аспирант
п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
Цель исследования – снижение энергозатрат лопастного смесителя для сыпучих материалов с обоснованием его конструктивных параметров. Приготовление кормовых смесей осуществляется в основном смесителями разнообразной конструкции, а так же экструдерами и иными шнековыми устройствами. Широкое распространение получили горизонтальные смесители с рабочим органом в виде лопастей, установленных на вращающемся валу. Их отличает способность за достаточно короткое время работы достигать необходимую равномерность смеси. Основным назначением предлагаемого смесителя является приготовление сухих смесей из сыпучих кормовых компонентов. В сельскохозяйственном производстве предполагаемым местом использования смесителя является приготовление смесей концентрированных кормов для животных. На основании обзора литературы и анализа технологического процесса смесителей в Самарской ГСХА разработана конструкция лопастного смесителя с винтовыми лопастями. Смеситель состоит из корпуса, в котором расположен горизонтальный вал мешалки смесителя с рабочими органами, выполненными в виде радиальных трапециевидных лопастей винтообразной формы. Предложенная форма лопасти позволяет получить ориентацию сил в заданном направлении таким образом, что суммарная (результирующая) проекция силы сопротивления материала вдоль вала будет стремиться к нулю за счет изменяющегося угла профиля лопастей и изменяемой ширины лопасти. В тоже время на краю лопасти при определенном радиусе лопасти будет создаваться осевое усилие, способствующее выгрузке материала из смесителя через выгрузное отверстие. Приведены выражения удельных энергозатрат на смесеобразование, а так же длительность цикла работы смесителя. Получено выражение, позволяющее оценить среднюю скорость истечения сыпучего материала из выгрузного отверстия смесителя. Установлено, что положением шибера, регулирующего площадь выгрузного отверстия, можно влиять на объем порции, одновременно обрабатываемой мешалкой смесителя, что повлияет на степень заполнения смесителя и качество смеси.
смеситель, смешивание, лопасть, частота, лопастной, винтообразная
Одной их основных задач при повышении продуктивности животных является производство высококачественных кормов. Из-за низкого качества корма и недостаточного количества питательных веществ, а так же при отсутствии его необходимого набора, заложенный природой потенциал животных реализуется лишь частично. Поскольку ни в одном виде корма нет полного набора всех потребных питательных веществ, кормовые смеси приготавливают из нескольких составляющих. В перспективе около 54% производимого в стране фуражного зерна будет перерабатываться комбикормовой промышленностью, а оставшиеся часть – использоваться для производства кормовых смесей непосредственно в хозяйствах [1, 2]. Приготовление кормовых смесей осуществляется в основном смесителями разнообразной конструкции, а так же экструдерами и иными шнековыми устройствами [6, 7]. Широкое распространение получили горизонтальные смесители с рабочим органом в виде лопастей, установленных на вращающемся валу. Их отличает способность за достаточно короткое время работы достигать необходимую равномерность смеси [3, 9]. Поэтому совершенствование конструкции лопастного смесителя является актуальной задачей. Основным назначением предлагаемого смесителя является приготовление сухих смесей из сыпучих кормовых компонентов. В сельскохозяйственном производстве предполагаемым местом использования смесителя является приготовление смесей концентрированных кормов для животных.
Цель исследований – снижение энергозатрат лопастного смесителя для сыпучих материалов с обоснованием его конструктивных параметров.
Задачи исследований – определить аналитические выражения, описывающие энергозатраты смешения, мощность на привод смесителя, его производительность; определить влияние конструктивных параметров смесителя на показатели его рабочего процесса.
Материалы и методы исследований. На основании обзора литературы и анализа технологического процесса смешивания зерновой смеси в Самарской ГСХА разработана конструкция лопастного смесителя сыпучих материалов (рис. 1) [3, 9].
Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема смесителя зерновой смеси:
1 – бункер; 2 – перегородка; 3 – секции бункера; 4 – спиральный шнек; 5 – выгрузное окно; 6 – регулировочная заслонка; 7 – корпус смесителя; 8 – приводной вал мешалки; 9 – винтообразная трапецеидальная лопасть;
10, 11 – выгрузное отверстие; 12 – шиберная задвижка; 13 – выгрузная горловина; 14 – электродвигатель
привода смесителя; 15 – электродвигатель привода дозаторов; 16 – цепной привод дозирующих шнеков
Смеситель состоит из бункера 1, разделенного перегородками 2 на секции 3 для различных компонентов. С целью исключения сводообразования компонентов смеси в каждой секции 3 бункера установлены ворошители – спиральные шнеки 4. Они служат одновременно как для подачи компонентов к выгрузным окнам 5, так и для разрушения сводов во внутреннем пространстве отсеков. Снизу каждой секции 3 бункера, перекрывая выгрузное окно 5, установлен гравитационный дозатор, выполненный в виде регулировочных заслонок 6. Бункер 1 жестко закреплен сверху корпуса смесителя 7. Внутри цилиндрического смесителя расположен горизонтальный приводной вал 8 мешалки с рабочими органами, выполненными в виде радиальных винтообразных лопастей 9 трапециевидной формы.
