Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Смешение, область применения в сельском хозяйстве 9
1.2 Обзор теоретических исследований поведения сыпучей среды при вибрации. Классификация поведенческих моделей 11
1.3 Анализ тенденций исследования процесса вибросмешения 18
1.4 Основные направления в решении конструкционного оформления вибросмесителей для приготовления сыпучих кормов. (Классификация смеси телей применяемых для сыпучих компонентов) 22
1.5 Цель и задачи исследования 29
Глава 2 Построение математической модели парамет рического синтеза процесса вибросмешения 30
2.1 Построение математической модели 30
2.2 Определение параметров процесса 34
2.2.1 Формирование режимных параметров 34
2.2.2 Конструктивно-технологические параметры 35
2.2.3 Физико-механические параметры 38
2.3 Формирование параметров 39
2.4 Выводы по главе 47
Глава 3 Методика эксперимента 48
3.1 Общие положения экспериментальных исследований 48
3.1.1 Описание лабораторной установки, приборов и инструментов 51
3.1.2 Характеристика кормовой смеси 55
3.1.3 Отбор проб и их анализ 55
3.2 Выбор методики определения качества смеси 58
3.3 Определение конструктивно - технологических параметров механизма 61
3.4 Методика определения режимных параметров процесса 63
3.5 Выбор методики векторной оптимизации 69
3.6 Методика обработки экспериментальных данных на программных средствах 72
3.7 Выводы по главе 74
Глава 4 Результаты расчетно-экспериментальных исследований 75
4.1 Моделирование процесса смешения в торообразном смесителе 75
4.2 Экспериментальное определение характеристик процесса .76
4.3 Обработка экспериментальных данных 80
4.3.1 Определение режимных параметров 87
4.3.2 Расчет конструктивно-технологических и физико-механических параметров , 89
4.4 Определение параметров эффекта и оптимизация процесса смешения 90
4.5 Выводы по главе 106
Глава 5 Практическая реализация результатов исследований 107
5.1 Инженерный расчет конструктивных параметров процесса смешения сыпучих кормов 107
5.2 Расчет экономического эффекта от внедрения модернизированной установки 111
5.3 Выводы по главе , 116
Общие выводы 117
Список использованных источников 119
Приложения 130
- Основные направления в решении конструкционного оформления вибросмесителей для приготовления сыпучих кормов. (Классификация смеси телей применяемых для сыпучих компонентов)
- Конструктивно-технологические параметры
- Определение конструктивно - технологических параметров механизма
- Экспериментальное определение характеристик процесса
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Повышение питательной ценности кормов, то есть уменьшение потерь энергии корма при переработке его животным в продукцию, достигается кормлением животных кормосмесями. Корма должны быть приготовлены строго по рецепту. Отклонение от предельной нормы не должно превышать 15%, при удовлетворительном качестве это отклонение 8-10%, а при хорошем качестве до 8%.
Комбикормовой промышленностью выпускаются корма с добавками витаминов, микроэлементов, биостимуляторов и прочих необходимых лечебно-профилактических препаратов. Приготовление кормосмесей весьма сложный технологический процесс. Для создания падежной и сбалансированной кормовой базы животноводства необходимо отметить важную роль операции смешения компонентов, от которой во многом зависит качество готового продукта.
Многообразие типов и модификаций смесителей для приготовления сыпучих кормов позволяет получать одну и туже смесь разными способами, поэтому возникает вопрос выбора наиболее рационального из них.
Сложность поиска правильного решения связана не только с выбором конструктивного оформления, но и с определением оптимальных режимно-технологических условий, дающих возможность снижения энергоемкости процесса в целом.
Исследования в изучаемой области показывают, что приготовление кормосмесей чаще всего осуществляется на лопастных смесителях периодического или непрерывного действия, что сопряжено с высокими энергозатратами.
Анализ научных работ, даёт возможность говорить о необходимости применения в комбикормовой промышленности передовых технологий на базе высоко эффективного оборудования, обеспечивающих нужное качество перемешивания сыпучих кормов с помощью вибрации.
При сравнении виброперемешивания с другими механическими методами смешения наблюдается превосходство результатов вибросмешения, объясняемое наличием более интенсивного относительного движения сы-
пучих компонентов, а так же способностью коренным образом изменять характер процесса структурообразования, при достаточно простом конструктивном оформлении и низкой энергоемкости.
Установлено, что для приготовления кормосмеси не большими партиями, с часто меняющейся рецептурой, целесообразнее всего использовать вибрационные смесители периодического действия. В связи с чем, возникает необходимость в конструктивных доработках, повышающих интенсивность смешения, а также в создании математического аппарата способного адекватно описать процесс и предопределить его результаты.
