Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2008, № 4

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

ISSN 2071-6168

ИЗВЕСТИЯ 

ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 

УНИВЕРСИТЕТА

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Выпуск 4

Издательство ТулГУ

Тула 2008

УДК 621.002.5;656;623.094:623.4
ISSN 2071-6168

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. 
– 316 с.

Рассматриваются научно-технические проблемы в области машиностроения и машиноведения, технологии и оборудование для обработки металлов давлением и резанием, вопросы моделирования сварочных 
процессов, транспорта, управления, вычислительной техники, информационных технологий.
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей 
вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в области технических наук.

Редакционный совет

М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, В.А. АЛФЕРОВ, И.А. БАТАНИНА,
О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, В.С. КАРПОВ, Р.А. КОВАЛЕВ,
А.Н. ЧУКОВ, Е.А. ФЕДОРОВА, А.А. ХАДАРЦЕВ

Редакционная коллегия

О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Чуков (зам.отв.редактора), Р.А. Ко
валев (зам.отв.редактора), В.С. Карпов (зам.отв.редактора), Е.П. Поляков,
В.В. Прейс, П.Г. Сидоров, А.С. Ямников, А.Е. Гвоздев, И.Е. Андреев,               
А.А. Фомичев, Е.А. Макарецкий, В.М. Степанов, А.А. Трещев, Н.А. Шульженко, И.С. Булычев 

Подписной индекс 27851
по Объединенному каталогу «Пресса России»

«Известия ТулГУ» входят в перечень 
ведущих научных журналов и изданий, 
выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы 
научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора наук

©
©
Авторы научных статей, 2008
Издательство ТулГУ, 2008

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.311
В.С. Сальников, О.А. Ерзин, С.С. Курских (Тула, ТулГУ)

МОДЕЛЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ 
КОМПЛЕКСОМ ПРОИЗВОДСТВА КИСЛОТОУПОРОВ

Предложено математическое описание состояния технологического комплекса производства кислотоупорных изделий в энергетическом пространстве позволяющее получить оценку 
его энергоэффективности 
с помощью предложенных 
показателей: эффективности рабочих операций; эффективности транспортных операций; эффективности организационной структуры. 

Анализ и прогнозирование качества функционирования технологических комплексов производства кирпича (ТКПК) в смысле энергопотребления позволяют принять эффективные и своевременные решения по 
коррекции структуры и организационно-технологических характеристик, 
обеспечивающих постоянную конкурентоспособность продукции. 
На входе в ТКПК материальный поток представляет собой бесформенную массу глин одной или нескольких разновидностей (от 2 до 5). По 
ходу технологического процесса глины смешиваются между собой, к ним 
добавляются отощающие добавки в виде шихты и отходов от различных 
стадий производства. Смеси характеризуются фракциями, имеющими различные размеры, форму и химический состав. Шихта готовится на параллельных ветвях основного технологического процесса. Используется как 
сухое, так и мокрое смешивание. В результате последнего образуется относительно однородная глиномасса определенного фракционного состава. 
После прессования она превращается в эсктрудат, затем после резки и допрессовки – в кирпич-сырец и, наконец, после сушки и обжига – в готовое 
изделие – кирпич [4, 5].
ТК по производству керамических изделий имеют разнородную 
структуру транспортной системы и используют технологическое оборудование, работающее как в дискретном, так и в непрерывном режимах. Это 

