Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 10
1.1 Технологические особенности приготовления комбикормов 10
1.2 Анализ и классификация дозирующих устройств смесительных агрегатов 19
1.3 Состояние исследований многокомпонентных дозаторов 24
1.4 Цель и задачи исследований 31
2 Теоретическое обоснование параметров дозатора-смесителя 33
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы многокомпонентного дозатора-смесителя 33
2.2 Обоснование конструкции скребков 37
2.3 Силовой анализ взаимодействия рабочих органов и обрабатываемого материала в тарельчатом дозаторе 44
2.3.1 Обоснование затрат мощности, необходимых для привода дозатора- смесителя 56
2.4 Определение производительности многокомпонентного дозатора-смесителя 58
2.5 Теоретический анализ равномерности дозирования 61
2.6 Настройка многокомпонентного дозатора-смесителя на заданный состав зерносмеси 66
Выводы по разделу 68
3 Методика экспериментальных исследований дозатора-смесителя 70
3.1 Программа экспериментальных исследований 70
3.2 Описание экспериментальной установки 70
3.3 Методика экспериментальных исследований 78
3.3.1 Методика определения производительности дозатора-смесителя и энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси 79
3.3.2 Методика определения равномерности дозирования 82
3.3.3 Методика определения равномерности смешивания 85
3.4 Методика исследований дозатора-смесителя в производственных условиях 86
3.5 Методика обработки результатов эксперимента 88
3.5.1 Ортогональный центрально-композиционный план 88
3.5.2 Некомпозиционные планы второго порядка 90
Выводы по разделу 92
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований 93
4.1 Уточненные физико-механические свойства зерновых культур 93
4.2 Результаты исследования зависимости производительности дозатора-смесителя и энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси 93
4.3 Результаты определения равномерности дозирования 102
4.4 Результаты определения равномерности смешивания 107
4.5 Результаты сходимости теоретических и экспериментальных
исследований 109
Выводы по разделу 110
5 Исследования дозатора-смесителя в производственных условиях. экономическая оценка результатов исследования 112
5.1 Результаты исследований многокомпонентного дозатора-смесителя в производственных условиях 112
5.2 Экономическая оценка результатов исследования 114
Обшие выводы 118
Список используемой литературы
- Анализ и классификация дозирующих устройств смесительных агрегатов
- Силовой анализ взаимодействия рабочих органов и обрабатываемого материала в тарельчатом дозаторе
- Методика определения производительности дозатора-смесителя и энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси
- Результаты определения равномерности дозирования
Анализ и классификация дозирующих устройств смесительных агрегатов
Технология производства комбикормов представляет собой совокупность операций (измельчение, дозирование, смешивание и др.), выполняемых в определенной последовательности. В результате проведения этих операций из исходного сырья (зерновые компоненты, минеральные добавки, витамины, соли и др.), получается комбикорм с заданными в соответствии с ее рецептурой параметрами [7, 29, 90].
Структура комбикормового производства предусматривает основные и вспомогательные процессы. К основным процессам относятся операции по дозированию, смешиванию, измельчению и др. К вспомогательным процессам относятся транспортировка сырья, размещение и хранение, отпуск готовой продукции и др. [7, 10].
Приготовление комбикормов обычно включает следующие операции: прием и хранение сырья; очистку сырья от посторонних примесей; дробление зерновых культур; подготовку минерального сырья; приготовление предварительной смеси микродобавок с наполнителем; ввод жидких добавок; дозирование компонентов; смешивание компонентов; гранулирование или брикетирование; выдачу комбикормов [30, 36, 63, 79].
Существует большое разнообразие технологических схем по производству комбикормов, отличающихся по набору оборудования, порядку выполнения операции и других особенностей [51, 61, 116]. Рассмотрим особенности ряда схем.
Схема последовательно-параллельной подготовки компонентов комбикормов и одноразовое дозирование показана на рисунке 1.1. Данная схема распространена во многих странах и ее часто называют классической.
