CC BY
0
DOI 10.12737/18680 УДК 631.363.7
АНАЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГРАВИТАЦИОННОГО СМЕШИВАНИЯ
БАРАБАННЫХ УСТРОЙСТВ
Димитриев Николай Владимирович, аспирант кафедры «Механизация технологических процессов в АПК», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, Пенза, ул. Ботаническая, 30.
Е-mail: sha [email protected]
Коновалов Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Технология машиностроения», ФГБОУ ВО Пензенский ГТУ.
440039, Пенза, проезд Байдукова, ул. Гагарина, 1 а/11.
E-mail: [email protected]
Терюшков Вячеслав Петрович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис машин», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, Пенза, ул. Ботаническая, 30.
Е-mail: sha [email protected]
Чупшев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис машин», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, Пенза, ул. Ботаническая, 30.
Е-mail: sha [email protected]
Ключевые слова: смешивание, барабан, смеситель, частота, лопасти.
Цель исследования - повышение качества смешивания материала и определение конструктивно-кинематических параметров барабанного лопастного смесителя путем численных методов. Основой современного общества является использование разнообразных смесей и композиционных материалов на их основе. Приготовление исходных смесей осуществляется как непосредственно смесителями, так и в ряде случаев разнообразными устройствами, в том числе экструдерами и шнековыми прессами. Среди подобных устройств широко распространены барабанные смесители, сушилки, бетономешалки и т.п. Их особенностью является низкая энергоемкость смесеобразования, а так же способность за достаточно короткий промежуток времени достигать возможной равномерности смеси. После чего качество смеси практически не изменяется. Попытка использования имеющихся в широкой продаже бетономелок периодического действия в целях приготовления такой смеси как комбикорм, показала, что существующие их конструкции подлежат дальнейшему совершенствованию ввиду невозможности достижения зоотехнических требований при приготовлении комбикорма на основе покупных БВД и собственного фуража. Для этого требуются дополнительные теоретические изыскания. Рассмотрен процесс взаимодействия лопастного барабана с материалом, работающим в режиме периодического смешивания. Полученные аналитические выражения позволяют определить условия смешения материала по основным конструктивно-кинематическим параметрам барабанного лопастного смесителя на основе численных методов.
Основой современного общества является использование разнообразных смесей [1-3] и композиционных материалов [4-7] на их основе. Приготовление исходных смесей осуществляется как непосредственно смесителями [8-10], так и в ряде случаев разнообразными устройствами, в том числе экструдерами и шнековыми прессами [11].
Среди подобных устройств широко распространены барабанные смесители, сушилки, бетономешалки и т.п. Их особенностью является низкая энергоемкость смесеобразования, а так же способность за достаточно короткий промежуток времени достигать возможной равномерности смеси. После чего качество смеси практически не изменяется [12-15]. Попытка использования имеющихся в широкой продаже бетономелок периодического действия в целях приготовления такой смеси как комбикорм, показала, что существующие их конструкции подлежат дальнейшему совершенствованию ввиду невозможности достижения зоотехнических требований при приготовлении комбикорма на основе покупных БВД и собственного фуража [14; 15]. Для этого требуются дополнительные теоретические изыскания.
Цель исследований - повышение качества смешивания материала и определение конструктивно-кинематических параметров барабанного лопастного смесителя путем численных методов.
Задачи исследований: провести анализ особенностей взаимодействия элементов конструкции и частиц материала у вращающихся барабанных устройств с крепящимися лопастями; выявить аналитические выражения, позволяющие определить условия смешения и перемешивание материала под действием сил гравитации.
Материалы и методы исследований. Рассмотрим процесс взаимодействия лопастного барабана с материалом, работающим в режиме периодического смешивания.
При вращении емкости 2 барабанного смесителя с угловой скоростью со, лопастями 1 материал захватывается, поднимается не некоторую высоту (тА), соответствующую центральному углу рп, после чего начинается сход частиц материала с лопастей 2 под действием сил гравитации и образование насыпи материала 3 внутри емкости. Наибольшая степень заполнения емкости будет соответствовать поз.// насыпи 3. Смещение вершины насыпи от оси вращения как вправо, так и влево будет уменьшать степень заполнения емкости, что уменьшит объем смеси и соответственно производительность смесителя. С другой стороны, смещение вершины насыпи влево приведет к перемещению центра тяжести насыпи так же влево, а это создаст отрицательный момент, который будет препятствовать вращению барабана. По этой причине смещение вершины вправо снижает энергоемкость смесеобразования в виду совмещения направлению силы тяжести насыпи вращению барабана. Тем самым, наиболее предпочтительным является некий вариант поз./// насыпи 3.
