Введение к работе
Актуальность темы. Высокая эффективность механизации технологических процессов должна быть достигнута оптимальным формированием и использованием системы машин. Уровень использования техники на животноводческих фермах определяет эффективность производства продукции животноводства. Отсутствием специальных смесителей для обеспечения потребностей животноводства полноценными кормовыми смесями и комбикормами одерживает выполнение этой задачи.
Кормление животных полноценными, сбалансированными по питательности кормами позволяет увеличить продуктивность животных, повысить эффективность использования кормов. Комбикорм является важной составляющей частью рациона животных. Он содержит комплекс необходимых питательных веществ, стимулирующих развитие животных. Для приготовления комбикормов в хозяйствах строят кормоцеха.
В республике Кыргызстан полнорационные смеси кормов готовят в фермских цехах, в которых предусмотрены дополнатздьно и комбикормовые отделения. В большинстве хозяйств комбикорма без предварительного смешивания готовят путем одновременного измельчения 2...4 компонентов в дробилках. Однако при таком приеме затруднено, получение комбикормов однородного состава. Смесители являются основным оборудованием в комбикормовых отделениях, которые обеспечивают заданное качество конечного продукта.
Для смешивания комбикормов в кормоцехах применяют различные дорогостоящие смесители из комбикормовой промышленности,смесители собственной конструкции, а также используют винтовые конвейеры.
Существующее многообразие смешивающих машин не удовлетворяет
зоотехническим требованиям и затрудняет выбор оптимальных средств для механизации процесса смешивания.
В кормоцехах республики Кыргызстан перерабатывается срани-тельно небольшой объем комбикормов. Поэтому рекомендуемая производительность смесителей для указанных отделений должна составлять 1,2...5 т/ч, а не 2U т/ч, которую развивают смесители 2G.1-I и другие, выпускаемые для всех зон страны. Іехнический уровень 2СІУІ-І очень низок (коэффициент использования не превышает 0,03), велика материалоемкость и энергоемкость процесса при низком качестве смешивания, что снижает эффективность использования комплекта аормоприготовительных машин.
На основании изложенного весьма актуальна задача по разработке малогабаритного смесителя с оптимальными конструктивно-режимными параметрами, увязанными с поточными линиями кормоцеха.
Цель работы. С учетом зоотехнических требований к технологической операции смешивания:изучить процесс смешивания сыпучих компонентов в малогабаритном смесителе непрерывного действия, изыскать тип и обосновать параметры рабочего органа, режима работы смесителя и способа определения качества смешивания, а также научно-обоснованные рекомендации по повышению эффективности технологического процесса смешивания в кормоцехах с использованием малогабаритного смесителя при приготовлении комбижормов на фермах. Разработать методику инженерного расчета.
Объектом исследования был экспериментальный малогаборитный двухвальный, лопастной смеситель непрерывного действия с большой удерживающей способностью. Основными компонентами комбикормов являлись сыпучие смеси зерновых культур. Исследовались рабочие органы и конструктивно-режимные параметры смесителя.
. Методика исследования. Іеоретическое исследование процесса смешивания и определение конструктиЕНО-режимных параметров малогабаритного смесителя проводили путем анализа характера движения частиц массы в камере смешивания. С помощью экспериментов проводили проверку результатов, полученных расчетным путем с использованием рентгеновских лучей, радиоактивных изотопов, флуоресценции. Процесс смошиванля в динамических условиях исследовался на специальных тензометрических установках. Обработка опытных данных проводилась методами математической статистики с использованием вычислительной техники.
Научная новизна. Получены теоретические зависимости для определения однородности и продольной скорости массы, релаксационной длины смешивания, как аналитическим, так и графическим способом от конструктивно-режимных параметров. Научно обоснована новизна конструкции малогабаритного смесителя, обеспечивающий эффективное смешивание компонентов с отличающимися физико-механическими свойствами. Разработан метод определения однородности массы с использованием рентгеновских лучей, радиоактивных изотопов и флуоресценции. Предложены расчетные формулы для определения производительности и энергетических характеристик смесителя. Выявлено преимущество малогабаритного смесителя перед серийными смесителями 2СМ-І и MGH-I. Предложенные зависимости конструктивно-режимных параметров могут быть использованы при разработке аналогичных смесителей.
