;
– на электроэнергию – 312400 руб.год.
Итого по изменяющимся статьям затрат по базовому варианту:
СИЗМ 1 = 17 146 080 + 10 108 800 + 1 685 450 + 312 400 = 29 252 730 руб.
Таким образом годовая экономия затрат на эксплуатацию при внедрении
ПГ = СИЗМ 1 – СИЗМ 2 = 28 745 480 – 29 252 730 = 507 250 руб.год
Далее необходимо рассчитать ЗГ – затраты связанные с внедрением системы автоматизации:
где СГ – затраты связанные с эксплуатацией системы автоматизации приняты в размере 10% от цены;
К – капиталовложения; в данном случае это цена системы автоматизации (расчёт цены см. в пункте 2.2.5). К =31000 руб.
ЕН – нормативный коэффициент экономической эффективности.
Затраты на систему автоматизации должны окупиться в течение года поэтому принимаем ЕН = 1.
ЗГ = 3100 + 1·31000=34100 руб.год
Затем подставляя полученные данные получаем:
ЭГ = ПГ – ЗГ = 507250 – 34100=473150 руб.год
Таким образом все имеющиеся данные можно свести в табл.2.3:
Наименование показателя
Требуемая прочность бетона на сжатие МПа
Расход материалов кгм3
Капитальные затраты руб.
- система автоматизации
Эксплуатационные затраты на: руб.год
- обслуживание системы автоматизации
Годовой экономический эффект руб.год
Как видно применение системы автоматизации повторного переформирования структуры бетонной смеси очень выгодно: экономический эффект за первый год использования системы превышает 473 тыс. рублей.
В следующем разделе дипломного проекта произведем оценку эффективности производства системы автоматизации.
Фирма планирует заниматься производством и продажей устройств автоматического контроля состояния бетонной смеси.
Автоматическое устройство контроля бетонной смеси позволяет уловить момент схватывания бетонной смеси для начала повторного виброуплотнения.
Особенностью данного устройства является то что оно практически
целиком собрано на элементах цифровой логики. Это приводит к лучшей взаимозаменяемости элементов меньшей стоимости элементов и устройства в целом.
2.2. Производственный план
2.1.1. Перечень необходимого оборудования и площадей
Мощность оборудова-ния кВт
Амортизация руб. год
Стенд для установки микросхем на платы
Комплект офисной мебели
Производственная площадь м2
Стоимость ОПФ – 621100 рублей.
2.1.2. Малоценное имущество
Лампа осветительная индивидуальная
Лампа осветительная общая
2.1.3. Расчет себестоимости товара
2.1.4. Комплектующие изделия (на единицу изделия):
Затраты на комплектующие для автоматического устройства контроля структурообразования бетона
Наименование компонента
Стоимость единицы руб.
Общая стоимость руб.
Операционный усилитель КР554УД1
Операционный усилитель К140УД20
Стабилизатор КР1157ЕН5
Стабилизатор КР1162ЕН15
Стабилизатор КР142ЕН8В
Диодный мост КЦ 407А
Диодный мост КЦ 410А
Транзисторная сборка К504НТ1
Резистор переменный СП5-2
Транзистор полевой КП103
Конденсатор подстроечный
Переключатель П2Т-17
Кварцевый резонатор 32768Гц
Конденсатор электролитический К50-35
2.1.4.1. Расчет трудоемкости изделия:
Наименование процесса
Сборка печатной платы
Крепление разъемов вводавывода на печатную плату
Сборка корпуса изделия
Проверка работоспособности
Таким образом трудоемкость изделия (tН-Ч.) = 13 н-час.
2.1.4.2. Расчет годовой программы выпуска
Для первого года работы примем годовой объем выпуска в размере 300 штук. С большой степенью вероятности такой объем продукции может быть реализован.
2.1.4.3. Расчет численности основных рабочих
Численность основных рабочих рассчитывается по формуле:
где tН-Ч. - трудоемкость изделия нормо-час;
NГОД - годовой объем выпуска изделия шт.;
FЭФ - эффективный годовой фонд рабочего времени час.год;
КВ - коэффициент выполнения нормы выработки. Для небольших предприятий принимается равным 11.
Трудоемкость изделия нормо-час
Годовой объем выпуска изделия шт.
Эффективный годовой фонд рабочего времени часовгод
Коэффициент перевыполнения нормы выработки
Численность основных рабочих чел.
Таким образом для организации производственного процесса нам понадобится 2 рабочих.
2.1.4.5. Расчет заработной платы основных рабочих
плата основная руб.мес.
дополнительная руб.год
Годовой фонд оплаты труда (ФОТ) равен 462000 рублей.
В расчете на единицу продукции 462000 300 = 1540 руб. изделие
Единый социальный налог (ЕСН) составляет 26% от фонда оплаты труда
В расчете на единицу продукции 120120 300 = 4004 руб. изделие
2.1.4.6. Расходы на содержание оборудования
Складываются из затрат на электроэнергию на технологические цели и непосредственно затрат сервисное обслуживание и затрат на приобретение малоценного оборудования.
Затраты на электроэнергию на технологические цели рассчитываются по формуле:
где: NУ – мощность оборудования в кВт;
КВР – коэффициент загрузки оборудования по времени принимаем равным 0.6;
КН – коэффициент загрузки оборудования по мощности принимаем равным 0.7;
КОД – коэффициент одновременности работы принимается равным 1;
КW – коэффициент учитывающий потери электроэнергии в сети принимаем
КМ – удельный вес операций в долях единицы равно 1;
tp – трудоемкость изготовления изделия нормо-час;
ЦЭ – тариф на электроэнергию принят равным 25 руб.кВт-час;
Jm – средний коэффициент полезного действия принимаем равным 0.8.
