Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние исследований и механизации процесса дозирования-смешивания кормов 11
1.1 Анализ конструкций дозаторов-смесителей и их классификация 11
1.2 Обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов дозирования-смешивания 17
1.3 Обзор методов определения качества смешивания, размера проб и их отбора 30
1.4 Анализ литературного обзора, цель и задачи исследований 38
2 Теоретическое обоснование конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя 39
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы дозатора-смесителя. Схема проведения исследований 39
2.2 Обоснование производительности дозатора-смесителя 44
2.3 Обоснование параметров смесительной камеры 56
2.3.1 Определение параметров окон основной воронки 58
2.3.2 Обоснование параметров разбрасывателя 62
2.4 Обоснование затрат мощности на привод рабочих органов дозатора-смесителя 70
ВЫВОДЫ 77
3 Программа и методика экспериментальных исследований дозатора-смесителя 78
3.1 Программа и методика экспериментальных исследований 78
3.2 Методика исследования физико-механических свойств компонентов концентрированных кормов 85
3.3 Методика лабораторных исследований доза гора-смесителя 87
3.4 Методика производственных исследований дозатора-смесителя концентрированных кормов 99
Выводы 100
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований дозатора-смесителя 102
4.1 Физико-механические свойства, используемых в исследованиях, зерновых компонентов концентрированных кормов 102
4.2 Результаты определения производительности дозатора-смесителя 103
4.3 Результаты определения равномерности дозирования компонентов концентрированных кормов, дозатором-смесителем 110
4.4 Влияние конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя па равномерность смешивания компонентов концентрированных кормов 115
4.5 Результаты определения энергоёмкости смесеобразования 126
Выводы 129
5 Исследования дозатора-смесителя в производственных условиях. экономическая оценка результатов исследований 130
5.1 Производственные испытания дозатора-смесителя 130
5.2 Определение абсолютных экономических показателей и сравнительной эффективности применения дозатора-смесителя 132
Общие выводы 137
Список литературы 138
Приложения 150
- Обзор методов определения качества смешивания, размера проб и их отбора
- Обоснование параметров разбрасывателя
- Методика производственных исследований дозатора-смесителя концентрированных кормов
- Результаты определения равномерности дозирования компонентов концентрированных кормов, дозатором-смесителем
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее ответственными операциями при производстве комбинированных и концентрированных кормов являются дозирование и смешивание, так как при этом необходимо обеспечить не только заданное количество каждого компонента, но и равномерное распределение компонентов во всём объёме приготовленного корма. Несоблюдение этих требований ведёт к снижению питательности и сбалансированности корма.
Применяемые для приготовления комбинированных и концентрированных кормов машины периодического принципа действия имеют высокую точность дозирования и равномерность смешивания, но отличаются большими габаритными размерами и затратами времени на загрузку компонентов и выгрузку готового корма, высокой энергоёмкостью смесеобразования. Применение дозирующих и смешивающих машин непрерывного принципа действия позволит сократить время и снизить энергоёмкость производства концентрированных и комбинированных кормов, а совмещение их в один агрегат – снизить материалоёмкость конструкции и сократить транспортные пути внутри кормоцеха.
Однако до настоящего времени кормоприготовительные машины непрерывного действия не получили широкого распространения из-за того, что качественные показатели приготавливаемого ими корма не соответствуют зоотребованиям по равномерности смешивания и точности дозирования.
Поэтому, исследования и разработка комбинированных машин непрерывного действия, приготавливающих концентрированные корма требуемого качества, остаётся актуальной научной и практически значимой задачей для АПК России.
Исследования проводились по плану НИОКР ФГБОУ ВПО «Самарская ГСХА» в соответствии с темой № 12 «Совершенствование процессов дозирования и смешивания компонентов кормов».
Цель исследований. Улучшение показателей приготовления концентрированных кормов дозатором-смесителем непрерывного действия с независимым приводом разбрасывателя и скребков, обеспечивающим взаимопроникновение потоков компонентов смеси.
Объект исследований. Технологический процесс дозирования и смешивания компонентов концентрированных кормов в дозаторе-смесителе непрерывного действия.
Предмет исследований. Показатели, характеризующие процесс приготовления концентрированных кормов (производительность дозатора-смесителя, энергоёмкость смесеобразования, равномерность смешивания и дозирования компонентов концентрированных кормов).