Цель исследования - оптимизация процесса вибросмешения сыпучих кормов с созданием основ его интенсификации, позволяющее снизить энергоемкость процесса.
Задачи исследования:
1. Построение адекватной математической модели процесса вибросмешения.
Формирование параметров эффекта.
Разработка новых конструкций виброактивных поверхностей стимулирующих процесс.
Проведение оптимизации процесса смешения по параметрам эффекта.
Разработка методики инженерного расчета оптимального режима вибрационного смешения сыпучих кормов.
Объект исследования - параметры процесса смешения сыпучих компонентов при приготовлении кормовой смеси в торообразном смесителе с внутренними рабочими виброактивными поверхностями.
Научная новизна. Построена математическая модель параметрического ринтеза процесса смешения сыпучих кормов в торообразном смесителе с внутренними рабочими виброактивными поверхностями. Сформированы параметры эффекта для данного процесса. Обосновано влияние режимных, конструктивно-технологических, физико-механических параметров на параметры эффекта. Проведена векторная оптимизация процесса, на основании чего найдена область оптимальных решений.
Практическая ценность работы заключается в обосновании предложенной виброактивной рабочей поверхности, стимулирующей процесс, для чего: разработаны на основе теоретических и экспериментальных исследований новые технические решения конструкции вибросмесителя (патент №2122891, № 2137536); Ш определены оптимальные параметры процесса вибросмешения; В предложена методика инженерного расчета.
Реализация результатов работы.
Предложения по усовершенствованию конструкции вибросмесителя нашли применение в муниципальном частном малом предприятиям "Фермер стройсервис". Результаты исследований используются в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на: В Российской научно-технической конференции "Совершенствование технологических процессов пищевой промышленности и АПК", посвященной 25-летию Оренбургского государственного университета в 1996г; В Третьей научно-технической конференции "Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики", Оренбургского государственного университета в 1997г.
На защиту выносятся. ;
Математическая модель процесса смешения.
Решение задачи векторной оптимизации по параметрам эффекта.
Новые технические решения конструкции виброактивной рабочей поверхности торообразного смесителя.
Инженерный расчет оптимального режима вибросмешения сыпучих кормов. ..-;
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 14 научных и учебно-методических трудах. Получено 2 патента №2122891, №2137536 по техническим решениям конструкции рабочих виброактивных поверхностей торообразного смесителя.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 175 страницах.
Список литературы из 142 наименования (в том числе 17 на иностранном языке), содержит 35 рисунков, 4 таблицы, 6 приложений.
Основные направления в решении конструкционного оформления вибросмесителей для приготовления сыпучих кормов. (Классификация смеси телей применяемых для сыпучих компонентов)
Если обратиться к современным видам конструкций применяемых для смешения сыпучих материалов, то можно проследить тенденцию разработки смесителей для узкоспециальных областей применения.
При исследовании Е. М. Клычевым [55] процесса смешения сыпучих кормов дана классификация смесителей (рисунок 2).
Стандартная классификация методов смешения, практически отсутствует, поэтому выбор типа смесителя для одной и той же смеси может быть разным.
Ю. И. Макаров [76], рекомендует при этом учитывать особенности производства, физико-механические свойства компонентов (текучесть, слипае-мость, взрывоопасность, абразивность, гранулометрический состав), а также влияние технологических условий на качество готового продукта, с расчетом экономической эффективности.
Проанализировав достоинства и недостатки известных типов смесителей, можно сделать выбор оптимальной модели с помощью, которой, представляется возможным получить смесь высокого качества за минимальное время с минимальными энергозатратами. Для этого нельзя не учитывать факторы, предлагаемые Ф. Стренком [106], при выборе смесителя, указанные на рисунке 3.
Если в определенных производственных условиях необходимо увеличить пропускную способность оборудования для смешения сыпучих компонентов, то есть увеличить объём приготавливаемой смеси, то удобнее всего использовать смесители непрерывного действия. Низкочастотный смеситель, предложенный В. Ф. Ковтуном [58], непрерывного действия, относится к аппаратам с колеблющейся рабочей поверхностью [76, 135, 136], дает возможность использования при смешении сыпучих сред с широким диапазоном различных механических свойств. Наличие в конструкции отражательных пластин, регулируемых относительно перемещающихся в вертикальной плоскости подвижных рабочих поверхностей, позволяет интенсифицировать процесс смешения. К недостаткам данной конструкции можно отнести, налипание на отражательные пластины смешиваемого продукта при повышении его влажности.