При этом плоская развертка лопасти 9 представляет собой равнобедренную трапецию
(рис. 2, а). Лопасти 9 закреплены на валу 8 узкой стороной трапеции под углом в 30 градусов от продольной оси вала 8. Горизонтальный вал 8 с прикрепленными винтообразными лопастями 9 образует мешалку смесителя. Привод вала 8 смесителя осуществляется электродвигателем 14, а привод спиральных шнеков 4 – электродвигателем 15. В зависимости от периодичного или непрерывного режима работы смесителя открывается шибер нижнего 10 или верхнего 11 выгрузного отверстия смесителя.
Выгрузка готовой смеси из смесителя регулируется шиберными задвижками 12 через два выгрузных отверстиях 10 и 11, расположенных одно под другим. Подача исходных компонентов из бункера 1 в корпус смесителя 7 осуществляется посредством спиральных шнеков 4 через цепную передачу 16 в выгрузные окна 5 [9]. Выгрузные окна 5 дозаторов расположены у торца смесителя в противоположном конце от выгрузных отверстий 10 и 11 смесителя.
Методика исследований предусматривает аналитическое определение взаимосвязей конструктивных и режимных параметров смесителя и показателей его работы.
|
|
|
Рис. 2. Схема лопасти:
а – развертка; б – размещения на валу; 1 – винтообразная трапецеидальная лопасть; 2 – вал мешалки
Результаты исследований. При конструировании смесителей стоит задача сокращения энергозатрат на смесеобразование. Удельные энергозатраты можно определить [10]:
, Дж/кг, (1)
где А – работа, затраченная на приготовление смеси, Дж; М – масса приготовленной кормосмеси, кг; Ni – затраченная мощность на выполнение i-й операции технологического процесса, Вт; Ti – длительность выполнения i-й операции технологического процесса, с.
При этом соотношение является производительностью смесительного агрегата в составе смесителя и дозирующих устройств. Производительность каждого дозатора определяется долей конкретного компонента в составе рецептуры смеси. Суммарная производительность всех дозирующих устройств определяется производительностью смесителя, обеспечивающей соблюдение зоотехнических требований по показателям качества смеси, кг/с [10, 11]:
, кг/с. (2)
Цикл работы смесительного устройства как агрегата периодического действия будет включать операции:
, с, (3)
где Тц – длительность цикла смесителя, с; Т3 – длительность загрузки всех компонентов в смеситель, с; Тс – длительность смешивания компонентов, обеспечивающая надлежащее качество смеси, с; Тр – длительность непрерывной работы смесителя при одновременной загрузке компонентов и выгрузке готовой смеси, с; Тb – длительность освобождения емкости смесителя от остатков (выгрузки) приготовленной смеси, с.
Цикл работы смесительного устройства как агрегата непрерывного действия будет включать операции:
, с, (4)
где Т3 – длительность предварительной загрузки всех компонентов в смеситель в начале цикла, с; Тс – длительность смешивания компонентов, обеспечивающая надлежащее качество смеси, с; Тр – длительность непрерывной работы смесителя при одновременной загрузке компонентов и выгрузке готовой смеси, с; Тb – длительность освобождения емкости смесителя от остатков приготовленной смеси в конце цикла, с.
В случае ежедневной работы смесителя и приготовления сухой смеси потребность в ежедневном опорожнении смесителя отсутствует, поэтому цикл его работы и энергозатраты сократятся. Цикл работы смесительного устройства составит:
. (5)
То есть, цикл может составлять одну операцию, связанную с одновременной подачей компонентов, их смешиванием в бункере смесителя и одновременной выгрузкой приготовленной смеси.
При этом потребная суммарная массовая подача (производительность) всех дозирующих устройств не должна превышать расчетную производительность смесительного устройства для обеспечения качества смеси, т.е.:
, кг/с, (6)
где – суммарная производительность дозирующих устройств, кг/с;
– техническая производительность смесителя, кг/с; V – объем смесителя, м3; j – степень заполнения смесителя, доля; r – насыпная плотность смеси, кг/м3.
В зависимости от конструктивного совершенства мешалки смесителя потребная длительность смешивания будет изменяться. Чем совершеннее процесс смешивания смесителя, тем короче длительность Тс смешивания компонентов до достижения надлежащего качества смеси. В результате будет наблюдаться рост производительности смесителя. В ином случае потребуется уменьшение порции корма, подвергаемой единовременному воздействию мешалки смесителя. Уменьшение массы указанной порции корма снижает силовую нагрузку на рабочий орган, сокращая энергозатраты. Длительность такта Тс смешения компонентов определяется эмпирически.
