Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. 8
1.1 Физико - механические свойства сыпучих компонентов и их влияние на получение качественной смеси 8
1.2 Анализ исследований по теории процесса смешивания 10
1.3 Анализ исследований и рекомендаций по организации смешивания сыпучих материалов 17
1.4 Классификация смесителей и анализ рабочего процесса вибрационных смесителей 19
1.5 Анализ существующих моделей поведения сыпучей среды при вибрации 26
1.6 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 32
Глава 2 Теоретическое исследование процесса смешивания сыпучих кормов в вибрационном смесителе и обоснование его основных параметров ., 34
2.1 Теоретическое описание процесса смешивания сыпучих кормов при использовании модели поведения их при вибрации в виде материальной частицы 36
2.1.1 Определение геометрических параметров рабочего органа вибрационного смесителя 36
2.1.2 Уравнение движения частицы корма в цилиндрическом желобе вибрационного смесителя 41
2.1.3 Влияние вибрационного воздействия цилиндрического желоба на величину коэффициента внутреннего трения сыпучего корма 46
2.1.4 Определение средней скорости движения частицы корма в цилиндрическом желобе и определение производительности вибросмесителя 48
2.2 Теоретическое описание процесса смешивания сыпучих кормов при использовании модели поведения их при вибрации в виде вязкой среды. 52
2.2.1 Определение безразмерных критериев подобия, характеризующих состояние сыпучей среды при вибрации как вязкую жидкость 52
2.2.2 Уравнение движения закрученного потока сыпучего корма в цилиндрическом желобе вибросмесителя 56
2.2.3 Влияние вибрационной вязкости на характер движения сыпучего корма 59
2.2.4 Обоснование гравитационного конусного вискозиметра для определения вибрационной вязкости сыпучего корма в вибросмесителе. 63
2.3 Выводы по главе .65
Глава 3 Методика экспериментальных исследований .68
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 68
3.1.1 Выбор сыпучей кормовой смеси 68
3.1.2 Оценка качества смешивания кормовой смеси 68
3.1.3 Отбор и обработка проб ...71
3.2 Методика проведения экспериментальных исследований 74
3.2.1 Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применявшиеся при исследованиях 74
3.2.2 Определение коэффициента трения движения сыпучего корма при вибрации 83
3.2.3 Определение условной эффективной вибровязкости сыпучего корма 86
3.3 Методика определения оптимальных параметров вибрационного смесителя 87
3.3.1 Планирование эксперимента при разработке математической модели процесса смешивания сыпучего корма в вибрационном смесителе ...88
3.4 Выводы по главе 92
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 93
4.1 Результаты предварительных экспериментов 93
4.2 Реализация матрицы планирования, обработка экспериментальных данных и получение уравнений регрессии 102
4.3 Поиск оптимальных параметров вибросмесителя.. 105
4.4 Выводы по главе 110
Глава 5 Производственная проверка вибрационного смесителя сыпучих кормов и экономическая эффективность результатов исследования 112
5.1 Результаты производственных испытаний 112
5.2 Определение экономической эффективности использования вибрационного смесителя в сельскохозяйственном производстве 113
5.2.1 Оценка эффективности использования вибросмесителя по критерию энергетических затрат 113
5.2.2 Определение основных технико - экономических показателей вибрационного смесителя по критерию энергетических затрат .115
5.2.3 Определение экономической эффективности использования вибросмесителя в стоимостной форме 118
5.3 Выводы по главе 124
Основные выводы 125
Литература 127
Приложения 141
- Анализ исследований по теории процесса смешивания
- Уравнение движения частицы корма в цилиндрическом желобе вибрационного смесителя
- Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применявшиеся при исследованиях
- Реализация матрицы планирования, обработка экспериментальных данных и получение уравнений регрессии
Введение к работе
Актуальность проблемы. Отечественная и мировая практика показала, что на комбикормовых заводах целесообразно производить сложные комбикорма и белково-витаминные добавки (БВД), а в межхозяйственных кормоцехах и на комбикормовых агрегатах — более простые комбикорма с использованием местного фуражного зерна и промышленных БВД.