Практическая ценность работы.
I. Создание и внедрение в производство высокоэффективного малогабаритного смесителя непрерывного действия, исходные требования на его разработку.
-
Результаты исследований использованы при проектировании малогабаритных смесителеіі для кормоцехов ;швотноеодчєских ферм малого типоразмера.
-
ьіатериалн исследован.ій малогабаритного смесителя кормов использованы ШЭСХ при разработке зоотехнических требований на агрегат малогабаритный комбикормовые непрерывного действия (поз. .. 10.1.06. Система машин). В зоотехнических требованиях, утвержденных wICX ССОР и ГхОЗХТ СССР в I9B5 году, пункт 7.1.10 принят по данным исследованиям.
-
Разработана методика инженерного расчета малогабаритного смесителя, дозволяющая изготовлять аппараты для заданной производительности.
Ь. Дредлокена методика использования рентгеновских лучей, радиоактивных изотопов и флуоресценции для определения'эффективности смешивания в смесителях непрерывного действия.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований могут быть использоЕаны конструкторскими орга;шзациями при проектировании малогабаритных смесителей, а также могут быть использованы организациями при проектировании смесителей как в вновь строящихся кормоцехах, так и при совершенствовании существухщих технологических комбикормовых линий.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях аспирантов и молодых ученых (1970, 1971, 1973, 1974, 1975, 1976, 1979, 1982, 1985, 1987 гг.), на заседании научно-технического Совета МСХ Киргизсной ССР; на заседании Ученого совета КиргН/Ж; на расширенном заседании КБ; на производственном совещании Сокулукского опытного хозяйства Кирг.НЛОЖ.
Публикация. По материалам исследований опубликовано 17 статей общим объемом 3,0 и.л. и одна брошюра объемом 5,25 п.л.
Внедрение. Разработанный смеситель внедрен в 3 опытных хозяйствах КирНИШ. Методика инженерного расчета малогабаритного смесителя одобрена на Ученом Совета и КБ института животноводства. Смеситель предложен" в "Систему машин для комплексной механизации животноводческих ферм республики Кыргызстан на І986-ІУ95 ггГ
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков (схемы,графики, фото), 7 таблиц,библиографию из 85 наименований и 8 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБО'Ш
Во введении обоснована актуальность темы обусловленная необходимостью создания малогабаритного смесителя для прифермерских кормоцехов, раскрыта общая характеристика работы, приведены основные положения, которые выносятся на защиту.
В первой главе "Состояние теории смешивания сыпучих материалов и задачи исследований" дана оценка состояния теории процесса смешивания, определено влияние различных факторов на повышение эффективности смешивания, описаны существующие методы оценки качества смешивания и технические средства, изложены цель и задачи исследований.
В настоящее время известно большое число теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению вопросов эффективности смешивания, исследованию конструктивно-режимных параметров работы смесителя (Е.А.Раскатова, О.И.Вутть, ГЛЛ.Кукта, Е.М.Клы-
чев, В.Э.Перельман, В.В.Кафаров, К.П.Севров, А.А.Дадшин, И.К.Ев-докименко, .А.Непомнящий, Д.Р.Кемпбел и другими авторами.
Обзор исследований показывает, что не смотря на сравнительно большое количество работ по смешиванию, яроцесс этот мало изучен. Некоторые исследователи в своих работах пользовались одними и теми же параметрами, но результаты получены неоднозначные.
Обзор исследоваялй по применению методов определения качества смешивания сыпучих материалов показывает, что имеется небольшое число работ, дающих объективную оценку однородности смешивания, поэтому необходимо изыскать метод менее трудоемкий и более точный.
Из обзора теоретических исследований и практики эксплуатации различных типов смесителей следует, что в экспериментальном смесителе лопастного типа смешивание происходит наиболее интенсивно, нежели в 2СМ-І, ЇДСН-І, которые не удовлетворяют требованиям по качеству смешивания и не соответствуют параметрам составных элементов поточных технологических линий. Например, производительность смесителя 2СМ-І превышает требуемую производительность линий кормоцехов в республике в 40...60 раз. Поэтому для приготовления небольшого количества комбикорма на фермах он будет работать не на полную нагрузку и в неоптимальних режимах, что экономически нецелесообразно.
