Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы и основные направления развития смесильных механизмов 14
1.1 Сыпучие кормовые смеси, данные передовой практики 14
1.2 Анализ методов подхода к рассмотрению поведения сыпучих сред при вибровоздействии 31
1.3 Тенденции развития и формирования конструктивного оформления вибросмесителей сыпучих компонентов и их органов 42
1.3.1 Тенденции развития 42
1.3.2 Тенденции формирования 46
1.3.3 Анализ динамических систем, создающих колебания 50
1.3.4 Анализ динамических систем, передающих колебания 55
1.4 Анализ подбора регулируемых параметров процесса смешивания 57
1.5 Анализ используемых критериев подобия 59
1.6 Направление и структура исследований 61
1.7 Выводы. Цель и задачи 63
ГЛАВА 2 Концептуальные аспекты моделирования процесса смешивания и работы вибросмесителей 65
2.1 Пути создания однородной сыпучей кормовой массы в малом фермерском хозяйстве 65
2.2 Методология исследований 69
2.3 Системный подход к проектированию и разработке смесильного оборудования с учетом особенностей технологического процесса создания однородных кормовых масс 71
2.3.1 Системный анализ и параметрический синтез для нахождения оптимального конструктивно-технологического решения 82
2.4 Моделирование свойств обрабатываемого сыпучего материала под действием вибрации 102
2.5 Разработка моделей режимов смесеприготовления 107
2.6 Математическое моделирование движения кормовой сыпучей массы в рабочем пространстве вибросмесителя 110
2.7 Методика формирования внутренней характеристики подсистемы (ВХС), с использованием дрейфующих критериев 112
2.8. Методика определения теоретической продолжительности цикла смесеприготовления 131
2.9-Методика прогнозирования качества сыпучей кормовой массы...Л35
2.10.Выводы по главе. 140
ГЛАВА 3 Методика формирования и определения параметров эффекта 141
3.1 Методика формирования структуры параметров эффекта 141
3.2 Комплекс параметров эффекта процесса смесеприготовления 143
3.3 Методика расчета мощности, расходуемой на приготовление готовой продукции 145
3.4 Методика определения производительности вибросмесителя 150
3.5 Теоретическое обоснование расхода энергии на приготавливание корма ..152
ГЛАВА 4 Методики оптимизации структурно - параметрических элементов системы смесеприготовления 157
4.1 Выбор методики векторной оптимизации 157
4.2 Построение энергетических характеристик процесса смешения сыпучих кормов 159
4.3 Определение параметров эффекта и оптимизация процесса смешивания бинарной системы 161
4.3.1 Методика определения оптимальной параметрической области по параметрам эффекта при приготовлении многокомпонентной кормовой массы для КРС 170
4.3.2 Оптимизация процесса приготовления многокомпонентной кормовой массы для птицы 178
4.3.3 Определение параметров эффекта для нахождения оптимальной параметрической области протекания процесса приготовления многокомпонентной кормосмеси для свиней 189
4.4 Выводы по главе 204
ГЛАВА 5 Инженерные пути решения проблемы по обеспечению технологического процесса кормоприготовления 205
5.1 Формирование структуры обеспечения функционирования системы перемешивания сыпучих компонентов... 205
5.2 Инженерное проектирование лабораторно - промышленной установки для смешивания сыпучих кормов 207
5.2.1 Проектирование и обоснование имитирующих рабочих органов, передающих вибрацию приготавливаемой смеси 212
5.2.1.1 Проектирование блока создания формирования рабочего пространства вибросмесителя 214
5.2.1.2 Разработка блока стимуляции процесса смешивания 221
5.2.2 Система демпфирования 240
5.3 Методика определения режимных параметров работы вибросмесителя 242
5.4 Методика вычислительного эксперимента 251
5.5 Комплексный способ определения однородности приготавливаемой кормовой массы 253
5.5.1 Характеристика кормовой смеси 253
5.5.2 Альтернативные технологии кормопроизводства 253
5.5.3 Ступенчато-индивидуальный подход к компонентам с различным процентом влажности при качественной оценке корма 262
5.6 Методика испытания многокомпонентной смеси по реологическим и
физико — механическим свойствам 277
5.7 Методика определения сопротивления сыпучей кормовой массы
сдвигу 285
5.8 Определения влажности смеси 291
5.9 Методика диагностики испытаний вибросмесителей 293
5.10 Разработка конструкций вибросмесителей 294
5.11 Выводы по главе 298
ГЛАВА 6 Информационно-программные технологии 299
6.1 Информационно-программное обеспечение обработки и прогноза результатов экспериментальных исследований 299
ГЛАВА 7 Технико-экономическое обоснование эффективности использования стимулирующих элементов процесса смесеприготовления 302
7.1 Экономическая эффективность процесса 302
Общие выводы 308
Литература 311
Приложения 339
- Анализ методов подхода к рассмотрению поведения сыпучих сред при вибровоздействии
- Моделирование свойств обрабатываемого сыпучего материала под действием вибрации
- Методика расчета мощности, расходуемой на приготовление готовой продукции
- Инженерное проектирование лабораторно - промышленной установки для смешивания сыпучих кормов
Введение к работе
Человеку для нормального существования необходимо потребление белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных веществ и воды. Установлено, что потребление в день менее 30 г белка приводит к необратимым процессам [119], соответственно белок должен быть сбалансирован по аминокислотному составу, так как организм не способен образовывать его сам. Белок животного происхождения является источником всех необходимых аминокислот и считается полноценным, поэтому высокий уровень производства животноводческой продукции является залогом (гарантом) выживания человечества.