Производство комбикормов и кормовых сухих смесей — сложный многофакторный процесс, в котором главной операцией является смешивание. Однако существующие для этого технические средства в хозяйствах не обеспечивают качественного однородного смешивания на уровне микрообъемов. Считается, что для производства комбикормов и кормовых сухих смесей непосредственно в хозяйствах достаточно их однородности 90...95%.
Смешивание сыпучих кормов с применением вибрации, при котором компоненты приводятся в состояния «псевдоожижения» и «виброкипения», обеспечивает получение их однородной смеси с разной объемной массой и различными размерами частиц за короткий промежуток времени. Однако процесс смешивания сыпучих кормов в вибрационных смесителях изучен недостаточно.
В связи с этим возникает необходимость обоснования основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов для получения зоотехнически требуемого качества смеси при низких удельных энерго- и металлоемкостей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой 01.02 «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» по проблеме IX Научные основы формирования эффективной инженерно-технической системы АПК.
Цель исследования. Обоснование основных конструктивно-кинематических и технологических параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов, обеспечивающих зоотехнически требуемое качество смеси и позволяющих снизить удельную энергоемкость процесса смешивания с необходимой производительностью в условиях сельскохозяйственных предприятий.
»ж
4 Задачи исследования:
-
Обосновать конструктивные и кинематические параметры рабочего органа вибрационного смесителя сыпучих кормов.
-
Обосновать конструктивную схему вибрационного смесителя сыпучих кормов с использованием поперечных вибраций рабочего органа.
-
Установить зависимость качества смеси, удельной энергоемкости процесса смешивания и производительности вибрационного смесителя сыпучих кормов от его конструктивно-кинематических параметров.
Объект исследования. Процесс смешивания сыпучих кормов в рабочем органе вибрационного смесителя - цилиндрическом желобе без применения специальных перемешивающих элементов.
Предмет исследования. Закономерности изменения качества смеси, удельной энергоемкости процесса смешивания и производительности вибрационного смесителя от его конструктивно-кинематических параметров.
Научная новизна. Определены конструктивно-кинематические параметры рабочего органа вибрационного смесителя, влияющие на его оценочные характеристики. Получены уравнения средней скорости движения частицы корма в цилиндрическом желобе и производительности вибросмесителя. Выявлена зависимость производительности вибрационного смесителя от его конструктивно-кинематических параметров рабочего органа и физико-механических свойств сыпучих кормов. Обоснована конструктивная схема вибрационного смесителя сыпучих кормов, рабочим органом которого является цилиндрический желоб, совершающий прямолинейные наклонные колебания в своей поперечной плоскости и не имеющий специальных перемешивающих элементов. Установлены закономерности изменения качества смеси, удельной энергоемкости процесса смешивания и производительности вибрационного смесителя сыпучих кормов от его конструктивно-кинематических параметров.
Новизна технических решений защищена патентами РФ на изобретение №2166360,2173573.
5 Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе
теоретических и экспериментальных исследований разработан вибрационный, смеситель сыпучих, кормов, рабочим органом которого является цилиндрический желоб, совершающий прямолинейные наклонные колебания в своей поперечной плоскости и не имеющий специальных перемешивающих элементов. Это позволяет обеспечить получение высокого качества смешивания сыпучих кормов в соответствии с зоотехническими требованиями. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований по смешиванию сыпучих кормов в состояниях «псевдоожижения» и «виброкипения» позволяют разработать новые технические средства и смесители для получения кормосмесей высокой однородности.
Опытный образец вибрационного смесителя сыпучих кормов прошел производственную проверку в ООО «Шалутский мелькомбинат» Республики Бурятия и СХПК «Тюбукский» Челябинской области.
