Интенсификация процесса смешивания сыпучих кормов порционным вертикальным шнековым смесителем Черкасов Роман Иванович

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9

1.1 Технологии приготовления полнорационных кормов в условиях внутрихозяйственного производства 9

1.2 Анализ основных известных смесителей для приготовления кормов 20

1.3 Анализ результатов исследования процесса смешивания сыпучих материалов 28

1.4 Параметры и способы оценки однородности смешивания 32

1.5 Цель и задачи исследования 36

2 Теоретические исследования процесса смешивания в порционном вертикальном шнековом смесителе 38

2.1 Процесс смешивания сыпучих кормов в порционном вертикальном шнековом смесителе 38

2.2 Математическое моделирование распределения компонентов при смешивании сыпучих материалов шнековым смесителем. 45

2.3 Производительность порционного вертикального шнекового смесителя 52

2.4 Мощность на привод вертикального шнекового смесителя 59

2.5 Факторы повышения эффективности работы шнекового смесителя 62

Выводы по главе 68

3 Программа и методика экспериментальных исследований 70

3.1 Описание экспериментальной установки и измерительной аппаратуры 70

3.2 Общая методика проведения экспериментальных исследований 75

3.3 Определение показателя однородности смешивания 82

3.4 Обработка результатов экспериментов 85

Выводы по главе 91

4 Результаты экспериментальных исследований 92

4.1 Влияние площади загрузочных окон и частоты вращения шнека на производительность смесителя 92

4.2 Влияние параметров и режимов на процесс смешивания 95

4.3 Методика инженерного расчета основных параметров смесителя 106

Выводы по главе 111

5 Экономическая эффективность исследования порционного вертикального шнекового смесителя 112

5.1 Экономическая эффективность результатов исследования 112

Заключение 118

Список литературы 120

Приложения 132

• Анализ основных известных смесителей для приготовления кормов
• Производительность порционного вертикального шнекового смесителя
• Влияние параметров и режимов на процесс смешивания
• Экономическая эффективность результатов исследования

Введение к работе

Актуальность темы исследования

В структуре животноводческой продукции до 70% всех затрат приходится на долю кормов. Эти затраты можно существенно уменьшить, если производить корма непосредственно на внутрихозяйственных предприятиях, используя собственное сырье и минимизируя транспортные расходы. Для эффективной работы такого предприятия необходимо оборудование, которое в полной мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения при гарантированном обеспечении требуемого качества продукции. Кроме того, в условиях кризиса весьма остро стоит вопрос о цене оборудования. Особенно это касается фермерских и крестьянских хозяйств с их ограниченными финансовыми возможностями.

Данное исследование соответствует приоритетному направлению развития науки, техники и технологии, а также перечню критических технологий, утвержденных Указом Президента РФ №899 от 07.07.2011г.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в исследование вопросов разработки смесителей сыпучих кормов и технологий их приготовления внесли отечественные и зарубежные ученые: СМ. Ведищев, О. В. Демин, Ю.И. Макаров, А.К. Мальцев, В.И. Пахомов, Э.М. Погосян, О. Б. Пашевкин, В.И. Сыроватка, И.И. Фурса, В.Ф. Хлыстунов, В. Ю. Фролов, H. Spath и др. В работах этих и других ученых показано, что периодический способ смешивания сыпучих материалов является более предпочтительным, как обеспечивающий высокое качество смеси за счет циркуляции смешиваемых материалов внутри смесителя, но для этого способа являются актуальными вопросы уменьшения энергозатрат на приготовление смеси и снижения стоимости применяемого оборудования.

Научная гипотеза - эффективность смешивания сыпучих кормов в вертикальном порционном шнековом смесителе можно повысить за счет увеличения скорости их циркуляции внутри бункера.

Рабочая гипотеза - повышение скорости циркуляции смешиваемых кормов внутри бункера возможно достичь за счет установки на внутренней поверхности кожуха вертикального шнека винтовой реборды, вследствие чего увеличивается движущая сила материала по спирали.

Объект исследования - процесс смешивания сыпучих кормов в порционном вертикальном шнековом смесителе.

Предмет исследования - зависимости процесса периодического смешивания сыпучих кормов вертикальным шнековым смесителем.

Цель работы - снижение энергозатрат на смешивание кормов путем обоснования рациональных конструктивных и режимных параметров порционного вертикального шнекового смесителя, обеспечивающего получение смеси требуемого качества в заданный промежуток времени.