Таким образом, для работы в поточных линиях кормоцехов необходима разработка нового типа малогабаритного смесителя с оптимальными параметрами, позволяющими наиболее полно решать вопросы комплексной механизации процессов приготовления при малых объемах и необходимой интенсификации смешивания.
В соответствии с целью поставлены задачи исследования:
-
Теоретически обосновать принципиальную схему малогабаритного смесителя, процесса смесеобразования и конструктивно-режимные параметры смешивающего аппарата.
-
Экспериментально проверить основные теоретические выводы, установить влияние конструктивно-режимных параметров на смешивание и энергоемкость процесса.
-
Обосновать и разработать методику оценки эффективности смешивания с применением рентгенографии, радиоактивных изотопов и флуоресценции.
-
Разработать методику инженерного расчета малогабаритного смесителя.
-
Провести производственные испытания и дать технико-эко-номкческув оценку применения малогабаритного смесителя в линиях приготовления комбикормов, в составе кормоцехов животноводческих ферм.
Вторая глава. "Теоретическое исследование процесса смешивания в лопастном смесителе" содержит результаты теоретических исследования процесса смеаивания, направленных на совершенствование режимно-конструктивных параметров и рабочих органов смесителя, а также обоснован процесс смешивания. Это есть результат больпого числа элементарных актов столкновения частиц в потоке воздуха, определяЕяийая вваимодейс'твием олементов конструкции смесителя с массой смеси. Обоснованы процесс смеыи?ания и конструктивно-режимные параметры смесителя. Описана схема движения материальной частицы и факторы, влияющие на изменения ее состояния.
Для описания процесса в смесителе непрерывного действия мы
используем релаксационное уравнение смешивания, которое используется в физике, гидродинамике, описывающее изменение однородности в массе во времени:
>-ulL-JLzliL
~ВГ - 4 ; (1)
где: (J - предельная однородность, достигаемая при данном режиме работы смесителя; ив - начальная однородность комбикорма на входе смесительной камеры; - продолжительность смешивания^.
Перемещение qC? массы вдоль оси канала смесителя за время
происходит со скоростью /ирод.
dz-Vnpod-dt. (2)
Іогда дифференциальное уравнение можно переписать в виде:
<*в - А-А о)
Из.анализа процесса смешивания следует, что время тем меньше, чем больше Уокр или частота вращения лопасти, так как за счет движения лопасти относительно сыпучей массы происходит возмущение последней и ускоряется связанное с ним перемещение массы. Продольная скорость массы в смесителе определяется формулой:
У»род = * Vo«p Sifid-Cos(diy3c
где: С, - коэффициент продольной скорости; Уокр- окружная скорость лопасти, м/с; dj - угол установки лопасти;
J3(ipl- предельный угол, определяющий максимальный угол установки лопасти; П. - текущее значение частоты вращения лопасти, мин" ; 1Ъ0 - теоретическая (критическая) частота вращения,мин" .
Коэффициент продольной скорости определяем по формуле:
t = Упрод
VoKp'Sin(l'Cos(cL+J(
Характер зависимости для t#
/ = %—г-; (в)
где: а,. - характеристика смесителя, зависящая от свойств сыпучей среды (в частности, от ее угла трения, плотности массы, формы частиц и имеющая размерность длины), м. Определяем параметр длины в#(ч>) '
Подставляя значение ~ и )/окр в формулу (3) получим:
где:
J9 „ &-&,' (6)
или dQ 8* -9„ . (7)
dz z+ '
где: 7. - предельная длина смесителя, для данной смеси, м.
В свою очередь предельную длину смесителя можно выразить
следующим образом: _
Это выражение можно представить в виде интегрального уравнения
Г cL0 Г
J 9«-в0 J
dz.
(9)
решение которого дает возможность определить изменение однород
ности в массе по длине смесителя и определяемся экспоненциальной
зависимостью: > ' (jq\
B-B.+fa-B.Ht-e-b).
В третьей главе "Программа и методика экспериментальных исследований" описины вопросы, которые необходимо экспериментально
і исследовать и пргводится методика их проведения.
