CC BY
32
basis of thermo-vacuum waste processing), Innovatsionnaya tekhnika i tekhnologiya, 2014, № 4 (01), pp. 36-40.
8. Kurochkin A. A., Voronina P. K., Zimnya-kov V. M., Mishanin A. L., Novikov V. V., Shaburova G. V., Frolov D. I. Nauchnoe obespechenie aktual'nogo napravle-niya v razvitii pishchevoi termoplasticheskoi ekstruzii (Scientific support of current trends in the development of food processing thermoplastic extrusion), Penza, 2015, 181 p.
9. Frolov D. I., Nikishin V. A. Povyshenie pitatel'nosti ekstrudiruemykh kormov dlya zhivotnykh (Improving nutritional extruded animal feed), Nauchnye trudy Sworld, t. 7, № 4, pp. 98-101.
10. Frolov D. I., Kurochkin A. A., Shaburova G. V., Voronina P. K. Teoreticheskoe opisanie protsessa vzryvnogo ispareniya vody v ekstrudere s vakuumnoi kameroi (Theoretical description of the explosive evaporation water in an extruder to a vacuum chamber), Innovatsionnaya tekhnika i tekhnologiya, 2015, № 1 (02), pp. 29-34.
11. Kurochkin A. A., Frolov D. I., Voronina P. K. Opredelenie osnovnykh parametrov vakuumnoi kamery mod-ernizirovannogo ekstrudera (Determination of main parameters of vacuum camera the upgraded extruder), Vestnik Ul'ya-novskoi gosudarstvennoi sel'skokhozyaistvennoi akademii, 2015, № 4 (32), pp. 172-177.
12. Zimnyakov V. M., Kurochkin A. A., Spitsyn I. A., Chugunov V. A. Osnovy rascheta i konstruirovaniya mashin i apparatov pererabatyvayushchikh proizvodstv (Bases for design and construction of machines and apparatus of processing manufactures), M. : INFRA-M, 2016, 360 p.
13. Chekaikin S. V., Kurochkin A. A., Frolov D. I. Aktual'noe napravlenie v sovershenstvovanii zernosushilok kontaktnogo tipa (Current trend in the improvement of the contact type). Energoeffektivnye i resursosberegayushchie tekhnologii i sistemy: cbornik nauchnykh trudov mezhduna-rodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, posvyashchennoi pamyati doktora tekhnicheskikh nauk, professora F. Kh. Bu-rumkulova, 2016, pp. 344-347.
14. Terent'ev A. B., Mokrousova K. Yu., Chekaikin S. V. Issledovanie energoeffektivnosti raboty sushilki ki-pyashchego sloya (Dryer works energy research fluidized
bed), XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus, 2014, № 6 (22), pp. 185-189.
15. Terent'ev A. B., Mokrousova K. Yu., Chekaikin S. V. Analiz energoeffektivnosti raboty sushilki kipyash-chego sloya (Analysis of energy efficiency of the work of fluidized bed dryers), Innovatsionnaya tekhnika i tekhnologiya, 2014, № 4 (01), pp. 23-25.
16. Terent'ev A. B., Mel'nik D. A., Baklin A. A. Ener-goeffektivnaya ustanovka dlya sushki sypuchikh materialov (Bucklin Energy-efficient system for drying of bulk materials) , XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus, 2013, № 6 (10), pp. 133-136.
17. Terent'ev A. B., Chekaikin S. V., Mokrousova K. Yu., Kurochkin A. A., Shaburova G. V., Goloshcha-pov V. M., Voronina P. K. Pat. 2575491 Rossiiskaya Fede-ratsiya MPK7 F26B 17/10. Ustanovka dlya sushki sypuchikh materialov v voskhodyashchem potoke produktov goreniya biogaza ili poputnogo gaza (Apparatus for drying bulk material in the upstream products of biogas combustion or associated gas):; patentoobladatel' OOO NTK «Evrika!». № 2013133203/06 zayavl. 16.07.2013; opubl. 20.02.2016, Byul. № 5. 5 p.
18. Trusov B. G., Badrak S. A., Turov V. P. Avtoma-tizirovannaya sistema termodinamicheskikh dannykh i ra-schetov ravnovesnykh sostoyanii (Desk Automated system of thermodynamic data and calculations of equilibrium states), Matematicheskie metody khimicheskoi termodinamiki, Novosibirsk : Nauka, 1982, pp. 213-220.
19. Baklin A. A. i dr. Avtonomnaya zernosushilka na al'ternativnykh istochnikakh energii (Autonomous grain dryer on alternative energy sources), Agrarnyi vestnik urala, 2011. № 6, pp. 40-42.
20. Chekaikin S. V., Shaburova G. V. Obosnovanie konstruktivno-tekhnologicheskoi skhemy energoeffektivnoi zernosushilki kontaktnogo tipa (Substantiation of is constructive-technological scheme of energy efficient dryers contact type), Innovatsionnaya tekhnika i tekhnologiya, 2016, № 1 ( 0 6), pp. 24-28.
Дата поступления статьи в редакцию 02.09.2016.