При подъеме материала лопастями 1, часть материала, не увлекшаяся во вращения, останется слева у основания насыпи 3. Материал, вращающийся с барабаном будет прижиматься к емкости 2 диаметром О и подниматься при его вращении. Лопасти 1 способствуют удержанию материала на барабане. Достигнув некоторого угла фп, часть частиц материала будет отрываться от порций материала у кромки лопастей шириной 5, и продолжит движение уже по законам баллистики. Достигнув некоторого угла р, будут отрываться уже частицы у стенки емкости 2 барабана радиусом Я = О/2. Определив углы рп и р, найдем предпочтительную зону разгрузки лопастей барабана.
Рис. 1. Схема поперечного сечения барабана с контурами вороха материала:
1 - лопасть барабана; 2 - емкость барабана; 3 - ворох материала
Частицы, упавшие на поверхность насыпи будут частично скользить по ее поверхности вниз, а также, совместно с другими частицами насыпи, увлекутся во вращательное движение насыпи при вращении барабана по некоторой спирали. Оказавшись на расстоянии от стенки емкости менее 5, частицы увлекаются во вращение барабана и на последующий новый полет под действием гравитации. Тем самым осуществляется циркуляция частиц материала в поперечной плоскости барабана, обеспечивающая их перемешивание и усреднение по данному сечению.
Рис. 2. Схема поперечного и продольного сечения барабана с контурами вороха материала
и траекторией движения частиц:
1 - лопасть барабана; 2 - емкость барабана; 3 - ворох материала
При наклоне оси вращения барабана от горизонтали на угол а материал будет смещаться вдоль барабана к днищу емкости 2 (вправо). Тем самым образуется насыпь 3 в продольной плоскости. В результате
материал у днища барабана практически не перемешивается. По мере накопления материал частично смещается под уклон насыпи (влево, к загрузному отверстию), способствуя усреднению состава в объеме смеси. Уменьшение угла установки барабана (а®0°) улучшается усреднение частиц в поперечном сечении, однако ухудшает смещение частиц вдоль барабана. Степень заполнения емкости будет мала ввиду угрозы преждевременной выгрузки материала. Рост угла установки барабана (а®90°) ухудшает усреднение частиц в поперечном сечении, однако повышает смещение частиц вдоль барабана до тех пор, пока у днища не образуется застойная зона. Степень заполнения емкости возможна до максимума. Для устранения указанных проблем практика выработала форму барабана, у которого по бокам размещены усеченные конуса [14; 15]. Однако, вопрос принудительного продольного смещения частиц не решен.
Результаты исследований. Задача 1. В случае вращения барабана с частотой более некоего предельного значения возможен захват материала барабаном и совместное их вращение при действии центробежных сил и тяжести (рис. 3).
Проекции ускорения, действующие на частицы запишутся, м/с2:
аГ = ах = R* • ш2 • sin р • sin а, (1)
аВ = aY = g + R* • ш2 • cos < • cos а, (2)
где R* - радиус расположения частицы относительно оси вращения барабана (наибольшее значение соответствует радиусу барабана, меньшее - радиус барабана минус ширина лопасти S), м; w - угловая скорость вращения барабана, рад./с.; a - угол наклона оси вращения барабана, рад.; j - угол расположения частицы (или лопасти) относительно нижней точки барабана, рад. Критический угол подъема частицы, рад.:
w = arccos-^-. (3)
R*-u>¿-cosa
Критическая угловая скорость вращения барабана, рад./с:
ы = I ~9 = I 9 , (4)
-JR* • cosy • cosa -J 0,5D cosp • cosa
где D - внутренний диаметр барабана, м.
Критическая частота вращения барабана, мин-1:
=30 I--2-. (5)
п• созф• соза
Рабочую частоту вращения рекомендуется [1] брать с коэффициентом 0,46 от критического значения.