При рассмотрении возможности интенсификации животноводства через призму кормопроизводства, появляется задача усовершенствования научно обоснованных систем кормления сельскохозяйственных животных за счет улучшения качества приготавливаемых кормов.
В актуальности данной проблемы можно убедиться, рассматривая основные тенденции развития кормоприготовления, связанные с повышением эффективности использования кормов за счет запланированного качества, улучшающего баланс питательных компонентов.
Процесс кормоприготовления вливается в единую систему, включающую агрономическую, зоотехническую и продовольственную службы.
Для эффективности замкнутой системы необходима надежная и отлаженная работа образующих ее звеньев, которые в свою очередь могут быть раздроблены на блоки. Решение поставленных задач на любом уровне иерархической системы сопряжено с поиском новых технических решений, позволяющих оттачивать известные методы оригинальными инновационными приемами.
Более высокий уровень кормления, повышающий продуктивность животных и приводящий к снижению затрат корма на единицу продукции, позволяющий увеличивать концентрацию энергии скармливаемых компонентов, может быть достигнут совершенствованием процесса смешивания ингредиентов, входящих в рацион сбалансированной кормовой массы, включающей комплекс питательных, биологически активных, минеральных и других веществ. При этом следует брать в расчет не только улучшение вкусовых, диетических свойств, повышение перевариваемости кормов, способствующее интенсификации обменных процессов в организме животного, но и снижение энергоемкости и металлоемкости данного процесса, так как эта производственная операция относится к разряду наиболее энергоемких.
Как отмечают в своей работе Кормановский Л.П., Морозов Н.М., Цой Л.М. [127], полноценные комбикорма целесообразнее всего производить непосредственно в фермерских хозяйствах, так как наблюдается ряд экономических и технологических преимуществ (снижается стоимость корма на 30 - 35% за счет устранения торговых наценок и уменьшения транспортных затрат, обеспечивается возможность готовить свежие комбикорма увеличивающие продуктивность животных и птицы). Конкурентоспособность кормопроизводства оценивается качественными и стоимостными показателями.
Смешивание компонентов, повышающее однородность кормовой массы, является весьма сложной технологической операцией, которая зависит от комплекса независимых друг от друга множеств параметров, но уровень научных исследований позволяет решать лишь определенный проблемный аспект.
Зарубежные аналоги свидетельствуют об интенсивном поиске оптимальных технико - технологических решений, причем следует
отметить, что их условия функционирования во многом отличаются от наших отечественных.
Использование системного подхода к выявлению основных закономерностей процесса, базирующегося на формировании выходного комплекса эффективности, функционально связанного с множеством факторов и внутренней характеристикой, создало бы предпосылки для повышения эффективности смешивания сыпучих компонентов.
Структурно - параметрический синтез на основе системного подхода позволяет сформировать математическую модель процесса, включающую взаимосвязи конструктивных особенностей используемого оборудования, физико-механических характеристик обрабатываемого материала, режимных и технологических параметров процесса, на основании чего могут быть выведены критерии, дающие возможность не только регулировать качество корма, но и снизить энергоемкость смесеприготовления. Рассматривая весь животноводческий комплекс с учетом кормоприготовительных технологий на основе системного подхода, соответствующего современному этапу научно - технического развития, следует разработать сложную, взаимоувязанную, многоцелевую и многоуровневую систему.