05.20.01 УДК 631.363.7
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ КАК ЛОПАСТНОГО НАСОСА
© 2016
Солонщиков Павел Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологическое и энергетическое оборудование»
Вятская государственная сельскохозяйственная академия, Киров (Россия)
Аннотация. В статье освещен обзор и анализ центробежных (лопастных) насосов, производимых и выпускаемых в нашей стране и за рубежом различными компаниями, заводами и фирмами. Среди всего многообразия требований к конструкции насосов были выделены основополагающие, которые непосредственно влияют на ход технологического процесса в целом. По проведенному анализу и обзору разработана и описана методика определения конструктивных параметров насоса, а именно его рабочего колеса, которое является основным рабочим органом. При этом описанную методику можно применять при разработке смесителей с использованием центробежного (лопастного) колеса. Используя описанную методику, было разработано рабочее колесо для установки для приготовления смесей и описан технологический процесс его работы. В ходе теоретических расчетов получено уравнение регрессии, по которому можно определить напор при различной частоте вращения вала рабочего колеса с учетом соответствующих сопротивлений, в зависимости он подачи, это позволяет на стадии проектирования приблизительно определить напорные характеристики для нового рабочего колеса. Экспериментальными и теоретическими исследованиями подтверждена конструкция разработанного колеса для смесительной установки на базе лопастного насоса. При этом получены номинальные значения показателей таких, как подача, напор, коэффициент полезного действия и полезная мощность при различных вариантах работы установки. Таким образом установка показала свою эффективность работы как для обычного насоса, который может перемещать жидкость и смеси.
Ключевые слова: анализ, давление, жидкость, кавитация, контур, коэффициент полезного действия, методика, мощность, напор, насос, обзор, рабочее колесо, расход, смеситель, схема, уравнение, частота вращения.
THE EFFICIENCY OF THE PLANT FOR THE PREPARATION OF COMPOUNDS SUCH AS VANE PUMP
© 2016
Solonshchikov Pavel Nikolaevich, the candidate of technical sciences, The associate professor of the chair «Technological and electro equipment»
Vyatka state agricultural Academy, Kirov (Russia)
Annotation. The article deals with the review and analysis of centrifugal (impeller) pumps manufactured and produced in our country and abroad, various companies, factories and firms. Among the variety of requirements for the design of the pumps were highlighted fundamental which directly affect the course of technological process in General. According to the conducted analysis and review, developed and described the method of determining the design parameters of the pump, its impeller, which is the main working body. It is described technique can be applied when designing a mixer using a centrifugal (impeller) wheel. Using described methodology was developed by the impeller, for installation for the preparation of mixtures and describes the process of his work. In the course of theoretical calculations of the regression equation is obtained, which can be used to determine the pressure at different shaft rotation frequency of the impeller taking into account the relevant resistances, depending on the filing, it allows at the design stage to determine the pressure characteristics for the new impeller. Experimental and theoretical studies have confirmed the design of the wheel to the mixing unit using the vane pump. It is done the resulting nominal values of indicators such as supply, pressure, efficiency and useful power at different options. Therefore, the installation proved its efficiency both for conventional pump which can move liquid and mix.
Keywords: analysis, pressure, liquid, cavitations, contour, efficiency, technique, power, pressure, pump, review, impeller, flow rate, mixer, diagram, equation, speed.
Введение
Конструкция современного насоса будет неизбежно зависеть от физических и химических свойств перекачиваемой или обрабатываемой среды. В стандарте на пищевые насосы ГОСТ 52743-2007 [1, с. 11] определены 6 обычных перекачиваемых сред для насосов. Поэтому насосы могут работать с чистыми и слегка загрязненными жидкостями, газожидкостными смесями и агрессивными жидкостями [2, с. 32].
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили насосы лопастного типа. В основном их применяют при приёмке молока из автомобильных, железнодорожных цистерн и других емкостей, при перекачке на территории завода или цеха, а также в непрерывных технологических схемах обработки и производства различных продуктов. Так же насосы предназначены для подачи жидкости или продукта через другие аппараты, к примеру, пластинчатые и трубчатые пастеризаторы, охладители, фильтры, герметичные сепараторы, распылительные форсунки и другие аппараты [3, с. 26; 4, с. 23].
К насосам для молока и молочных продуктов предъявляются следующие требования:
- насос при работе должен оказывать как можно меньшее механическое воздействие на продукт, не изменяя его природных свойств, например, не снижать ниже допустимой консистенцию продуктов;
- рабочие органы насосов, находящиеся в непосредственном контакте с продуктом, должны быть выполнены из стали и других материалов;
- конструкция насосов должна обеспечивать легкий доступ к его рабочим органам, позволяющим проводить мойку (промывку);
- насосы при работе в технологической линии должны обеспечивать необходимую подачу и давление при нагнетании продукта [2, с. 33].
На рынке насосного оборудования для молочной и пищевой промышленности представлен широкий выбор насосов как отечественного, так и импортного производства. Применение насосов различного принципа действия и конструкции обусловлено многообразием перекачиваемых сред с различными параметрами вязкости, плотности, температуры, наличия различного рода включений, а также, в некоторых случаях, требованием бережного отношения к продукту.
В настоящее время на рынке представлен широкий спектр центробежных насосов как отечественного, так и иностранного производства. Из отечественных насосов наибольшее распространение получили насосы с объёмной подачей от 12 до 50 м3/ч.