В одних линиях компоненты готовят последовательно, а в других – параллельно. Помещение для приготовления комбикормов по данной схеме отличается большим количеством наддозаторных бункеров. Количество подготовительных линий может достигать 10 и более. Зерновое сырье из силосов поочередно поступает на цепной транспортер, откуда через магнитный сепаратор загружается в молотковую дробилку. Измельченные корма, проходя через просеивающую машину, разделяются на два потока. Один поток выгружается в силосы измельченных компонентов, второй – идет на доизмельчение. Для дозирования компонентов кормов используются три многокомпонентных дозатора, а смешивание осуществляется в смесителе периодического действия [13, 69].
Основными недостатками классической схемы считаются большие затраты времени на подготовительные работы, сложность очистки наддозаторных бункеров от остатков компонентов, и также то что, из-за большого количества оборудования требуются большие энергетические мощности.
Технологическая схема производства рассыпных комбикормов с формированием предварительных смесей сырья и двухэтапное дозирование изображена на рисунке 1.2 [53, 69, 115].
По данной технологической схеме каждая из смесей подготавливается в своем технологическом потоке, затем из предварительно-подготовленных смесей готовится полнорационный комбикорм.
К недостаткам схемы относят возникновение неучтенных остатков предварительных смесей, из-за чего возникают сложности при переходе от одного рецепта к другому.
В прямоточной технологической линии (рисунок 1.3) компоненты комбикормов дозируются и обрабатываются в потоке [13]. Схема хорошо вписывается в высотные здания. Все оборудование располагается сверху вниз, а переход от одной операции к другой происходит самотеком, благодаря чему требуются малые удельные энергетические затраты на производство единицы продукции. Для дозирования сырья используется многокомпонентный весовой дозатор. Смешивание компонентов кормов осуществляется в два этапа. На первом этапе, после дозирования, используется смеситель непрерывного действия, а на втором этапе (после измельчения) используется смеситель периодического действия. По схеме компоненты комбикормов могут измельчаться одноступенчатым или многоступенчатым способом.
Главным недостатком при использовании прямоточной схемы считаются высокие требования к исходному сырью по отсутствию посторонних примесей. Однако современная комбикормовая промышленность старается двигаться по пути перехода от первых двух схем (рисунок 1.1, 1.2) к прямоточной схеме.
В ЗАО «Кленово-Чегодаево» на базе малогабаритной комбикормовой установки УМК-Ф-2 построен кормоцех производительностью 2-3 т/ч [94]. Схема технологического процесса приготовления комбикормов показана на рисунке 1.4. В качестве исходного сырья используются фуражное зерно собственного производства и покупные белково-витаминные добавки. Зерновое сырье из завальной ямы через нории поступает в сепаратор и магнитную колонку. Очищенное сырье поступает в наддозаторные бункеры. Компоненты кормов, не требующие измельчения, попадают в смеситель, минуя дробилку. Белково-витаминные добавки поступают в соответствующий наддозаторный бункер, минуя завальную яму. Приготовленный корм поступает в бункер готового комбикорма, а затем отгружается в автотранспорт. Управление всей технологической линией полностью автоматизировано.
Силовой анализ взаимодействия рабочих органов и обрабатываемого материала в тарельчатом дозаторе
Если для сил N\ и Fi (рисунок 2.7, б) их направления известны (они определяются формой и расположением скребка), то для образования пограничной поверхности и возникновения нормальной силы Nz, сил трения и инерции есть определенная свобода выбора. Поэтому естественно предположить, что при образовании пограничной поверхности работает принцип наименьшего сопротивления. При возникновении силы N\ и ее увеличения до определенного значения возникают остальные силы, вместе с образованием пограничной поверхности. И это происходит при минимальной из возможных значений силы N\. Так что исследование функции (2.49) на минимум позволит определить у и тем самым направление пограничной плоскости. Однако аналитическое исследование на минимум (экстремум) не представляется возможным, так как входящая в формулу (2.48) площадь S зависит от у, но не выражается аналитически.
Для оценки у поступим следующим образом. Для конкретного числового примера задаемся рядом числовых значений у, и затем строим график функции Л/j = f(y), по которому определяем точку минимума и соответствующую ему координату у.