СЭ = 22036 руб.изделие
Расходы определены в размере 5000 рублей в год (сервисное обслуживание). Сюда же входят затраты на приобретение малоценного имущества (табл. 2.5.).
Итого затрат на содержание оборудования в расчете на одно изделие
Н СОД.ОБ. = 22036 + (5000 + 8600) 300 = 2657 руб.изделие
2.1.4.7. Определение производственной себестоимости
СПР = СЗП + СМ + СКИ + Н СОД.ОБ где
СЗП – заработная плата основных рабочих с ЕСН;
СМ – затраты на материалы;
СКИ – затраты на комплектующие изделия;
Н СОД.ОБ – затраты на содержание оборудования.
СПР = 1540 + 4004 + 20075 + 2657 = 222811 руб.изделие
2.1.5. Расчет постоянных затрат (накладные расходы) СПОСТ.
2.1.5.1. Расчет заработной платы прочих работающих
Зарплата руб.чел-год.
Инженер- конструктор
Годовой фонд оплаты труда (ФОТ) административно-управленческого и обслуживающего персонала равен 960000 рублей.
Единый социальный налог (ЕСН) составляет 26% от фонда оплаты труда т.е. 249600 рублей.
2.1.5.2. Амортизация основных производственных фондов
Амортизация составляет 10% от стоимости ОПФ т.е. 11220 руб.год.
2.1.5.3. Аренда помещений и оборудования
Аренда производственных площадей
Для организации производства было арендовано помещение общей площадью 100 кв. м имеющее разделение на производственную и административную часть. Стоимость годовой аренды - 2900 руб.м2 т.е. 290000 рублей в год.
Из-за высокой стоимости стенда для установки микросхем на печатные платы (580000 руб.) было принято решение об его аренде.
Стоимость годовой аренды – 84000 руб.год.
2.1.5.4. Амортизация оборудования
Амортизируется оборудование находящееся в собственности.
СА = 56100*02=11220 руб.год.
2.1.5.5. Затраты на рекламу.
в 1-ый месяц руб.мес.
Затраты в каждый следующий месяц руб.мес.
Изготовление рекламных буклетов
2.1.6. Страхование имущества.
Имущество страхуется на год по ставке 6% от стоимости всего имеющегося в распоряжении фирмы имущества.
ССТР = Цена оборуд.*006
ССТР= 621100*006 = 37260 руб.год.
2.1.7. Налог на имущество
Составляет 22 % от стоимости находящегося в собственности (амортизируемого) оборудования.
НИМУЩ = 56100 * 0022 = 12342 руб.год
2.1.8. Прочие расходы СПР.
Они принимаются в размере 3% от суммы постоянных издержек.
Результаты расчета себестоимости изготовления изделия сведены в табл. 212.
На годовой выпуск руб.год
На единицу изделия руб.изд.
Себестоимость изготовления
Переменные издержки в т.ч.
Заработная плата основная производственных рабочих
Зарплата дополнительная производственных рабочих
Единый социальный налог
Затраты на содержание оборудования
Постоянные издержки в т.ч.
Амортизация оборудования
Аренда оборудования и площадей
Страхование имущества
Таким образом себестоимость выпуска единицы продукции составляет 281344 рубля.
С учетом полученной себестоимости и проведенных ранее маркетинговых исследований установим цену (Ц) единицы продукции на уровне 31000 руб.
При этом рентабельность R рассчитываемая следующим образом:
окажется равной 1018 % (доходность – 11018 %).
2.3. Оценка степени риска
Изменение законодательной базы
Изменение законодательной базы может привести к снижению числа действующих предприятий в одной области и повышению в другой но в данном случае ощутимое снижение числа действующих предприятий маловероятно т.к. как уже отмечалось выше строительство является одной из самых стабильных отраслей и актуально при любой законодательной базе.
Изменение системы налогообложения
При небольшом увеличении налогов бюджет фирмы должен выдержать (благодаря исследованиям динамики величины налогов в этой области было выяснено что вероятность повышения налогов более чем на 5 % минимальна) также возможно увеличение отпускной цены продукции для увеличения доходов от продаж.
Возникновение конкурентов
Возникновение конкуренции возможно хотя вероятность этого невелика т.к. к моменту появления конкурентов на рынке фирма уже приобретет некоторую известность а цена продукции фирмы невысока поэтому вхождение на старый рынок с новой продукцией будет проблематично.
Методами борьбы с конкуренцией можно назвать широкую рекламу (рассылка буклетов всем предприятиям производящим ЖБИ) слежение за изменениями в этой отрасли.
Собственные просчеты
Естественно при планировании возникают собственные просчеты. Но благодаря выбранной отрасли (строительство) относительно небольшому заемному капиталу организационно-правовой форме риск минимален при возможной наибольшей выгоде.
Этот раздел обобщает все предыдущие разделы бизнес-плана в стоимостном выражении.
Финансовый план включает в себя следующие разделы:
- прогноз доходов и расходов. С его помощью можно определить чистую прибыль предприятия от реализации проекта;
- прогноз денежных поступлений и выплат;
- оценка эффективности реализации проекта.
3.1. Расчет точки безубыточности.
Точка безубыточности позволяет найти тот объем продаж при котором предприятие не получает прибыли и не терпит убытков (СД) представляют собой произведение цены единицы товара и объема выпуска.
(СР) – это сумма фиксированных (СФИ) и переменных (СПИ) совокупных издержек.
(СПИ) определяются как произведение объема продаж и (Пизд) – переменных издержек на единицу продукции.