В связи с высоким ценовым диапазоном насосов импортного производства наибольшим спросом пользуются насосы отечественного производства.
ОАО «Некрасовский машиностроительный завод», поставщиком которого на рынке является ООО «Пищ-машсервис», выпускает центробежные насосы марки ОНЦ1 и самовсасывающие ОНЦ1-С. Фирма ООО «ЭНА» (Щёлковский машиностроительный завод) производит центробежные насосы марок ОНЦ, ОНЦс и СНЦ.
На рынке появились новые отечественные производители, такие как ООО «Славутич» (г. Чебоксары), выпускающий насосы марок ВГНЦ, а также ООО «Воронежпродмаш» (г. Воронеж), выпускающий насосы марок ОПА, ОПБ, ОПЛ, ОПН и ОПБЕ.
Одним из производителей насосов в Приволжском регионе является предприятие ОАО Завод «Сельмаш», выпускающее насосы серии НЛЦ (разработчик ЗАО ОКБ «Молочные машины Русских» г. Киров).
Для производителей и переработчиков молока и молочных продуктов выпускаются насосы марки НМУ-6 в 2-х исполнениях: корпус из нержавеющей стали и из пластмассы. Производителем является ОАО «Курган-сельмаш». Уфимское Агрегатное Производственное Объединение (г. Уфа) производит электронасосы серии НЦУ, предназначенные для перекачивания молока, моющих и дезинфицирующих жидкостей. По конструкции и назначению они схожи с насосом НМУ-6.
Наиболее совершенными, но в то же время дорогими являются молочные насосы фирмы «Alfa Laval» (Швеция), выпускающей насосы марок: LKH, LKHex, LKHI.
Насос LKH - высокоэффективный и экономичный центробежный насос, отвечающий самым строгим санитарным требованиям, обеспечивающий щадящую обработку продукта и стойкий к воздействию агрессивных веществ. В данной серии выпускается двенадцать типоразмеров.
Насос LKHex является высокоэффективным и экономичным центробежным насосом, соответствующим требованиям директивы ATEX 94/9 IEC, группа II, ка-
тегории 2 и 3, температурный класс T3 и T4. В данной серии выпускается девять типоразмеров.
Насос LKHI - высокоэффективный и экономичный центробежный насос, специально разработанный для работы с входным давлением до 1 600 кПа. Насос LKHI отвечает строгим санитарным требованиям, обеспечивает щадящую обработку продукта и устойчив к воздействию агрессивных веществ. В данной серии выпускается девять типоразмеров.
Компания «Packo» (Группа «Fullwood Packo», Бельгия) выпускает насосы марок: ICP, IFF и FP. Насосы модели ICP доказывают свою надёжность и работоспособность в основных отраслях перерабатывающей промышленности.
Основные эксплуатационные возможности этой серии определяются использованием электрополированных деталей из нержавеющей стали в сочетании со стандартными электродвигателями и уплотнениями. Благодаря этим элементам, а также прочной конструкции с широким подводом, данные насосы отличаются исключительной эффективностью при перекачивании агрессивных веществ, жидкостей, содержащих примеси, и летучих химических жидкостей. Ответвлениями серии ICP являются насосы моделей IFF (с вихревым импеллером).
Центробежные насосы серии FP спроектированы в соответствии со строжайшими гигиеническими требованиями. Насос FP стал первым центробежным насосом, получившим сертификат EHEDG.
Также на рынке насосной продукции присутствуют мелкие фирмы, копирующие ранее перечисленные насосы, однако их продукция зачастую не отвечает требованиям надёжности, а рабочие характеристики не соответствуют заявленным.
Основные показатели, характеризующие работу насоса, определяются напорно-расходной характеристикой. Для насосов отечественного производства можно выделить три группы:
- малые насосы (подача до 15 м3/ч, напор 16-20 м), применяемые в основном в линиях доения и первичной обработке молока;
- средние насосы (подача до 21 м3/ч, напор 20-29 м), используемые для перекачивания при переработке молока и в составе технологических установок;
- крупные насосы (подача до 36 м3/ч, напор 29-40 м), наиболее часто применяемые для санитарной обработки технологического оборудования молок-оперерабатывающего предприятия и в технологических линиях большой производительности [5, с. 15].
Для насосов зарубежного производства характерен большой диапазон регулирования напора и расхода. Объясняется это всё тем, что в процессе изготовления зарубежных насосов используются только самые лучшие, дорогостоящие и высококачественные материалы, а также самые новые передовые технологии. Именно в связи с этим стоимость насосов зарубежного производства в значительной степени выше. Однако, даже несмотря на это, все больше покупателей отдают свое предпочтение в пользу именно этого оборудования. Зарубежные насосы ввиду использования хороших материалов и новых технологий отличаются более высоким качеством, надежностью, а также довольно продолжительным сроком службы.
Материалы и методы
Одним из основных показателей на сегодняшнее время, характеризующим объект, в частности насос, являются затраты энергии на процесс перекачивания. Показателем, характеризующим данный процесс, будет являться коэффициент полезного действия насоса. Так как кавитация является показателем, влияющим на падение напора или КПД, то необходимо также учитывать данный показатель при разработке новой конструкции насоса.
