CC BY
0
DOI 10.12737/17452 УДК 631.363.7
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СМЕШИВАНИЯ И ДОЛИ МЕНЬШЕГО КОМПОНЕНТА НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ МЕШАЛКИ ЛОПАСТНОГО СМЕСИТЕЛЯ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ЛОПАТКАМИ
Фомина Мария Владимировна, аспирант, ФГОУ ВО «Пензенская государственная технологическая академия».
440014, Пенза, ул. Ботаническая, 30.
E-mail: konovalov-penza@rambler. ru
Коновалов Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф. кафедры «Технология машиностроения», ФГБОУ ВО «Пензенский государственный технологический университет».
440039, Пенза, проезд Байдукова/ул. Гагарина, 1а/11.
E-mail: konovalov-penza@rambl er.ru
Терюшков Вячеслав Петрович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис машин», ФГОУ ВО «Пензенская государственная технологическая академия».
440014, Пенза, ул. Ботаническая, 30.
E-mail: konovalov-penza@rambler. ru
Чупшев Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технический сервис машин», ФГОУ ВО «Пензенская государственная технологическая академия».
440014, Пенза, ул. Ботаническая, 30.
E-mail: konovalov-penza@rambler. ru
Ключевые слова: смешивание, неравномерность, смеситель, лопастная, энергоемкость, длительность.
Цель исследования - обоснование зоны работоспособности предложенного смесителя с вертикальным валом и лопастной мешалкой, на краях лопастей которой закреплены синусоидальные лопатки. Данные исследований свидетельствуют, что, в силу имеющейся кинетики смешивания, все смесители в начале периода смешивания существенно улучшают качество смеси, после чего наблюдается стабилизация качественных показателей, а в ряде случаев начинается и сегрегация смеси. Характер изменения равномерности смеси носит вид показательной функции от времени смешения. В связи с этим стоит задача выявления зоны работоспособности и возможности самого применения лопастного смесителя предлагаемой конструкции применительно приготовлению сухих кормовых смесей. Актуально изготовление концентратных смесей (комбикорма полнорационного, комбикормов-концентратов или кормо-лекарственных смесей) на основе покупного БВД и собственного фуража. Задачи исследований - установление функциональной зависимости между технологическими параметрами смесителя (доля контрольного компонента и длительность смешения) и показателями технологического процесса (неравномерность смеси и скорректированная энергоемкость смешения с учетом равномерности смеси); выявление рациональных значений технологических параметров смесителя, обеспечивающих требуемое качество смеси и минимальную энергоемкость смесеобразования. Дается описание и конструктивная схема смесителя сухих материалов периодического действия. Описаны методика и результаты экспериментальных исследований смесителя. Представлены выражения, описывающие: неравномерность смеси и энергоемкость перемешивания в зависимости от доли контрольного компонента и длительности смешения; потребную длительность смешения в зависимости от доли контрольного компонента. Построены двумерные сечения поверхностей отклика исследуемых показателей. На основе анализа приведенных графиков обоснована зона работоспособности смесителя: доля контрольного компонента не менее 3%; при доле контрольного компонента 5% длительность смешения - 300 с, при доле контрольного компонента 10% длительность смешения - 200 с.
В современном сельском хозяйстве широко используются различные смеси [1-3] и композиционные материалы, получаемые на их основе [4-7]. Для приготовления указанных смесей используется широкий спектр устройств и агрегатов, к числу которых относятся как шнековые экструдеры и прессы [8], так и специализированные и универсальные смесители [9-11]. Наибольшее распространение получили лопастные смесители различной конструкции и принципа действия [1-3, 12-14]. Имеющиеся данные свидетельствуют [13-15], что, в силу имеющейся кинетики смешивания, все смесители в начале периода смешивания существенно улучшают качество смеси, после чего наблюдается стабилизация качественных показателей, а в ряде случаев начинается и сегрегация смеси. Характер изменения равномерности смеси носит вид показательной функции от времени смешения. В связи с этим стоит задача выявления зоны работоспособности и возможности самого применения лопастного смесителя предлагаемой конструкции применительно приготовлению сухих кормовых смесей. На настоящий момент актуально изготовление концентратных смесей (комбикорма полнорационного, комбикормов-концентратов или кормо-лекарственных смесей) на основе покупного БВД и собственного фуража [9-12].
Цель исследования - обоснование зоны работоспособности предложенного смесителя с вертикальным валом и лопастной мешалкой, на краях лопастей которой закреплены синусоидальные лопатки.
Задачи исследований - установление функциональной зависимости между технологическими параметрами смесителя (доля контрольного компонента и длительность смешения) и показателями технологического процесса (неравномерность смеси и скорректированная энергоемкость смешения с учетом равномерности смеси); выявление рациональных значений технологических параметров смесителя, обеспечивающих требуемое качество смеси и минимальную энергоемкость смесеобразования.