. Опыты по определению конструктивно-режимных параметров смесителя проводили на специально разработанной установке, на которой определяли усилие, действущее на лопасть, потребную мощность для смешивания, а также проверку правильности результатов теоретических исследований.
Качество смешивания в смесителях непрерывного действия определяется, кроме основных факторов,точностью дозирования, для ликвидации влияния колебаний в дозировании смесители непрерывного действия должны иметь большую удерживающую способность (запас материала внутри смесительной камеры). Экспериментальным путем был изготовлен корпус смесителя, который удовлетворял таким требованиям. Было установлено, что при мгновенных изменениях в дозировании сыпучий материал, поступающий в малогабаритный смеситель, смешивается с большим количеством перелешанной массы, что делает его устойчивым к изменениям в дозировании.
Исследования проводились на экспериментальной установке,которая состоит из малогабаритного смесителя непрерывного действия, объемных дозаторов, ленточного транспораера. ., бункера-накопителя, пульта управления.
Экспериментальная установка (рис.1 ) состоит из металлического короба; двух валов, расположенных горизонтально на подшипниках качения; лопастей, установленных под углом к плоскости вращения; электропривода; дозатора компонентов и индикатора, бункера-накопителя.
Таким образом, при конструировании нового смесителя был заложен принцип увеличения удерживающей способности массы.
а-пинт» «пдккдтои
Рис. I Экспериментальная смесительная установка
Для определения распределения индикатора в часов коибинор-ца по площади сиесихельиоіі камери бшш использованы рентгеновские луга, радиоактивные изотопы и флуоресценция.
В наших исследованиях использовали сульфат бария для замачивания в нам контрольного индикатора, в качестве которого бил взят один из компонентов - ячменная дерть, которая соответствовала по ГОСТу 13496.1-74 крупнота иомола J* I.
При исследовании процесса в смесителе с использование!! флуоресценции окраску контрольного индикатора осуществляли ак-рлдзновш ордияевш красителем.
Методика определения контрольного индикатора при использо-езп:п Еяггано^2кях дучзй и флуоресценции основана на определении сс5д-:ксзадсіт:пзого отклонения в отдольньк пробах іл9ч<шнх частиц
-ІЗ-
от заданного.
методика измерен.щ энергетических показателей лопастного смесителя включала определение мощности, необходимой для перемещения массы при различном загрузке смесителя (от 2 до 6 т/н), определение значен:'.!* сопротивлений двихсен.ія лопастей в массе комбикорма, характер и зависимость от производительности.
Обработка экспериментальных данных проводилась в соответствии с принятыми правилами теории вероятностей и математической статистики.
В четвертой главе "Результаты экспериментальных исследовании" представлены данные, полученные в опытах.
Как показали экспериментальные исследования, продольная скорость сыпучей массы зависит от состава массы, угла трения, вращения рабочих органов и угла установки лопастей. Были исследованы различные зависимости, наилучший результат дает формула 4, Установлено, что экспериментальные точки согласуются с теоретической зависимостью, отражащей зависимость продольной скорости массы от угла трения, частоты вращения и угла установки лопастей. 1?п данные позволяют сделать выбор оптимальной величины угла установки лопастей для каздого вида продукта, а также определить скорость массы в смесителе.
Экспериментальные данные по изменению однородности в смесительной камере при различных смесях и режимов работы смесителя подтверждают правильность формулы 10. Результаты экспериментов ,по определению конструктивно-режимных параметров смесителя на однородность смешивания доказывают, что наиболее существенное влияние оказывают частоты вращения в пределах от 250 до 450 мин-. Повышение однородности массы объясняется тем, что увеличивается
путь, пройденный лопастью в массе и тем самым суммарная длина взаимного перемещения частиц в единицу времени.
Увеличение частоты вращения от 450 до 1300 мин не елияєт на повышение качества смешивания, а наблюдается снижение однородности, но при этом увеличивается производительность смесителя.
Снижение однородности объясняется тем, что с увеличением частоты вращения рабочих органов на частицы смеси значительно воздействуют центробежные силы, которые отбрасывают их за пределы воздействия лопастей и практически перемещения частиц внутри массы не происходит.