Совокупные фиксированные издержки не зависят от объема выпуска продукции. Они зависят от производственных мощностей предприятия. СФИ = ЗП+ ЕСН + Аренда - А + Реклама + Ском.пл + Скр + Сн.себ + Странсп
3.2. Расчет чистого дисконтированного дохода по проекту.
Чистый дисконтированный доход (NPV) представляет собой разность между дисконтированными величинами дохода и инвестиций по проекту.
NPV = -К + S((Дt-Ct)*(1-kпр)+At)(1+i)
-Дt – дисконтируемый доход в рассматриваемом периоде;
-Сt – суммарные издержки дисконтированные в расчетном периоде без амортизационных отчислений;
-К – капитальные вложения в текущем периоде;
-kПР – ставка налога на прибыль;
-Аt – амортизационные отчисления;
-i – ставка дисконта в расчетном периоде.
i = 30%год – ставка дисконта при альтернативном вложении в банк.
Как видно на графике: NPV становится положительным уже до конца первого года (октябрь-ноябрь) что говорит о прибыльности проекта.
Для осуществления проекта необходимо выполнение следующих условий:
величина инвестиций должна составлять 170000 руб. в том числе 10000 руб. – начальный капитал и 160000 руб. – кредит;
цена изделия - 31 000 руб. при себестоимости – 281344 руб.изд.
годовой объем выпускаемой продукции – 300 шт.
В результате проведенного экономического расчета (при выполнении вышеуказанных условий) можно сделать вывод о целесообразности вложения инвестиций в данный проект. Об эффективности инвестиций говорят следующие показатели:
кредит в 160000 рублей будет возвращен за 9 месяцев.
проект имеет большой запас прочности (коэффициент надежности равен 0648);
дисконтированный срок окупаемости проекта составит 10 месяцев;
остаток прибыли после выплаты кредита и уплаты налогов в размере 514 тысяч рублей означает что предприятие осталось в «плюсе» и может продолжать свою деятельность за счет накопленных собственных средств.
1 Воздействие неблагоприятных факторов на операторов.
Нелегкий труд оператора машин и оборудования сопровождается вибрацией снижающей производительность и приводящей к профзаболеваниям. Общая вибрация как результат механического воздействия человека с внешней средой является на протяжении всей биологической эволюции важным экологическим фактором. Формирование физиологических и патологических сдвигов со стороны различных систем организма частота и степень выражения этих нарушений зависят от эргономических данных рабочего места и особенностей человека. В процессе работы машинисты подвергаются интенсивным вибрационным воздействиям. Вибрации возникают как от взаимодействия рабочих органов машины со средой так и от внутренних процессов возбуждения вибраций сопровождающих работу агрегатов и механизмов. В этих условиях у операторов длительное время работающих возникает вибрационная болезнь ведущая к потере трудоспособности и инвалидности.
На оператора работающего на заводе действует так же шум. Шум как гигиенический фактор — это совокупность звуков различной частоты и интенсивности которые воспринимаются органами слуха человека и вызывают неприятное субъективное ощущение.
Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды носящее обычно случайный характер.
Производственным шумом называется шум на рабочих местах на участках или на территориях предприятий который возникает во время производственного процесса.
Следствием вредного действия производственного шума могут быть профессиональные заболевания повышение общей заболеваемости снижение работоспособности повышение степени риска травм и несчастных случаев связанных с нарушением восприятия предупредительных сигналов нарушение слухового контроля функционирования технологического оборудования снижение производительности труда.
По характеру нарушения физиологических функций шум разделяется на такой который мешает (препятствует языковой связи) раздражающий (вызывает нервное напряжение и вследствие этого — снижения работоспособности общее переутомление) вредный (нарушает физиологические функции на длительный период и вызывает развитие хронических заболеваний которые непосредственно связаны со слуховым восприятием: ухудшение слуха гипертония туберкулез язва желудка) травмирующий (резко нарушает физиологические функции организма человека).
Характер производственного шума зависит от вида его источников. Механический шум возникает в результате работы различных механизмов с неуравновешенными массами вследствие их вибрации а также одиночных или периодических ударов в сочленениях деталей сборочных единиц или конструкций в целом.
Шум как физическое явление — это колебание упругой среды. Он характеризуется звуковым давлением как функцией частоты и времени. С физиологической точки зрения шум определяется как ощущение которое воспринимается органами слуха во время действия на них звуковых волн в диапазоне частот 16—20 000 Гц.
В зависимости от уровня и характера шума его продолжительности а также от индивидуальных особенностей человека шум может оказывать на него различное действие.
Шум даже когда он невелик (при уровне 50—60 дБА) создает значительную нагрузку на нервную систему человека оказывая на него психологическое воздействие. Это особенно часто наблюдается у людей занятых умственной деятельностью. Слабый шум различно влияет на людей. Причиной этого могут быть: возраст состояние здоровья вид труда физическое и душевное состояние человека в момент действия шума и другие факторы. Степень вредности какого-либо шума зависит также от того насколько он отличается от привычного шума. Неприятное воздействие шума зависит и от индивидуального отношения к нему. Так шум производимый самим человеком не беспокоит его в то время как небольшой посторонний шум может вызвать сильный раздражающий эффект.
Известно что ряд таких серьезных заболеваний как гипертоническая и язвенная болезни неврозы в ряде случаев желудочно-кишечные и кожные заболевания связаны с перенапряжением нервной системы в процессе труда и отдыха. Отсутствие необходимой тишины особенно в ночное время приводит к преждевременной усталости а часто и к заболеваниям. В этой связи необходимо отметить что шум в 30—40 дБ а в ночное время может явиться серьезным беспокоящим фактором. С увеличением уровней до 70 дБА и выше шум может оказывать определенное физиологическое воздействие на человека приводя к видимым изменениям в его организме.