Чем больше радиус расположения частицы, тем меньше критическая частоты вращения. Т.е. в большем барабане, вращающемся с той же угловой скоростью, что и меньший, возникает большая центробежная сила. В результате уравновешивание сил происходит при меньшей частоте вращения. Тем самым, возможен переходный момент, когда частицы расположенные у стенок барабана прижимаются к стенкам (рис. 1), а частицы расположенные у вершины лопаток будут ссыпаться, участвуя в процессе смешивания: - частицы у емкости вращаются с барабаном:
n* < 30 I--p-. (6)
n -J 0, 5 D- с o s p- со s a
частицы на лопасти ссыпаются, участвуя в перемешивании:
П > I---=£-. (7)
7Г -J (0,5D-S)-cos р- cos а
Критический угол наклона оси вращения барабана, рад.:
а = arceos-§■-. (8)
,
Задача 2. На основе баллистики из равенства времени полета частиц у проекций по осям Х и Y, и с учетом их разности равной нулю, числовым моделированием можно определить угол схода частиц (отрыва от монолита материала у лопасти или емкости) при известных параметрах, рад.:
ш- R*-sinр + км- Я*-sinp)2-2g(R*- cosр+су) „* . т , с
_\__ _ К • sin(p+сх = о (д)
д •cosa ш - R*-cosp
При этом Сх и Су - координаты конечных точек полета частиц относительно оси вращения, м.
Угол jk (рад.) достижения т. С определится (как частный случай):
0 Г2- üj2- R* +g-cosa~\
рк= _2 • arctg [м*^J. (10)
Задача 3. В случае расположения частиц материала на поверхности радиальной лопасти барабана на частицы дополнительно действуют силы трения частиц материала о лопасть Ртр. При этом радиальная лопасть может быть установлена как вдоль оси вращения, так и повернута на некий угол р. Используя подвижную систему координат, направим оси координат (рис. 4): ось Х - вдоль лопасти и вдоль оси вращения барабана; ось Y - нормаль к лопасти; ось Z - поперек оси вращения барабана и вдоль лопасти.
Для определения силы трения необходимо найти нормальную проекцию равнодействующей силы тяжести и центробежной силы (рис. 5). Центробежная сила действует вдоль лопасти. Тогда нормальная проекция действующих сил определится, Н:
N = G-s in р • с о s(a+/3). (11)
Отсюда сила трения, Н:
FTP=N-f = [G-sin (р - cos(a + 0)] - f. (12)
Сила трения направлена навстречу скорости движения. Для этого найдем проекции действующих сил на плоскость лопасти. Проекцией центробежной силы на лопасть является сама центробежная сила - Fc. Проекция силы тяжести определится: G- sin a sin ср. При этом проекция на ось Х составляет: Gx = G • sin а. Проекция на ось Z составляет: Gz = G - sin (p.
Равнодействующая проекций сил на лопасть F может быть определена как сумма векторов:
F = Fc + G¡ + ~GX + FTp. (13)
Соответственно, проекции на лопасть сил тяжести и центробежной на оси составят:
Fz = Fc + Gz; Fx = Gx.
Угол проекции на горизонтальную плоскость силы тяжести относительно радиуса (угол у), расположенного вдоль лопасти через частицу материала
t = _ (с-siп а) = (а•siп a) (14)
~ Yl (Fc+G-coSj)~ (R- ш2+ g-cosj)' * '
Проекции действующих сил на оси X и Z:
Fy = G y + Ft
Fz = Fc + GZ + FTPz. Проекции действующих ускорений по осям:
ax = g - sina — [g - sinф - cos(a + в)] - f- sin y; (15)
az = R* - a)2 + g - с o s j — g - f - sin ф - cos(a + в) - cos y. Угол наклона лопасти, при котором возможно движение материала вдоль оси вращения барабана определится из выражения
cos(a + p) >
g-si n a
[g - s i пф]- f-s i n у'
откуда
/ > ar с с o s (, 9-siZa. ) _ a . (16)
\lg - s in ф]-f - s in у)
A-A
Рис. 4. Схема сил, действующих на частицы вращающегося кольца материала: а - в поперечном сечении барабана; б, в - в продольном сечении барабана при различном угле оси вращения барабана, при отсутствии и наличии скольжения частиц вдоль лопасти; г - в продольном сечении барабана при наличии скольжения частиц вдоль повернутой на угол р лопасти; 1 - вращающийся барабан; 2 - лопасть; 3 - частицы материала, расположенные на лопасти
Рис. 5. Схема сил, действующих на частицы, расположенные на лопасти вращающегося барабана, соответственно
горизонтальной и вертикальной: 1 - лопасть; 2 - вращающийся барабан; 3 - частицы материала, расположенные на лопасти
Проекция на лопасть действующих на частицу ускорений (вдоль лопасти):
аЛ = 1ах + az = {[¿7 • [sina — sin ф • cos(a + р) • f- sin у]]'
+
+ [R* •ш2 + g • cosj • [1 — f • cos у cos(a + p)]] (17)
В том случае, если соотношение величин нормальной проекции действующих сил и проекция действующих сил в плоскости на лопасть находятся в пределах конуса трения, движение частиц по поверхности лопасти происходить не будет вследствие самоторможения. Если же величина проекций сил вдоль лопасти
б
a
в
превысит допустимое соотношение, то возможно движение частиц вдоль лопасти, т.е. для движения частицы должно выполняться соотношение:
tg 5 > f, (18)
где tgd - соотношение нормальной проекции сил к проекции сил вдоль лопасти; f- коэффициент трения, материала по стали, либо внутреннего материала, по потребности конкретного случая.