При изменении угла установки лопастей от 15 до 45 однородность массы увеличивается от 70 до 95%, а при 85 однородность снизилась до 70$. Это объясняется тем, что в смеси происходит меньшее взаимопроникновение и перемещение частиц, преобладает отброс их из массы. Оптимальные значения угла установки лопастей находятся в пределах 30...60 и соответствуют однородности 75... 95 %.
Изменение однородности по длине смесительной камеры для комбикормов с углом трения 30, угле установки лопастей 45 и при частота вращения 350 мин показывает, что эффективность процесса смешивания устанавливается при-длине смесительной камеры 0,7 м, однородность при этом достигает 95$. Дальнейшее увеличение ее длины существенно не влияет на качество смешивания.
Кроме того, из графических данных следует, что зависимость t/=f{/l'(L,lf) может быть аппроксимирована в виде:
. в-[і-о.г(*^)У&?); сю
n^250(l-0.8sindi)w-r j (i2)
G^f(oL) = cos(cL-4S)-7 (із)
8--f(
Таким образом, при достаточной длине смесителя однородность на выходе из смесителя будет близка к предельной для данной смеси, которая при угле установки лопастей ob~ cLonT будет равна
S^fS-O.zf^'/jcos^-tfycosiy. (15)
При частоте вращения /7 = /7' однородность повысится и будет равной
Ux COS Z C0S 3 (16)
Следовательно, чем больше угол трения, тем меньше однородность.
Для того, чтобы удобней было находить значения Z ^ по изме
ренным профилям С/г в различных режимах, эти профили нужно пе
рестроить в виде зависимости относительного приращения однород
ности /-, у~,
Q-0 'Я.
в*~&о . (17)
Полученная теоретическая зависимость имеет вид:
9.^1-^^0.63. (їв)
*2
nI*Z-Z# п_; ,_^ ,. (ig)
9 = 1-exp(-rJ}-
Пример графического определения " 2L. " на основе экспериментальных данных показан на рисунке 2.
Полученные экспериментальные значения С/ в зависимости от режимных параметров /7.еС. У показывают, что степень' однородности имеет максимачьное значение при минимальном угле трения. Поэтому в производственных условиях сле.дует подбирать такой состав компонентов, при котором гранулометрический состав материа- _ лов был бы наиболее однородным и угол трения имел минимальные значения.
ІПИНЯ VRMEPU. h
Рис. 2. Графическое определение однородности массы по длине смесителя
Ю~0.63
Опытным путем установлено, что для получения массы высокой однородности процесс смешивания следует проводить в определенной продолжительности, при этом рабочие органы должны совершать требуемое количество перелопачиваний продукта. Этим объясняется необходимость установления оптимальных режимов работы смесителя, определить которые можно только после проведения экспериментов и теоретических исследований.
В результате наших исследований установлено, что производительность смесителя, однородность кпмбикормов и релаксационная длина смесителя определяются выражениями:
Vnpoa = V^' Sind. CosfdL +JwJp- -%J
где: (Х„, -бо - параметры, зависящие от конструкции смесителя. АооретичеслИ Еозмошюе максимальное значение однородности для дашюіі смеси реализуется при оС = 45, /1= П^{<{) яо уормула (14):
&»,<» = COS —I— *
Длину смесителя следует выбирать таким образам, чтобы яри 2 = L однородность в с мало отличалась от д+ предельной. иыбэреи это условие таким образом, чтобы
ви'- во ш1-е" .0.9. .. (»)
а - 0о -_і
'іогда нетрудно доказать, что СО- ±и =Є " (24) длина смесителя равна L = . п/0= 2,5 z, . (2Ь)
йссяадованля показали, что на одц^ичаость списи' отзывает влиял .а частота гранения рабочих оргааов от 250 до 450 шиГ^р для данного с:лес::тслл с;:ь цсой-іа Саііь 350 шш яри производи-теоьносгл b т/ч, утло установки лопасти 41>, угле трения продукта 30. при этом достигается однородность комбикорма 95$. иотреб-ыая мощность ііа привод смесителя с учетом потерь - 4 кВт.