В разделе о производительности дозатора показано, что для обеспечения равномерности производительности в течение одного оборота вала привода скребков количество скребков должно удовлетворять неравенству (2.23), а цилиндрическая поверхность каждого скребка выполняется по специальной криволинейной направляющей. В этом случае для выяснения распределения действия сил при взаимодействии рабочих органов дозатора и дозируемого материала подвижный объем материала представляем в виде n частей. Часть или i-й элемент (i=1, 2, …, n) материала (рисунок 2.8). На горизонтальной плоскости он представлен четырехугольником ABCD, отделен от остального материала частью скребка длиной AD = li поверхности AB и CD, по которым происходит относительное перемещение слоев материала и дугой BC, совпадающей с краем бункера.
На вертикальный элемент материала, как и в ранее рассмотренной схеме (рисунок 2.6), действуют аналогичные силы (рисунок 2.8, б). Имеются следующие особенности: вместо нормальной силы N2 действуют силы N2 и N2 , так что суммарная сила N2 = N2 - N2 . (2-54) Сила трения о пограничную поверхность F2 направлена в противоположную от F2 (рисунок 2.6) сторону (для всех і, кроме і =1), так как скорость движения материала по мере продвижения по скребку от его начала уменьшается. Это задается, как уже отмечено ранее, формулой направляющей скребка.
Поэтому формула (2.28) для определения F2 сохраняется, только направление меняется на противоположное. Силы/ , F4, F5 по структуре остаются без изменения. Сила инерции Fi меняет свое направление на противоположное, так как после возникновения скорости первого элемента (i=l) скорость (І+1) элемента снижается. Снижение это незначительно (даже суммарно) поэтому силой инерции для всех і кроме (і=1) можно пренебречь.
Учитывая отмеченные особенности, составляем систему уравнений, подобную (2.40), а после ее решения получаем формулы для определения нормальных сил К .
Так как в разрабатываемом дозаторе-смесителе модернизируется дозирующая часть, а параметры смесительной камеры были обоснованы в работе [57], то необходимая мощность на привод смесителя определяется как гдеkp - коэффициент, зависящий свойств зернового материала и разбрасывателя; Qdc - производительность дозатора-смесителя, кг/с; сор - угловая скорость разбрасывателя, с"1; Rp - радиус разбрасывателя, м; Го- радиус конуса, м; цр - коэффициент полезного действия привода разбрасывателя.
В результате было получено выражение для расчета суммарной мощности на привод скребков и диска разбрасывателя дозатора-смесителя:
По выражению (2.65) рассчитали суммарную мощность, необходимую на привод рабочих органов дозатора-смесителя. Результаты расчетов представлены в таблице П.С.1 (приложение С). 2.4 Определение производительности многокомпонентного дозатора-смесителя
Производительность многокомпонентного дозатора-смесителя равна производительности тарельчатого дозатора, производительность дозатора должна быть меньше либо равна пропускной способности смесителя [105]: QCM - пропускная способность смесителя, кг/с. Для определения производительности дозатора рассмотрим положение скребка в двух позициях: в момент начала работы дозатора-смесителя и после его поворота на угол (рисунок 2.10). В результате поворота скребка дозируемый материал вытеснился за пределы бункера, на край диска. Объем материала на виде сверху соответствует фигуре АВСВ А (на рисунке 2.10 заштриховано).
К расчету производительности дозатора Сначала докажем следующее утверждение: площади фигур АВСВ А и АСВ С А равны между собой.
Во-первых, поворот фигуры АВС вокруг оси является движением [80], то есть, сохраняет форму и размер фигуры. Поэтому Пл. АВС = Пл. А В С . Во-вторых, замечаем, что фигура АВСВ А является суммой двух фигур: ABC и АСВ А . Заменим фигуру ABC на равную ей А В С и получим АСВ СА .
Таким образом при определении производительности вместо фигуры АВСВ А можно оперировать фигурой АСВ С А , представляющей собой кольцевой сектор с центральным углом .