Задачи исследования:

. выполнить теоретические и экспериментальные исследования процесса смешивания сыпучих кормов порционным вертикальным шнековым смесителем;

. разработать усовершенствованную принципиальную схему вертикального шнекового смесителя;

. установить рациональные конструктивные и режимные параметры вертикального шнекового смесителя сыпучих кормов;

. разработать методику инженерного расчета порционного вертикального шнекового смесителя кормов;

. разработать компьютерную программу для оценки качества смеси;

. экономическая оценка результатов исследования.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялся экспериментально-аналитический метод исследований с использованием теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования, теории подобия, 3D моделирования.

Научная новизна:

. получены теоретические зависимости для определения рациональных конструктивных параметров и режимов работы порционного вертикального шнекового смесителя кормов, при которых обеспечивается требуемое качество смеси при заданной продолжительности смешивания;

. доказано, что установка на внутренней поверхности кожуха вертикального шнека винтовой реборды позволяет уменьшить затраты времени и удельные энергозатраты на смешивание корма за счет повышения скорости его циркуляции внутри бункера.

Практическая значимость:

. инженерная методика расчета рациональных конструктивных параметров и режимов работы вертикального шнекового смесителя кормов;

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

Статьи в изданиях из перечня ВАК:

1. Черкасов, Р.И. Методика и алгоритм расчета параметров вертикального шнека смесителя сыпучих материалов. [Электронный ресурс] / Р.И. Черкасов // Фундаментальные исследования. - 2015. - №8 ч.1. - Режим доступа: .

2. Воронин, В.В. Оценка качества смешивания сыпучих материалов с различным размером фракций. [Электронный ресурс] / В.В. Воронин, К.А. Адигамов, Р.И. Черкасов, Р.А. Сизякин, Н.В. Гапон // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - №2. - Режим доступа: .

3. Черкасов, Р.И. Математическое моделирование распределения компонентов при смешивании сыпучих материалов шнековым смесителем. / Р.И. Черкасов, М.Ф. Мицик, К.А. Адигамов, А.А. Черепенько // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2017. - №1 (321), - С.25-30.

4. Першин, В. А. Модель подобия функционирования
транспортирующих шнеков. / В.А. Першин, Р.И. Черкасов, К.А.
Адигамов, А.А. Черепенько // Фундаментальные и прикладные проблемы
техники и технологии. - 2017. - №2 (322). - С.50-53.

Патенты, свидетельства о регистрации программного продукта:

5. Пат. 2616709 РФ. Шнековый смеситель сыпучих материалов / К.А. Адигамов, Р.И. Черкасов, С.Н. Байбара // Бюл. - 11. - №2016115458. Опубл. 18.04.2017

6. Пат. 170146 РФ. Шнековый измельчитель - смеситель - гранулятор кормов / К.А. Адигамов, Р.И. Черкасов, Г.В. Черненко, С.Н. Байбара // Бюл. - 11. - №2016140232. Опубл. 14.04.2017.

7. Пат. 156670 РФ. Шнековый смеситель сыпучих материалов / К.А. Адигамов, Р.И. Черкасов, С.Н. Байбара // - Бюл. - 31. №2015110209/05. Опубл. 10.11.2015.

8. Пат. 160268 РФ. Шнековый смеситель сыпучих материалов / К.А. Адигамов, Р.И. Черкасов, Г.В. Черненко, С.Н. Байбара // Бюл. - 7. -№2015144009/04. Опубл. 10.03.2016.

смеситель периодического действия, как обеспечивающий высокое качество смеси за счет циркуляции смешиваемых материалов внутри бункера. Такой смеситель имеет простую конструкцию, удобен в эксплуатации и обслуживании, надежен в работе, занимает незначительную площадь производственного помещения.

3. На основе анализа процесса смешивания сыпучих кормов в вертикальном шнековом смесителе получены теоретические зависимости для определения основных конструктивных параметров шнека и режима его работы в зависимости от требуемого качества смеси, емкости смесителя и продолжительности смешивания. Так, при объеме смесителя 2 м³, однородности смеси 95% и продолжительности смешивания 4 мин. наружный диаметр шнека должен быть равен 320 мм, диаметр его вала 96 мм, шаг навивки спирали 256 мм, частота вращения шнека 80 мин-¹.