Вибрационный смеситель непрерывного действия конструкции С.В.Евсеенкова [35], выполненный в виде открытого желоба с установленными в нем, наклонными зубчатыми гребенками. Компоненты, проходя по желобу, через гребенки перемешиваются. Движение происходит на высокой скорости, но кинематика движения отдельных частиц не изменяется, в результате чего процесс является недостаточно эффективным. К недостаткам данной конструкции так же можно отнести её металлоёмкость.
В работе А. Сражиддинова [108], представлен смеситель в виде виброжелоба, с укрепленными внутри него, равномерно расположенными перемешивающими устройствами, имеющих форму цилиндрических лопаток, непрерывно проходя через которые, сыпучие корма перемешиваются. Данный смеситель обладает сглаживанием неравномерностей в работе дозатора за счет продольного относительного скольжения слоев. Недостатком данной установки можно считать ее неустойчивое положение и громоздкость.
Вибрационный смеситель для сыпучих кормов с двумя самосинхронизирующимися вибровозбудителями вращающимися с одинаковыми частотами и цилиндрическим корпусом, опирающимся на пружины, имеющий такие преимущества, как отсутствие в смесительной камере дебалансов и вала, а также имеющий возможность использования в качестве смесителя непрерывного действия [75]. Имеет недостаток, заключающийся в отсутствии внутренних виброактивных поверхностей, создающих условия эффективности процесса.
Смесители периодического действия целесообразно применять там, где есть необходимость приготовления кормосмеси небольшими партиями с меняющимся рецептурным составом, и отсутствует необходимость в высокой производительности.
Конструктивно-технологические параметры
Из множества конструктивно-технологических параметров (КТП) выделяют наиболее значимые для процесса и исследуют их влияние. Для данного процесса выбраны:
SB.K. - площадь виброактивной поверхности.
t - продолжительность цикла смешения.
Кз - коэффициент загрузки вибросмесильной камеры.
Продолжительность цикла смешения (t), определяется исходя из найденного решения, удовлетворяющего поставленной задаче - достижения заданной степени однородности (М %), готовой кормосмеси.
Степень заполнения рабочей камеры вибросмесителя.
Производительность смесителя и качество готового продукта регулируются, объемом заполнения смесильной камеры, на протяжении продолжительности цикла приготовления комбикорма. Соотношение этих показателей достигает оптимума в определенной области. В остальных случаях решается только одна из поставленных задач, то есть при максимальном заполнении смесильной камеры, растет производительность (и годовая) вибросмесителя, но смесь при этом будет иметь крайне неудовлетворительное качество. Практически диффузии не будет, так как данный процесс начинается в момент виброкипения, что предусматривает разрыхление и увеличение объема насыпной массы, для чего необходим свободный объем смесителя. При снижении уровня заполнения рабочей камеры, резко падает производительность, возрастают энергозатраты, но при этом обеспечивается высокое качество готового продукта. Исходя из этих предпосылок, будем считать процесс целесообразным, при достижении оптимума между производительностью смесителя и качеством кормосмеси, регулировочным звеном которых является коэффициент заполнения рабочей камеры (Кз), устанавливаемый экспериментально. Площадь виброактивной поверхности Площадь виброактивной поверхности (SB.K.), образована двумя составляющими, одна их которых является неизменяемой Sc - const, а другая SH -меняется в зависимости от конструкции внутренней рабочей поверхности.
Sle.K = Sc + Snl , (2.5)
где, Sc - площадь внутренняя поверхность смесильной камеры
н, - площадь боковой поверхности первой виброактивной насадки Воспользовавшись первой теоремой Гульдена [39], определим Sc
Sc = 2 7uR 2 nr = 4 ж 2Rr (2.6)
где, г- радиус круга,
R - радиус окружности описанной центром тяжести круга. При этом центр тяжести половины окружности, образующей внутреннюю поверхность торообразного смесителя (L), расположен на 14/33, от центра круга.