ііряЕодена методика инженерного расчета малогабаритного смесителя от заданное производительности, которую разработали на основании исследована.
Ь длто:: главе "Результаты испитанліі смесителя а хозяйственных условиях" яриводони даннио производств .'Ннои проверки а количество выработанных комбикормов на опытных смесителе иа дермах. иропзЕОДСївопіше испытания показали, что опытный смеситель обеспечивает высокое качество смешивания.
L ьієстОіі главе "іохнипо-зкономическио показатели работы смесителя" проводится экономическое обоснование применения малогабаритного смесителя на ^ермс^шх кормоцехах, иредставлоаа технологическая линия комбикормового отделения, где указана установка смесителя, іірішепешіо малогабаритного смесителя в сравнении со сыесителем гСіа-І сниаает энергоемкость в 1,4 раза, штахлоан-кость в о раз, габариты в 4 раза.
-
для работы в лоточной линии комбикормового отделения кормоцеха существующие смесители 2CM-I и XH-I не в полной мере отвечают техническим требованиям. Использование их затруднено из-за больших габаритов, металлоемкости, производительности и низкого качества смешивания. Это обусловило необходимость проведения дополнительных исследований и разработку малогабаритного смесителя. Из анализа номенклатуры кормоприготовительных цехов республики перспективным являотся смеситель производительностью 5 т/ч, что определяет типоразмер смесителя для зональной системы машин.
-
В результате теоретических исследований определены аналитические зависимости, дозволяодяе определять продольную скорость массы в смесителе (формула 4), релаксационную длину смешивания (формула 8), однородность (формула 10). сйфективность смешивания зависит от осноеных факторов: частоты вращения и угла установки лопастей, их конструктивных размеров и свойств смешиваемых мато^ риалов.
-
Установлено, что в опытном смесителе конструктивно-режимные параметры обеспечивают интенсивность процесса смешивания выше, чем в смесителях 201.1-1 и ivlCH-I, выпускаемых для всех зон страны. Однородность массы составляет: в опытном - 95%, 2CM-I -70%, Ї'ЛСН-І - 75$. Экспериментально определены значения основных конструктивно-режимных параметров малогабаритного смесителя, обеспечивающего показатель однородности - 25%, производительность - 5 т/ч, частоту вращения - 350 мин , угол установки лопастей - 45, степень заполнения - 0,45, диаметр витка лопастей
0,3 м, шаг установки лопастей - 0,14 м, длина камеры.смешивания
0,7 м.
- 1\>-
4. Разработанная методика определения показателя степени однородности иассы с использованием рентгеновских лучей, радиоактивных изотопов и флуоресценции позволила изыскать способ наиболее простои, высокой точности и достоверности. Рентгенографический способ позволяет реализовать распределения частиц в смесителе до длине камеры смешивания в соответствии с влиянием изменения основных факторов.
Ь. Разработан аналитический (формула В) и графический (рис.2) способ оцредоления релаксационной длины смешивания в зависимости от основных факторов. Эти способы могут быть использованы при расчете и проектировании смесителей.
-
Определена энергоемкость процесса смешивания от степени заполнения смисителя и рекимннх параметров.
-
Дроизводственные испытания (по заключению комбикормовой лаборатории Фрунзенского мелькомбината) показали, что опытный смеситель обеспечивает эффективное смешивание. Результаты исследований внедрены в Оргочорсхой опытной станции по овцеводству Даеты-Стузского, в Сохулухсхом опытном хозяйстве Сохулухсхого, в хозяйстве "Кызыл-Октябрь" Узгенского районов. Разработанная методика инженерного расчета смесителя рассмотрена и утверждена в отделе механизации и КБ института, на заседании тех. Совета МСХ Кирг.ССР. Смеситель включен в Систему машин на 1986- 1995 гг.
Годовой экономический эффект от внедрения смесителя в хозяйстве в сравнении с 2CM-I составляет 649 руб.,а с МСН - 307 руб.
8. Результаты теоретических и экспериментальных исследова
ний, разработанная методика инженерного расчета смесителя могут
быть использованы в НИИ, машиноиспытательных станциях в хоаструи-*
торских и проектных организациях, занимающихся разработкой я оо-
вершенствованием аппаратов пля смешивания.