Под воздействием шума превышающего 85—90 дБА в первую очередь снижается слуховая чувствительность на высоких частотах.
Сильный шум вредно отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек работая при шуме привыкает к нему но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление может привести к ухудшению слуха а иногда и к глухоте нарушается процесс пищеварения происходят изменения объема внутренних органов.
Воздействуя на кору головного мозга шум оказывает раздражающее действие ускоряет процесс утомления ослабляет внимание и замедляет психические реакции. По этим причинам сильный шум в условиях производства может способствовать возникновению травматизма так как на фоне этого шума не слышно сигналов транспорта автопогрузчиков и других машин.
Эти вредные последствия шума выражены тем больше чем сильнее шум и чем продолжительнее его действие.
Таким образом шум вызывает нежелательную реакцию всего организма человека. Патологические изменения возникшие под влиянием шума рассматривают как шумовую болезнь.
Средства защиты от шума подразделяют на средства коллективной и индивидуальной защиты.
Борьба с шумом в источнике его возникновения — наиболее действенный способ борьбы с шумом. Создаются малошумные механические передачи разрабатываются способы снижения шума в подшипниковых узлах вентиляторах.
Архитектурно-планировочный аспект коллективной защиты от шума связан с необходимостью учета требований шумозащиты в проектах планирования и застройки городов и микрорайонов. Предполагается снижение уровня шума путем использования экранов территориальных разрывов шумозащитных конструкций зонирования и районирования источников и объектов защиты защитных полос озеленения.
Организационно-технические средства защиты от шума связаны с изучением процессов шумообразования промышленных установок и агрегатов транспортных машин технологического и инженерного оборудования а также с разработкой более совершенных малошумных конструкторских решений норм предельно допустимых уровней шума станков агрегатов транспортных средств и т. д.
Акустические средства защиты от шума подразделяются на средства звукоизоляции звукопоглощения и глушители шума.
Снижение шума звукоизоляцией. Суть этого метода заключается в том что шумоизлучающий объект или несколько наиболее шумных объектов располагаются отдельно изолировано от основного менее шумного помещения звукоизолированной стеной или перегородкой.
Звукопоглощение достигается за счет перехода колебательной энергии в теплоту вследствие потерь на трение в звукопоглотителе. Звукопоглощающие материалы и конструкции предназначены для поглощения звука как в помещениях с источником так и в соседних помещениях. Акустическая обработка помещения предусматривает покрытие потолка и верхней части стен звукопоглощающим материалом. Эффект акустической обработки больше в низких помещениях (где высота потолка не превышает 6 м) вытянутой формы. Акустическая обработка позволяет снизить шум на 8 дБ.
Таким образом для борьбы с шумом предусмотрены следующие мероприятия:
- совершенствование машин установок в моем случае вибростенда.
- применение шумопоглощающего материала при конструировании кабин операторов.
3 Вибрация производственная.
Основная задача по охране здоровья оператора заключается в снижении уровня вибрации. Вот на ней мы остановимся по-подробнее.
3.1 Воздействие вибрации на организм.
Иследования показали что профессиям высокого риска относятся операторы вибропрокатного стенда. Во многом влияние вибрации на человека зависит от ее спектрального состава. Известны области частот в которых уровни вибрации могут сказываться на выполнении производственных операций. Так частота 4 5 Гц является резонансной областью для человека работающего стоя 11 Гц - сидя. Частоты вибрации соответствующие наиболее часто непосредственно наблюдаемым вредным явлением приведены в табл.2. Интенсивность вибрации вызывающей отмеченные явления зависит от структуры объекта его массы продолжительности воздействия.
Таблица 2. Симптомы и области частот вредного воздействия вибрации на человека.
Симптомы действия вибрации
Основные резонансы тела
Вредное влияние на зрение
Вредное влияние на сердечно-сосудистую систему
Ухудшение координации рук непостоянство давления ступни на опору
Ухудшение качества работы человека-оператора максимальное отвлечение внимания
Нагревание тканей разрушение клеток
К основным проявлениям вибрационной болезни относятся нейрососудистые расстройства. Они проявляются раньше всего на руках и сопровождаются интенсивными болями после работы и по ночам снижением всех видов кожной чувствительности слабостью в кистях рук. Нередко наблюдается так называемой феномен "мертвых" или белых пальцев. Одновременно развиваются мышечные и костные (вплоть до дегенеративно-дистрофических) изменения а также расстройства нервной системы по типу неврозов.
В отличие от местной при общей В. возникают клинические симптомы связанные с расстройствами деятельности мозга. При этом особенно часто страдает вестибулярный аппарат появляются головные боли головокружения. По степени выраженности патологического процесса выделяют 4 стадии заболевания: I — начальная II — умеренно выраженная III — выраженная IV — генерализованная (встречается крайне редко). Помимо стадий отмечают наиболее типичные синдромы: ан-гиодистонический ангиоспастический вегетативного полиневрита невротический вегетомиофасцита диэнцефальный и вестибулярный.
Низкочастотная общая вибрация особенно резонансного диапазона вызывая длительную травматизацию межпозвоночных дисков и костной ткани смещение органов брюшной полости изменения моторики гладкой мускулатуры желудка и кишечника может приводить к болевым ощущениям в области поясницы возникновению и прогрессированию дегенеративных изменений позвоночника заболеваний хроническим пояснично-крестцовым радикулитом хроническим гастритом.