Для расчета рабочих колес широкое распространение получили методы, основанные на струйной теории и при использовании теории подобия. Оба метода широко используют характерные параметры и коэффициенты [5, с. 18].
В силу исторически сложившихся обстоятельств преобладающее распространение получил коэффициент быстроходности пя который в первую очередь характеризует коэффициент полезного действия, а также форму проточной части и соотношение геометрических размеров [6, с. 120; 7, с. 95]:
n ■
ns = 3,65 ■-
(1)
4 НJ
где Q - подача насоса, м/с; Н - напор насоса, м.
Коэффициент быстроходности показывает, что колесо лопастного насоса, предназначенное для работы с заданными напором и подачей, будет обладать большей быстроходностью, если частота вращения рабочего колеса будет выше. В свою очередь, увеличение частоты вращения обуславливают малые размеры и массу насоса при высоком коэффициенте полезного действия. Поэтому применение колес с высоким коэффициентом быстроходности экономически целесообразно ввиду большого запаса энергии.
Численное значение коэффициента быстроходности также необходимо при выборе факторов влияния на пересчет характеристических линий насоса при подаче вязких или содержащих твердые вещества жидкостей [7, с. 95].
В зависимости от быстроходности п3 конструктивные схемы рабочих колёс классифицируют следующим образом: центробежные (тихоходные, нормальные, быстроходные), диагональные, осевые (рис. 1) [7, с. 96].
Лопасти различной быстроходности имеют неодинаковые условия работы. Примером служит тихоходное колесо на рисунке 1, а. Образованные струйки потока жидкости перемещаются практически в одинаковых условиях, а входная кромка лопасти лежит на цилиндрической поверхности, при этом лопасть является цилиндрической. Данная отличительная особенность характерна для радиальных центробежных колес. Рабочие колеса нормального и быстроходного типа, имеющие лопасти, входные кромки которых вынесены в область поворота потока жидкости, то есть в ту зону, где направление потока жидкости будет меняться от осевого к радиальному [8, с. 85].
Наименьшее механическое воздействие на молоко и пищевые жидкости различной вязкости оказывает центробежное колесо тихоходного типа. Поэтому можно рассмотреть классификацию лопастных рабочих колёс по типу конструкции и представить в виде схемы (рис. 2).
а б в г д
Рисунок 1 - Конструктивные типы рабочих колес: а - тихоходное рабочее колесо (п = 40.. .80); б - нормальное рабочее колесо (п = 80.150); в - быстроходное рабочее колесо (п = 150.300); г - диагональное рабочее колесо (п = 300.800); д - осевое рабочее колесо (п > 800)
Из представленной схемы видно, что конструкции рабочего колеса центробежного колеса могут быть различными. Налучшие по эксплуатационным показателям -это колеса закрытого типа. Но, как показывает практика, некоторые производители насосов пытаются изготовить рабочее колесо более простым способом, и при этом заложить в него эксплуатационные характеристики, обладающие надёжностью и стабильностью в работе.
Для того чтобы определиться в выборе конструкции рабочего колеса, можно руководствоваться двумя показателями: КПД и кавитационный запас. Поэтому для оценки КПД и кавитационных качеств центробежных насосов, предназначенных для перекачки пищевых продуктов, можно использовать методику, предложенную во ВНИИГидромаш [7, с. 96].
Лопастные рабочие колёса
I
Центробежные
I
Тихоходные
-п
Нормальные
1
I
Быстроходные -
По л \ открыто го т и п а Закрытого типа
С односторонними лопатками С двухсторонними лопатками
1
М н о госту пе н ч атые Односту пен чатые
С пространственными лопастями С цилиндрическими лопастями
С лопатками одинарной кривизны С" лопатками цилиндрической кривизны
Рисунок 2 - Классификация лопастных рабочих колёс
При получении зависимостей используется принцип построения огибающих, проводимых через опорные точки со значениями наиболее высоких достигаемых показателей. Для лопастных насосов с закрытым рабочим колесом и расчетным диаметром входа D0 в колесо [9, с. 158]:
а = /Я
(2)
где ^ - расчётный коэффициент входной воронки колеса; п - частота вращения рабочего колеса, мин-1.
Наружный диаметр рабочего колеса определяется приближенно, что позволяет оперировать понятием «минимально достижимой относительной толщины стенки отливки». Эта толщина связана с технологическими возможностями литья и важна для выпуска насосов. Поэтому имеем следующие соотношения геометрических параметров:
£ А
= 2,5,
где D2 - диаметр рабочего колеса, мм.
Кавитационные качества насоса используя коэффициент кавитации:
4
216 • п
3
а =
106
определяют,
(4)
Помимо коэффициента кавитации используют кавитационный коэффициент быстроходности, вычисляемый для оптимального режима работы центробежного насоса, т. е. при подаче и напоре, которые соответствуют максимальному КПД насоса [10, с. 25]:
5,62 • п V<2опт
С =
4 Ah(NPSH 3 /
(5)
где Ай(КР8И3) - кавитационный запас, соответствующий 3 % падению напора, м.