Таким образом, создание однородных сыпучих кормовых масс является ключевой проблемой, решаемой в рамках параметрического синтеза, через математическое моделирование процесса, которое выводится на более эффективный уровень, учитывающий целую систему направлений, позволяющую раскрыть и использовать резервы совершенствования планирования с возможностью разработки оптимальных конструктивных средств, стимуляторов процесса, ресурсосберегающих технологий, качественных характеристик кормов, интенсифицирующих продуктивность животноводства.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: выявление общих закономерностей, позволяющих снизить энергоемкость процесса приготовления однородных кормовых масс на вибрационных смесителях.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: процесс смешивания сыпучих кормовых компонентов в вибросмесителях.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ — закономерности процессов работы вибросмесителей.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
1. Дать аналитическую оценку тенденций развития и формирования
конструктивного оформления вибросмесителей сыпучих компонентов, для разработки методологии исследования, создающей основы повышения эффективности процесса смешивания.
Рассмотреть теоретическую модель создания однородных сьшучих кормовых масс с точки зрения системного подхода.
Рассмотреть возможности научного прогнозирования длительности протекания процесса в вибросмесителях и однородности приготавливаемых бинарных и многокомпонентных кормосмесей.
Разработать основы формирования и определения выходного комплекса параметров эффекта, позволяющего снизить энергоемкость процесса.
Разработать методическое и техническое обеспечение определения и оптимизации структурно - параметрических элементов системы смесеприготовления, включающее конструктивно — геометрическое проектирование вибросмесителей, способы перемешивания сыпучих смесей и их качественную оценку в зависимости от процента влажности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:
В определении тенденций развития вибросмесителей с разработкой методологии исследования, создающей основы повышения эффективности процесса смешивания.
В формировании математической модели процесса вибросмешивания на основе системного подхода с использованием структурно параметрического синтеза. В создании основ, обеспечивающих возможность прогнозирования длительности протекания процесса и однородности приготавливаемой бинарной и многокомпонентной кормосмеси.
В разработке основ формирования и определения комплекса параметров эффекта, позволяющего снизить энергоемкость процесса.
В предложенных методических и технических решениях, с разработкой рекомендаций по проектированию конструктивно — геометрических элементов обеспечивающих процесс, в способах перемешивания и оценки качества кормосмесей с разным процентом влажности, в определении режимных составляющих. В разработке методик определения и оптимизации структурно- параметрических элементов системы смесеприготовления.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
Разработанная научно-методологическая база, создающая основы для реализации системного подхода, позволяет повысить эффективность работы вибросмесителей, проектируемых с учетом современных требований, экономической целесообразности, адаптированных к различным уровням обеспечения фермерских хозяйств.
Применение инновационных методических приемов при определении множества элементов, влияющих на протекание процесса виброперемешивания, предполагает аналитическую интерпретацию,
позволяющую прогнозировать качество и длительность приготовления кормосмеси.
Разработаны: рекомендации по проектированию конструктивно -
геометрических элементов, обеспечивающих вибросмесильный процесс;
рекомендации по режимному ведению процесса; комплексный способ
определения однородности сыпучих смесей, предусматривающий
ступенчато - индивидуальный подход к компонентам с разным процентом
влажности; способ перемешивания сыпучих компонентов в
вибрационном смесителе, который по величине внутренней
характеристики подсистемы смешивания - / (вибрационному импульсу) и
показателю виброактивности S в.к. оценивать качество готовой продукции.
Предложенные принципы моделирования и оптимизации процесса
вибросмешивания, учитывающие конструктивные особенности
оборудования, режимы работы, свойства кормовых масс, могут быть
использованы в проектных, конструкторских и учебных организациях.
Разработанные инженерные методы расчета и научные положения,
позволяют на стадии проектирования обосновывать технико-
технологические решения обеспечивающие функционирование систем приготовления комбикормов. Реализация результатов работы предполагает производственную эксплуатацию вибросмесителей, создающих бинарные и многокомпонентные кормосмеси для различных типов животных, с внедрением блока стимуляции, позволяющего снизить энергоемкость процесса.