Площадь боковой поверхности первой виброактивной насадки:
SH, =7t{Ru + R26)L6 +n(Ru, + R2M)LM, (2.7)
где, Rw R26 - радиусы оснований большого конуса, R{M,R2M- радиусы оснований малого конуса, LM,Le- образующие конусов. Отсюда подставив значения (2.6) и (2.7) в формулу (2.5), получим:
Sle.K.= 4K2Rr + 2x[(Rie+R26)L6+(RlM+R2M)LM] (2.8)
Площадь второй виброактивной поверхности:
S2e.K.= Sc + S2H , (2.9) подставив значения, получим: S2e.K.= An2Rr + nRJ (2.10)
где, RQ - радиус основания конуса, / - образующая конуса. Частицы периодически получают ударный импульс от поверхности смесильной камеры и внутренней рабочей насадки, чем больше площадь их непосредственного соприкосновения, тем интенсивнее протекает процесс смешения. Зависимость технологического процесса от площади виброконтакта является параметром виброактивности:
Наиболее важным условием, учитываемым при разработке математической модели, можно считать, соотношение размера смешиваемых частиц с режимными параметрами процесса, выражаемое геометрическим симплексом [108]:
Г- (2.12) где, cb - эквивалентный диаметр частиц
Следует иметь в виду, что нижняя граница размера частиц, практически определяется, минимально возможной величиной сухого измельчения. Эквивалентный диаметр частиц рассчитывается как среднее арифметическое значение их диаметров в объеме материала [76],
b= (2.13)
где, di - среднее значение диаметра частиц і - го класса,
сі - процентное содержание і - го класса в пробе по весу, к - число классов. Геометрический симплекс (Г), соотношение масс (т), смешиваемых компонентов, угол развода дебалансов (а ), могут быть объединены в группу физико-механических параметров.
Определение конструктивно - технологических параметров механизма
Из всего множества конструктивно - технологических параметров, оказывающих влияние на изучаемый процесс, в главе 2 выделены такие, как степень загрузки смесильной камеры (технологические) и параметр (Sv), виброактивный объем (конструктивные особенности машины).
Для определения влияния технологических параметров на результаты приготавливаемой смеси, необходимо экспериментально установить оптимальный объем загрузки компонентов в смесильную камеру. Для этого проводилась серия экспериментов, в которой изменялся общий объем загрузки компонентов, после чего с учетом критерия однородности, а также с использованием вычислительного эксперимента, определялись границы оптимального объема загрузки смесильной камеры. При этом учитывалась годовая производительность вибросмесителя, а также энергозатраты на единицу приготавливаемой продукции, так как недозагрузка рабочей камеры ведет к снижению производительности, а перезагрузка к уменьшению степени однородности. Объем загрузки определялся:
Уз = рКз (3.8)
где, Vp - рабочий объем смесильной камеры, м Кз - коэффициент загрузки.
Одной из главных особенностей процесса вибросмешения, является передача импульса от вибрирующей поверхности к смеси из сыпучих компонентов.
Известно [84], что чем больше площадь соприкосновения материала с виброактивной поверхностью, тем интенсивнее протекает процесс смешения, так как вибрационный импульс передается в первую очередь частицам, которые непосредственно контактируют с поверхностью, а затем от них в глубь близь лежащим. В результате этого в сыпучей системе происходит рассеивание энергии, необходимой для смешения кормов. Одной из задач исследования, было проведение сравнительного эксперимента на различных, сменных рабочих виброактивных поверхностях [48, 92, 93, 94].
Для этого, в рабочую камеру смесителя устанавливались поочередно, виброактивные насадки различной площади и конфигурации. На каждой из них проводилась серия экспериментов, после чего по отобранным пробам и вычисленной степени однородности, устанавливалась продолжительность цикла смешения. В результате сравнения определялась виброактивная поверхность, на которой наблюдалась наименьшая продолжительность цикла смешения [49]. Это дало возможность вывести зависимости параметров эффекта от конструктивных элементов машины. Таким параметром явился виброактивный объем (Sv), расчет которого производился по следующей формуле:
где, SB. К. - площадь виброактивной поверхности, м
На кафедре " Начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики" Оренбургского государственного университета, было разработано несколько геометрических конструкций внутренних виброактивных поверхностей (патенты № 2122891, №2137536) и проведен расчет их площади [13, 51, 47]. Это позволило в процессе исследований установить зависимость качества приготавливаемого корма от площади виброактивной насадки и обосновать связь с выбранными параметрами эффекта. 3.4 Методика определения режимных параметров
Задача обеспечения необходимых выходных характеристик качества смеси с минимальными энергозатратами требует исследования режимов процесса смешения для поиска возможностей регулирования и оптимизации. Сформированные в гл. 2 параметры эффекта, будут отражать сущность процесса вибросмешения, если в качестве внутренней характеристики системы выбрать кинематические параметры перемещения корпуса смесителя - амплитуду и частоту. Для исследования процесса смешения в торообразном смесителе, была разработана конструкция экспериментального стенда, позволяющего регистрировать перемещения во времени корпуса смесителя [50]. Конструкция стенда (рисунок 8), выполнена следующим образом. Корпус смесителя 8 выполнен в виде тора, установленного на четырех опорах 14, его колебания на витых пружинах 3 создаются вибровозбудителем 9, включающим вертикальный вал с дебалансами 10, вращающимися в двух параллельных плоскостях. Амплитуда колебаний, зависящая от статического момента дебалансов, меняется за счет варьирования массы дебалансов и изменения угла развода между ними. Частота колебаний системы определяется частотой вынужденных колебаний, вызываемых вращением дебалансов. В конструкции стенда предусмотрена возможность изменения размеров и формы внутренней рабочей насадки в корпусе смесителя. Привод вибровозбудителя осуществляется от электродвигателя 12, через клиноременную передачу 13 и лепестковую муфту 11. Результирующая сила инерции от верхнего и нижнего дебалансов создает горизонтальное смещение корпуса смесителя, раскладывающееся по двум осям декартовой системы координат, а момент пары сил инерции - вертикальную составляющую смещения. В связи с этим, траектория движения рабочего органа смесителя имеет эллиптическую форму и ее можно определить как сумму двух прямолинейных взаимно перпендикулярных гармоничных колебаний с определенной частотой и сдвигом фаз.