При рассмотрении особенностей действия общей вибрации надо иметь в виду что тело человека представляет собой сочетание различных масс с упругими элементами имеющими собственные колебания разной частоты. Под влиянием вибрации в ряде случаев может произойти явление резонанса когда амплитуда колебаний отдельных частей или органов тела увеличивается в несколько раз по сравнению с амплитудой вибрации того или иного внешнего источника. Для человека в положении лежа резонансная частота находится в пределах 3-35 Гц для сидящего - на частотах 4-6 Гц а для стоящего на вибрирующей площадке имеется два резонансных пика - на частотах 5-7 и 17-25 Гц. Явления резонанса для тканей головы наступают в области 2О-3О Гц (в этом диапазоне частот амплитуда колебаний головы может превышать амплитуду колебаний плеч в 3 раза).
Ткани человека обладают различной способностью к передаче вибрации. Наилучшим проводником вибрации являются кости мягкие ткани. Суставы же являются эффективными гасителями колебаний. С повышением частоты вибрации амплитуда колебаний частей тела по мере удаления от точки приложения уменьшается. Так например в диапазоне частот 5О-7О Гц до головы доходит около 1О% энергии передаваемой вибрации человеку находящегося на виброплатформе. Вибрация частотой более 1ОО Гц практически не передается по телу человека и является большей частью местной.
Органы непосредственно воспринимающие вибрации делятся на две группы. К первой относятся органы равновесия (вестибулярный аппарат) находящиеся во внутреннем ухе. Взаимодействуя с соответствующими связями в мозгу они работают как интегральный измеритель угловых и линейных ускорений. Информация посылаемая в мозг органами равновесия находящимися под влиянием вибраций может оказаться искаженной дезориентирующей а в некоторых случаях раздражающей и вызывающей у человека состояние болезни. Силы и перемещения вызываемые вибрацией улавливаются большим числом механорецепторов во всем организме. Некоторые из них находящиеся в мышцах и сухожилиях сигнализируют о положении тела и действующих на него нагрузках. Они взаимодействуют с отделом центральной нервной системы регулирующим положение тела и его движение. Эти рецепторы реагируют на любые изменения в том числе низкочастотные.
Ко второй группе относятся рецепторы расположенные в коже и соединительных тканях. Они выполняют функции осязания реагируя на более высокие частоты (около 30 Гц). Вибрации оказывают определенное влияние на организм также через органы зрения и слуха.
При передаче вибраций от места приложения к рецепторам одни частоты усиливаются а другие ослабляются. На рис.1 приведена кривая изменения в функции частоты показателя q =A1A2 в системе голова- область таза.
Рис. 1. Изменение коэффициента q в функции частоты вибраций f
Здесь A1 и A2- амплитуды вертикальных вибраций тела на уровне головы и сиденья. Из рисунка видно что на частоте 4 Гц показатель q=14. Это значит что амплитуда вибраций на уровне головы на 40% больше чем на уровне сиденья.
Характер воздействий вибрации на человека зависит от их длительности. Нарушения физиологических функций организма наступающие под влиянием вибраций имеют тенденцию к усилению с увеличением длительности воздействия.
Вибрация высокий вибрационный фон среды представляют опасность для здоровья не только рабочих в условиях производства но и для других групп населения. Источниками вибрации в жилых зданиях являются: транспорт промышленные установки инженерно-технологическое оборудование зданий. По интенсивности колебаний наиболее воздействует на человека городской рельсовый транспорт: мелкого заложения и открытые радиусы метрополитена железнодорожные магистрали. Вибрация возникающая в зданиях от движения поездов имеет регулярный прерывистый характер. По мере удаления от источника амплитуда колебаний снижается.
3.2 Защита от вибрации
Виброизоляция – это способ уменьшения вибрации защищенного объекта посредством введения в систему упругой связи препятствующей передаче вибрации от источника колебаний к основанию или смежным элементам конструкций. Между источником вибрации и ее приемником являющимся одновременно объектом защиты устанавливают упругодемпфирующее устройство – виброизолятор – с малым коэффициентом передачи.. Различают два вида возбуждения: силовое и кинематическое при этом соответственно большую массу имеет приемник и его считают неподвижным или источник и закон его движения считают заданным. В качестве виброизоляторов используют упругие материалы и прежде всего металлические пружины резину пробку войлок. Выбор того или иного материала обычно определяется величиной требуемого статистического прогиба и условиями в которых виброизолятор будет работать. Резина имеет малую плотность хорошо крепится к деталям ей легко придать любую форму и она обычно используется для виброизоляции машин малой и средней массы (ДВС электродвигателей и др.).В виброизоляторах резина работает на сдвиг и (или) сжатие. Металлические пружины применяют обычно тогда когда требуется большой статистический прогиб или когда рабочие условия делают невозможным применение резины. Конструктивно пружинные виброизоляторы можно выполнить для работы практически на любой частоте. Однако металлические пружины имеют тот недостаток что будучи спроектированы на низкую частоту они пропускают более высокие частоты. Пробку используют при нагрузке 50-150 кПа отвечающей рекомендованному диапазону упругости. Обычно установку сначала устанавливают на бетонные блоки и уже последние отделяют от фундамента с помощью нескольких слоев пробковой плитки толщиной 2-15 см. Увеличение толщины будет понижать частоту выше которой виброизоляция эффективна но при большой толщине возникает проблема устойчивости. Поэтому пробку не применяют в области низких частот. Нефть вода умеренные температуры оказывают незначительный эффект на рабочие характеристики пробки но стечением времени от нагрузки пробка сжимается.