4. Доказано, что установка на внутренней поверхности кожуха винтовой реборды повышает в зависимости от частоты вращения шнека в 1,5-2,7 раза скорость перемещения смешиваемых кормов внутри бункера, что позволит уменьшить удельные энергозатраты в 2,0-2,1 раза на приготовление смеси нужного качества.

5. Разработана компьютерная программа для оценки качества смеси, состоящей из двух и более компонентов с разным размером фракций. Алгоритм для определения коэффициента равномерности смешивания основан на кластеризации К-средних и реализован в прикладном пакете Matlab с использованием графического интерфейса GUI. По сравнению с ручной разборкой затраты времени на оценку качества смеси при применении данной программы уменьшаются в 10-15 раз.

6. Разработаны усовершенствованные схемы шнековых смесителей, защищенные патентами РФ на изобретение и полезную модель, а также инженерная методика расчета рациональных конструктивных и режимных параметров этих смесителей.

7. Экономическая оценка принятых в диссертации технических решений показала, что применение шнекового смесителя по усовершенствованной схеме позволит получить чистый дисконтированный доход в сумме 634,120 тыс. руб. в год. Срок окупаемости капитальных затрат составляет менее одного года.

компьютерная программа для оценки качества приготавливаемой кормосмеси, по сравнению с применяемой методикой ручной разборки затраты времени на оценку качества смеси с использованием данной программы уменьшаются в 10-15 раз;

. принципиальные схемы вертикальных шнековых смесителей, на которые получены патент РФ на изобретение и три патента на полезные модели.

Положения, выносимые на защиту:

. результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих кормов порционным вертикальным шнековым смесителем;

. методика инженерного расчета основных конструктивных и режимных параметров шнекового смесителя сыпучих кормов;

. усовершенствованная принципиальная схема порционного вертикального шнекового смесителя.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами лабораторных исследований, проведенных с использованием современной измерительной аппаратуры, прошедшей поверку в установленные сроки. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием компьютерных программ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и получили одобрение на Юбилейной конференции студентов и молодых ученых, посвященной 85-летию ДГТУ (г.Шахты, 2015 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы современной науки» (г.Ставрополь, 2015 г.), на XLVI Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (г.Новосибирск, 2015 г.), на VII международной научно-практической конференции «Научные исследования: от теории к практике» .(г.Чебоксары, 2016 г.), на XI международной научной конференции «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы» (г.Пенза, 2015 г.), на I Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Научная весна 2016» (г. Шахты, 2016 г.), в рамках конкурсных проектов по программе УМНИК (г.Ростов-на-Дону 2014 г., 2015 г, 2016 г.) и участия в XIII Международном салоне изобретений и новых технологий «Новое время» (г. Севастополь 2017 г.).

Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований приняты для изготовления смесителей на Шахтинском

заводе ООО «Техмаш» и их внедрения на сельхозпредприятиях Октябрьского (сельского) района Ростовской области, используются в учебном процессе ДГТУ.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 14 работах, в том числе 4 в изданиях из перечня ВАК РФ. Получены патент РФ на изобретение, 3 патента на полезную модель, подана заявка на регистрацию компьютерной программы.

Структура и объем диссертации. Научная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основное содержание диссертации изложено на 130 страницах, 10 приложений на 19 страницах. Диссертационная работа содержит 45 иллюстраций и 17 таблиц, список использованных источников включает 92, в том числе 12 иностранных.

Анализ основных известных смесителей для приготовления кормов

К настоящему времени в России и в других странах разработано большое количество смесителей кормов, основные характеристики которых представлены в табл. 1.1 [73].

Смесители непрерывного действия отличаются тем, что процессы загрузки, смешивания и выгрузки смеси осуществляется непрерывно. Эти смесители имеют сравнительно большую производительность, однако не могут обеспечить требований однородности смеси.

Недостатком данного типа смесителей является также высокий расход энергии на тепловую обработку кормосмеси.

Смесители периодического действия отличаются тем, что процессы загрузки, смешивания и выгрузки происходят циклически, что уменьшает их производительность. Но эти смесители при этом обеспечивают возможность приготовления кормосмеси требуемого качества за достаточно короткий срок. Кроме того, они могут смешивать компоненты различающиеся и по размерам и по физическим свойствам.

По способу дислокации смесители разделяют на стационарные и передвижные. Смесители первой группы устанавливают, как правило, в кормоцехах, смесители второй группы монтируют на передвижных установках, которые позволяют производить смешивание вне помещения кормоцеха по запросам потребителей.