Мощность, затрачиваемая на работу всего смесительного агрегата, определяется как суммарная мощность, потребляемая на привод всех устройств в его составе. При этом потребление энергии каждым вращающимся рабочим органом зависит от площади его поперечного сечения и окружной скорости. Мощность, затрачиваемая на привод лопастной мешалки Nm, можно определить на основании [7] с учетом площади контакта лопасти с материалом и геометрических параметров самих лопастей.
, (7)
где Z – количество лопастей, контактирующих с материалом; Fр, Fо – радиальная и окружная составляющие силы сопротивления материала, действующего на лопасть, Н:
,
;
Vр, Vо – радиальная и окружная скорости точки приложения равнодействующей сил сопротивления материала, действующих на лопасть, м/с:
,
;
L – длина лопасти, м; b – ширина лопасти, м; hc – средняя глубина погружения лопасти в смесь, м; – угол трения материала по лопасти, град.; f1 – коэффициент трения материала по лопасти; g – угол отгиба лопасти, 0 град.; a – угол установки лопасти к плоскости вращения, град.;
– площадь лопасти, м2.
Согласно конструкции смесителя (рис. 1) текущая ширина лопасти относительно радиуса расположения ее поперечного сечения не постоянна и по форме трапециевидна. Текущая ширина лопасти изменяется по зависимости: в интервале длины лопасти
. При этом текущий радиус расположения текущей ширины лопасти запишется:
. Интервал изменения радиуса r расположения текущей ширины лопасти составит: 
,
где d – диаметр вала смесителя, м; D – диаметр мешалки, м. Текущий угол , соответствующий ширине лопасти
, определится как
.
Соответственно, задаваясь шириной лопасти у ее основания и вершины , или углом установки лопасти
, можно определить коэффициенты для расчета параметров сечения лопасти:
;
.
Примем, что номер текущих значений факторов изменяется от 1 до
, тогда длина интервала изменения длины лопасти составит:
. Текущая длина лопасти определится следующим образом
.
Площадь сегмента длины лопасти составит: .
В таком случае, составляющие мощности запишутся:
;
;
;
;
. (8)
При вращении вала лопастного смесителя (при движении твердого тела в сыпучей среде в зависимости от геометрии лопасти) в смеси возникают силы, различные по величине и направлению. Рациональный выбор формы лопасти позволяет получить ориентацию сил в заданном направлении таким образом, что суммарная (результирующая) сила будет превосходить все остальные, и это означает, что будет происходить перемещение смеси согласно конструкционному предназначению, ускоряя смешение компонентов.
Предложенная конструкция смесителя предполагает помимо создания дополнительного силового фактора (вращательный момент) возникновение сил, коаксиальных оси вала – в связи с наличием угла «атаки» 
поверхности лопасти (рис. 2, 3).
Однако в связи с предложенной формой лопасти угол является переменным и может изменяться, причем возможна проекция лопасти в интервале углов от 0 до 900 (рис. 3). Из этого следует, что по мере удаления от оси вала осевая сила будет изменяться с учетом как ширины лопасти, так и угла расположения элементарного участка лопасти. Это повлияет на величину момента окружной силы.
Рис. 3. Схема сил, возникающих при винтообразной форме лопасти:
Fн – сила давления напора материала, Н; Fск – скатывающая сила, Н; Fн.д. – сила нормального давления на лопасть, Н; Fтр – сила трения, Н; Fос – осевая сила, Н; R н.д. – сила реакции нормального давления, Н;
Мi – вращательный момент от частицы на вал, Н·м
Осевая сила , создаваемая одной лопастью определяется, Н:
(9)
Принимая осевую скорость постоянной ( ) по всей длине смесителя и обозначая ее
, можно получить выражение для осевой скорости смеси на выходе из смесителя:
или
м/с. (10)
Роль функции можно оценить лишь в том случае, если она будет выражена через радиус
и войдет в общее подынтегральное выражение. Однако в указанном виде (например, при аппроксимировании параболой) подынтегральное выражение становится громоздким и неудобным в применении.
Поэтому с погрешностью функцию ( ) можно выразить при помощи теоремы о средней, на примере работы [10]. Тогда среднее значение функции (
) на интервале углов
, будет равно
.