Таким образом, описанные выше выражения позволяют руководствоваться методом для оценки уровня КПД и кавитационных качеств центробежных насосов, которые можно применять как инструмент подбора оптимального насоса, а также как методику определения различных коэффициентов размеров рабочих колес и отводов при проектировании новых насосов. Благодаря данной методике можно заранее задаваться геометрическими параметрами при проектировании новых насосов и стремиться к улучшению напорно-расходной характеристики.
Из анализа конструктивных схем лопастных насосов видно, что в каждой конструкции имеет место установка различных устройств для повышения качества наг-
нетания и смешивания. На данный момент идет тенденция к разработке насосов-смесителей, которые совмещают в себе функции нагнетающего устройства и смесителя.
Таким образом, центробежные насосы, получившие большое распространение в различных линиях (доения, первичной обработки, переработки и т. д.), можно модернизировать в смеситель при сохранении функции насоса.
Но при этом рассматривая проблему повышения эффективности животноводства, следует иметь в виду, что интенсификация производства на современном этапе развития аграрного сектора в условиях рыночной экономики предполагает не только рост дополнительных вложений на единицу площади и голову животных. В первую же очередь должны быть усовершенствованы средства интенсификации на основе внедрения достижений научно-технического прогресса, улучшения качества животных. Необходимо также разработать и внедрить новые прогрессивные технологии, обеспечить совершенствование в соответствии с изменившейся техникой и технологией организации производства труда [11, с. 26; 18, с. 811; 19, с. 67; 21].
При разработке установки для приготовления смесей были учтены данные соотношения при проектировании рабочего колеса.
На рисунке 3 показана схема работы рабочего колеса установки, где видно, что жидкость поступает в центр рабочего колеса и далее в межлопастные каналы. А сыпучий или порошкообразный материал попадает через окна 1 в другую часть межлопастных каналов [12, с. 233].
Рисунок 3 - Схема рабочего колеса установки для приготовления смесей: ж с-п
- жидкость;
• - сыпучий или порошкообразный компонент
Результаты
Установка для приготовления жидких кормовых смесей (рис. 4) совмещает в себе функции насоса и смесителя [17, с. 1; 20, с 23].
Q„ м7ч
1 1 срытый конт
>р
/
/
„ - ___ • \
Г- V __ ¡Г"""
А' S \ О гкрь ITblf коь ITYP
600
800
1000
1200
1400 п, мин"
Рисунок 4 - Схема работы установки
На рисунке 5 представлена зависимость максимального значения подачи жидкости от частоты вращения рабочего колеса [13, с. 77].
Рисунок 5 - Зависимость максимальной подачи жидкости Qж от частоты вращения рабочего колеса
Напорные и энергетические характеристики установки представлены на рисунке 6. Варианты отличаются наличием замкнутого (с герметичной крышкой) и разомкнутого контура, при частоте вращения п = 1 500 мин"1 [14, с. 36].
Н,м
12,5 ¡0
г 7,5
2.5
гг—1 500 г мни 1 L 1
1FI Ui *
____
\] ^-AQ)_
/ ТО)
/
N. кВт
0.6
0,4
0,2
12 3 4
7 8 Q, м7ч
а б
Рисунок 6 - Напорные и энергетические характеристики установки (а) открытый и закрытый контур (б)
Анализ полученных напорных и энергетических характеристик показал, что с увеличением частоты вращения происходит возрастание напора, подачи и коэффициента полезного действия и, как следствие, рост потребляемой мощности.
При работе схемы с закрытым контуром значения показателей выше. Во время работы установки в технологической линии при непрерывной подаче сухого компонента в загрузочную камеру, последний будет препятствовать попаданию воздуха. Поэтому можно прогнозировать соответствие показателей при работе по схеме с замкнутым контуром.
Для учета сопротивлений в межлопастных каналах примем зависимость от расхода в виде, аналогичном для трубопровода [15, с. 80]:
Нс = \ + к< + к2<22. (6)
Тогда зависимость Н=АО) с учетом сопротивления запишется как
Н = (А - ¿0) - к« - к<, (7)
где И0 - удельные потери в каналах, м; к1 и к2 -экспериментальные коэффициенты, полученные в результате исследования характеристики установки.
Коэффициенты A, кг и к2 в уравнений (7) определяем, используя электронные таблицы «Microsoft Office Excel 2007» и метод наименьших квадратов, при этом получим:
->2
НЗаКР = 6,97 - 0,292 • Q^ - 0,044 • Q^,
ттоткр
Н1500
->2
(8) (9)
4,31 - 0,382 • Q - 0,148 • О? .
' ' Х-уоткр ' Х-^откр
По составляющим уравнений (8) и (9) можно спрогнозировать напорную характеристику установки при различной частоте вращения вала рабочего колеса, с учетом соответствующих сопротивлений и схемы работы [14, с. 36].
При исследовании номинальных показателей определяли напорно-расходную характеристику. Исследовали взаимное влияние частоты вращения вала электродвигателя п, число неподвижных лопаток 2 и давление в загрузочной камере р3 (в процессе исследований изменялось случайным образом и фиксировалась по стандартной методике [16, с. 125]) на целевые функции: номинальная подача Qн, м3/ч; номинальный напор Нн, м; номинальная полезная мощность Рн, Вт и коэффициент полезного действия п, %. Давление р3 в данном случае
будет имитировать нахождение материала в загрузочной камере.