Материалы и методы исследований. Для приготовления сухих концентратных смесей предлагается использовать смеситель с лопастной мешалкой и вертикальной цилиндрической емкостью, у которого на концах лопастей установлены дополнительные лопатки [14-16].
Смеситель (рис. 1) установлен на раме и состоит из цилиндрической смесительной емкости, установленной вертикально, и системы электропривода. Внутри смесительной емкости в подшипниковых опорах установлен вертикальный вал с установленной жестко на нём лопастной мешалкой. Лопасти мешалки плоские, установлены радиально и повернуты на угол а, обеспечивая подъем материала при своем движении. На краях лопастей установлены лопатки с синусоидальным профилем. Линия, соединяющая передний и задний края лопаток, образует с днищем смесительной емкости угол а наклона лопаток. Перед работой смесителя включается его привод и загружаются сверху через загрузную горловину компоненты: первый - наполнитель с большей долей, затем меньший компонент, и далее компоненты по возрастанию массы. Выгрузка готовой смеси производится при открытии бокового выгрузного отверстия в нижней части емкости.
Рис. 1. Схема размещения лопастей в смесительном аппарате:
1 - вал приводной; 2 - емкость смесительная; 3 - лопатка; 4 - лопасть радиальная мешалки; 5 - втулка крепежная мешалки;
6 - подшипниковая опора нижняя
Для проверки работоспособности смесителя объемом 30 л при степени заполнения 70% дертевой смесью с плотностью вороха 710 кг/м3 проведены исследования, позволяющие установить влияние доли контрольного компонента Dk (%) на длительность смешения компонентов Т (с) при соблюдении зоотехнических требований на качество смеси.
При проведении исследований контрольным компонентом смеси являлись зерна ячменя, внесенные в заданном количестве от массы смеси согласно плану эксперимента (0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0%). При этом количество проб - 20 шт., масса пробы - 100 г. Исходя из априорной информации [9-13], длительность смешения в опытах была 120, 240, 360, 480 с. Мощность установленного электродвигателя у смесителя -2,2 кВт. Обработка результатов эксперимента осуществлялась компьютерной программой Statistica, построение двумерных сечений поверхностей откликов факторов - Mathcad. При этом производилось контролирование неравномерности смеси v (коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах), затрачиваемой мощности N привода, энергоемкости смесеобразования Y, а так же скорректированной энергоемкости Yk смешения с учетом равномерности смеси [16]:
Yk= Y 1(1- v/100). (1)
Результаты исследований. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке 2. В результате обработки результатов экспериментов статистически установлено уравнение регрессии (рис. 3) неравномерности смеси от доли контрольного компонента йк (%) и длительности смешения Т (с):
V = 4,492192 + 10'!52454 + 725499927 + 1656802 (2)
Dk Т Dk•T у '
Значения коэффициента корреляции [ = 0,97880 и данные Р-тест = 0,92654945 свидетельствуют об адекватности выражения опытным данным.
По мере роста доли контрольного компонента и увеличения длительности смешения у смеси улучшается качество. Но интенсивность улучшения качественных показателей уменьшается. Это связано с кинетикой процесса смешения, описываемого показательной функцией.
100000
90000
80000
70000
120с 60000
50000
240с
40000
360с 30000
480с 20000
10000
0
0,50% 1% 2% 5% 10%
а б
Рис. 2. Результаты исследований влияния доли контрольного компонента йк (%) и длительности смешения Т (с): а - на неравномерность смеси у(%); б - на скорректированную энергоемкость смешения Ук (Дж/кг)
Бк%
200 300 400 500
V
Рис. 3. Двумерное сечение поверхности отклика доли контрольного компонента йк (%) и длительности смешения Т (с)
на неравномерность смеси у(%)
В результате обработки полученных данных выявлено уравнение регрессии на скорректированную энергоемкость смешения Ук (Дж/кг) от ранее указанных факторов (рис. 4):
13026,7 , -208161 , -225007 -0,9053
У* = 1543,66 + 146,41Т + —°г6- + —8—+ + -Рт03 (3)
к к 1 ВкТ
Значения коэффициента корреляции Я = 0,99976 и данные Р-тест = 0,99918 свидетельствуют об адекватности разработанной модели с 99% доверительной вероятностью.
Характер неравномерности смеси у стремится к гиперболической зависимости, когда показатель функции стремится к какому-либо значению, не достигая его (в данном случае - к значению, близкому к нулю).
Тенденции изменения величины скорректированной энергоемкости смешения Ук показывают рост энергоемкости по мере увеличения длительности смешения. Увеличение доли контрольного компонента уменьшает затраты энергии. Наложение обоих графиков друг на друга свидетельствует о резком снижении (с 75000 до 30000 Дж/кг) энергоемкости смешения при увеличении доли контрольного компонента (с 3 до 10%), т.е. в 2,5 раза.