Подставив полученное значение в подынтегральное выражение и производя необходимые сокращения, можно получить достаточно практичное выражение:
м/с. (11)
Полученное выражение (11) с некоторой погрешностью позволяет оценить среднюю скорость истечения сыпучего материала из выходного отверстия смесителя. Полагая, что пропускная способность (массовая подача) дозаторов на выгрузке материала компонентов смеси является функцией плотности смеси, скорости истечения и площади выгрузного отверстия (в непрерывном режиме работы смесителя, сколько материала компонентов загрузится, столько же и выгрузится готовой смеси, т.к. выгружается избыток материала из заполненного смесителя), можно выделить положение шибера, изменяющего площадь выгрузного окна в качестве регулятора объема постоянно перемешиваемого материала. Остальные два параметра являются квазистабильными, поэтому площадь выгрузного отверстия определится, м2:
м2, (12)
где – средняя скорость выхода смеси по выходному сечению смесителя, м/с;
– степень заполнения площади выгрузного окна;
– фактическая производительность загрузки смесителя по поступающему материалу компонентов смеси из дозаторов, кг/с.
С учетом выражения (11) пропускная способность выгрузного отверстия смесителя выражается:
, кг/с. (13)
Выражение (12) свидетельствует, что изменение массовой подачи компонентов смеси влияет на степень заполнения площади выгрузного отверстия. С одной стороны, положение шибера, регулирующего открытием площадь выгрузного отверстия, должно позволять выгружаться приготовленной смеси, с другой стороны, увеличение высоты размещения шибера увеличивает время заполнения смесителя, а следовательно увеличивает массу смешиваемой одновременно смеси в смесителе. Тем самым, положением шибера можно регулировать массу смешиваемой порции смеси. В зависимости от массы порции смеси изменяется потребное время смешения до достижения зоотехнических требований. Изменяя суммарную производительность дозаторов, можно настроить смесительный агрегат в составе дозаторов и смесителя на приготовление качественной смеси. После настройки положения шибера нежелательно его постоянно изменять. Опорожнение смесителя производится при открытии нижнего выгрузного отверстия вторым шибером.
Заключение. Проведенные исследования позволили определить аналитические выражения, описывающие мощность на привод смесителя, его производительность и составляющие времени цикла, а также удельные энергозатраты смешения компонентов. Выявлено влияние конструктивных, кинематических и технологических параметров на показатели работы лопастного смесителя. К числу основных факторов, влияющих на показатели рабочего процесса, относятся частота вращения (угловая скорость) мешалки смесителя, количество ее лопастей, угол установки лопастей и их параметры. С учетом влияния установленных параметров следует осуществлять выбор факторов при проведении экспериментальных исследований.
1. Сыроватка, В. И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах / В. И. Сыроватка // Техника и оборудование для села. - 2011. - №6. - С. 22-26.
2. Сыроватка, В. И. Новые технические решения приготовления комбикормов в хозяйствах / В. И. Сыро-ватка, Н. В. Обухова, А. С. Комарчук // Кормопроизводство. - 2010. - № 7. - С. 42-45.
3. Новиков, В. В. Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемы зерновой смеси / В. В. Новиков, М. В. Борисова // Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы : сб. науч. трудов. - Пенза, 2017. - C. 82-88.
4. Коновалов, В. В. Оптимизация параметров барабанного смесителя / В. В. Коновалов, Н. В. Дмитриев, А. В. Чупшев, В. П. Терюшков // Нива Поволжья. - 2013. - № 4(29). - С. 41-47.
5. Коновалов, В. В. Аналитические аспекты гравитационного смешивания барабанных устройств / В. В. Коновалов, Н. В. Дмитриев, В. П. Терюшков, А. В. Чупшев // Известия Самарской государственной сельско-хозяйственной академии. - 2016. - № 2. - C. 40-46.
6. Мартынова, Д. А. Повышение эффективности процесса производства экструдированных кормовых продуктов за счет изменения конструктивных параметров шнека пресс-экструдера : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01 / Мартынова Дарья Александровна. - Оренбург : Оренбургский государственный университет. - 2017. - 167 с.
7. Механизация и технология производства продукции животноводства : учебное пособие / В. Коба, Н. Брагинец, Д. Мурусидзе, В. Некрашевич. - М. : Колос, 1999. - 528 с.
8. Борисова, М. В. Рациональное деформирование лопастей смесителя и его влияние на динамику про-цесса / М. В. Борисова, В. В. Новиков, А. Ю. Титов // Инновационные достижения науки и техники АПК : сб. науч. трудов. - Кинель, 2018. - C. 376-379.
9. Пат. 179164 Российская Федерация. Смеситель зерновой смеси / Новиков В. В., Борисова М. В., Грецов А. С. [и др.]. - № 2017136899 ; заявл. 19.10.2017; опубл. 03.05.2018, Бюл. № 13. - ? с.
10. Петрова, С. С. Сравнительные исследования смесителя с круглыми и плоскими лопастями / С. С. Петрова, В. П. Терюшков, А. В. Чупшев, М. В. Коновалова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 3. - С. 121-124.
11. Коновалов, В. В. Аналитическое обоснование длительности цикла работы смесителя периодического действия / В. В. Коновалов, М. В. Фомина, В. П. Терюшков, А. В. Чупшев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 3. - С. 10-15.