По виду перемещения материалов внутри бункера смесители разделяют на: внедрения, перераспределения и циркуляционные. В смесителях первой группы частицы одного компонента внедряются в зазоры между частицами других компонентов, что может происходить под давлением воздуха, силы гравитации или воздействия вибрации. Установки, использующие давление воздуха для перемешивания компонентов, обеспечивают хорошее качество при производстве рассыпчатых кормосмесей и сухих комбикормов [48,51].

К представителям смесителей второй группы относится смеситель фирмы «Миаг» [89]. Достоинствами этого смесителя являются простота конструкции, небольшие энергозатраты и достаточно высокий показатель качества смешивания. Однако у этой установки имеются и серьезные недостатки:

- в результате большого числа пересыпаний смешиваемых материалов внутри бункера может происходить сегрегация отдельных компонентов;

- при смешивании увлажненных кормов наблюдается их налипание на стенки бункера.

Смесители вибрационного действия применяют, как правило, для получения сухих кормосмесей.

В смесителях, работающих по принципу перераспределения, материалы внутри бункера перемещаются хаотически. В качестве примера таких установок можно назвать смесители типа С-7, С-12 [53,72]. Продолжительность смешивания в таких устройствах зависит от скорости образования поверхностей сдвига в смешиваемых материалах. Эти смесители развивают производительность в диапазоне 4,8…7,1 т/ч, но у них коэффициент неравномерности смешивания составляет 14,2…35,1 %.

В смесителях циркуляционного действия происходит интенсивный процесс смешивания за счет обеспечения возможности многократного перемещения материала внутри бункера. Этот процесс можно охарактеризовать, как конвективное смешивание, когда частицы компонентов перемещаются группами и при этом непрерывно образуют новые поверхности раздела. Поэтому эти смесители могут обеспечить любое нужное качество смеси [49]. Эти смесители разделяют на вертикальные и горизонтальные. Представителями первой группы являются смесители типа F-928 (ФРГ), а также фирмы «Саймон - Баррон» (Великобритания). Их достоинством является сравнительно небольшая продолжительность процесса смешивания, кроме того такие смесители занимают незначительную площадь производственного помещения.

Сравнительно недавно, как в России, так и за рубежом на фермах КРС находят применение горизонтальные смесители – раздатчики с рабочим органом в виде одного или двух шнеков. К ним можно отнести российские установки типа АРС-10, РСП-10М, а также выпускаемы в США фирмами «Davus», «Butler», «Farmhand». Их достоинством перед другими установками является интенсивная циркуляция смешиваемых материалов, вследствие чего продолжительность смешивания составляет не более четырех минут.

Среди шнековых смесителей периодического действия вертикального типа наибольшее распространение получили одно - и двухшнековые.

Эти смесители имеют емкость бункера от 0,25 до 4,0 т, их производительность достигает до 15 т/ч при расходе электроэнергии 3-4 кВт/ч на одну тонну готовой смеси [51].

Известно несколько модификаций смесителей с одним вертикальным шнеком, которые отличаются по расположению привода и некоторым другим особенностям (рис. 1.4).

В вертикальном шнековом смесителе типа УСК установлены два шнека, вращающихся с разными скоростями, за счет чего происходит интенсивное перемешивание ингредиентов кормосмеси (рис. 1.5).

Вертикальные шнековые смесители, как показывает анализ, имеют простую конструкцию, удобны в обслуживании, обеспечивают за счет внутренней циркуляции высокое качество смеси в короткие сроки, занимают сравнительно небольшие размеры производственной площади.

Производительность порционного вертикального шнекового смесителя

Производительность шнекового смесителя зависит, главным образом, от производительности шнека, которую можно определить по формуле [30]: Q = ( D2-d2 ) hnui-k (2.28)

Как следует из формулы (2.28) производительность шнека зависит как от конструктивных параметров шнека, которыми являются наружный диаметр D, диаметр вала d , шаг навивки спирали h, так и от режима его работы - частоты вращения шнека пш. Коэффициент загрузки кз определяет меру заполнения межвиткового пространства шнека транспортируемым материалом.