При снятии напорно-энергетической характеристики устройства был реализован полный факторный эксперимент типа 23.
При проведении испытаний давление в загрузочной камере изменялось и было непостоянным, поэтому фактор был неконтролируемым.
Нормирование давления в камере при активно -пассивном эксперименте проводили следующим образом [16, с. 169]:
■¡о
X =
Х1 Х1 Б
(10)
где X/ - нормированное значение фактора; X/ -
именованное значение фактора на /-м уровне; Х° -
именованное значение фактора на нулевом уровне; Б/ -интервал варьирования.
X;
X;
Б =
2
(11)
где X/ - именованное значение фактора на верхнем уровне, рекомендуется применять в качестве X^ макси-
Х/ -
тах _ х в
мальное значение фактора X/ = X/ именованное значение фактора на нижнем уровне. Реко
н
мендуется применять в качестве
хтт = X н
чение фактора / / .
X
минимальное зна-
Именованное значение фактора на нулевом уров-
не:
Xв + Xн ~о _ xi + xi
xi =
2
(12)
Таблица 1 - Матрица плана 2 и результаты экспериментальных исследований при изучении влияния факторов на номинальные показатели работы установки
Факторы Критерии оптимизации
Уровни варьирования факторов Частота вращения вала п, мин-1 Число неподвижных лопаток 2, шт. Давление в загрузочной камере р3, кПа Подача Qн, м3/ч Напор Нн, м Полезная мощность к, Вт Коэффициент полезного действия, п, %
XI X2 Xз У1 У2 Уз У4
Верхний уровень (+) 1500 18 98,1 - - -
Нижний уровень (-) 750 0 95 - - -
Опыты
1 -1 -1 -1 2,79 0,2 1,52 6,8
2 +1 -1 -1 3,5 1,57 14,97 6,74
3 -1 +1 -1 2,75 0,24 1,79 5,65
4 +1 +1 -1 3,85 1,72 18,04 5,73
5 -1 -1 +1 1,75 1,5 7,15 10,02
6 +1 -1 +1 4,23 3,13 36,07 15,13
7 -1 +1 +1 3 1,18 9,64 5,5
8 +1 +1 +1 5 4,02 54,77 11,32
После исключения незначимых коэффициентов регрессии пересчитанные математические модели рабочего процесса имеют вид:
Q = 3,35+0,79^+0,32х2-0,14х3-0,3Ьхгх3-0,24^2х3, (10) Н = 1,65+0,8Ьх!+0,07х2-0,69х3+0,14хгх2-0,09хгх3, (11) N = 17,27+11,17^Х!+2,84^х2-7,85^х3+ +1,88^х!^х2-4,18^х!^х3-1,08^х2^х3, (12)
Г] =8,68+1,45 х1-0,48^х2-2,21х3+0,82х1х2-1,48х1х3. (13) Обсуждение
Анализ поверхностей отклика (рис. 7) в координатах: частоты вращения п и давлением в загрузочной камере р3 показывает, что с увеличением п от 1 350 до 1 500 мин-1 и р3 до 94,1 кПа (имитирует нахождение мате-
риала в загрузочной камере) номинальная подача возрастает 5,2 м3/ч, номинальный напор - 3,5 м, полезная мощность - 45 Вт, коэффициент полезного действия - 13,2 %.
Заключение Таким образом, если в загрузочную камеру установки непрерывно загружается сыпучий или порошкообразный материал, будем иметь наибольшие значения на-порно-расходной характеристики при соответствующей частоте вращения и наоборот при отсутствии материала в камере гидравлические показатели будут ниже из-за попадания воздуха в систему. Следовательно, при работе установки можно прогнозировать величину подачи и напора, то есть использовать как насос.
в г
Рисунок 7 - Двумерные сечения поверхностей отклика для номинальных: подачи Qн, м3/ч (а), напора Нн, м (б), мощности Ын, Вт (в) и коэффициента полезного действия п, % (г)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 52743-2007. Насосы и агрегаты насосные для перекачки жидкостей. Общие требования безопасности. М. : Издательство стандартов, 2007. 24 с.
2. Груздева Е. Стандарты на пищевые насосы // Молочная промышленность. 2009. № 5. С. 32-33.
3. Русских В. М. Переработка молока в современных условиях // Совершенствование средств механизации в сельскохозяйственном производстве : Тез. докл. научн. конфер. инженерного факультета Вятской государственной сельскохозяйственной академии. Киров, 2000. С. 26-28.
4. Бартломе В. Применение насосов в молочной промышленности // Молочная промышленность, 2009. № 10. С. 23-24.
5. Солонщиков П. Н., Совершенствование конструкции и оптимизация параметров установки для приготовления жидких кормовых смесей на базе лопастного насоса : дис... канд. техн. наук. Киров, 2013. 217 с.
6. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками / Пер. с пол. Л. : Химия, 1975. 384 с.
7. Мохнаткин В. Г. Филинков А. С., Солонщиков П. Н. Оценка уровня коэффициента полезного действия и кавитационных качеств центробежных насосов, предназначенных для пищевых сред // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы IV Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение» : Сборник научных трудов. Киров : Вятская ГСХА, 2011. Вып. 12. С. 95-97.
