Последовательность выполнения теоретических исследований металлургических машин

Теоретические исследования начинаются с поиска принципа действия конструируемой машины. При этом во главе угла лежит задание с четкой формулировкой значения машины и основных технических показателей, которые должны быть достигнуты в процессе ее работы.

Процесс поиска состоит в анализе существующих и принципиально возможных технических систем и принципов ее действия, с позиции их соответствия и технической возможности использования при создании проектируемой машины. Критерием соответствия выбираемых технических решений является, во-первых технические показатели, которым должна соответствовать проектируемая машина, а во-вторых общепринятые критерии сравнения: КПД, металлоемкость, габаритные размеры, удельная энергоемкость, себестоимость, экономическая эффективность, надежность, ремонтопригодность и др.

Главными функциями, получаемыми на первом этапе создания машины является соответственно уравнение для определения технических показателей и критериев ее сравнения с другими машинами. По результатам расчетов и сравнений принимается решение о выборе подходящего принципа действия и конструктивной схемы машины.

По результатам предварительных исследований выполняется проект технического предложения или экспериментального образца машины.

На этапе разработки технического проекта машины обычно возникает проблема выбора рациональных конструктивных параметров, мощности, оптимальных скоростей, ускорений, и др. параметров проектируемой машины, поэтому использование основных законов природы и общих ориентировочно-приближенных расчетов на основе общих принципиальных соображений, принимаемых на начальной стадии исследований, оказывается недостаточным и необходимо перейти к разработке подробной математической модели машины. Для разработки математической модели выполняется подробное описание принципа действия и работы машины в соответствии с выбранным ранее принципом действия и конструктивной схемы; делается классификация процесса работы машины с разбивкой всего процесса на характерные стадии или этапы. При этом, по возможности выявляются характерные признаки и граничные условия каждого из этапов.

Затем принимается либо обосновывается комплекс допущений, обеспечивающий возможность разработки математической модели и решения ее уравнений с приемлемыми затратами времени при обеспечении необходимой точности и достоверности результатов исследований.

Разрабатывается мат. модель, которая чаще всего отображает уравнение взаимодействия и движения элементов машины на каждом из этапов ее работы с учетом граничных условий этапов и условий однозначность их решений. Зачастую эти условия совпадают. Для составления этих уравнений используют закон Ломоносова в любой форме его проявления: сохранения энергии, движения, равновесия и т.п.

Решив уравнение обычно получают функции для определения ускорений, скоростей и перемещений элементов машины на каждом из этапов ее работы.

Затем, пользуясь общепринятыми определениями и формулами, определяют функциями технических показателей машины и выводят формулы для расчетов критериев ее сравнения с другими машинами При этом широко применяются результаты решения уравнений математической модели

Строят и анализируют диаграммы рабочего процесса машины в виде функций перемещений ее рабочих органов и диаграмм изменений сил, ускорений, скоростей, мощности и т.п. на каждом из этапов работы машины. Проводится подробный их анализ и делаются выводы о выборе или возможности выбора рациональных энергетических, силовых и конструктивных параметров машины, разрабатывается методика ее инженерного расчета.

При разработке методики инженерного расчета, в случае необходимости строят графики зависимостей технических показателей и критериев сравнения от определяемых параметров машины, разрабатываются блок-схемы и программы расчетов.

Результаты теоретических исследований закладываются в основу проектирования опытно-промышленного и экспериментального образцов машины, а также используются при разработке методики экспериментальных исследований и опытно-промышленных испытаний машины.

Разработка методики экспериментальных исследований и подготовка экспериментального образца машины к испытаниям

Для подтверждения правильности и точности результатов теоретических исследований, с последующим уточнением, либо переработкой методик инженерного расчета или оптимизации параметров металлургических машин организуются и проводятся экспериментальные исследования.

Сложность экспериментальных исследований состоит в том, что они требуют огромной организационной и материально-технической подготовки. Для их проведения нужен во-первых специально запроектированный, изготовленный и подготовленный к экспериментам объект исследований (узел, макет, модель, лабораторный, либо экспериментальный образец машины)

Во-вторых подбирается и готовится измерительная и регистрирующая аппаратура, разрабатывается методика измерения и записи измеряемых параметров.