Методика исследований. Теоретические исследования дозатора-смесителя выполнялись с использованием основных положений, законов и методов классической механики и математики. Разработанный дозатор-смеситель исследовался в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ТКП 273-2010 (02150) и частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований дозатора-смесителя осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ Statistica 8.0, Mathcad 14.0a, Microsoft Office Excel 2007. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; проведением сравнительных исследований разработанного дозатора-смесителя и дозатора-смесителя непрерывного действия ДСНД-10 в производственных условиях.
Научная новизна. Уточнённые формулы по определению производительности дозатора-смесителя, мощности, затрачиваемой на независимый привод разбрасывателя и скребков, энергоёмкости смесеобразования; конструкция дозатора-смесителя; рациональные значения конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя.
Новизна технического решения подтверждена патентом на изобретение РФ № 2415386.
Практическая значимость. Разработанный дозатор-смеситель с независимым приводом разбрасывателя и скребков, обеспечивающим взаимопроникновение потоков компонентов, позволяет повысить равномерность смешивания компонентов концентрированных кормов на 16 %, производительность на 17 % и при равномерности дозирования не менее 95 % снизить энергоёмкость смесеобразования на 92 % по сравнению с дозатором-смесителем непрерывного действия ДСНД-10.
Реализация результатов исследований. Дозатор-смеситель прошёл производственную проверку в СПК «Надеждино» Самарской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на НПК ФГОУ ВПО «Самарская ГСХА» (2007…2010 гг.), ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2007 г.), втором туре Всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых учёных высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа в номинации «Технические науки» (2010 г.). В 2009 году работа, выполненная в рамках гранта, выиграла Самарский областной конкурс «Молодой учёный».
Экспериментальный образец дозатора-смесителя экспонировался на XII Поволжской агропромышленной выставке, проходившей на базе ФГУ «Поволжская зональная машиноиспытательная станция» в 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в т. ч. 4 статьи в изданиях, указанных в «Перечне…ВАК». Две статьи опубликованы без соавторов. Получен патент РФ на изобретение №2415386. Общий объём публикаций составляет 2,05 п.л., из них автору принадлежит 1,16 п.л.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы из 124 наименований и приложения на 10 с. Работа изложена на 150 с., включает 51 рис. и 11 табл.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
-
Уточнённые формулы по определению производительности дозатора-смесителя, мощности, затрачиваемой на независимый привод разбрасывателя и скребков, энергоёмкости смесеобразования в зависимости от конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя, физико-механических свойств компонентов концентрированных кормов.
-
Конструктивно-технологическая схема и конструкция дозатора-смесителя с независимым приводом разбрасывателя и скребков.
-
Рациональные значения конструктивных (количество окон основной воронки и угол наклона их образующих, количество спиральных направляющих, их шаг и ширина, минимальный угол секции бункера для компонентов концентрированных кормов) и режимных (частота вращения разбрасывателя) параметров дозатора-смесителя, комплексно влияющих на равномерность смешивания и дозирования компонентов концентрированных кормов, производительность дозатора-смесителя, мощность независимого привода разбрасывателя и скребков, энергоёмкость смесеобразования.
Обзор методов определения качества смешивания, размера проб и их отбора
Изучение влияния центрального угла секций бункера на величину ошибки дозы, показали, что она возрастала с уменьшением угла между перегородками для некоторых зерновых материалов менее 30, а для отрубей менее 40 [101].
Для многокомпонентного тарельчатого дозатора зерновых культур, минимальный угол установки перегородок составит 25...30, а для отрубей и измельченных компонентов 35...40 [101J.
С учётом контакта с кормом элементов побудителя, велик пусковой момент на приводе, что является одним из важных предпосылок снижения надёжности машин в целом. По данным Э. Дженике пусковой момент на приводе побудителей при выпуске материалов из бункеров может превышать номинальный пусковой момент в 10 и более раз [42]. Однако исследований по снижению пускового момента на приводе бункерных устройств крайне мало.
Почти отсутствуют исследования по использованию быстросъёмпых рабочих органов различного назначения, обеспечивающих выпуск материалов с различными физико-механическими свойствами от сыпучих до трудносыпучих, связных [42, 102].
Исследованиями барабанных дозаторов и выходящего из них потока занимались А.А. Власов, К.М. Мишин под руководством В.В. Коновалова.
Власовым А.А. получена статистическая модель изменения размеров потока сухого материала в камере увлажнения: величина Нь сечения потока изменяется незначительно, а 11а по зависимости [30]
На=Н а(0Ят + 4.66510 "4 п-9Lc-9), (1.22)
где Н а - начальная ширина сечения потока, м;
Lc - расстояние до рассматриваемого сечения, м.