Научно-технические материалы переданы в фонд Челябинского центра научно-технической информации.
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях ЧГАУ (г. Челябинск, 2000...2003 г.), на региональной научно-практической конференции, посвященной 40-летию факультета механизации сельского хозяйства и 70-летию Бурятской ГСХА (г. Улан-Удэ, 2001 г.), на юбилейной конференции, посвященной 20-летию Кабардино-Балкарской ГСХА (г. Нальчик, 2001 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии и приложений. Содержание работы изложено на 166 страницах машинописного текста, включая 36 иллюстраций, 16 таблиц, список литературы из 175 наименований и 13 приложений.
Анализ исследований по теории процесса смешивания
Под названием «сыпучий материал», «сыпучая среда» или «сыпучее тело» понимается совокупность большого количества твердых частиц. Свойства сыпучих материалов (кормовых компонентов и минеральных добавок) характеризуются, в отличие от жидкостей и твердых тел, следующими показателями: гранулометрическим составом (крупностью частиц), влажностью, объемной массой, плотностью, сыпучестью, текучестью, слеживаемостью, коэффициентом трения, связностью и гигроскопичностью. Ниже рассматриваются наиболее важные характеристики свойств сыпучих материалов, которые следует учитывать при расчетах, проектировании и эксплуатации устройств по смешиванию сыпучих материалов [10].
Гранулометрический состав сыпучего материала характеризует распределение частиц в соответствии с их размерами по классам (фракциям), то есть показывает, сколько частиц сыпучего материала принадлежит к тому или иному классу. В кормоприготовлении применяются компоненты с размерами частиц от пылевидных до крупнозернистых [2].
Чем меньше размеры частиц компонентов и чем более выровненным является гранулометрический состав, тем легче получить заданную однородность смеси. Если средние размеры частиц одного компонента значительно отличаются от размеров другого, то с увеличением отношения dmax Idmin наблюдается снижение качества смешивания [3]. Гранулометрический состав зерновых кормов и минеральных добавок можно определить по методике Ф.Л. Зенкова [II]. Под плотностью насыпного материала р подразумевается средняя плотность составляющих ЄГО ТВерДЫХ ЧаСТИЦ. С увеличением ОТНОШеНИЯ.-Ртах/рщіп качество смешивания снижается [12,13]. Влажность - один из важнейших показателей качества сыпучего материала. Изменение влажности в пределах, регламентированных общепринятыми стандартами на сыпучие материалы, на работе смесителей не сказывается, так как сыпучесть компонентов при этом изменяется незначительно. Текучесть сыпучих материалов характеризует их способность вытекать с той или иной скоростью из отверстий. Чем выше текучесть, тем быстрее идет процесс смешивания, т.к. требуется меньшее усилие для деформации перемешиваемого слоя. При этом легко происходит и обратный процесс - сегрегация. Углом естественного откоса называют угол Оо, образуемый линией естественного откоса (отвала) сыпучего материала с горизонтальной плоскостью. Чем меньше угол естественного откоса, тем подвижнее материал, легче перемешивается и сепарируется. При наличии вибрации а0 существенно уменьшается [9, И, 14]. Механические свойства сыпучих материалов в покое и движении определяются коэффициентами внутреннего и внешнего трения, а в покое, кроме того, - предельным напряжением сдвига т1ф. Установлено, что из всего многообразия физико-механических свойств компонентов сыпучих кормовых смесей на качество смешивания решающее влияние оказывают размеры и плотность частиц смеси. Физико-механические свойства комбикормов и их ингредиентов достаточно хорошо изучены, приведены в специальной литературе и не требуют дополнительной перепроверки. Выборка наиболее употребляемых компонентов дана в приложении I. Сопоставляя их свойства со свойствами грузов других отраслей народного хозяйства, видим, что они схожи. Поэтому основные закономерности поведения кормовых материалов на транспортных и технологических машинах будут схожи с поведением прочих грузов в