При повороте скребка на один оборот = 2, объем материала, подверженный воздействию скребка, можно представить как объем тела, образованного вращением плоской фигуры площадью S относительно оси, лежащей в плоскости фигуры и ее не пересекающей. Как известно, объем такой фигуры К(теорема Гюльдена) [80]:
Существенной особенностью рассматриваемого дозатора-смесителя является требование, чтобы зерновой материал сбрасывался одновременно со всей кромки диска. В этом случае равномерность дозирования не зависит от времени работы дозатора-смесителя, моментов его включения и выключения.
Методика определения производительности дозатора-смесителя и энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси
Из анализа формул (2.99) и (2.104) делаем вывод, что для увеличения равномерности дозирования надо постараться уменьшить колебания изменения плотностей ri и частоты вращения n. Частоту вращения можно стабилизировать постановкой надежного привода установки (дозатора-смесителя), а для стабилизации (уменьшения колебания) плотностей, особенно при дозировании проблемных компонентов (повышенной влажности, измельченных) предусмотреть использование специальных устройств – разрушителей сводов [108].
Для образования зерносмеси заданного состава по количеству компонентов и долевому процентному составу каждого из них предварительно в бункере дозатора устанавливают радиальные перегородки, и закрепляют их в необходимом положении. Так как положение перегородок зависит не только от долей компонентов, но и от их плотностей, то процедура настройки неочевидна и необходим расчет [101].
Обозначим через сi массовую долю i-го компонента в смеси. В данном устройстве подача i-го компонента в будущую смесь однозначно обеспечивается центральным углом Yi между перегородками секции бункера для этого компонента. Для массовой доли сi и угла Yi примем одинаковые единицы измерения – доли единицы, что позволит упростить расчетные формулы. Так, для суммы углов Yi , которые в данном случае составляют целый круг, вместо 2 радиан будет 1, а формула производительности (2.77) примет вид
В зерносмеси, прошедшей через дозатор-смеситель за единицу времени, должно оказаться i-го компонента в количестве Qсi . С другой стороны это количество обеспечивается составляющейQYi правой части формулы (2.105).
Его мы используем, составляя линейную комбинацию этого уравнения с каждым из уравнений (2.106). Сначала выполним некоторые преобразования уравнений (2.106). Qi заменим на Qvri и разделим первое уравнение на Qvr1c1 , второе Qvr2c2 и т.д. получим: ґ 1
Систему (2.110) решим методом последовательных приближений (метод итераций) [85]. Для вычисления последовательных значений корней Yi по формулам (2.110) в правую часть формул подставляем предыдущие значения (приближения). За нулевые приближения корней системы (2.110) принимаем свободные члены (сi ) [101]. По системе уравнений (2.110) определяли размеры секции бункера при приготовлении смеси из ячменя (25 %), пшеницы (30 %), овса (17 %), кукурузы (15,5 %), проса (12,5 %). Результаты расчетов приведены в приложении D.
1. Обоснована и разработана конструктивно-технологическая схема дозатора-смесителя, новизна которого подтверждена патентом РФ № 2490601. Дозатор-смеситель обеспечивает высокую равномерность дозирования компонентов зерновых смесей, различающихся по физико-механическим свойствам, в частности, углом естественного откоса.
2. Получено уравнение, по которому изготавливается скребок. Проведен силовой анализ взаимодействия рабочих органов – скребков, и обрабатываемого материала. В результате получено уравнение для определения необходимой мощности на привод рабочих органов. Получена формула производительности дозатора-смесителя и определена производительность на различных компонентах.
3. Проведен теоретический анализ равномерности дозирования, который зависит от колебаний частоты вращения скребков и плотности дозируемых материалов. Для повышения равномерности дозирования необходимо добиться стабилизации плотностей каждого компонента и уменьшить колебания частоты вращения скребков. Для настройки дозатора-смесителя на заданный состав компонентов зерносмеси разработана программа расчета центральных углов секций
Экспериментальные исследования проводились с целью проверки теоретических зависимостей и тех положений, которые не выявить аналитическим путем.
При проведении экспериментальных исследований руководствовались требованиями РД 10.19.2-90, СТО АИСТ 19.2-2008, ГОСТ 13496.0-80 [23, 83, 93].