К.М. Мишин, при изучении барабанного дозатора с отогнутыми лопастями и щелевым отверстием, было установлено, что ширина потока корма выходящего из дозатора-метателя /7, зависит от частоты вращения барабана п и расстояния от выгрузной горловины до ючки замера Lx и определяется по формуле [ /7, =50,20344 In(0,102864 и + 0,02868 Ц). (1.23)
Наиболее существенное влияние на ширину потока оказывает расстояние от выгрузной горловины до точки замера. С ростом частоты вращения ширина потока незначительно увеличивается, что приводит к снижению концентрации материала и соответственно к улучшению равномерности смешивания.
В работе Евсеенкова СВ. было отмечено, что следует отказаться от смешивания как совокупности случайных перемещений частиц. Процесс смешивания, это процесс формирования частиц в подвижные слои - массивы, которые при движении образуют геометрическую картину (которую назвали исходной) и в этом приближении к ней получается готовая смесь [44].
Было выведено уравнение относительного скольжения слоев W p (сглаживающую способность смеси теля), которую можно регулировать в зависимости от характеристик конкретных дозаторов и других параметров [44]
$ж - угол между направлением колебаний и дном жёлоба, град.;
«ж- - угол между горизонтом и дном жёлоба, град.;
Гг, Гж - динамические коэффициенты;
Кф — коэффициент неравномерности выдачи отдельных компонентов;
Kj, К2 — динамические коэффициенты.
В ходе проведения исследований был сделан вывод, что параметры процесса смешивания улучшаются по мере уменьшения смешиваемых объёмов и одновременного увеличения площади поверхности массива каждого компонента. Работа смешивания нескольких компонентов при непрерывном их дозировании будет складываться из работы смешивания компонентов и работы затраченной на сглаживание флуктуации потоков компонентов при их дозировании.
Анализ исследований непрерывных процессов дозирования и смешивания сыпучих компонентов кормов показал, что большое количество работ посвящено исследованиям этих процессов отдельно друг от друга. Однако многие исследователи отмечали неразрывность процессов дозирования и смешивания и как следствие необходимость изучать эти процессы как один процесс смесеобразования.
При изучении процесса непрерывного дозирования-смешивания немаловажным является вопрос о критерии оценки качества приготовленной смеси.
В настоящее время существует множество различных методик, используемых для определения качества смешивания [36, 92, 103, 109]. При исследовании смеси иа однородность практически все исследователи принимают смесь двухкомнонентнои, то есть считают один компонент контрольным (обычно содержащийся в меньшем количестве), а сумму других считают вторым компонентом.
Соотношение компонентов в точках смеси - величина случайная, поэтому для того чтобы определить, насколько хорошо перемешаны компоненты корма, необходимо ввести критерий оценки качества смешивания кормовых продуктов. Этот показатель должен быть по возможности теснее связан с характеристикой получаемой смеси, легко определяться и не должен зависеть от характера перемешивания [24J.
Обоснование параметров разбрасывателя
Известно, что существует три варианта взаимодействия потоков компонентов [57]: а) при отсутствии взаимного проникновения; б) взаимное проникновение и перемешивание потоков; в) скрещивание потоков, а при наличии концентратора - перемешивание. Условием хорошего перемешивания (со взаимным проникновением) потоков сошедшего с разбрасывателя и прошедшего через окна в основной воронке будет равенство или превосходство в скорости потока сошедшего с разбрасывателя, т.е. vc v 4 . С учётом (2.77) определим необходимый радиус разбрасывателя
Радиус разбрасывателя будет зависеть от параметров основной воронки, которые влияют на скорость движения и схода частицы корма с неё, а также будут определять угловую скорость вращения диска разбрасывателя.
Частота вращения разбрасывателя сильно влияет на характер взаимодействия двух вышеуказанных потоков, так как от частоты его вращения зависит скорость схода частиц с диска разбрасывателя, которая в свою очередь, для эффективного взаимодействия потоков, должна быть больше или равна скорости падающих потоков (рисунок 2.10)
1. Разработанная структурная схема дозатора-смесителя (рисунок 2.1) определила критерии оценки его технологического процесса: основным количественным показателем рабочы дозатора-смесителя являє і ся его производительность, качественным показателем является равномерность смешивания компонентов корма, энергетическим — затрачиваемая на привод рабочих органов дозатора-смесителя мощность и удельная энергоёмкость смесеобразования.