При расчете конструктивных параметров шнека, таких как d и h, их можно выразить через отношение к наружному диаметру D:

Из выражения (2.31) можно получить формулу для определения наружного диаметра шнека:

Величина коэффициента к1 подбирается таким образом, чтобы шнек имел вертикальную устойчивость и в тоже время такое проходное сечение между витками спирали и валом шнека, которое позволяет материалу беспрепятственно перемещаться по спирали. Применительно к вертикальным шнекам к1 =0,3-0,5 [30]. Нижние значения этого коэффициента принимают для коротких шнеков, верхние - для шнеков большой длины. Поэтому для шнека, который является рабочим органом смесителя незначительного размера по высоте, можно принять к1 — 0,3. Численные значения коэффициента к2 зависят от величины угла подъема спирали и при принятых ранее углах а = 9 и а = 18 составляют к2 = 0,5 и к1 = 1,0, что согласуется с известными данными.

При расчете производительности вертикального шнека важное значение имеет правильный выбор частоты вращения. Она должна быть достаточной для того, чтобы материал успешно перемещался вверх по спирали.

При назначении частоты вращения шнека полагают [18], что она должна быть больше критической nшк р , так как при меньшей частоте транспортирование частицы вертикальным шнеком не происходит, поскольку она будет вращаться вместе со шнеком без перемещения вверх по спирали.

Для определения nшк р рассмотрим схему на рис. 2.8.

Успешное перемещение частицы материала поперек спирали происходит в том случае, если центробежная сила ц больше силы трения частицы о спираль шнека:

По сути, по формуле (2.40) можно определить частоту вращения шнека, выше которой частица материала начнет перемещаться к кожуху шнека поперек спирали, но она недостаточна для ее перемещения по спирали вверх.

Рассмотрим схему сил, воздействующих на частицу материала, расположенную вдоль спирали (рис. 2.9)

Неравенство (2.46) можно представить в виде: maf Rfk- cosa mg cosa ftu+mg-sina+mafRsina fk fm

Результаты сравнительных расчетов wj по формулам (2.40) и (2.49) при /и =0,2; fK =0,9; « = 18 приведены в табл. 2.1.

Данные табл. 2.1 показывают, что при принятых значениях /ш, fK и а критическая частота вращения шнека во втором случае больше в 2,04 раза.

Из формулы (2.49) видим, что критическая частота вращения шнека зависит от радиуса шнека, коэффициентов трения материала о шнек и кожух, и угла подъема спирали. При расчете производительности радиус шнека можно принять из стандартного ряда диаметров шнека, величины коэффициентов трения /ш и fK зависят от свойств транспортируемых материалов и приводятся в справочных данных, а для определения угла а необходимо достаточное обоснование, так как от этого параметра зависит шаг навивки спирали и, следовательно, производительность шнека.

В работе [30] приведена формула для расчета оптимального угла подъема спирали:

Анализ результатов, приведенных в табл. 2.2, выявил следующее: величина угла a растет и с повышением частоты вращения шнека пш и с

Начиная с частоты вращения шнека пш=300мин 1 при принятых радиусах шнека первое слагаемое в формуле (2.50) становится преобладающей величиной, откуда следует, что коэффициент трения материала по шнеку является более весомым параметром, чем все другие вместе взятые; численные значения угла а только при частоте вращении шнека пш = 100АШН имеют приемлемые величины, в остальных случаях расчеты по формуле (2.50) дают завышенные результаты, при которых шаг навивки спирали изменяется в диапазоне h = (1,63 — 2,14)D, а вертикальные шнеки с таким шагом, как правило, не применяются.

Таким образом, из анализа формулы (2.50) следует, что она не применима для расчета угла а для шнеков, работающих с большой частотой вращения.

Авторы работы [18] предлагают определять угол а по формуле: а = arctgf (2.52)

Как видим, эта формула учитывает только трение материала о шнек и поэтому она может быть применима для предварительных ориентировочных расчетов.

Выражение (2.47) после его преобразования позволяет определить максимальное значение угла а, при котором транспортирование материала вверх по спирали не происходит:

Автор на основании многочисленных расчетов предлагает определять угол а как среднюю величину между а1 - 0 и а2= max. Тогда формула (2.53) примет вид: (2.54) Величина коэффициента загрузки шнека зависит от многих факторов: частоты вращения шнека, угла подъема спирали, свойств транспортируемого материала, конструкции шнека, площади загрузочных окон в кожухе шнека и др.. Учесть все эти факторы практически невозможно и поэтому до настоящего времени формулы для расчета к3 применительно к вертикальным шнекам отсутствуют, а его величину определяют экспериментально.