Для проведения экспериментальных исследований была разработана и изготовлена лабораторная установка (рисунок 3.1), состоящая из дозатора-смесителя 1 [76, 103], бункеров предварительного хранения сырья 2, спускных труб 3, транспортера для отбора проб 4, блока управления 5 и весов 6. Рисунок 3.1 – Лабораторная установка: объемного типа и гравитационно-центробежного смесителя (рисунок 3.2). Дозирующая часть состоит из бункера 10 (рисунок 3.3), разделенного на секции неподвижной 14 и подвижными перегородками 8, последние имеют возможность радиального перемещения для изменения размеров секции и фиксируются в нужном положении стопорными винтами 9. Кольца 7 проходят через подвижные перегородки, что позволяет последним постоянно находиться радиально-расположенными. Диск 17 неподвижно закреплен к раме 1 с помощью кронштейнов 18. Скребки 5 приводятся во вращательное движение мотор-редуктором 12 через приводной вал 4 посредством ступицы 16. Находящейся внутри трубы 13 вал 4 соединен с мотор-редуктором 12 через упругую муфту 11 и зафиксирован в опорном подшипнике 19. Для изменения зазора между скребком и бункером манжета 15 имеет возможность осевого перемещения относительно бункера 10 и фиксации с помощью винтов 6.
Ниже дозирующей части находится смесительная камера, состоящая из первой воронки 20 с вырезами 21 и второй воронки 2. Между ними посредством растяжек 22 закреплен разбрасыватель 3 с электродвигателем 23. Для более интенсивного смешивания в горловине второй воронки 24 находятся пластины 25, расположенные в шахматном порядке.
Подготовку дозатора-смесителя к работе осуществляют следующим образом. Подвижными перегородками 8 устанавливают необходимое соотношение между компонентами. Манжету 15 фиксируют на бункере 10 в положении, при котором не будет происходить самопроизвольное ссыпание зерновых компонентов с диска. Бункеры предварительного хранения сырья загружаются целым или измельченным зерном. Через спускные трубы зерновые компоненты самотеком заполняют и поддерживают определенный уровень насыпи в соответствующих секциях бункера 10. Зерновые компоненты располагаются по диску 17 под соответствующими секторами и рассыпаются за манжету на краю диска, под Схема многокомпонентного дозатора-смесителя:
При включении мотор-редуктора 12 скребки 5 смещают зерновые компоненты за манжету на край диска 17, добавляя их к компонентам, уже находящимся на краю диска, после поворота скребков на определенный угол мотор-редуктор выключают: дозатор-смеситель подготовлен к работе. В дальнейшем при каждом включении мотор-редуктора зерновые компоненты одновременно начинают ссыпаться с края диска 17. Ссыпаясь с диска 17, зерновые компоненты попадают на первую воронку 20 и разделяются на два потока. Один поток проходит через вырезы в первой воронке, второй – через горловину первой воронки попадает на разбрасыватель, происходит разбрасывание компонентов. Отброшенные компоненты встречаются с компонентами, прошедшими через вырезы первой воронки, происходит интенсивное смешивание компонентов. Далее смесь, ссыпаясь со второй воронки 2 в горловину 24, падает на пластины 25, где происходит окончательное смешивание.
Результаты определения равномерности дозирования
В соответствии с поставленной целью в задачи экспериментальных исследований входило определение равномерности смешивания. Выяснилось, что на равномерность смешивания оказывает влияние производительность дозатора Q и доля контрольного компонента c. Для определения равномерности смешивания проводили экспериментальные исследования по методике, описанной в п. 3.3.3 Полученные результаты представлены в приложении G.
Пример смеси, приготовленной с помощью разработанного дозатора смесителя, показан на рисунке 4.12. После обработки результатов получено уравнение регрессии (4.35): y = 0,947 – 0,025x1 + 0,0127x2 – 0,0408x12 – 0,00082x22. (4.35) После раскодирования факторов, уравнение регрессии приняло вид [107] см = 0,8857 + 0,077Q + 0,0948c – 0,0408Q2 – 0,082c2, (4.36) где Q – производительность дозатора, кг/с; c – доля контрольного компонента. По уравнению (4.36) построен график поверхности и двухмерное сечение зависимости равномерности смешивания от производительности дозатора и доли контрольного компонента (рисунок 4.13).