АПРОБАЦИЯ Результаты исследований доложены и одобрены на: Российской НТК
"Совершенствование технологических процессов пищевой
промышленности и АПК", посвященной 25 - летаю Оренбургского
государственного университета, 1996г.; третьей НТК "Концепция развития
и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в
условиях постиндустриальной экономики" Оренбургского
государственного университета 1997г.; Международной НІЖ «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века», Оренбург, 1998г.; четвертой Российской НТК «Прогрессивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств», Оренбург, 1999г.; Всероссийской НІЖ «Социокультурная динамика региона», Оренбург, 2000г.; Международной юбилейной НІЖ, посвященной 30-летию ОГУ, Оренбург, 2001г.: Международном симпозиуме «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания», Кемерово, 2002г.; Всероссийской НІЖ ФОРУМ «Инновации 2002», Оренбург, 2002г.; Всероссийской НІЖ «Оптимизация сложных биотехнологических систем», Оренбург 2003г.; Четвертая Международная НТК ГНУ ВНИИМЖ, Москва. 2004г; Семинарах Оренбургского государственного аграрного университета (1996 - 2004гг) Аналитические исследования с технической реализацией результатов удостоены наград: медали «Лауреат Всероссийского Выставочного центра», Москва, 2003 г.; Сертификата торгово-промышленной палаты, Оренбург, 2003 г.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Технические решения, отличающиеся принципиальной новизной и представляющие значимую практическую ценность, внедрены в хозяйствах Оренбургской области. Рекомендации по проектированию конструктивно -геометрических элементов, обеспечивающих вибросмесильный процесс, внедрены Украинским гос. центром испытания с/х техники. Новые технические решения положены в основу конструкции вибросмесителя для перемешивания зернового сырья, включенной в план реализации 2005г. Оренбургского станкостроительного завода и предприятия «Фермерстройсервис». Научные рекомендации по проектированию конструктивно — геометрических элементов обеспечивающих
вибросмешивание (утв. Россельхозакадемией) и его режимы, внедрены департаментом научно - технической политики и образования в учебный процесс технических специальностей аграрных вузов России и ближнего зарубежья при чтении лекций, проведении лабораторно - практических занятий, выполнении курсового и дипломного проектирования. Кроме того результаты диссертационной работы нашли отражение в следующих монографиях и учебно - методических пособиях:
Влияние геометрических поверхностей на интенсификацию и оптимизацию процесса смешения компонентов при приготовлении сыпучих кормов. Оренбург.: Издат.центр ОГАУ, 2002. 96с.
Биотехнология кормопроизводства. Уфа: Гилем, 2003.196с.
Управление свойствами сырья, технологическими процессами в пищевой промышленности и АПК. - Уфа.: Гилем, 2003.- 325 с.:ил.
- Геометрическое моделирование в приложении к технологическому
объекту. (Учебно-методическое пособие). Оренбург: Изд.центр ОГАУ,
2002. 80с.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
Концептуальные аспекты разработки вибросмесильной техники и совершенствования технологических режимов смесеприготовления.
Математические модели прогнозирования длительности протекания процесса и теоретической концентрации приготавливаемой кормовой массы.
Методики определения и оптимизации структурно - параметрических элементов подсистемы смесеприготовления.
Новые технические решения конструктивного совершенствования вибросмесителей, также способы перемешивания и оценки качества приготавливаемых кормосмесей.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в 50 научных и учебно-методических трудах (в том числе 3 монографиях, 20 статьях и трудах симпозиумов и конференций, 3 препринтах, 2 научно -методических рекомендациях и учебно - методическом пособии). Новизна технических решений защищена 19 патентами и 2 решениями о выдаче патента на изобретение.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 338 страницах.
Список литературы из 301 наименования (в том числе 9 на иностранном языке), содержит 124 рисунка, 36 таблиц, 7 приложений.
На разных этапах работ осуществлялось научное консультирование А.Д. Припадчева, М.А. Васильевой, Л.В. Межуевой.
Автор выражает свою искреннюю признательность доктору технических наук Петру Ивановичу Огородникову, осуществлявшему научное консультирование на протяжении всей работы над диссертацией.
Особую благодарность автор выражает заслуженному деятелю науки РФ доктору технических наук Льву Петровичу Карташову, поддержка, рекомендации и советы, которого помогли в доработке диссертационной работы и внедрении результатов исследований.