Войлок толщиной 1-25 см. занимающий площадь 5% площади основания машины - весьма распространенный изолирующий материал. Он имеет относительно большой коэффициент потерь и поэтому эффективен на резонансных частотах. Обычно войлок применяют в частотном диапазоне свыше 40 Гц.
В целом виброизоляция площадок осуществляется введением упругодемпфирующих связей между опорной плитой и вибрирующей поверхностью. Однако если предположить что центр инерции операто-ра жестко связан с площадкой и имеет шесть степеней свободы то та-кие системы очень чувствительны к положению центра масс.
3.3 Защита кабины оператора от вибрации
Наличие в системе промежуточных масс звездочек цепей и других элементов резко усложняет конструкцию. Учитывая то что указанная площадка рассчитана на массу оператора около 70 кг применения указанных схемных и конструктивных решений для объектов массой 300 кг и более представляется проблемной. В случае электроуправления машиной что характерно для карьерных экскаваторов и буровых станков рассмотрим виброизоля-цию пола кабины на котором устанавливается сиденье машиниста и электроконтролеры (рис.1). Здесь отсутствуют внеопорные механиче-ские связи возникающие в случае когда имеются механические ры-чажные или тросовые проводки от рукояток управления к рабочим ор-ганам машины. Гибкие электрокабели при переходе с рамы машины на виброизолируемый пол образуют петли практически исключающие влияние на работу виброизоляции.
Общая схема виброизоляции представлена на рис.1. Оператор находится в кабине 1. Он сидит на виброзащитном сиденье 2. Руки машиниста манипулируют контроллерами 3 двух электропультов 4 расположенных с обеих сторон сиденья. Сиденье 2 и электоропульты установлены на виброизолированном полу 5. Виброизолированный пол 5 установлен на четырех изоляторах 6 которые крепятся к основанию 8 кабины 1. Электрокабели 7 электропультов 4 образуют гибкие петли не влияющие на работу виброизоляции.
3.4 Виброзащитное устройство расчет
На рисунке 1 показана схема виброзащитного устройства с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием. Объект виброзащиты представлен как твердое тело и его виброзащитные свойства определены для ряда сечений положение которых определяется координатой r отсчитываемой от центра масс. Таким образом в итоге фактически определяется поле виброускорений на площадке виброзащитного устройства.
Рисунок 1 – Принципиальная схема виброзащитного устройства
Дифференциальные уравнения определяющие движение
виброизолируемого объекта
здесь через x обозначено вертикальное перемещение сечения массы m с координатой а через y – вертикальное смещение остова т.е. источника вибровозмущений.
Cистема (1) трёх нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка решалась различными численными методами в том числе использовался метод Рунге-Кутта четвёртого порядка с автоматическим выбором шага как обеспечивающий минимальное время счёта. В результате решения получены амплитудно-частотные характеристики рассматриваемой виброзащитной системы для разных уровней входного воздействия.
Расчеты показали что анализ виброзащитных свойств пневмоподвески с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений требует значительных затрат машинного времени. По этой причине полученная система нелинейных уравнений была линеаризована в рамках общепринятых представлений теории пневмопривода. Ниже показана система линейных дифференциальных уравнений:
здесь ' – относительное демпфирование определяемое потерями в резино-кордной оболочке ;
– собственная частота колебаний определяемая только жесткостью резинокордной оболочки ;
- относительное расстояние отсчитываемое от центра масс объекта (положительное направление отсчёта r показано на рисунке 1).
Применяя преобразование Лапласа функций x y P1 P2 и решая полученную систему относительно x и y определим передаточную функцию по перемещению от внешнего воздействия:
где – изображения соответствующих перемещений; – комплексная относительная частота ().
Коэффициенты передаточной функции (3) в безразмерном виде:
здесь – квадрат собственной частоты колебаний системы при отключённом объеме V2 и C = 0;
– относительная частота определяемая жесткостью резинокордной оболочки ;
Q0 – добротность обусловленная потерями в материале резинокордной оболочки Q0 = m0(1+k12 ) 2
N – относительный объем ;
Q – добротность обусловленная дросселированием потока газа при протекании из объема V1 в объем V2
Передаточная функция линейной системы полностью определяет её виброзащитные свойства.
Используя полученную передаточную функцию (3) определена амплитудно-частотная характеристика исследуемой виброзащитной системы. Сопоставление результатов решений системы (2) линейных уравнений (рисунок 2 кривая 1) и системы (1) нелинейных уравнений (прямоугольники на кривой 1) показало что при амплитуде входного сигнала не превышающей 10 % от максимальной амплитуды относительного смещения объекта виброзащиты они совпадают с точностью до 97 %.
Таким образом для анализа виброзащитных свойств сиденья оператора можно пользоваться результатами решения линейной системы дифференциальных уравнений.
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента передачи Tz от круговой частоты :
– АЧХ линейной системы 2 – АЧХ эквивалентной линейной системы
При дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала погрешность возрастает и составляет 10 % и более (кружки на кривой 2). Однако можно искусственно подобрать параметр – добротность (Q) линейной виброзащитной системы так что линейное решение (кривая 2) будет приближено к нелинейному (кружки на кривой 2) с погрешностью не превышающей 3 %.
Установлено что для анализа виброзащитных свойств (АЧХ) подвески с направляющим механизмом маятникового типа и пневматическим двухкамерным упругим элементом с внутренним дросселированием можно использовать передаточную функцию (3) а нелинейную систему (1) можно заменить искусственной линейной (2) введя критерий добротности (Q) величина которого определяться из условия эквивалентности АЧХ линейной и нелинейной систем.