затрудняет формализацию сущности материальных потоков, их элементов, 
принципов преобразования. За элемент материального потока в такого типа производствах используется, например, 1000 шт. условных единиц изделий (кирпича). Это неудобно, поскольку параметры, определяющие такт 
выпуска технологического оборудования, работающего в дискретном режиме, могут быть не кратны ему и существенно отличаться друг от друга. 
Например, на ЗАО «Кислотоупор» (г. Щекино) емкость печной вагонетки, 
определяющая такт выпуска ТКПК, равна 480 шт. В сушильную камеру 
изделия подаются на других вагонетках, в которых они размещены специальным образом, их емкость равна 320 шт. В то же время такт устройства
резки определяется длиной экструдата, которая составляет 15 единиц. Допрессовочный пресс выдает изделия поштучно. Ленточный вакуумный 
пресс в первом приближении можно также считать, что работает поштучно. Все транспортные системы приготовления смеси и глиномассы работают с бесформенной массой, их такт работы определяется массовой 
производительностью. К этому следует добавить, что производительности
отдельных агрегатов технологической цепочки существенно отличаются 
друг от друга. 
Для обобщения всех фаз сырца введем в качестве основного понятия элемента материального потока на всех этапах преобразования эквивалент 
одного 
изделия 
(кирпича) – сырец-эквивалент. 
По 
ходу 
технологического процесса изменяются его размеры, объем, вес, площадь 
наружной поверхности, плотность, содержание влаги и прочность.
Для анализа эффективности энергопотребления будем считать, что 
вся энергия, вводимая в ТКПК, в конце концов переходит в элементы этих 
потоков, поскольку с точки зрения затрат стоимость всех энергоносителей 
напрямую входит в себестоимость конечного изделия.
По аналогии с производственным потенциалом и векторной диаграммой оценки технологических процессов будем использовать векторное представление энергопотребления ТКПК [1, 6,
7]. Для этого 
воспользуемся понятием “энергетическое содержание” элемента материального потока - сырца-эквивалента. Чтобы не потерять индивидуальных 
отличий материального потока и энергетического потока, воздействующего на предметы на операциях технологического процесса, целесообразно
“энергетическое содержание” представить в виде вектора в некотором 
“энергетическом” пространстве [7]. Для определения этого пространства в
декартовой системе координат по одной координате будем откладывать
энергию, накапливаемую в элементах в результате воздействия на них 
производственной среды. Она учитывает наследственные признаки метода 
и способа обработки, технических средств, задействованных в процессе 
получения готовой продукции, а также условий производства. По второй
координате будем откладывать некоторую “собственную энергию” элемента. Под “собственной энергией” сырца-эквивалента будем понимать

показатель его структурно-параметрического состояния, выраженный в 
энергетических категориях. Он является некоторым комплексным показателем качества, который учитывает его физико-геометрические характеристики.
По 
третьей координате 
будем 
откладывать
энергию 
его
пространственного расположения.
Известно, что интенсивность энергетических потоков однозначно 
связана с производительностью системы, и все операции в смысле изменения энергетического содержания можно разбить на три вида. Операции 
технологических процессов, связанные с изменением размеров и формы, 
качества поверхностей и внутренней структуры, определим через изменение внутренней или поверхностной энергии элементов потока. Транспортные 
операции, 
изменяющие 
пространственное 
расположение, 
определяются через работу перемещения соответствующих масс. Операции ожидания обработки и хранения в заделах и складах определяются как 
операции, приводящие к увеличению энергетического содержания элементов за счет поглощения некоторого фонового потока энергии. Этот поток
необходим для поддержания заданного уровня работоспособности ТК и не 
зависит от его загрузки. Поскольку любая из первых двух операций обладает определенной продолжительностью во времени, то их можно рассматривать как действующие совместно с третьей операцией.
Все затраты энергии, связанные с изменением физических и геометрических 
свойств, 
пространственного 
расположения 
сырцаэквивалента, а также ее диссипацией на каждом этапе преобразования,
можно отнести к технологическим (
тр
W
). Они направлены на решение 
главной задачи ТКПК – преобразование сырца-эквивалента в готовую продукцию - кирпич. Фоновые затраты энергии связаны с созданием требуемых условий производства (тепла, света, вентиляции и т. д.), а также с 
генерацией дополнительных энергоносителей (пара, воздуха и т.д.) (
F
W ).
Все эти затраты энергии (
W
W
) определим как i -ю составляющую вектора 
энергетического содержания сырца-эквивалента.
Энергию пространственного положения сырца-эквивалента, то есть 
k -ю составляющую вектора энергетического содержания, представим как 
идеальную работу по его перемещению в пространстве по ходу технологического процесса. Очевидно, что эта составляющая характеризуется накоплением, т. е.






1)
(m
m
1)
(m
W
W
W
тр
тр
тр
,
(1)

где 
1)
(m
m W
W
тр
тр
,
– энергия, которую необходимо затратить, чтобы 

переместить в идеальных условиях сырец-эквивалент из некоторой исходной точки в m-ю и в 
)1
(

m
-ю точки пространства ТКПК соответственно;


1)
(m
Wтр
– энергия, необходимая для его перемещения с m-й рабочей 

позиции на 
)1
(

m
-ю в идеальных условиях, т. е. это энергия преобразования для транспортной операции,






)1
(
c
c
)1
(
тр
ρ
m
m
gl
V
k
W
m
m
1)
(m
,
(2)

где 
m
m Vc
c ,
ρ
– плотность и объем сырца-эквивалента на выходе m–й ра
бочей позиции; g – ускорение свободного падения;
)1
(

m
k
– коэффициент 

учета затрат энергии на перемещение единичной массы в горизонтальной 
плоскости от m -й до 
)
1
(

m
-й рабочей позиции в идеальных условиях;

)1
(

m
l
- длина маршрута транспортной системы от m-й до 
)1
(

m
-й рабочей позиции.
В свою очередь, j-ю составляющую вектора энергетического содержания представим через “собственную энергию” сырца-эквивалента, 
являющуюся показателем его структурно-параметрических изменений по 
ходу технологического процесса. Для оценочных расчетов определим ее в 
виде зависимости, учитывающей изменение объема, плотности, фракционного состава и площади их внешних поверхностей. Выразим ее через приведенное значение поверхностной энергии фракций, идентичной энергии 
поверхностного натяжения
ρ
)
,
ρ,
(
σ
пов
пов
n
V
f
F
W
m
m
m
C
C
F

,
(3)
где 
n – число фракций,
входящих 
в состав единичного
сырцаэквивалента;
пов
σ
– удельная поверхностная энергия фракции;
пов
F
– условная площадь поверхности фракций.
В этом случае вектор энергетического
содержания
сырцаэквивалента после m-й рабочей позиции может быть выражен следующим 
образом:

m
m
m
kW
jW
iW
W
F
W
m
тp



.
(4)

Можно предположить, что при правильно организованном технологическом процессе “собственная энергия” сырца-эквивалента возрастает 
при его движении от начальной к конечной операции, а, следовательно, во 
времени. Это объясняется тем, что целью любой операции является улучшение свойств исходного сырья и постепенного его приближения к требуемым свойствам готового изделия.
Аналогичными свойствами обладают и составляющие 
W
W
и 
тр
W
,

поскольку они отражают возрастание затрачиваемой энергии и энергии 
пространственного положения по ходу технологического процесса.
Для упрощения математических выкладок и облегчения обозначения индексированных переменных предположим, что число рабочих позиций равно числу транспортных операций и операций хранения. После 
каждой рабочей позиции следует транспортная операция, а затем операция 

хранения. Отсутствие той или другой эквивалентно наличию нулевых операций, т. е. операции с нулевыми значениями
W
W
,
тр
W
и
F
W
.

Каждую составляющую можно представить в виде прерывистой 
функции времени













































































)],
(1
)
(1
)[
(

)]
(1
)
(1
)[
(

)]
(1
)
(1
)[
(
)
(

;
)]
(1
)
(1
)[
(
)
(

;
)]
(1
)
(1
)[
(
)
(

трк
трн
трн

0

0

0
тpк
тpн
тpн
тp
тp

тр

K
H
H

H
H

m
K
m
H
m
H
m
X

m
m
m
m

m
m
m
m
F

m
m
m
m

m
m
m
m

X
X
X
W

W

n
m

m
F
F
F
W
W

n
m

m
Fк
F
F
F
F

n
m

m

t
t
t
t
t
t
W

t
t
t
t
t
t
W

t
t
t
t
t
t
W
t
W

t
t
t
t
t
t
W
t
W

t
t
t
t
t
t
W
t
W

(5)

где
)
(
),
(
),
(
тp
тp
н
m
H
m
X
Hm
m
m
m
F
X
W
W
F
W
t
t
W
t
t
W
t
t
W






–
затраты 

энергии соответственно на m -х операциях рабочей, транспортной и хранения;
)
(
),
(
тp
тp
m
H
m
m
H
m
t
t
W
t
t
W
F
F




– изменение собственной энергии 

и энергии пространственного положения на соответствующих m-х операциях;
m
K
m
H
m
K
m
H
m
K
m
H
X
X
F
F
t
t
t
t
t
t
,
,
,
,
,
тp
тp
– время начала и окончания 

m-х операций соответственно рабочей, транспортной и хранения.
Очевидно, что между временами соответствующих операций существует следующая взаимосвязь:

m
K
m
H
t
tF
тp
)
1
(



;
m
K
m
H
X
t
t

тp
;
m
K
m
H
F
X
t
t


 )
1
(
;

m
H
m
K
m
F
F
F
On
t
t
t


;
m
H
m
K
m
t
t
tOn
тp
тp
тp


;
(6)

m
H
m
K
m
X
X
X
On
t
t
t


,

где
m
X
m
m
F
On
On
On
t
t
t
,
,
тp
– длительности m-х операций соответственно ра
бочей, транспортной и хранения.
Энергия преобразования (
F
W

) выступает как единственная полезная работа, совершаемая в течение всего технологического процесса. Для 
операций формообразования ее целесообразно связать только с изменением площади поверхности, внутренней структуры и плотности. Такие характеристики, как точность размеров и формы, являются обычно не 
свойством воздействия, а определяются возможностями конкретной технологии и оборудования его реализующего. Качество поверхности, безус

ловно, связано с площадью, образуемой в процессе обработки поверхности, однако на него оказывают влияние и условия реализации конкретной 
технологии.
Скорость изменения энергии преобразования характеризует интенсивность соответствующих операций, а, следовательно, их эффективность. 
Очевидно, что для транспортных операций 
)
(
тp
тp
m
H
m
t
t
W


является ли
нейной функцией от времени коэффициент пропорциональности определяется 
производительностью 
линии. 
Для 
рабочих 
операций 
)
(
m
H
m
F
F
t
t
W


имеет более сложную зависимость, например для опера
ций смешивания, дробления, сушки и обжига, вероятно, это экспоненциальные зависимости, которые отражают
постепенно замедляющееся 
улучшение характеристик сырца-эквивалента по мере увеличения длительности обработки. Для операций прессования можно также предположить линейную зависимость от времени.
Затраты энергии на соответствующих операциях определяются через КПД и коэффициент использования технологического оборудования и 
транспортных систем [8, 9]. Затраты энергии на хранение определяются 
через фоновый поток энергии, действующий на соответствующее подразделение ТКПК [7].
Годограф вектора энергетического содержания в таком представлении является оперативным инструментом оценки эффективности функционирования ТК. Он обладает высоким уровнем информативности, 
хорошей наглядностью и комплексным характером представления возможных нарушений режима энергопотребления. Он отражает динамику 
энергопотребления по мере продвижения элементов материальных потоков по ходу технологического процесса.
В качестве частных критериев в этом случае могут выступать производные:

F

W
W
W
W
K
F



– показатель эффективности рабочих операций;

тp
тp
W
W
K
W
W



– показатель эффективности транспортных опе
раций;

F
W

W
K
F




тp
тp
– показатель эффективности организационной 

структуры ТК, отражает соотношение транспортных и рабочих операций.
К этому следует добавить, что наличие скачков в функции 
)
(t
WW

может быть обусловлено наличием операций хранения. Величина скачков 
определяется интенсивностью соответствующих фоновых потоков и емкостью накопителей.

m
m
m
m
m
X
Q
V
P
W
C
H
X
W
тp
/
ρ


,
(7)

где 
m
X
P
– приведенное к заданной производственной площади значение 

интенсивности фонового потока энергии;
m
H
V

– полезный объем накопи
теля;
m
Qтp
– массовая производительность транспортной системы, подающей материал в накопитель.
Приведенный подход позволяет сделать вывод: технологическому 
процессу, отвечающему требованию эффективного энергопотребления, соответствует годограф, имеющий минимальные значения показателей

F
F
K
K
K
W
W
тp
,
,
тp
и скачков затрат энергии.

Следует заметить, что для сравнительного анализа технологических 
маршрутов все траектории могут начинаться в начале системы координат, 
т. е. предполагаются нулевые исходные данные. Это нисколько не нарушает общности рассуждений, поскольку вектор энергетического содержания 
будет характеризовать изменение его приращения по мере движения сырья 
в ТКПК по ходу технологического процесса.
Представляет интерес оценка чувствительности годографа вектора 
энергетического содержания сырца-эквивалента и предлагаемых критериев 
к изменению эффективности энергопотребления ТКПК при изменении параметров технологического процесса, (рисунок).

Оценка чувствительности годографа вектора энергетического 
содержания сырца-эквивалента

Для целей анализа условно взяты одна m -я технологическая операция с энергоемкостью 
m
F
W
W

, одна транспортная – с
m
W
W
тp

и одна опе
рация хранения – с
m
X
W
W

. Подразделение ТКПК, где они выполняются, 

характеризуется постоянством приведенного значения энергии фонового 
потока.
Пусть, например, в исходном технологическом процессе уменьшена установленная мощность дробилки грубого помола. Тогда энергоемкость 
этой 
технологической 
операции 
также 
станет
меньше:

m
F
1
m
F
W
W
W
W



. Если никаких изменений в системе больше не произво
дилось, то есть остались неизменными 

m
тp
W
W

и
m
X
W
W

, то в результате 

такого подхода все показатели системы с энергетической точки зрения 
улучшатся.
Конечный участок годографа вектора энергетического содержания 
опустится вниз на величину

1
m
F
m
F
W
W
W
W
W
W





,
(8)

т. е. общая энергоемкость обработки уменьшится.
Поскольку по условию модернизация затрагивает только одну операцию, то говорить о возможности изменения энергии пространственного 
положения невозможно. Сырец должен попасть на следующую операцию в 
то же место. Однако, если к задаче модернизации подходить комплексно, 
то она может затронуть и средства транспортирования сырца-эквивалента.
В частности, в результате применения более современных транспортных 
систем или уменьшения длины траекторий перемещения может быть снижена энергоемкость этих операций [2, 3]. Кроме этого, она может затронуть и средства обеспечения условий функционирования ТКПК, например,
рациональное использование выбросов тепла, в случае, отказа котельни
как генератора вторичных энергоресурсов [3, 9]. Только в этом случае 
можно ожидать существенного улучшения показателей системы с энергетической точки зрения. Конечный участок годографа вектора энергетического содержания опустится вниз на величину

1
1
тp
тp
1
m
X
m
X
m
m
m
F
m
F
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W













, (9)

т. е. общая энергоемкость обработки уменьшиться.
Аналогичные рассуждения можно привести и при замене нескольких операций. Единственное отличие, которое возникает в этом случае, 
связано с возможностью уменьшения энергии пространственного положения за счет сокращения протяженности маршрутов перемещения сырца 
между рабочими позициями.
Предложенный подход к моделированию ТКПК дает возможность 
оценить ее управляемость по энергозатратам и провести наглядный и опе