2. В ходе теоретического анализа предложенной конструктивно-технологической схемы дозатора-смесителя была получена аналитическая зависимость производительности дозатора-смесителя (2.15), которые задаются производительностью многокомпонентного дозатора, но при условии, что смеситель может обеспечить не меньшую пропускную способность. Уточнено влияние скорости движения скребка на величину объёма сбрасываемого корма, что учтено поправочным коэффициентом, вводимым в аналитическое выражение производительности.
3. Обоснованы параметры смесительной камеры: для основной воронки определён угол наклона образующей, количество окон и их начальный радиус; для разбрасывателя определена высота его расположения иод горловиной основной воронки, его частота вращения и радиус, исходя из условия обеспечения наилучшего взаимопроникновения потоков компонентов; определён диаметр цилиндра, исходя из необходимой пропускной способности смесителя.
4. Получена зависимость потребной мощности на привод скребков и разбрасывателя, с допущением того, что дозируется один компонент со значениями физико-механических свойств равными усреднённым значениям физико-механических свойств реальных компонентов, энергоёмкости смесеобразования от конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя, физико-механических свойств компонентов концентрированных кормов.
Методика производственных исследований дозатора-смесителя концентрированных кормов
Исследование и определение значений технологических параметров дозатора-смесителя, осуществлялось в соответствии с требованиями норм ТКП 273-2010 (02150), НТП-АПК 1.10.16.002.-03, НТП-АПК 1.10.16.001.-02. [89,90, 109].
Исследовалось влияние технологических параметров на равномерность смешивания компонентов концентрированных кормов, затрачиваемую на привод рабочих органов дозатора-смесителя мощность, производительность дозатора-смесителя и энергоёмкость смесеобразования. Определение численных значений критериев оценки работы доза юра-смесителя проводилось по указанным ранее методикам (производительность дозатора-смесителя, мощность затрачиваемая на привод рабочих органов, энергоемкость смесеобразования, равномерность смешивания компонентов концентрированных кормов).
План, уровни варьирования факторов в проводимых сериях производственных опытов, а также используемые критерии оценки при изучении процессов приведены в таблице 3.3.
Исследование равномерности смешивания и производительность дозатора-смесителя проводилось по ранее описанным методикам.
Определение мощности проводилось как при работе дозатора-смесителя па холостом ходу, так и при приготовлении концентрированного корма. При этом использовался прибор К - 505.
Частота вращения разбрасывателя и скребков задавались частотными преобразователями.
1. Для подтверждения теоретических предположений и проверки полученных зависимостей производительности дозатора-смесителя и энергоёмкости смесеобразования, в рамках разрабатываемой темы, была разработана программа (рисунок 3.2) экспериментальных исследований непрерывного процесса дозирования-смешивания, план проведения экспериментальных исследований (таблица 3.2) выбраны общая и частные методики проведения лабораторных исследований дозатора-смесителя.
2. Создан опытный образец дозатора-смесителя (рисунок 3.5) по чертежам, разработанным па основании аналитических исследований и других технических рекомендаций. В соответствии с программой и планом проведения лабораторных исследований были разработаны и изготовлены различные рабочие органы (рисунок 3.8, 3.9)
3. На основании методики многофакторного планирования эксперимента, а также программы исследования дозатора-смесителя были выбраны наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на процесс смесеобразования и составлен план проведения экспериментальных и производственных испытаний. Для обработки данных экспериментальных исследований были изучены и применены программы Slatistica 8.0, Mathcad 14.0, Microsoft Office Excel 2007 [23, 39J , что позволило вынести более точное решение, касающееся оптимизации рассматриваемого устройства и ускорить обработку полученных результатов.
В данном разделе уточнены значения физико-механических свойств используемых для исследований компонентов кормов, получены экспериментальные зависимости, производительности дозатора-смесителя, равномерности смешивания и минимального угла секций бункера компонентов от конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя, определена энергоёмкость процесса смесеобразования и проведены расчёты сходимости экспериментальных и теоретических данных.
4 Физико-механические свойства, используемых в исследованиях, зерновых компонентов концентрированных кормов
Различия в физико-механических свойствах компонентов концентрированных кормов могут оказывать сугцественное влияние па равномерность смешивания и дозирования. Для определения влияния вышеуказанных параметров на процесс смесеобразования, по методикам указанным в разделе 3.4.1 были уточнены физико-механические свойства компонентов смеси, используемых при экспериментальных исследованиях дозатора-смесителя.