Влияние параметров и режимов на процесс смешивания

Эксперименты выполнялись с использованием шнека с шагом навивки спирали 40 мм (угол подъема спирали 1242 ) в комплекте с гладким кожухом, а также с кожухами, имеющими реборды на внутренней поверхности с углами установки реборд 20, 35, 55, 77. В качестве смешиваемых материалов использовались пшеница и горох в соотношении 1:1. На основании полученных данных были определены скорость перемещения смеси по шнеку, частота вращения смеси относительно шнека, а также коэффициент проскальзывания смеси относительно спирали.

В табл. 4.1 показаны результаты экспериментов по определению скорости перемещения смеси по шнеку.

Из данных, представленных в табл. 4.1 и на рис. 4.4, следует, что скорость перемещения смеси по шнеку при применении кожухов с ребордами оказалась значительно выше, чем при использовании гладкого кожуха: при nш=150 мин-1 - в 1,29-1,95 раза, при nш =200 мин-1 – в 1,27-1,94 раза, при nш =250 мин-1 – в 1,20-1,74 раза, при nш = 300 мин-1 - в 1,13-1,62 раза. Меньшие значения этих диапазонов относятся к кожуху с углом установки реборды 20, большие - с углом установки реборды 77.

На основании приведенных выше данных определена частота вращения смеси относительно шнека, табл. 4.2.

Данные табл. 4.2 показывают, что численные значения частоты вращения смеси при использовании кожуха с ребордой значительно больше, чем при применении гладкого кожуха. Эти данные являются доказательством того, что установка реборды на внутренней поверхности кожуха способствует увеличению скорости перемещения материала по спирали.

Коэффициент проскальзывания смеси относительно спирали шнека, который можно определить путем отношения частоты вращения материала к частоте вращения шнека, также существенно больше, чем при применении гладкого кожуха, табл. 4.3.

Данные табл. 4.3 показывают, что численные значения коэффициента проскальзывания смеси относительно шнека увеличиваются и с повышением частоты вращения шнека до 250 мин-1, и с увеличением угла установки реборды кожуха. Максимальные значения этого коэффициента получены при угле установки реборды кожуха равном 77.

Эти эксперименты позволили также установить зависимость коэффициента загрузки шнека от частоты его вращения. На рис. 4.5 показано заполнение межвиткового пространства шнека при различных частотах вращения.

На основании обработки результатов этих экспериментов получены зависимости величины коэффициента загрузки шнека от частоты его вращения (рис. 4.6).

По данным, представленным на этом рисунке, можно сделать следующие выводы:

- величина коэффициента загрузки с ростом частоты вращения шнека уменьшается по линейной зависимости;

- несмотря на то, что шнеки имели разный шаг навивки спирали, отличающийся в 2 раза по величине, численные значения коэффициента загрузки у них достаточно близки, а при частоте вращения шнека nш=300 мин-1 практически одинаковы.

На практике при выполнении расчетов величину коэффициента загрузки принимают в диапазоне (0,2-0,9) , так как при kз 0,2 наблюдается нестабильная работа шнека по транспортированию материала, а при kз 0,9 может происходить полное заполнение межвиткового пространства и, как следствие, распор материала между витками спирали и остановка шнека.

Затем были выполнены эксперименты по определению скорости перемещения смеси по шнеку с шагом навивки спирали 80 мм (угол подъема спирали 2524 ) в комплекте с гладким кожухом и кожухом с ребордой с углом установки реборды 55, так как при использовании этого кожуха была достигнута наибольшая скорость перемещения материала. Результаты этих 9 экспериментов представлены в табл. 4.4

Данные табл. 4.4 показывают, что с увеличением частоты вращения шнека в принятом диапазоне скорость перемещения смеси по шнеку возрастает и с применением кожуха с ребордой, и с применением гладкого кожуха. Скорость перемещения смеси при работе шнека с кожухом с ребордой оказалась выше в 1,47-2,16 раза.

Сравнение экспериментальных данных по скорости перемещения смеси при использовании шнеков с шагом навивки спирали 40 мм и 80 мм показало, что во втором случае величина этого показателя в 1,45-1,51 раза больше, чем в первом. Это объясняется тем, что шнек с шагом навивки спирали 80 мм имеет более короткий путь транспортирования и поэтому при одинаковой длине шнеков смесь проходит этот путь за меньший промежуток времени.

На рис. 4.7 показаны сравнительные данные по производительности шнека с шагом навивки спирали 80 мм в комплекте с кожухами с однозаходной, двухзаходной и трехзаходной ребордой, установленной под углом 55, при смешивании пшеницы и гороха.