Тангенс данного угла:
tg 5 = L =-т •ал f ^.
° N т• д -sin ф • cos (а+р)
2
{\д • [sina — sin ф • cos(a + р) • f • sin у]] +
tg S = —---x
g - sin ф •
+ lfí*• ш2+д• [cosj-f • sin ф• cosy• cos(a+fi)j \ }'
X—-;----. (19)
• cos(a+p) 4 '
При отсутствии эффекта самоторможения проекция ускорения вдоль лопасти по оси X направленная вдоль оси вращения способствует перемещению материала вдоль лопасти, обеспечивая перемещения частиц вдоль оси барабана. Это способствует смещению материала вдоль оси барабана и, тем самым, усреднению концентрации частиц в объеме материала, т.е. смешению.
В случае поочередного расположения лопастей (в шахматном порядке), обеспечивающих осевое смещение частиц по лопасти при подъеме как вправо, так и влево, кроме улучшения перемешивания можно добиться подгруживание вправо вороха у верхней кромки загрузного отверстия (т.е. вниз), обеспечивая увеличение степени заполнения барабана и снижая несанкционированный выброс частиц массы корма через выгрузное отверстие.
При отсутствии эффекта самоторможения проекция ускорения вдоль лопасти по оси Z направленная к оси вращения способствует сходу материала с лопасти. Т.е. при повороте лопасти сходящий материал вновь ссыпается сверху на ворох материла, обеспечивая перемешивание частиц.
Угол начала схода вороха материала с лопасти фн (рад.) определится из условия:
{\д - [sina — sin ф - cos(a + р) - f - sin у]] +
—--—x
д - sin ф -
+ 1й*-ш2+д - [cosj-f-sinq> - cosy - cos(a+fi)j \ }'
X—-;-^--- = f. (20)
- cos(a+p) ' v '
Отсюда угол схода должен соответствовать условию:
2 2
{[д - [sina — sinф - cos(a + р) - f- sin
у]] +iR*
- ш2 + д - [cosj — f - sin ф - cos Y - cos (a + P)]f}'
> g - sinф - f - cos(a + p)
Или угол схода соответствует условию:
2 2
{[д - [sina — sin ф - cos(a + р) - f - sin у]] +[fí* - ш2 + g[cosj — f - sin ф - cos y - cos(a + p)]] }' —
—g - sinф - f - cos(a + p) = c > 0. (21)
Учитывая, что ввиду сложности вышерасположенного уравнения угол начала схода j выразить не представляется возможным, поэтому его значения определяются численными методами. При положительном значении c возможен сход материала с лопасти, так как отсутствует эффект самоторможения.
Заключение. Таким образом, полученные аналитические выражения позволяют определить условия смешения материала по основным конструктивно-кинематическим параметрам барабанного лопастного смесителя на основе численных методов.
Библиографический список
1. Лещинский, Л. В. Основы теории и расчета бетоносмесительных установок. - Хабаровск : Изд-во Хабаровского ГТУ, 1998. - 112 с.
2. Бормотов, А. Н. Математическое моделирование структуры композитов в виде рациональных функций по краевым точкам области планирования / А. Н. Бормотов, И. А. Прошин, С. В. Тюрденева // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - №12 (16). - С. 272-280.
3. Бормотов, А. Н. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита / А. Н. Бормотов, И. А. Прошин // Вестник Брянского ГТУ. - 2009. - № 4. - С. 29-36.
4. Бормотов, А. Н. Метод построения многофакторных нелинейных моделей на примере математического моделирования композитов специального назначения / А. Н. Бормотов, И. А. Прошин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - №12 (16). - С. 264-271.
5. Бормотов, А. Н. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита / А. Н. Бормотов, И. А. Прошин, А. Ю. Кирсанов, Е. М. Бородин // Вестник Воронежского ГТУ. - 2010. - Т. 6, № 7. - С. 98-104.
6. Чупшев, А. В. Влияние диаметра лопастей и их числа на неравномерность смеси и энергоемкость смешивания /
A. В. Чупшев, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков // Вестник ФГОУ ВПО Московский ГАУ им. В. П. Горячкина. - 2008. -№ 2. - С. 132-133.