Анализ методов подхода к рассмотрению поведения сыпучих сред при вибровоздействии
Текучесть сыпучих материалов характеризует их способность вытекать с той или иной скоростью из отверстий, она зависит от гранулометрического состава материала, формы и размера частиц, коэффициента внутреннего трения, влажности и т.д. Текучесть сыпучих материалов определяет многие конструктивные особенности бункеров и смесителей. Текучесть характеризуется коэффициентом текучести: где t - время вытекания сыпучего материала из воронки, с; G - навеска сыпучего материала засыпанная в воронку, кг; R - радиус отверстия воронки, мм. Чем больше величина Ку тем менее подвижен материал и выше текучесть, следовательно, быстрее идет процесс смешения, так как требуется меньше усилия для деформации перемешиваемого слоя; однако так же легко происходит и обратный процесс - сепарация [15,44, 171].
Углом естественного откоса а называют угол образуемый линией естественного откоса (отвала) сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Величина угла естественного откоса зависит от сил трения, возникающих при перемещении частиц сыпучего материала относительно друг друга и сил сцепления между ними. Механические свойства сыпучих материалов в покое и движении определяются коэффициентом внутреннего и внешнего трения [266, 267], а в покое, кроме того, напряжением сдвига г (среза). Коэффициент трения F насыпного материала о твердую поверхность (коэффициент внешнего трения) определяется как отношение сдвигающего усилия х к вертикальной нагрузке G [ 23, 253]:
Коэффициент внешнего трения меняется в зависимости от влажности слоя, то есть в которых пространство между зернами частично заполнено жидкостью, от степени измельчения, а также от характера рабочей поверхности. 1.2 Ан а ли з мето д ов подхода к р ас см отр е н ию п ов е дения сыпучих сред при вибровоздействии Накладывая гармонические колебания на сыпучую среду, следует отметить особенности, наблюдаемые при ее поведении [261, 262]. В зависимости от варьирования амплитудно-частотных характеристик сыпучая масса ведет себя по - разному, то есть происходит: уплотнение сред, перемешивание, измельчение, транспортировка, гранулирование, демпфирование [182, 45, 283, 138, 173]. Влиянием вибрационного фона на те или иные процессы применяемые в различных отраслях народного хозяйства, занимались такие ученые, как П.Ф.Овчинников, И.И.Блехман, И.Ф.Гончаревич, П.А.Ребиндер, Е.А.Непомнящий, И.И.Артоболевский, Я.Г.Поновко, Н.Б.Урьев, К.В.Фролов, Г.А.Гениев, В.В.Андронов, П.И.Леонтьев, Р.Ф.Нагаев, В.Н.Челомей, Н.В.Михайлов и другие [180, 18, 63, 46, 42, 16, 134, 10, 174, 288, 173,11, 175, 19,284,179,2,139,199, 200, 43, 33, 20, 171]. Немалый вклад в изучение данной проблемы внесли зарубежные ученые, такие, как Кумабэ Д., Рэбю П, Мангус К. [105, 238, 157, 297].
Если обратиться к современным видам конструкций машин, создающих вибрационное поле, накладываемое на приготавливаемую смесь, то следует отметить вклад таких разработчиков, как П.ИЗаика, Г.Е.Листопад, В.В.Гортинский и другие [138, 66, 15, 74, 77], на основании трудов которых составлена классификация (рисунок 1.4, рисунок 1.5).
Сыпучие массы имеют особенности, присущие как твердым телам, так и жидкостям, то есть занимают как бы промежуточное положение, характеризуемое возможностью испытывать напряжения сдвига, как твердые тела, и в то же время способностью заполнять любую форму объема, оказывать давление на его стенки и вытекать из отверстий, а также растекаться по гладкой поверхности, то есть менять площадь соприкосновения с ней, в связи с чем следует учитывать, в первую очередь, параметры характеризующие именно эти свойства материалов. Это, в свою очередь, создает сложности при изучении процессов, связанных с зернистыми, мелкозернистыми, дисперсными средами, особенности поведения которых изложены в работе [241, 259]. Анализ сыпучих материалов можно проводить в состоянии статики и динамики, но, рассматривая их частично как жидкости, важно помнить, что при динамике присутствует элемент детерминированного хаоса [290]. Изучением воздействия вибрации на сыпучие системы занимались такие исследователи, как П.И. Леонтьев, М.А. Талейсник, Н.Б. Урьев, И.Ф.Гончаревич, П.Ф. Овчинников, К.В. Фролов, Р.Л. Зенков, Г.Е.Листопад, М.Д. Генкин, И.И. Блехман и другие, каждый из них формировал и предлагал определенные подходы к данной проблеме.