Как видно из данных, показанных на рис. 4.7, наибольшую производительность при смешивании этих компонентов развивает шнек с кожухом с двухзаходной ребордой. Если его производительность принять за единицу, то производительность шнека с кожухом с однозаходной ребордой составляет (0,64-0,79) от первого. Производительность шнека с кожухом с трехзаходной ребордой оказалась меньше других и составила 0,67 от производительности шнека с кожухом с двухзаходной ребордой при частотах вращения в указанном диапазоне.

Анализируя результаты экспериментальных исследований по определению скорости перемещения смеси по шнеку и определению оптимального числа заходов реборды кожуха, можно обоснованно сделать вывод о том, что для выполнения исследований по смешиванию сыпучих кормов предпочтительным является вариант работы шнека с шагом навивки спирали 80 мм и двухзаходным кожухом с углом установки реборды 55.

Так как при проведении экспериментов производилось непрерывное измерение потребляемой мощности, это позволило определить удельную энергоемкость процесса смешивания, табл. 4.5.

Экономическая эффективность результатов исследования

При расчете экономической эффективности результатов исследования в качестве базового варианта принят смеситель кормов типа УСК. Этот смеситель вертикального исполнения, двухшнековый, вместимостью бункера 2,0 м3. Он состоит из двух смесительных камер: внутренней цилиндрической и внешней цилиндро - конической. Вверху цилиндрической части внешней камеры установлен привод вертикальных шнеков. В нижней, конической части камеры, расположено окно загрузки смесителя, оснащенное электромеханической задвижкой. Во внутренней камере смешивания установлены два вертикальных шнека, вращающихся с различными скоростями. Это создает дифференциальное смешивающее действие между спиральными потоками корма, благодаря чему смешивание материалов идет в двух направлениях одновременно, что существенно интенсифицирует процесс.

Предлагаемый вариант смесителя, разработанный в диссертации, также имеет две камеры смешивания: внутреннюю цилиндрическую и внешнюю цилиндро - коническую. Главное отличие от базового варианта состоит в том, что во внутренней камере установлен один вертикальный шнек, а на внутренней поверхности кожуха, охватывающего шнек, закреплена двухзаходная реборда, установленная под прямым углом к спирали шнека. Кроме того, на верхнем торце кожуха шнека установлен конический рассеиватель с переменным радиусом. Эти инновации в конструкции предлагаемого варианта смесителя обеспечивают, как показывают результаты выполненных исследований, качественное смешивание кормов в требуемые сроки.

Благодаря тому, что в предлагаемом смесителе установлен один вертикальный шнек, существенно уменьшается требуемая мощность электродвигателя, уменьшаются габаритные размеры и масса смесителя по сравнению с базовым вариантом. При более высокой производительности по сравнению с базовым вариантом предлагаемый смеситель имеет меньшую мощность привода и меньшую стоимость, а следовательно, меньший размер амортизационных отчислений.

Исходные данные к расчету приведены в табл. 5.1.

Эффективность от внедрения предлагаемого смесителя можно оценить посредством чистого дисконтированного дохода (ЧДД), который представляет разницу между доходами П, полученными за срок эксплуатации смесителя и инвестициями, которые определяются ценой предложенного смесителя Цпр [34,71]:

чДЦ = Т-1 -Ц„Р, (5.1)

где Т - горизонт расчета; г - уровень инфляции; t -шаг расчета.

За шаг расчета принят один календарный год, за горизонт расчета -пять лет, уровень инфляции в 2016 г. - 5,4 %.

Результаты, получаемые на шаге расчета при внедрении предложенного варианта смесителя кормов, можно определить из выражения:

П = Эш„+Э_ + Ддт, (5.2)

где Ээкэл. - экономия средств по электроэнергии; Э о - экономия средств по амортизационным отчислениям; Ддоп - доход от реализации дополнительной продукции, образуемой за счет более высокой производительности предлагаемого смесителя. Расход средств по электроэнергии

Определим чистый дисконтированный доход за время эксплуатации предлагаемого смесителя в течение пяти лет:

ЧДД = 765,518 + 721,625 + 681,322 + 645,564 + 591,570-235 = 3170,599 тыс.руб. Из выполненного анализа следует, что применение предлагаемого смесителя кормов экономически целесообразно, а капитальные затраты окупаются менее, чем за один год.