подобных технологических условиях [15]. А это дает право ряд закономерностей перемещения, дозирования и смешивания считать общими для всех сыпучих грузов и вести сравнения различных смесителей и процессов смешивания на этой основе [16,17]. Смешивание - процесс соединения объемов различных веществ с целью получения однородной смеси, то есть создания равномерного распределения частиц каждого компонента во всем объеме смеси путем перегруппировки их под действием внешних сил [3, 18, 19]. В реальной смеси дисперсия концентрации любого компонента т2 в любом микрообъеме будет произвольной, изменяющейся во времени. Чем ближе значение при нормальном законе ее распределения к математическому ожиданию, тем однороднее будет получаемая смесь и ближе к идеальной. В перемешиваемой массе, в ее микрообъемах возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения частиц компонентов. Соотношение компонентов в точках смеси - величина случайная, поэтому методы оценки ее качества должны быть статистическими. При оценке качества смешивания одной случайной величиной смесь считают двухкомпонентной. Для этого из смеси выделяют какой-то один компонент (контрольный), а остальные объединяют во второй, условный. По степени распределения контрольного компонента в массе судят о качестве смеси [4]. В качестве количественной оценки завершенности процесса смешивания принимают степень однородности, которая представляет собой отношение содержания контрольного компонента в анализируемой пробе к содержанию того же компонента в идеальной смеси. Степень однородности смеси определяют по эмпирическим формулам А.А. Лапшина
Уравнение движения частицы корма в цилиндрическом желобе вибрационного смесителя
Впервые теоретически обосновал воздействие вибраций на материальные частицы в своей статье Г. Линднер [58], Данная работа положила начало разработке простейшей модели, описывающей движение сыпучих сред, в виде отдельной материальной частицы (рис. 1.8). Эта модель в настоящее время изучена наиболее полно из всех существующих благодаря, в первую очередь, трудам Г.Д. Терскова, И.И. Блехмана, Г.КХ Джанелидзе, Р.Ф, Нагаева, П.М. Заики, подытоженных в их известных монографиях [54, 56, 59, 60]. Большинство исследователей животноводческих машин (кормораздатчиков, смесителей, дозаторов, сепараторов кормов) использовали именно данную модель [61,62-65].
Улучшенная модель в виде материальной частицы с приведенными параметрами [66] позволяет качественно объяснить убывание средней скорости слоя по мере увеличения его толщины и ряд других эффектов.
И.Ф; Гончаревичем предложены феноменологические модели слоя материала, включающие различные комбинации упругих, вязких и инерционных элементов (рис. 1.8). Эти модели направлены на учет деформационных, гисте-резисных и стохастических свойств обрабатываемого материала [35, 67]. Тем не менее, феноменологические модели нашли ограниченное применение в инженерных расчетах.
В. Кролль моделирует [68] слой сыпучей среды в виде поршня с отверстием, вставленного в цилиндрический сосуд такого же диаметра и совершающего вертикальные колебания (рис. 1.8). Эта модель в справочнике [66] отнесена к промежуточным, поскольку слой моделируется твердым телом (поршнем) и в то же время учитывается реальное свойство слоя - возможность фильтрации воздуха.
Следующим этапом в развитии подходов к описанию реального слоя материала является переход к модели с распределенными параметрами среды. В.В; Гортинским предложена модель плоских слоев [69], примененная им для описания закономерностей движения зернового материала по горизонтальной плоскости, совершающей круговые поступательные колебания в этой же плоскости. Этот режим характерен для работы зерноочистительных машин. Следующая модель - модель сплошной среды - связывают с именем П.Б. Слиеде [66]. В этой модели учитывается, что сыпучая среда может иметь в процессе нагружения два состояния - упругое и пластическое. Несмотря на правильную постановку задачи, ее решение дает весьма скудную информацию о процессах, протекающих в слое материала.