Рассматривая основные моменты теоретических взглядов и предпосылок, можно наложить классификацию (рисунок 1.6) на процесс смесеобразования, иными словами, выделить модели поведения сыпучих материалов при воздействии на них вибрации.
Из классификации видно, что модели поведения сыпучих компонентов могут быть простыми и сложными.
Наиболее простой вариант - это представление смеси в виде материальной частицы [16, 133, 134, 135, 297, 186, 151] при исследовании вибрационного слоя сравнительно небольшой толщины. Данное направление моделирования системы можно считать наиболее рациональным. Рассматривая сыпучую среду как материальную точку с неизменной массой, причем рабочий орган, передающий ей движение, совершает гармонические колебания [35, 18, 260, 17, 249, 48, 103, 234, 64,104, 36, 152, 198, 258, 247, 193, 63], движение среды предлагается описывать фрагментами уравнений, получаемых из второго закона Ньютона.
Моделирование свойств обрабатываемого сыпучего материала под действием вибрации
Производительность вибросмесителя периодического действия, в принципе, может колебаться в определенных рамках, границы которых устанавливаются с учетом качественно приемлемого диапазона приготавливаемого корма. В зависимости от того, какой однородности должна достичь кормовая масса, то есть «приемлемой», «удовлетворительной», «хорошей» или «отличной», будет меняться продолжительность приготавливаемой смеси, а следовательно, и производительность смесителя. Следует отметить также, что производительность смесителя периодического действия имеет определенный верхний предел, так как ее увеличение возможно лишь за счет изменения конструктивно технологических параметров, которые тоже ограничены в возможностях. Графические зависимости, приведенные на рисунке 3.5, свидетельствуют о том, что предел разумного роста производительности для различных видов кормов зависит не только от величины вибрационного импульса, но и от компонентного состава. Многокомпонентные кормовые массы более мелкой фракции имеют значительно ниже возможности по производительности, тогда как бинарные смеси, легче превращаемые в однородные, показывают достаточно высокий уровень производительности. Величина вибрационного импульса несет ограничения конструктивно -технологического характера, причем увеличение его от 20 -10 5 ; 30 -10"5 кг м/с и выше не дает практически роста производительности, в связи с чем и не имеет смысла тратить энергоресурсы на его дальнейшее увеличение. Из формулы 3.27 следует, что, рассматривая вопросы повышения производительности, нельзя ограничиваться лишь величиной вибрационного импульса, так как немаловажное влияние имеет и параметр виброактивности Sv, и в частности, величина площади поверхности виброконтакта. Энергоемкость процесса смешения сыпучих кормов определяется энергозатратами на приготовление готового продукта, которые непосредственно зависят от параметров, учитываемых в математической модели процесса. Соответственно, чем ниже будут энергорасходы, тем экономически выгоднее процесс в целом при интересующих исследователя условиях перемешивания (таблица 3.5). Решение задач по минимизации энергетических затрат возможно при помощи построения энергетических характеристик процесса смешивания. Система диаграмм, являющаяся энергетической характеристикой изучаемого процесса, позволит ввести все необходимые ограничения по качественным, объемным и ресурсорасходуемым параметрам, с выделением оптимальной многопараметрической области его протекания. Для построения энергетической характеристики процесса следует определить влияние внутренней характеристики процесса на энергоемкость, с предварительной увязкой с R,OMIT, КТП, РП, то есть провести предварительный подготовительный этап для оптимизации. Сравнение эмпирических и теоретических результатов изменения энергоемкости от внутренней характеристики системы отражено графическими зависимостями (рисунок 3.6), сходимость которых свидетельствует об адекватности разработанной математической модели, охватывающей энергорасходы процесса, что, с другой стороны, подтверждается полученными уравнениями регрессии. Энергия, расходуемая на полный цикл смесеприготовления с параметрами процесса может быть взаимосвязана следующим уравнением регрессии: Критерий Манны - Уитни 0,94012 Табличное значение 1,96, при выбранном уровне значимости а = 0.001, уравнение значимо. Математическая модель параметрического синтеза устанавливает взаимосвязи множеств конструктивно-технологических параметров (КТП), режимных (РП), реологических, физико-механических (ФМП) параметров процесса с множествами параметров эффекта: (W) - энергоемкостью, (Q) -производительностью, (N) - мощностью расходуемой на смешение, (Е) -энергией идущей на полный цикл приготовления, качества готового корма (М), продолжительность цикла приготовления готовой продукции (t), через внутреннюю характеристику системы, то есть величину (і) -вибрационного импульса. 1. Для проведения векторной оптимизации процесса сформирован комплекс параметров эффекта, каждый из которых представляет многопараметрическую функцию локальных параметров, описывающих технологический процесс, что позволяет разрабатывать оптимальные режимы процесса смешивания сыпучих компонентов при приготовлении кормовых масс. 2. Комплекс эффективности, включающий равнозначные, не доминирующие один над другим параметры эффекта, охватывает четыре основных направления: качественный выход кормосмесей, ресурсозатраты, объемный охват процесса и его экономическую обоснованность.