8. Жабо В. В. Уваров В. В. Гидравлика и насосы. 2-е изд., перераб. М. : Энергопромиздат, 1984. 328 с.
9. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Водяные насосы, вентиляторы, турбовоздуходувки, турбокомпрессоры. 4-е изд. перераб. М. : Машиностроение, 1960. 683 с.
10. ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Методы испытаний. М. : Издательство стандартов, 2008. 89 с.
11. Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Смеситель-ферментеер для кормов // Сельский механизатор № 4. 2014. С. 26-27.
12. Мохнаткин В. Г., Филинков А. С., Алёш-кин А. В., Солонщиков П. Н. Анализ движения материала в рабочем колесе устройства для приготовления смесей // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей внутреннего сгорания. Материалы VI Международной научно-практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение» : Сборник научных трудов. Киров : Вятская ГСХА, 2013. Вып. 11. С. 233-237.
13. Солонщиков П. Н. Исследование и оптимизация гидравлических характеристик установки для приготовления смесей // Знания молодых: наука, практика и инновации : Сборник научных трудов XV Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых. В 2 ч. Ч. 1. Технические и экономические науки. Киров : ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2015. С. 76-79.
14. Мохнаткин В. Г., Филинков А. С., Солонщи-ков П. Н. Параметрические испытания устройства ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2013. № 9. С. 36-37.
15. Мохнаткин В. Г., Филинков А. С., Солонщи-ков П. Н. Теоретическое определение гидравлических характеристик лопастного колеса установки для приготовления жидких кормовых смесей // Вестник НГИЭИ. Серия технические науки. Выпуск 6 (37). Княгинино : НГИЭИ, 2014. С. 79-88.
16. Мельников С. В., Алёшкин В. Р., Рощин П. М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л. : Колос, 1980. 168 с.
17. Мохнаткин В. Г., Шулятьев В. Н., Филин-ков А. С., Солонщиков П. Н. и др. Патент на полезную модель 104022 РФ, МПК А23С11/00, А0Ш1/16. Устройство для приготовления смесей; № 2010152132/10; Заявлено 20.12.2010 // Бюл. 2011. № 13. 2 с.
18. Савиных П. А., Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Оптимизация рабочего процесса смешивания сыпучих кормов в ленточном смесителе периодического действия // Экономика и предпринимательство № 9, Ч. 2 (62-2). 2015. С. 811-816.
19. Оболенский Н. В., Булатов С. Ю., Свистунов А. И. Разработка лабораторной установки и исследование в ней процесса смешивания компонентов комбикорма // Экономика и предпринимательство. 2015. № 9-2. С. 640-643.
20. Мохнаткин В. Г., Шулятьев В. Н., Филин-ков А. С., Солонщиков П. Н., Обласов А. Н., Юдни-ков Н. Н. Совершенствование устройства смешивания сыпучих компонентов с жидкостью // Пермский аграрный вестник. 2013. № 1. С. 22-28.
21. Оболенский Н. В., Осокин В. Л. Практикум по теплотехнике. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. Княгинино, 2010. 237 с.
REFERENCES
1. GOST 52743-2007. Nasosy i agregaty nasosnye dlya perekachki zhidkostej. Obshchie trebovaniya bezopas-nosti. M. : Izdatel'stvo standartov, 2007. 24 s.
2. Gruzdeva E. Standarty na pishchevye nasosy (Standards for food pumps), Molochnaya promyshlennost', 2009, No. 5. pp. 32-33.
3. Russkih, V.M. Pererabotka moloka v sovremennyh usloviyah (Milk processing in modern conditions), Sovershenstvovanie sredstv mekhanizacii v sel'skohozyajstvennom proizvodstve : Tez. dokl. nauchn. konfer. inzhenernogo fa-kul'teta Vyatskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj aka-demii, Kirov, 2000, рр. 26-28.
4. Bartolome V. Primenenie nasosov v molochnoj promyshlennosti (The pumps in the dairy industry), Molochnaya pro-myshlennost', 2009, No.10, pp. 23-24.
5. Solonshchikov P. N., Sovershenstvovanie konstruk-cii i optimizaciya parametrov ustanovki dlya prigotovleniya zhidkih kormovyh smesej na baze lopastnogo nasosa. dis... kand. tekhn. nauk. Kirov, 2013. 217 p.
6. Strenk F. Peremeshivanie i apparaty s meshalkami / Per. s pol. L. : Himiya, 1975. 384 p.
7. Mohnatkin V. G. Filinkov A. S., Solonshchikov P. N. Ocenka urovnya koehfficienta poleznogo dejstviya i kavitacionnyh kachestv centrobezhnyh nasosov, prednazna-chennyh dlya pishchevyh sred (Assessment of the level of efficiency and cavitation qualities of the centrifugal pumps, suitable for food environments), Uluchshenie ehkspluatacionnyh pokazatelej sel'skohozyajstvennoj ehnergetiki. Materialy IV Mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii «Nauka - Tekhnologiya - Resursosberezhenie»: Sbornik nauchnyh tru-dov, Kirov : Vyatskaya GSKHA, 2011, Vyp. 12, pp. 95-97.