Для исследуемой пневматической виброзащитной системы с двумя степенями свободы (рисунок 3) определена передаточная функция определяющая её виброзащитные свойства
Рисунок 3.–.Принципиальная схема виброзащитной системы с двумя степенями свободы
Далее представлены результаты анализа влияния параметров устройства с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием на виброзащитные свойства.
Существенное влияние на виброзащитные свойства подвески оказывает коэффициент передачи Tz который как установлено изменяется при переходе от сечения к сечению маятника виброзащитной системы положение которых определяется координатой r. Причем на маятнике существует зона в которой значения коэффициент передачи Tz минимальны (рисунок 4). Именно в этой зоне целесообразно располагать виброизолируемый объект.
Коэффициента передачи Tz зависит также от относительной частоты n (рисунок 5). Анализ полученных зависимостей показывает что существует область изменения относительной частоты n в которой значения коэффициента передачи минимальны то есть обеспечивается наиболее эффективная виброизоляция. На АЧХ исследуемой виброзащитной системы существуют два экстремума – один максимум и один минимум. Разработанные программы позволили определить относительные частоты соответствующие этим экстремумам.
Рисунок 4 – Распределение коэффициента передачи Tz по длине маятника
виброзащитного устройства при различных n: 1 – 08; 2 – 10; 3 – 12;
Рисунок 5 – Зависимость коэффициента передачи Tz от относительной частоты n при различных значениях добротности Q: 1 – 016; 2 – 15; 3 – 90
На рисунках 6 и 7 представлены зависимости этих частот (nmax и nmin) от добротности Q при различных значениях относительного объёма дополнительной камеры N.
Рисунок 6 – Зависимость относительной частоты соответствующей резонансному пику nmax от добротности Q при различных значениях относительного объёма
дополнительной камеры N: 1 – 10; 2 – 20; 3– 70
Как видно из графика (рисунок 6) при N > 1 зависимость nmax от Q имеет минимумы. Добротность соответствующую этим минимумам обозначим Qmin.
Зависимость nmin = f(Q) (рисунок 7) не имеет выраженных минимумов. При N = 1 указанная зависимость носит монотонный характер т.е. при росте Q относительная частота максимальной виброизоляции постоянно уменьшается асимптотически приближаясь к некоторому значению (кривая 1). Однако при больших значениях N относительная частота соответствующая максимальной виброизоляции при увеличении Q вначале растёт а затем уменьшаться так при N = 4 (кривая 2) зависимость имеет максимум при значении добротности Q = 13 а при N = 8 (кривая 3) – при Q = 21.
Рисунок 7 – Зависимость относительной частоты максимальной виброизоляции nmin
от добротности Q при различных значениях N: 1 – 10; 2 – 40; 3 – 80
На рисунке 8 представлена зависимость коэффициента передачи Tz max на резонансной частоте от добротности Q при различных значениях N которая имеет ярко выраженный минимум соответствующий минимуму амплитуды вынужденных колебаний. Добротность соответствующую этим минимумам признана оптимальной Qopt.
Рисунок 8 – Зависимость коэффициента передачи Tz max при резонансе
При значении добротности меньше чем Qopt коэффициент передачи на резонансной частоте достаточно резко возрастает поэтому дальнейшее уменьшение Q с точки зрения максимальной виброизоляции нецелесообразно. Добротность при которой значение резонансной частоты совпадает с такой же частотой при Q = обозначим как предельную – Qпр.
На рисунке 9 представлена зависимость коэффициента передачи на частоте максимальной виброизоляции Tz min от добротности Q при различных значенияхN. Как видно по графикам с ростом добротности величина коэффициента передачи на частоте максимальной виброизоляции возрастает что нежелательно. Однако при N = 1 зависимость имеет выраженный максимум. По этой причине рекомендуется уменьшать величину добротности виброзащитной системы но до значений не меньше оптимальной.
Рисунок 9 – Зависимость коэффициента передачи Tz min
при частоте максимальной виброизоляции
от добротности Q при различных значениях N: 1 –1; 2 – 4; 3 – 8
Как видно из уравнения (5) величина Q существенно зависит от диаметра d0 отверстия соединяющего деформируемую и дополнительную камеры (пропорционально четвёртой степени). Диметр d0 в выражении для передаточной функции определяет не чисто геометрический размер отверстия (d0) а его эффективный размер (dэф) обуславливающий данный расход газа через него. По этой причине при определении диаметра отверстия следует учитывать коэффициент расхода газа (Кэф) то есть dэф = dКэф. Значения коэффициента расхода газа определяются по соответствующим справочным таблицам или с помощью экспериментальной продувки соответствующих дросселей.
Величину Q целесообразно выбирать в диапазоне от Qopt до Qпр (или Qmin). Так как при значениях Q вне этого диапазона происходит увеличение резонансной частоты и величины резонансного пика что представляется нежелательным.
Далее представлены результаты оптимизация параметров виброзащитной системы с направляющим механизмом маятникового типа и двухкамерным пневматическим упругим элементом с внутренним дросселированием на примере сиденья оператора.
Оптимизация параметров проводится на примере виброзащитной системы сиденья в основу которой положена подвеска маятникового типа с пневматическим двухкамерным упругим элементом с внутренним дросселированием. В качестве критерия оптимизации принято среднее квадратическое отклонение выходного сигнала от идеального сигнала. За идеальный сигнал принят уровень виброускорений установленный ИСО2631-74 а именно порог снижения комфорта. При этом уровне виброускорений на площадке сиденья не подвергается опасности здоровье водителя не снижается производительность работы а также обеспечиваются комфортные условия.