Методика расчета мощности, расходуемой на приготовление готовой продукции
Полученные графические зависимости параметров эффекта от параметров процесса позволяют провести векторную оптимизацию процесса смешивания сыпучих компонентов при приготовлении бинарной кормосмеси. Оптимизация позволяет по выбранным режимным параметрам получать параметры эффекта и прогнозировать результаты процесса в целом.
По сути, наиболее ценной является взаимоувязка энергетических характеристик процесса с качественным выходом продукции, для чего следует построить и рассмотреть базовые графические зависимости (рисунок 4.4). Расширение рамок исследования, в плане варьирования угла развода дебалансов, позволяет выявить слабые моменты и разработать более надежную технологическую систему.
Отработка слабых мест на бинарной среде однозначно упрощает поиск правильных решений при создании более сложных многокомпонентных, многофункциональных систем.
Изучение характера протекания процесса при определенных технологических изменениях позволяет не только фиксировать начальные условия, но и регулировать выходные параметры.
Энергетической характеристикой данного процесса можно считать систему диаграмм, изображаемых разными типами линий. Энергетическая характеристика влияния величины загрузки смесильной камеры для оптимального угла развода дебалансов, мощности, расходуемой на полный цикл приготовления корма N, производительности Q и степени однородности смеси М на энергоемкость процесса смешивания Е. На рисуноке 4.5 изображена энергетическая характеристика влияния угла развода дебалансов при допустимой загрузке рабочей камеры, мощности, расходуемой на полный цикл приготовления корма N, производительности Q и однородности смеси Мна энергоемкость процесса смешивания Е.
Основными линиями изображаются диаграммы зависимости энергоемкости смешивания от величины загрузки смесильной камеры, при этом угол развода дебалансов является постоянной величиной и рассматривается на каждой отдельной диаграмме. Сплошными тонкими линиями наносятся диаграммы зависимости энергоемкости процесса смешивания от мощности, расходуемой на полный цикл приготовления кормосмеси, указанной на каждой отдельной диаграмме. Штриховыми линиями нанесены зависимости энергоемкости смешивания от производительности, при этом на каждой диаграмме указывается определенный угол развода дебалансов.
Штрих-пунктирными линиями показаны диаграммы зависимости энергоемкости процесса смешивания от качества получаемой смеси, т.е. степени достигаемой однородности (М%).
Вертикальными пунктирными линиями нанесена величина вибрационного импульса, являющегося внутренней характеристикой системы и передаваемого от поверхности виброконтакта к приготавливаемой смеси, его величина указана на каждой диаграмме в . Анализ характеристик (рисунок 4.6) позволяет сделать следующие заключения. С увеличением величины загрузки рабочей камеры смесителя на всех исследуемых режимах энергоемкость процесса снижается. При одинаковой энергоемкости режимные параметры - частота (со), увеличивается в 1,4 раза, а производительность увеличивается в 2,3 раза (кубическая зависимость). Снижение энергоемкости в данном случае происходит за счет увеличения вибрационного импульса /, способствующего более интенсивному смешиванию. В свою очередь интенсификация процесса происходит также за счет увеличения площади поверхности виброконтакта, которая способствует росту вибрационного импульса. При одинаковой площади поверхности виброконтакта Se.K- процесс является менее энергоемким и достигается большая однородность при наиболее интенсивном его протекании. Чем интенсивнее протекает процесс, тем меньше его продолжительность. Увеличение вибрационного импульса в 1,3 - 2,5 раза приводит к увеличению качества кормосмеси на 3 % при постоянной величине загрузки смесильной камеры. Полученные при помощи векторной оптимизации характеристики позволяют сделать следующие рекомендации. Увеличение поверхности виброконтакта является перспективным направлением развития вибрационного смешивания сыпучих кормов. При этом должны быть использованы эффективные режимы работы, способствующие интенсивности смешивания и обеспечивающие оптимальную энергоемкость процесса. Анализ проводился по уравнениям характеристики мощности, расходуемой на смешивание, вибрационному импульсу, передаваемому поверхностью виброконтакта бинарной массе, и степени однородности смеси. Каждое из вышеперечисленных уравнений определяет геометрическую поверхность, поэтому для изображения характеристик в прямоугольной системе координат целесообразнее всего использовать метод сечения этих поверхностей плоскостями Q - const и проектировать полученные кривые на плоскость Q=0.
Инженерное проектирование лабораторно - промышленной установки для смешивания сыпучих кормов
Задача обеспечения необходимых выходных характеристик качества смеси с минимальными энергозатратами требует исследования режимов процесса смешивания [88, 188] для поиска возможных путей его регулирования и оптимизации. Для исследования процесса смешивания в торообразном смесителе была разработана конструкция экспериментального стенда, позволяющего регистрировать перемещения во времени корпуса смесителя [80, 82, 86, 167]. Конструкция стенда (рисунок 5.5) (Патент №2230298) 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.
Нахождение эффективной амплитуды сводится к определению ее составляющих. Замеры смещений необходимо производить сразу по трем осям координат. На рисунке 5.24 изображена конструктивная схема приспособления для замера амплитуды колебании вибросмесителя сыпучих кормов. Приспособление содержит тензометрическую балочку в виде пластины постоянного поперечного сечения 1 из пружинной стали в которой выполнено технологическое отверстие для регулировочного винта 2, фиксируемого гайками. С обеих сторон пластины, симметрично наклеены два тензорезистора 4 (2ПКБ 10.100 В ТУ 25-06-1382-78) номинальным сопротивлением 100 Ом. Регулировочный винт 2 находится в контакте с гнездом пружины 5. Хвостовик пластины 1 закреплен в клемме 6, установленной на хомуте 7, надетом на опору смесителя 14. Всего на опоре имеется три тензометрические балочки, измеряющие перемещения по трем осям прямоугольной системы координат. В соответствии с патентом №2230298 каждая пружина выполнена в виде телескопической шаровой опоры, а тензорезисторы расположены на расстоянии 2/3,ЛЬЬэт свободного конца соответствующей пластины, причем толщина данной пластины соответствует условию L/8 -L/12, где L - длина пластины.
Тензорезисторы (Т) включены в мостовую электрическую схему (рисунок 5.26), причем в разные плечи полумоста, другая половина этого моста расположена в тензометрическом усилителе (У) (8АНЧ-7М), который передает сигнал на шлейфовый осциллограф (Н-115). В измерительной диагонали мостовой схемы при оказании воздействия на тензорезистор возникает напряжение, которое усиливается усилителем (У). Отсчет и регистрация величин сигналов, пропорциональных оказанному воздействию на тензорезисторы, осуществляется с помощью показывающих (1111) или регистрирующих (РП) приборов, подключенных к выходу усилителя. Перед наклейкой тензорезисторов на каждую балочку производится их подбор по электрическому сопротивлению на приборе типа МО-62 (ГОСТ 7156-66). Тензорезисторы наклеивались клеем БФ - 2 с последующей термообработкой [138].
Принцип действия данного приспособления заключается в следующем: каждая тензометрическая балочка 1 изгибается при смещении гнезда пружины 5 в заданном направлении. Изгиб пластины непрерывно регистрируется тензорезисторами 4 и передается через тензометрический усилитель на осциллограф (рисунок 5.25). Величина смещения таким образом фиксируется и отражается в виде осциллограмм на фотобумаге. Регистрировались смещения в радиальном направлении от центра масс смесителя, в тангенциальном и в вертикальном направлении. Максимальное значение результирующего смещения по трем осям дает эффективную амплитуду колебаний в точке замера. Результаты измерений записывались на одной опоре по трем каналам тензометрического усилителя, так как картины смещений на всех четырех опорах смесителя повторяются, однако при этом наблюдается несовпадение фаз, то есть кривые, записанные на соседних опорах, сдвинуты во времени на четверть периода. Имея диаграмму смещения гнезда опоры 5 за период колебаний, можно построить диаграмму смещения любой точки корпуса смесителя. Без определения собственной частоты колебаний тензометрических балочек невозможно судить о правомерности рекомендуемой методики.