8. ZHabo V. V. Uvarov V. V. Gidravlika i nasosy (Hydraulics and pumps). 2-e izd., pererab. M. : EHnergopro-mizdat, 1984. 328 p.
9. Pflejderer K. Lopatochnye mashiny dlya zhidkostej i gazov. Vodyanye nasosy, ventilyatory, turbovozduhoduvki, turbokompressory (The blade of the machine for liquids and gases. Water pumps, ventilators, turbo blower, turbo). 4-e izd. Pererab. M. : Mashinostroenie, 1960. 683 p.
10. Svistunov A. I., Obolenskij N. V., Bulatov S. YU. Smesitel'-fermenteer dlya kormov (Mixer-fermenter feed), Sel'skij mekhanizator № 4. 2014. pp. 26-27.
11. GOST 6134-2007. Nasosy dinamicheskie. Metody ispytanij. M. : Izdatel'stvo standartov, 2008. 89 p.
12. Mohnatkin V. G., Filinkov A. S., Alyosh-kin A. V., Solonshchikov P. N. Analiz dvizheniya materiala v
rab ochem kolese ustrojstva dlya prigotovleniya smesej (Analysis of the movement of material in the impeller of a device for the preparation of mixtures), Uluchshenie ehkspluatacionnyh pokazatelej dvigatelej vnutrennego sgoraniya. Materialy VI Mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii «Nauka - Tekhnologiya - Resursosberezhenie»: Sbornik nauchnyh trudov, Kirov: Vyatskaya GSKHA, 2013, Vyp. 11, pp. 233-237.
13. Solonshchikov P. N. Issledovanie i optimizaciya gidravlicheskih harakteristik ustanovki dlya prigotovleniya smesej (Study and optimization of hydraulic characteristics of the installation for the preparation of mixtures), Znaniya mo-lodyh: nauka, praktika i innovacii: Sbornik nauchnyh trudov XVMezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii aspi-rantov i molodyh uchenyh. V 2 ch. CH. 1. Tekhnicheskie i eh-konomicheskie nauki, Kirov : FGBOU VPO Vyatskaya GSKHA, 2015, pp. 76-79.
14. Mohnatkin V. G., Filinkov A. S., Solonshchikov P. N. Parametricheskie ispytaniya ustrojstva vvoda i smeshivaniya sypuchih komponentov s zhidkost'yu (Parametric tests of input devices and mixing bulk components with liquid), Traktory i sel'skohozyajstvennye mashiny, 2013, No. 9, pp. 36-37.
15. Mohnatkin V. G., Filinkov A. S., Solonshchikov P. N. Teoreticheskoe opredelenie gidravlicheskih harak-teristik lopastnogo kolesa ustanovki dlya prigotovleniya zhidkih kormovyh smesej (Theoretical determination of the hydraulic characteristics of the impeller installation for the preparation of liquid feed mixtures), Vestnik NGIEHI. Seriya tekhnicheskie nauki. Vypusk 6 (37), Knyaginino : NGIEHI, 2014, pp. 79-88.
16. Mel'nikov S. V., Alyoshkin V. R., Roshchin P. M. Planirovanie ehksperimenta v issledovaniyah sel'skoho-zyajstvennyh processov (Experiment planning in researches of agricultural processes). L. : Kolos, 1980. 168 p.
17. Mohnatkin V. G., SHulyat'ev V. N., Filin-kov A. S., Solonshchikov P. N. i dr. Patent na poleznuyu model' 104022 RF, MPK A23C11/00, A01J11/16. Ustrojstvo dlya prigotovleniya smesej; № 2010152132/10; Zayavleno 20.12.2010 // Byul. 2011. № 13. 2 p.
18. Svistunov A. I. Savinyh P. A., Obolenskij N. V., Bulatov S. YU. Optimizaciya rabochego processa smeshiva-niya sypuchih kormov v lentochnom smesitele periodi-cheskogo dejstviya (The optimization of the working process of mixing of bulk feed in a ribbon mixer of periodic action), EHkonomika i predprinimatel'stvo No. 9. ch. 2 (62-2), 2015, рр. 811-816.
19. Obolenskiy N. V., Bulatov S. YU. Svistunov A. I. Razrabotka laborotornoy ustanovki I issledovanie v ney prot-sessa smeshivaniya komponentov kombikorma (Development of laboratory setup and study it in the process of mixing of components of mixed fodders), Ekonomika I predprinima-tel'stvo. 2015. No. 9-2. pp. 640-643.
20. Mohnatkin V. G., SHulyat'ev V. N., Filin-kov A. S., Solonshchikov P. N., Oblasov A. N., YUdni-kov N. N. Sovershenstvovanie ustrojstva smeshivaniya sypu-chih komponentov s zhidkost'yu (Improving device mixing bulk components with liquid), Permskij agrarnyj vestnik, 2013, No. 1, pp. 22-28.
21. Obolenskiy N. V., Osokin V. L. Praktikum po tep-lotehnike (Workshop on thermal engineering). Uchebnoe po-sobie dlya studentov visshih uchebnih zavedeniy. Knyaginino, 2010. 237 p.
Дата поступления статьи в редакцию 15.09.2016.