В-третьих разрабатывается методика анализа и обработки результатов измерений и их использования для вывода экспериментальных зависимостей технических показателей машины и критериев ее оценки в виде статически обоснованных уравнений (регрессий) с оценкой их достоверности и уровня значимости.

Проектируется специальный экспериментальный образец машины, отличающийся от обычной машины тем, что в нем заранее предусматривается возможность изменения параметров в зависимости от значений которых проводятся исследования характера и йййййййй работы машины; при проектировании предусматривается возможность измерений интересующих исследователей параметров: ускорений, скоростей, перемещений, интенсивностей и характера изменений взаимодействий силовых элементов, мощностей, деформаций и т.п. Для этого предусматривается заранее возможность установки датчиков, доступность установки измерительных устройств и систем, причем все это продумывается и делается таким образом, чтобы не ввести существенны искажений в конструкции машины и изменений характера ее работы и выполнения своего функционального назначения Предусматривается возможность прокладки и закрепления проводов, трубопроводов, тросов и др. элементов измерительных и регистрирующих устройств с учетом передачи сигналов с движущихся, в том числе и с вращающихся элементов машины на регистрирующие и записывающие устройства системы. Контролируется изготовление и исследуется каждая важная деталь и узел машины на соответствие проекту и техническим условиям изготовления и сборки.

Все перечисленное невозможно сделать без предварительной разработки методики экспериментальных исследований.

Основой для разработки этой методики служит подробное описание работы машины, диаграммы вращения и взаимодействия ее элементов и все результаты предварительных теоретических исследований. Анализ проведенных теоретических исследований позволяет установить их слабые места, а именно те, где в процессе разработки математической модели и выборе условий однозначности делались упрощения и допущения, основанные не на ранее проведенных опытах, не на использовании законов природы, а ни интуиции, гипотезах, предложениях и мнении ученого.

В методике экспериментальных исследований предусматривается раскрытие указанных выше неопределенностей, выявления истинных значений интуитивно принятых условий однозначности, истинного характера протекающих процессов, степени значимости ошибок, внесенных упрощениями и допущениями, определения статистически обоснованных поправочных коэффициентов, позволяющих сделать приемлемыми результаты теоретических исследований, либо ставится задача на получение экспериментальных регрессий, если по каким-либо причинам использование теоретических формул оказывается нецелесообразным или затруднительным.

Наряду с этим планируются исследования, дублирующие теоретические исследования на экспериментальном уровне. Это делается для проверки или подтверждения правильности теоретических исследований.

На основе результатов теоретических исследований с учетом реальных технических возможностей эксперимента выбирается и назначается диапазон изменения варьируемых в процессе эксперимента параметров и шаг их изменения. При этом учитывается и возможность достаточно точного определения и фиксации этих параметров в процессе эксперимента.

В соответствие с результатом теоретических исследований определяется шаг ожидаемых изменений измеряемых параметров и по этому шагу подбирается измерительная и регистрирующая аппаратура для измерения каждого из параметров.

Выполняется расчет необходимого числа измерений и опытов и составляется план и график проведения испытаний. При этом учитываются все работы по сборке и разборке машины в целом и ее элементов с целью вариации переменных в процессе опытов.

Если оказывается, что число опытов, необходимое для полного исследования машины, оказывается, в соответствии с планом экспериментов, настолько велико, что стоимость исследований выходит за пределы здравого смысла, то принимаются методы рационального планирования экспериментов, позволяющие при сокращении числа опытов в 10... 100 раз получать достаточно надежные результаты Обычно при этом довольно существенно усложняется методика статистической обработки результатов эксперимента и возникает достаточно сильная необходимость с выявлением действительного влияния каждого из варьируемых параметров в отдельности, т.к. например, при использовании при планировании экспериментов метода наименьших квадратов каждый из опытов производится при вариации сразу 4-х и более параметров одновременно. В связи с этим степень влияния изменения каждого из параметров выявляется в процессе статистической обработки результатов измерений при одновременном варьировании всего сочетания множества параметров. Это с учетом ошибок измерений и влияния случайных факторов, в том числе и субъективного характера, может сильно исказить результаты исследований.

Однако трудности экономического обеспечения испытаний заставляют идти на использование методов рационального планирования экспериментов, совершенствование которых дает все более положительные результаты.