В результате проведения экспериментальных исследований на остове под сидением оператора получен энергетический спектр связанный с вертикальными виброускорениями Gyy (f).
Организм человека не одинаково реагирует на внешнее возмущение в различных областях частотного диапазона: к частотам внешнего возмущения от 40 до 80 Гц наиболее чувствителен а к частотам вне этого диапазона менее чувствителен. Поэтому требования к виброзащитной системе при частотах меньше 40Гц и больше 80 Гц быть менее строгими что приведёт к удешевлению конструкции. Требования норм ИСО2631-74 заданы в третьактавных диапазонах частот поэтому для каждого i-го диапазона частот определяется значение среднего квадрата процесса:
где f1i f2i – границы i-го третьактавного диапазона частот.
Критерий оптимизации К формируется следующим образом
где ZT (f1i f2i) – допустимые среднеквадратические значения вертикальных виброускорений для i-го третьактавного диапазона частот
n – число третьактавных диапазонов частот используемых в критерии.
По своей сути критерий К соответствует дисперсии отклонения реального выходного сигнала от идеального определяемого требованиями норм ИСО2631-74 .
В дальнейшем извлекается корень квадратный из этой величины и определяется среднеквадратическое значение вертикальных виброускорений в третьактавных диапазонах частот. Критерий оптимизации Кath соответствует среднеквадратическому отклонению реального входного сигнала от идеального:
Чем меньше его величина тем больше приближается выходной сигнал к международным нормам ИСО2631-74 – порогу снижения комфорта.
Делее приведены сведения о разработанных системах с подвеской маятникового типа и пневматическим двухкамерным упругим элементом и результаты испытаний конструкции виброзащитного сиденья оператора и подвески кабины промышленного трактора.
На основе результатов ранее выполненных и настоящих исследований разработаны виброзащитные устройства с подвеской маятникового типа и пневматическим двухкамерным упругим элементом (рисунок 12).
Рисунок 12 – Опытные образцы виброзащитного сиденья
На рисунке 13 представлены результаты испытаний (кривые 2 и 3) пневматической подвески сиденья (см. рисунок 1) Анализ результатов испытаний показывает что практически во всём диапазоне частот выполняются требования норм ISO (исключение составляют среднегеометрические частоты 2 25 и 20 Гц) при этом необходимо отметить что на серийном сиденье не выполняются требования отечественных стандартов на вертикальную вибрацию не говоря уже о требовании норм ISO. Эффективное гашение колебаний начинается с частоты в 315 Гц.
Рисунок 13 – Среднеквадратические значения вертикальных виброускорений
для технологического режима уборки картофеля: 1 – норма 2 – остов
комбайна; 3 – сиденье с пневмоподвеской 4 – теоретическая АЧХ
Результаты испытаний подтвердили эффективность и надёжность разработанных виброзащитных устройств. Расхождение теоретических и экспериментальных АЧХ (кривые 4 и 3) не превышает 5% в диапазоне частот до 8 Гц в диапазоне частот от 8 до 20 Гц – 7 % и в высокочастотной области (от 20 Гц) – до 20 %. Увеличение расхождения теоретических и экспериментальных данных в высокочастотной области объясняется необходимостью рассматривать объекты как систему с распределёнными параметрами что влечет значительное усложнение расчётной схемы.
Сравнительные испытания на стенде завода промышленных тракторов подвески маятникового типа с пневматическими двухкамерными упругими элементами и внутренним дросселированием показали что она по сравнению с серийно выпускаемой подвеской обеспечивает как минимум двухкратный выигрыш.

лист 2.dwg

Drawing1.dwg

Верхняя рама-стол 2. Уравновешивающая рама 3. Упругие элементы 4. Шатун 5. Резиновые буфера с регулируемым зазором 6. Связывающие резиновые упругие элементы 7. Притяжные магниты 8. Опорные резиновые упругие элементы 9. Эксцентриковый привод
Схема низкочастотной ударно-вибрационной площадки
Технические характеристики экстрематора i-24
- n- количество отсчетов в совокупности признаков (n=10) - Δt- интервал между отсчетами (Δt= 60 сек) - 64 - соотношение определяющее прохождение экстремума (6 - нулей
- единицы) - P10(e) = 0.000671 -вероятность ошибки в определении экстремума - t3 -максимальное время запаздывания в выдаче управляющего сигнала на повторное вибрирование (t3 = 9 мин)
Теоретические основы контроля экстремума электропроводности

Drawing2.dwg

лист1.dwg

LIST4.DWG

Итог1.dwg

DA1 - K504HT1 DA2 DA4 - KP140УД20 DA5 - KP544УД1
инвертирующий усили- тель
линейный выпрямитель
DD1 - K561ЛА8 DD2 - K176ИЕ12 DD3 - K561ЛН2 DD4
DD10- KP140УД20 DD5 - K1113ПВ1 DD6 - K561ИЕ9 DD7
устройство управления
устройство сравнения I
устройство сравнения II
DD1 DD3 - K561ТМ3 DD2 DD7 - K561ИП2 DD8 - K561ИЕ10 DD9 - K561ЛА9 DD10 - K561ЛЕ6 DD11 - K561ЛА8

лист 3.dwg

3.DWG

Прочность готового изделия
Время начала уплотнения (час)
Зависимость прчности готового изделия от времени начала виброуплотнения
Время формирования структуры (час)
Скорость ультразвука (мс)
Зависимость продолжительности периода формирования структуры определяемая по скорости распространения ультразвука
Зависимоссть электропроводности бетонной смеси от времени с момента заполнения формы
Реальный характер измененияэлектропроводности бетонной смеси по результатам измерения