Экспериментальные исследования проводились на смеси состоящей из 20 % дерти ячменя, 35 % дерти пшеницы, 30 % дерти кукурузы, 14 % дерти овса. В качестве контрольного компонента использовалось пшено, вводимое через дозатор контрольного компонента в размере 1 % от общего объёма смеси. Ввод контрольного компонента осуществлялся через секцию бункера, занимаемую дертью пшеницы [76].
Согласно зоотребованиям доля пылевидной фракции составляла менее 20 % [89].
Результаты определения равномерности дозирования компонентов концентрированных кормов, дозатором-смесителем
Равномерность дозирования, наряду с производительностью, является важной характеристикой дозатора, так как от неё зависит, будет ли выдержан рецептурный состав смеси. По требованиям для дозирующих машин (подраздел 1.1) при приготовлении концентрированных кормов равномерность дозирования компонентов должна быть не менее 95 % в сравнении с заданной рецептом нормой.
Для повышения равномерности дозирования компонентов, конструкцией дозатора-смесителя предусмотрена установка нескольких скребков, которые сбрасывают корм равномерно по всему краю неподвижного диска. Работа скребка представлена на рисунке 4.8.
На рисунке видно, что компонент корма сбрасывается скребком равномерно по всей кромке неподвижного диска. Установка системы скребков позволяет непрерывно дозировать все компоненты корма с высокой равномерностью.
Для определения зависимость равномерности дозирования от частоты вращения скребков, были проведены исследования и построены графики для каждого компонента используемого для приготовления смеси.
Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 4.7.
Таблица 4.7 - Результаты определения равномерности дозирования
По результатам экспериментов были построены графики (рисунок 4.9) зависимости равномерности дозирования компонента от частоты вращения
Как видно из графика равномерность дозирования каждого компонента составила не менее 95 %, при частоте вращения скребков пс = 15...25 мин" .
Для определения влияния па равномерность дозирования дерти ячменя таких параметров дозатора-смесителя как высота поднятия манжеты, частота вращения скребков и угол секции бункера, был проведены исследования результаты которых представлены в таблице 4.5.
После обработки данных и раскодирования факторов, было получено уравнение регрессии
vd=l,059 + h399hM + 4,219wc - 0,01799А - 0,1205w + 0,02/foc - 6,143, (4.2) где /? - угол секции бункера компонента, град.; hM - высота поднятия манжеты, мм; пс - частота вращения скребков, мин"1.
По полученным данным были построены поверхности отклика при частотах вращения скребков пс - 10, 20, 30 мин"1 (рисунок 4.12) и их двухмерные сечения (рисунок 4.13,4.14, 4.15).
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что равномерность дозирования: дерти ячменя увеличивается при уменьшении высоты поднятия манжеты, и увеличении углаі секции бункера: При низких частотах вращения скребков, массив компонента, находящийся в секции бункера, движется, импульсивно,, из-за взаимодействия со стенкой бункера и поверхностью перегородок. Это снижает равномерность дозирования компонента. Учитывая некоторые различия-в физико-механических свойствах дерти различных компонентов, можно рекомендовать интервал частот вращения скребков пс = 15...25 мин"1 (производительность 10,5... 15 т/ч), где равномерность дозирования более 95 %, а также, для дерти зерновых компонентов, можно рекомендовать минимальный угол секции бункера = 35...40 град., при частоте вращения скребков 20 мин:1. Исходя из этого, максимальное количество дозируемых и смешиваемых компонентов будет равно 9, при минимальной доли компонента в смеси: 11 %.
Оптимальная высота поднятия манжеты составила.35...40 мм, при высоте скребкаЗО мм.
Влияние конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя на равномерность смешивания компонентов концентрированных кормов
В задачу экспериментальных исследований дозатора-смесителя входило определение зависимости равномерности смешивания компонентов концентрированных кормов от конструктивных и режимных параметров дозатора-смесителя. На основе предыдущих исследований и теоретического анализа работы дозатора-смесителя, в качестве значимых факторов были выбраны: частота вращения разбрасывателя пр (Х4), количества окон основной воронки zOK (Х9) и угол их образующих ці{Хю), количество ги (Х7), шаг SH (Хб) и ширина Ьн (Х8) спиральных направляющих в цилиндре [51].
Для исследования влияния на процесс приготовления концентрированных кормов таких факторов как количество окоп основной воронки и угол их образующих, а также частота вращения разбрасывателя, был проведён рас-ширенный многофакторный эксперимент 2 [51]. Полученные в ходе исследований данные представлены в таблице 4.9.