Модель поведения сыпучей среды, как сплошного тела, построил в 1963 году F.E. Листопад [53]. Он установил, что вибрация затухает в толще материала по экспоненциальному закону, что неоднократно было подтверждено на практике. Установление этого закона является основным результатом данной теории.
П.Ф. Овчинников в своей работе [70] ставит задачу отыскания общих методов описания кривых течения и вязкости дисперсных материалов как в статистических условиях, так и в условиях вибрационного поля.
Имеются несколько работ, в которых использованы элементы случайных функций для описания процессов сепарирования [71] и смешивания [57] сыпучих смесей. Но эти подходы пока приносят мало практической пользы.
И, наконец, последней рассматриваемой моделью является представление сыпучей среды при вибрациях в виде вязкой жидкости. Появление в сыпучей среде при вибрации различных циркуляционных потоков, всплывание и погружение различных тел, выброс газовых пузырей - все эти визуально наблюдаемые эффекты сразу же в восприятии наблюдателя идентифицируют сыпучую среду при вибрациях с поведением вязкой жидкости. Однако указанные эффекты вибраций сразу же исчезают, как только прекращается вибрационное воздействие. Это дало основание исследователям применять такие термины, как «псевдотекучесть», «псевдоожижение» и т.д.
В поведении сыпучей среды при вибрациях можно выделить две стадии (состояния) [7,8,35,51,52, 55,72,73], появление которых зависит от интенсивности вибраций. Согласно распространенной сейчас точки зрения, в пределах амплитудных значений ускорений, не превышающих ускорения силы тяжести, дисперсная среда начинает приобретать подвижность, псевдотекучесть.
Это первое состояние дисперсной среды принято называть состоянием «псевдоожижения» [35,55]. В этом состоянии частицы колеблются друг относительно друга, за счет чего сцепление между ними уменьшается, и они подходят ближе друг к другу, а среда уплотняется.
При дальнейшем увеличении интенсивности колебаний среда переходит в состояние «виброкипения», которое характерно циркуляцией составляющих частиц и ее разрыхлением. В стадии «виброкипения» выделяют два характерных режима [35,74]: состояние сегрегации частиц среды и состояние интенсивного перемешивания. Последний режим осуществляется при более интенсивных вибрациях. П.М. Заика последние два состояния относит к самостоятельным режимам рабочих органов на зерновую смесь, так что всего он насчитывает три режима [59]. В этой же работе подчеркивается, что третий режим характерен хаотическим движением составляющих частиц.
Общепринятое описание всех этих эффектов в настоящее время отсутствует. Попытку аналитически подсчитать параметры граничных режимов мы находим в упоминающейся только что работе П.М. Заики, а также в работе Р.Л. Зенкова [75].
Все рассмотренные выше модели описывают лишь отдельные, разрозненные и специфические эффекты сложной картины поведения сыпучей среды при вибрациях.
Впервые факт «жидкостного» поведения сыпучей среды при вибрациях был экспериментально доказан академиком П.А. Ребиндером и;его сотрудниками. Исследование процесса течения: высокодисперсных порошков при вибрациях проводили на специально созданном капиллярном вибровискозиметре [76]. В качестве критерия способности тонкодисперсного порошка к истечению в условиях вибраций с различными параметрами (частотой и амплитудой) вибрационного поля принималась величина вибрационной вязкости.
Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применявшиеся при исследованиях
С целью экспериментального изучения процесса вибрационного смешивания сыпучих кормовых смесей на кафедре ТМЖ ЧГАУ была сконструирована и изготовлена л абораторно-опытная установка. Ее схема приведена на рис. 3.1, а: общий вид - на рис. 3.2. При разработке лабораторно-опытной установки к ней предъявлялись следующие требования: - устойчивость режимов работы, возможность стабилизации основных параметров, влияющих на процесс смешивания; - возможность регулирования конструктивных, кинематических и технологических параметров в широких пределах; - возможность замеров и контроля входных и выходных параметров при помощи простых и надежных устройств; - простота устройства и удобство в обслуживании. Разработанная экспериментальная установка (рис. 3.1) содержит [145, 146, 147, 148, 149, 150]: несущую рамку I, с рабочим органом в виде открытого цилиндрического желоба 3 с одной торцевой стенкой 4, упругие связи, выполненные в виде плоских рессор 5, перпендикулярных шатунам 6, которые соединены шарнирно с несущей рамкой креплениями 2, эксцентриковый вибровозбудитель 7, вращающийся на шариковых подшипниках в корпусах 8, опирающихся на раму 9 со стойками 10, которые имеют регулировочные пазы 11, приспособление регулировки угла наклона 12 с указателем 24, электродвигатель 16, шкивы 14 и ремень 15. Бункерный дозатор 20 опирается на стойки 19 с регулировочными пазами и соединен с рамой 9 посредством уголков 17 и 18. В отсеках бункера установлены наклонные пластины 21, регулирующие объем и истечение сыпучего материала, зависящее от открытия заслонок 22 на величину, указанную шкалой 23. На раме имеется отверстие 13 для выгрузки корма.
Установка работает следующим образом: рабочий орган 3 через несущую рамку I получает от эксцентрикового вибровозбудителя 7 прямолинейные наклонные колебательные движения, которые и являются причиной интенсивной циркуляции и смешивания сыпучих материалов, поскольку какие-либо специальные рабочие органы в открытом цилиндрическом желобе отсутствуют. Смешиваемые компоненты корма подаются в загрузочную часть, в том конце открытого цилиндрического желоба, где имеется торцевая стенка 4 и проходят, смешиваясь друг с другом, через всю длину рабочего органа. Интенсивное смешивание материала происходит в состоянии «виброкипения», возникающего за счет передачи колебаний рабочему органу шатунами, установленными под углом к горизонту в поперечной плоскости рабочего органа и перпендикулярно продольной оси рабочего органа или направлению транспортирования материала, обусловленному наклоном установки к горизонту под углом 0СН.
Прямолинейные колебательные движения рабочего органа происходят в плоскости, проходящей через оси вращения эксцентрикового вибровозбудителя и верхних головок шатунов, шарнирно соединенных с рамкой рабочего органа,, в направлении перпендикулярном этим осям. Эти колебания возникают под действием эксцентрикового вибро возбудителя, передающего их с определенной амплитудой рабочему органу через шатуны, расположенные под углом от 10 до 60 к горизонту и имеющие одинаковый эксцентриситет.
Установка рессор параллельно друг другу и закрепление их к торцам несущей рамки перпендикулярно шатунам позволяет рабочему органу приводить смешиваемый материал в состояние виброкипения. При несоблюдении такого расположения элементов невозможна работа вибросмесителя: с заданным эффектом. Установка шатунов с одинаковым эксцентриситетом и расположение их параллельно друг другу и перпендикулярно продольной оси позволяет обеспечить устойчивость колебательного движения рабочего органа, что повышает надежность конструкции и интенсивность процесса смешивания.
На вибрационном смесителе (рис. 3.2) имеется возможность прикрепления к несущей рамке рабочих органов различной конфигурации и диаметра (рис. 3.3). Открытая форма смесительного органа-желоба позволяет наблюдать характер циркуляции, смешивания и транспортирования сыпучего корма, производить фотографирование, киносъемку и отбор проб в любом месте смесителя. На несущей рамке рабочего органа устанавливается карандаш для замера амплитуды колебаний, отверстия для крепления кронштейнов рессор (рис. 3.4), имеются вилки для крепления шатунов (рис. 3.5), кроме того, по мере надобности устанавливаются и другие приборы.