Бк,%
200
300
400
500
Ук
Т, с
6
Рис. 4. Двумерное сечение поверхности отклика скорректированной энергоемкости смешения Ук (Дж/кг) в зависимости: а - от доли контрольного компонента йк (%); б - от длительности смешения Т (с)
На основании формулы (2) и условия обеспечения зоотехнических требований (у = 10%) проведен ряд математических преобразований, что дало возможность выявить выражение потребной длительности смешения Г20о, с (рис. 5):
72549990^+165680000
т =
1гоо
550781^-1052454
(4)
Рис. 5. Влияние доли контрольного компонента йк (%) на потребную длительность смешения Г(с)
а
При доле контрольного компонента менее 5% длительность смешения резко увеличивается. При доле контрольного компонента более 10% время смешения незначительно уменьшается.
Числовые значения энергоемкости смешения и скорректированной энергоемкости смешения с учетом равномерности смеси показывают схожие тенденции и различаются величиной значений с учетом неравномерности смеси.
Характер изменения показателей соответствует графику (рис. 6). Стабилизация энергоемкости наблюдается при доле контрольного компонента более 10%. Энергоемкость резко растет при доле контрольного компонента йк менее 5%.
А Ок „25, 3. Эк .25.,
а б
Рис. 6. Влияние доли контрольного компонента йк (%): а - на энергоемкость смешения У (Дж/кг); б - на скорректированную энергоемкость смешения Ук (Дж/кг)
Заключение. Зона работоспособности мешалки смесителя определяется долей контрольного компонента йк - не менее 3%. При этом по сравнению с йк = 10% энергоемкость смешения У увеличивается от 50000 до 140000 Дж/кг, т.е. в 2,8 раза. Длительность смешивания увеличивается от 200 до 600 с (в 3 раза). Рационально использовать мешалку смесителя при доле контрольного компонента йк от 5%. При этом по сравнению с йк = 10% энергоемкость смешения У увеличивается от 50000 до 80000 Дж/кг, т.е. в 1,6 раза. Длительность смешивания увеличивается от 200 до 300 с (в 1,5 раза).
Библиографический список
1. Сыроватка, В. И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах // Техника и оборудование для села. - 2011. - № 6. - С. 22-25.
2. Чупшев, А. В. Оптимизация параметров смесителя по минимуму энергоемкости перемешивания / А. В. Чупшев,
B. В. Коновалов, С. С. Петрова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. -№ 3. - С. 72-76.
3. Чупшев, А. В. К обоснованию параметров быстроходного смесителя / А. В. Чупшев, В. В. Коновалов, В. П. Те-рюшков,
C. С. Петрова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2008. - № 3. - С. 151-154.
4. 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.
5. Бормотов, А. Н. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита / А. Н. Бормотов, И. А. Прошин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2009. - № 4. - С. 29-36.
6. 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.
7. Бормотов, А. Н. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита / А. Н. Бормотов, И. А. Прошин, А. Ю. Кирсанов, Е. М. Бородин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. -Т. 6, № 7. - С. 98-104.
8. Чупшев, А. В. Влияние диаметра лопастей и их числа на неравномерность смеси и энергоемкость смешивания / А. В. Чупшев, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина. - 2008. - № 2. - С. 132-133.
9. 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.
10. Коновалов, В. В. Аналитическое определение производительности винтового смесителя-конвейера / В. В. Коновалов, А. С. Фомин, В. П. Терюшков, А. В. Чупшев // Нива Поволжья. - 2014. - № 1 (30). - С. 63-70.
11. Новиков, В. В. Определение объемного расхода экструдата в зоне прессования одношнекового пресс-экструдера / В. В. Новиков, А. А. Курочкин, Г. В. Шабурова [и др.] // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. -2011. - № 1 (75). - С. 91-94.
12. 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.
13. Коновалов, В. В. Моделирование процесса непрерывного приготовления смеси смесителем-дозатором экс-трудера / В. В. Коновалов, В. В. Новиков, Д. Н. Азиаткин, А. С. Грецов // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 3. - С. 72-78.
14. Коновалов, В. В. Моделирование изменения равномерности смеси при ступенчатом смешивании / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, М. В. Фомина, А. С. Калиганов // Нива Поволжья. - 2013. - № 3 (28). - С. 77-83.
15. Коновалов, В. В. Моделирование подачи материала при разгрузке вертикального смесителя / В. В. Коновалов, А. С. Калиганов, М. В. Фомина, А. В. Чупшев // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. -№ 6 (22). - С. 67-74.
16. Коновалов, В. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя сухих кормов с плоскими лопастями / В. В. Коновалов, В. Ф. Дмитриев, М. В. Коновалова // Научное обозрение. - 2011. - № 1. - С. 24-28.