Экспериментальное определение характеристик процесса
Решение поставленной задачи начиналось с установления геометрического подобия промышленной установки и модельной, чтобы полученные экспериментальные данные могли быть использованы в промышленных условиях. Эксперименты проводились на кафедре "Машины и аппараты пищевых производств" Оренбургского государственного университета.
Торообразный вибрационный смеситель, конструкция которого описана в гл. 3. имеет габаритные размеры: длина - 160 мм, ширина - 260 мм, высота -90 мм. Электродвигатель - 1 кВт, с частотой вращения 1400 об/мин при напряжении 220 В. Для проведения экспериментов был подключен ваттметр (Д 539 № 93139, 1962г, ГОСТ 8476-60).
Техническая характеристика смесителя приведена в гл.З.
Эксперименты проводились при различных внутренних рабочих насадках, отличающихся площадью поверхности виброконтакта, схематично показанных на рисунке 15.
Рисунок 15- Схематичное изображение виброактивных насадок:
а) площадь S-1,
б) площадь S-2. Отбор проб производился каждые ЗОсек., содержание ключевого компонента определялось взвешиванием на технических весах (РН-Зб 13 У, 1985г. ТУ-25-06 2025-82). Для изучения динамики процесса, использовался прозрачный корпус смесителя, через стенки которого велось наблюдение за перемещением смеси. При этом менялась очередность загрузки компонентов бинарной смеси. На рисунке 16, схематично показано изменение структуры смеси в зависимости от очередности загрузки ключевого компонента и длительности цикла смешения. Установлено, что существенного влияния на качество готовой продукции, очередность загрузки компонентов не имеет.
в) Рисунок 16- Схема изменения структуры смеси в процессе вибрационного смешения, при различных вариантах загрузки компонентов:
а) начало процесса t= 0 с,
б) середина процесса t= 30 с, t= 60 с,
в) конец процесса t= 90 с.
Проведенное исследование процесса смешения с позиций пропорциональности объемов загрузки ингредиентов в смесильную камеру, позволило установить, что быстрее всего процесс протекает при смешивании равных объемов, поэтому дальнейшему углубленному изучению подвергся наиболее сложный процесс, при котором отношение объемов компонентов в кормосме-си было 1:4. Схема пропорциональности загрузки ингредиентов составляющих смесь приведена на рисунке 17. Оптимизация подобного процесса дает гарантии для обеспечения нормальных условий протекания менее сложного, в технологическом плане процесса.
Рисунок 17- Схема пропорциональности загрузки компонентов:
а) Соотношение объемов 1:1,
б) соотношение объемов 2:1,
в) соотношение объемов 3/4:1/4
По содержанию ключевого компонента в пробе, рассчитывался критерий однородности по формуле (3.1). При этом снимались показания приборов. Опыты повторялись три раза и определялось среднеарифметическое значение. Определялся доверительный интервал результатов при достоверности 95%, он не превосходил 10%.
Результаты экспериментов записывались в таблицы (приложение Б, приложение Г).
В результате проведенной серии экспериментов, появилась возможность определить зону изменения основных параметров, дающих необходимое качество перемешивания при наименьших затратах времени или энергоресурсов. В случае уменьшения длительности цикла приготовления смеси, автоматически растет годовая производительность смесителя, но это сопряжено с ростом энергозатрат. Следовательно, в зависимости от установленных условий у нас появляется возможность выбора режима протекания процесса.