Угол вибрации регулируется от 10 до 60 перемещением крепежных кронштейнов рессор в пазах 11с жесткой фиксацией, при этом перпендикулярность рессор и шатунов всегда сохраняется. При изменении угла вибрации р гайки крепежных кронштейнов ослабляются и после установки на необходимый угол снова затягиваются. Угол наклона к горизонту вибрационного смесителя регулируется от 0 до 10 приспособлением 12 винтового типа. Жесткий эксцентриковый привод 7 (рис. 3.6) состоит из эксцентрикового вала, эксцентриковой полумуфты со штифтом, входящим в регулировочные отверстия полумуфты на скользящей шпонке, жесткого шатуна, шарнирно связанного с рамкой цилиндрического желоба. В нижней головке шатуна установлен шарикоподшипник, в котором с натягом устанавливается эксцентриковая полумуфта со штифтом. Амплитуда колебаний рабочего органа равна суммарному эксцентриситету, который, в свою очередь, равен сумме эксцентриситетов вала е\ и втулки эксцентриковой полумуфты Є2, т.е. имеет место А=Є1+Є2і вследствие чего изменение амплитуды колебаний рабочего органа осуществляется путем взаимного поворота вала и эксцентриковой полумуфты. Для этого полумуфта на скользящей шпонке отводится от полумуфты со штифтом и соединение размыкается. Затем полумуфта с штифтом поворачивается относительно полумуфты на скользящей шпонке на заданный угол и вводится в зацепление штифтом. Пол у муфты прижимаются друг к другу болтом через прижимной стакан. Отверстия полумуфты на скользящей шпонке пронумерованы от 0 до 19, значит, изменение амплитуды колебаний осуществляется ступенчато. В верхние головки шатунов вставлены бронзовые втулки. Достоинство эксцентрикового привода - простота конструкции, гарантированная величина амплитуды колебаний рабочего органа, не зависящая ни от частоты, ни от величины колеблющихся масс, ни от технологической нагрузки. Для измерения потребляемой мощности на холостом и рабочем ходу привод рабочего органа экспериментальной установки был оборудован измерительным комплектом К-505 с классом точности 0,5 (рис. 3.7). Электродвигатель постоянного тока питался от сети 220 В через выпрямитель. Схема подключения лабораторной установки показана на рис. 3.8. Скорость вращения эксцентрикового вала, следовательно, и частоту колебаний желоба изменяли при помощи регулятора напряжения РН-250-5 и выпрямителя от Одо 1500 кол ./мин.
Реализация матрицы планирования, обработка экспериментальных данных и получение уравнений регрессии
Поиск оптимальных параметров производился также на ЭВМ с использованием программы Excel. При исследовании уравнений регрессии в оценке параметров моделей использовались методы: сопряженных градиентов и Ньютона. Оба метода дали одинаковые результаты по рассматриваемым параметрам (приложение 9).
В результате поиска оптимальных параметров были получены следующие значения, приведенные в таблице 4.9 и приложении 9. Из этих трех критериев оптимизации, наиболее важным является показатель однородности смеси (качество смешивания) М, %. Оптимальные значения остальных критериев оптимизации принимаем в зависимости от оптимального значения М, %. В дальнейшем изучаем последовательно влияние одного из независимых факторов, при стабилизации трех других с оптимальными значениями, на процесс смешивания и получения области оптимальных параметров вибросмесителя. На рисунках (4.9..,4.12) представлены изменения критериев оптимизации в зависимости от основных факторов: амплитуды колебаний желоба А, м; частоты колебания желоба to, с " ; угла направления вибрации р, град; угла наклона желоба к горизонту а, град. С увеличением амплитуды колебаний желоба до 0,007 м качество смеси повышается до 93,75%, вследствие роста интенсивности колебаний желоба, передающего импульсы компонентам корма. Это приводит к их циркуляции и смешиванию, дальнейшее увеличение амплитуды не приводит к улучшению качества смеси из-за возникновения вместо интенсивной циркуляции хаотичного соударения частиц сыпучего корма о внутреннюю поверхность желоба; При этом наблюдается повышение производительности вибросмесителя от L до 1,5 т/ч за счет увеличения пройденного пути частицы за определенное время, что ведет к повышению скорости транспортирования в желобе. Это в свою очередь приводит к снижению удельной энергоемкости процесса смешивания от 0,3 до 0,2 кВт-ч/т.