7. Чупшев, А. В. Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей / А. В. Чупшев, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков, Г. В. Шабурова // Вестник Алтайского ГАУ. - 2012. -№3 (89). - С. 88-91.
8. Чупшев, А. В. К обоснованию параметров быстроходного смесителя / А. В. Чупшев, В. В. Коновалов,
B. П. Терюшков, С. С. Петрова // Известия Самарской ГСХА. - 2008. - № 3. - С. 151-154.
9. Новиков, В. В. Определение объемного расхода экструдата в зоне прессования одношнекового пресс-экструдера /
B. В. Новиков, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова [и др.] // Вестник Алтайского ГАУ. - 2011. - №1 (75). - С. 91-94.
10. Першин, В. Ф. Модель процесса смешивания сыпучего материала в поперечном сечении вращающегося барабана // Порошковая металлургия. - 1986. - №10. - С. 1.
11. Петрова, С. С. Повышение качества смешивания кормов с обоснованием конструктивно-режимных параметров барабанного смесителя : автореф. ... дис. канд. техн. наук / Петрова Светлана Станиславовна. - Пенза, 2004. - 16 с.
12. Коновалов, В. В. Обоснование угла установки емкости и длительности перемешивания сухих смесей барабанным смесителем / В. В. Коновалов, Н. В. Димитриев, С. А. Кшникаткин, А. В. Чупшев // Нива Поволжья. - 2013. - №1 (26). -
C. 46-50.
13. Петрова, С. С. К вопросу определения качества смеси у барабанного смесителя / С. С. Петрова, С. А. Кшникаткин, Н. В. Димитриев // Известия Самарской ГСХА. - 2012. - № 3. - С. 67-72.
14. Коновалов, В. В. Моделирование качества смешивания сыпучих материалов барабанным смесителем / В. В. Коновалов, Н. В. Димитриев, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2013. - №9, Т. 1. - С. 77-85.
15. Коновалов, В. В. Оптимизация параметров барабанного смесителя / В. В. Коновалов, Н. В. Димитриев, А. В. Чупшев, В. П. Терюшков // Нива Поволжья. - 2013. - №4 (29). - С. 41-47.
DOI 10.12737/18698 УДК 621.436
ДИЗЕЛЬНОЕ СМЕСЕВОЕ ТОПЛИВО: ПРОБЛЕМЫ И ИННОВАЦИОННЫЕ РАЗРАБОТКИ
Уханов Александр Петрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30. E-mail: [email protected]
Уханов Денис Александрович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика», ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА.
440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30. E-mail: [email protected]
Адгамов Ирфан Фярхатевич, канд. техн. наук, ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА. 442449, Пензенская обл., Шемышейский р-н, с. Усть-Уза, ул. Советская, 15а. E-mail: [email protected]
Ключевые слова: дизельное, смесевое, топливо, двухтопливная, система, питание, смеситель, ультразвук.
Цель исследований - конструктивная адаптация автотракторных дизелей к работе на дизельном смесе-вом топливе. Перспективным видом альтернативного моторного топлива является дизельное смесевое топливо, получаемое смешиванием растительного масла и товарного минерального дизельного топлива в различных соотношениях. По причине имеющихся отличий физико-химических и эксплуатационных свойств смесевого топлива от минерального топлива серийно выпускаемая и находящаяся в эксплуатации дизельная автотракторная техника не приспособлена к работе на таком виде моторного топлива. Применение разработанных устройств (двухтопливная система питания, смеситель-фильтр и ультразвуковой смеситель биологического и минерального компонентов смесевого топлива) позволяет конструктивно адаптировать автотракторные дизели к работе на смесевом топливе. Двухтопливная система обеспечивает пуск, прогрев и останов дизеля на минеральном топливе, на остальных режимах - на смесевом топливе. Оригинальная конструкция смесителя-фильтра позволяет не только качественно смешивать биологический и минеральный компоненты, но и очищать их от загрязнителей. За счет высокочастотных колебаний пьезоизлучателя ультразвуковой смеситель обеспечивает не только получение смесевого топлива однородного мелкодисперсного состава, но и отрыв радикалов углеводородных групп от одного вида высших жирных кислот, содержащихся в растительном масле, и присоединение их к другому виду кислот.
Как показывает практика наиболее дешевым и доступным видом альтернативного моторного топлива, применяемого в автотракторных дизелях, является дизельное смесевое топливо (ДСТ), получаемое смешиванием растительного масла и товарного минерального дизельного топлива (ДТ) в различных