Из анализа графических зависимостей (рисунок 4.13) видно, что равномерность смешивания повышается с увеличением производительности от 0,25 до 1 кг/с, дальнейшее увеличение последнего негативно влияет на равномерность смешивания. С увеличением доли контрольного компонента равномерность смешивания улучшается.
Для получения зерносмеси, соответствующей зоотехническим требованиям, оптимальное значение производительности дозатора должно находиться в пределах 0,4...1,5 кг/с.
Для проверки достоверности теоретических расчетов на рисунке 4.14 представлены графики зависимости энергоемкости процесса приготовления зерносмеси от частоты вращения рабочих органов. Значения теоретической энергоемкости получены расчетным путем с использованием формулы (3.3). Расчет энергоемкости производили в диапазоне изменения частоты вращения скребков n от 0,1 до 0,6 с-1, при фиксированных значениях остальных параметров (высоте скребков h = 30 мм, заглублении скребков в бункер l = 60 мм). Расчет мощности производили по формуле (2.65). Значение производительности рассчитывали с учетом поправочного коэффициента по выражению (4.29).
В результате сравнительного анализа установлено, что расхождение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных составляет не более 5 процентов.
1. Проведенные экспериментальные исследования многокомпонентного дозатора-смесителя позволили определить зависимости производительности многокомпонентного дозатора-смесителя, энергоемкости процесса приготовления зерновой смеси, равномерности дозирования и равномерности смешивания компонентов зерносмеси от конструктивных и режимных параметров. Были получены уравнения регрессии показателей работы дозатора-смесителя.
2. Определен интервал значений доли контрольного компонента в смеси (0,14 с 0,5), при котором обеспечивается отвечающая зоотехническим требованиям равномерность дозирования. Для зерновой смеси с минимальной долей контрольного компонента (с 0,14), что характерно для полнорационных комбикормов, предложен ступенчатый метод смешивания. Разработан алгоритм определения параметров ступенчатого смешивания и программа расчета этих параметров, удобная для практического использования на производстве.
3. Было установлено, что производительность разработанного дозатора-смесителя увеличивается при повышении частоты вращения, высоты и заглубления скребков, вместе с тем, энергоемкость процесса приготовления зерносмеси уменьшается с увеличением частоты вращения, высоты и заглубления скребков. В результате сравнительного анализа теоретических расчетов и экспериментальных данных, было установлено, что экспериментальные данные не полностью согласуются с расчетными значениями, поэтому в формулу производительности был введен поправочный коэффициент. Также было установлено, что равномерность дозирования повышается с увеличением зазора между скребком и манжетой до 6 мм, после чего наблюдается ухудшение равномерности дозирования. С увеличением частоты вращения скребков, равномерность дозирования также ухудшается. На равномерность смешивания оказывают влияние производительность дозатора-смесителя и доля контрольного компонента. С увеличением производительности до 1,1 кг/с равномерность смешивания улучшается, после чего наблюдается ухудшение равномерности смешивания.
4. Для разработанного дозатора-смесителя рекомендованы следующие параметры. Высота скребков – 30 мм, так как при маленькой высоте происходит пересыпание через скребки и увеличение энергоемкости процесса приготовления зерносмеси. Дальнейшее увеличение скребка потребует увеличить диаметр диска, чтобы не происходило самопроизвольного ссыпания компонентов кормов, что приведет к увеличению металлоемкости всей конструкции. Частота вращения скребков – 0,25 с-1, так как при большей частоте ухудшится равномерность дозирования и снизится однородность смеси. Заглубление скребков в бункер – 60 мм, дальнейшее увеличение данного параметра ведет к перерасходу энергии, а производительность дозатора-смесителя повышается незначительно. Зазор между скребком и манжетой – 5-6 мм, при маленьком зазоре происходит закусывание зерна, при большом зазоре зерновые компоненты самопроизвольно ссыпаются с диска, в связи с чем нарушается соотношение между компонентами.