Наиболее существенный вклад на изменение критериев оптимизации вносит частота колебаний желоба. С ее увеличением качество смеси повышается до 93,75% и остается стабильным из-за роста интенсивности колебания желоба, что ведет к повышению скорости циркуляции компонентов смеси. Следовательно, с увеличением скорости циркуляции корма возрастает его скорость транспортирования, значит, и производительность вибросмесителя. Повышение производительности от 1,2 до 1,4 т/ч приводит к снижению удельной энергоемкости процесса смешивания от 0,3 до 0,24 кВт-ч/т. Стабильное высокое качество смеси при изменении частоты колебаний желоба в принятых пределах (рис.. 4.10) указывает на эффективность его поперечных прямолинейных наклонных колебаний.
С увеличением угла наклона желоба к горизонту качество смеси повышается, и максимальное значение имеет при а=б. Производительность вибросмесителя повышается до 1,6 т/ч при а=8 за счет увеличения скорости транспортирования, при этом качество смеси соответствует зоотехническим требованиям. Следовательно, мы можем утверждать, что повышение производительности вибросмесителя до 2 т/ч возможно без изменения его геометрических параметров и соблюдения зоотехнических требований по качеству смеси сыпучих кормов.
Угол направления вибрации также оказывает существенное влияние на качество смеси, так как при определенных углах исчезают застойные зоны в циркуляционном движении сыпучих кормов в желобе. С увеличением угла вибрации удельная энергоемкость процесса смешивания возрастает, потому что смещается центр колеблющихся масс от упругих связей - пластинчатых рессор к эксцентриковому приводу. Это приводит к росту динамических нагрузок на привод. Производительность вибросмесителя снижается из-за уменьшения скорости транспортирования сыпучего корма.
Эффективная вязкость сыпучего корма: в принятых пределах варьируемых факторов сильно не изменяется. Только увеличение частоты колебания желоба указывает на снижение эффективной вязкости сыпучего корма (комбикорма) при его высоком качестве.
Наибольшее влияние из основных факторов на процесс смешивания в вибрационном смесителе оказывают амплитуда и частота колебаний желоба, от которых зависит его интенсивность вибрации. Под действием достаточно интенсивной вибрации сыпучий корм в желобе вибросмесителя движется в направлении наименьшего сопротивления и усматривается главный принцип получения (или возникновения) эффекта вибрационного перемещения - необходимость асимметрии, обеспечивающей преимущественное, накапливающееся перемещение системы в определенном направлении. Под действием кинематических параметров мы имеем, в нашем случае, асимметрию кинематическую. Она обусловлена асимметрией траектории движения частиц сыпучего корма в желобе вдоль направления вибрации под углом р\ При прямолинейных наклонных колебаниях желоба в его поперечной плоскости механизм возникновения вибрационного перемещения состоит в следующем. В течение той половины периода, когда сила инерции в относительном движении направлена вправо и вверх (рис. 2.2), она либо отрывает частицу от внутренней поверхности желоба, либо ослабляет давление на нее, уменьшая нормальную реакцию, значит, и силу трения. В другую половину периода, когда сила инерции направлена влево и вниз, эта сила, наоборот, дополнительно прижимает частицу к внутренней поверхности желоба, увеличивая тем самым силу сухого трения. В результате происходит преимущественное движение корма вправо и вверх до определенного предела, сыпучий корм приобретает наклон в направлении вибрации и частицы корма скатываются по его свободной поверхности. Таким образом, обеспечивается циркуляционное движение сыпучего корма в цилиндрическом желобе вибросмесителя, позволяющее получить смесь высокого качества.
Похожие диссертации на Разработка и обоснование основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов
