Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 14
1.1 Особенности приготовления сухих рассыпных кормовых смесей. Зоотехнические требования к смесителям кормов 14
1.2 Анализ устройств для приготовления сухих рассыпных кормосмесей 17
1.3 Анализ результатов исследований смешивания сухих рассыпных смесей 48 Цель работы и задачи исследований 71
2 Теоретические исследования и обоснование параметров шнеколопастного смесителя 73
2.1 Описание конструктивно-технологической схемы предлагаемого шнеколопастного смесителя 73
2.2 Обоснование параметров шнеколопастного смесителя
2.2.1 Факторы, влияющие на процесс смешивания 75
2.2.2 Определение полезного объема бункера 75
2.2.3 Обоснование конструктивных параметров шнекового участка 78
2.2.4 Обоснование конструктивных параметров участков перемешивающе-транспортирующих лопаток 79
2.2.5 Обоснование конструктивных параметров участка перебрасывающих лопастей 81
2.2.6 Определение производительности шнеколопастного смесителя 83
2.2.7 Обоснование частоты вращения рабочего органа 87
2.2.8 Определение мощности, потребляемой на процесс смешивания в шнеколопастном смесителе 90
Выводы 99
3 Программа и методика экспериментальных исследований 101
3.1 Программа экспериментальных исследований 103
3.2 Общая методика экспериментальных исследований 103
3.3 Методики определения физико-механических свойств кормов 105
3.4 Техника отбора проб из смеси 111
3.5 Методика определения коэффициента удельного сопротивления перемещению лопатке и лопасти 113
3.6 Методика экспериментального исследования влияния угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток на потребляемую мощность и качество смеси 116
3.7 Методика проведения экспериментальных исследований по определению рациональных значений режимных и технологических параметров шнеколопастного смесителя 120
4 Результаты и анализ исследований 126
4.1 Результаты исследований физико-механических свойств смешиваемых кормов 126
4.2 Результаты экспериментального определения удельного сопротивления перемещению лопатки и лопасти 127
4.3 Экспериментальное обоснование рационального значения угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток 129
4.4 Проверка сходимости теоретических значений потребляемой мощности с экспериментальными 133
4.5 Обоснование рациональных значений режимных и технологических параметров шнеколопастного смесителя 136
Выводы 142
5 Производственная проверка шнеколопастного смесителя кормов. технико-экономическая оценка эффективности его внедрения 145
5.1 Результаты производственной проверки шнеколопастного смесителя 145
5.2 Оценка экономической эффективности применения шнеколопастного смесителя кормов 147
Выводы. 152
Заключение 154
Список используемых источников
- Анализ устройств для приготовления сухих рассыпных кормосмесей
- Обоснование конструктивных параметров шнекового участка
- Методики определения физико-механических свойств кормов
- Экспериментальное обоснование рационального значения угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В реализации задачи восстановления и развития производства продукции животноводства особое место занимают корма. На долю корма в себестоимости птицеводческой и животноводческой продукции приходится по разным данным от 50 до 75% затрат. Зоотехнической наукой и практикой доказано, что кормление полнорационными кормовыми смесями позволяет повысить продуктивность животных на 25…30%, снизить расход кормов на единицу продукции на 15…20%. Значительную долю в составе полнорационных кормовых смесей занимают сухие рассыпные корма: в рационе птицы – 95…100%, свиней – 85…90%, крупного рогатого скота – 24…30%. Смешивание компонентов корма решающим образом сказываются на продуктивности животных. В состав кормовых смесей и комбикормов может входить от 10 до 50 различных компонентов. В настоящее время затраты труда на приготовление кормосмесей по данным ряда авторов составляют 45...60% от общих затрат на производство единицы продукции. Существующие смесители кормов обеспечивают необходимую однородность кормосмеси, но имеют повышенные удельные затраты энергии. Поиск наиболее совершенных и эффективных смесителей ориентирован на возможность их использования непосредственно в хозяйствах, малые габариты, пониженные удельные затраты энергии, достаточное качество корма. Одним из путей снижения затрат энергии на единицу корма является совершенствование рабочих органов и режимов работы смесителей кормов.
Диссертация выполнялась в соответствии с государственными контрактами № 9641-4 от 15 июня 2009 г. по теме «Совершенствование технологического процесса приготовления сухих рассыпных кормосмесей за счет разработки и обоснования параметров шнеколопастного смесителя» и № 13986-4 от 28 декабря 2010 г. по теме «Совершенствование технологии приготовления сухих рассыпных кормо-смесей за счет оптимизации параметров шнеколопастного смесителя», финансировавшимися Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «УМНИК»), а также в рамках ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы 2010–2011 годы» и с Программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2011 – 2015 гг. по проблеме 09: «Разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства».
Степень разработанности темы. Решением проблем приготовления кормов занимались ученые: А. М. Григорьев, Р. Л. Зенков, Г. М. Кукта, В. Г. Коба, В. И. Сыро-ватко, А. И. Завражнов, М. А. Тишенко, В. Ф. Першин, В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, О. В. Демин, С. Ю. Астапов, В. В. Утолин, Г. С. Мальцев, Г. Г. Соломатин, И. М. Кия-мов, А. Г. Иванов, М. А. Васильева, И. А. Боровиков, С. В. Евсеенков, Л. В. Бойко, А. П. Иванова, В. К. Мартынов, В. В. Гунько, Т. И. Пискарева и другие. В результате их исследований совершенствовались технологические процессы и технологическое оборудование.
Анализ изученных работ показал, что недостаточно исследованным является вопрос снижения удельных затрат энергии на процесс приготовления сухих рассыпных кормов за счет применения смесителей с комбинированными рабочими органами, выполненными с чередующимися участками, не исследованы транспортирующие и смешивающие возможности комбинированных рабочих органов с чередованием функциональ-
ного назначения их участков. Требуются дальнейшие исследования технологического процесса смешивания и разработка нового смесителя.
Научная гипотеза. Организация регламентированного движения компонентов корма внутри бункера смесителя с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки, позволит сократить время получения смеси, удовлетворяющей зоотехническим требованиям, снизить удельные затраты энергии.
Цель работы. Снижение удельных затрат энергии на технологический процесс приготовления сухих рассыпных кормосмесей путем применения новых рабочих органов при сохранении качества, соответствующего зоотехническим требованиям.
Задачи исследования:
-
Разработать конструктивно-технологическую схему смесителя с новыми рабочими органами, позволяющими сократить время получения смеси, удовлетворяющей зоотехническим требованиям.
-
Провести теоретические исследования влияния конструктивных и режимных параметров шнеколопастного смесителя на время получения смеси и удельные затраты энергии.
-
Экспериментально определить рациональные значения конструктивных, технологических и режимных параметров шнеколопастного смесителя по показателям качества смеси и удельных затрат энергии на процесс смешивания.
-
Провести производственные испытания шнеколопастного смесителя, дать технико-экономическую оценку его использования.
Объект исследований. Технологический процесс смешивания сухих рассыпных компонентов кормовой смеси в шнеколопастном смесителе с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки.
Предмет исследований. Закономерности изменения удельных затрат энергии и качества процесса от параметров рабочих органов и режимов смешивания сухих рассыпных кормосмесей шнеколопастным смесителем.
Научная новизна диссертационной работы:
– конструктивно-технологическая схема смесителя с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки;
– теоретические зависимости времени цикла от массы загруженного корма, конструктивно-режимных параметров смесителя и физико-механических свойств смешиваемых материалов;
– математические модели, описывающие влияние технологических и режимных параметров смесителя и физико-механических свойств кормов на удельные затраты энергии и неоднородность смеси.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты теоретических исследований являются основой для совершенствования смесителей сухих рассыпных кормосмесей, расчета конструктивно-режимных и технологических параметров смесителей со шнеколопастными рабочими органами.
Разработан шнеколопастной смеситель сухих рассыпных кормосмесей периодического действия, новизна которого подтверждена патентом на изобретение РФ № 2381725 «Смеситель кормов».
Полученные результаты исследований и разработок рекомендуются для использования на животноводческих предприятиях при приготовлении сухих рассыпных кормосмесей; научно-исследовательским и проектным организациям при проектировании смесителей; в учебном процессе высших учебных заведений сельскохозяйственного профиля.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов прикладной теории динамики, механики сыпучих сред и математического анализа.
Экспериментальные исследования проводились в соответствии с общепринятыми методиками действующих ГОСТов, ОСТов и РД, а также частных методик с использованием сертифицированных приборов и оборудования. Результаты исследований обрабатывались методами дисперсионного и регрессионного анализа на ПЭВМ программами «MathCAD 14», «Excel 2007», «Borland Delphi 7.0», «Компас 3D V14».
Положения, выносимые на защиту:
– уточненная по типу рабочего органа классификация смесителей сухих рассыпных кормосмесей;
– конструктивно-технологическая схема шнеколопастного смесителя с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки, которые различаются по функциональному назначению и конструктивному исполнению;
– аналитические выражения для определения времени цикла, полезного объема бункера и мощности на процесс смешивания в шнеколопастном смесителе кормов в зависимости от его конструктивных и режимных параметров;
– зависимости влияния коэффициента наполнения бункера на частоту вращения рабочего органа;
– экспериментальные зависимости влияния частоты вращения рабочих органов, коэффициента наполнения бункера смесителя, угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток и времени смешивания на неоднородность смеси и удельные затраты энергии на процесс смешивания;
– рациональные значения конструктивно-режимных и технологических параметров машины;
– результаты производственных испытаний и технико-экономические показатели работы смесителя кормов.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования подтверждается: использованием апробированных методик, ГОСТов, ОСТов и РД, современной поверенной контрольно-измерительной аппаратуры; достаточной повторностью измерений; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; выступлениями на научно-технических конференциях, одобрением материалов докладов и публикациями в открытой печати; внедрением в учебный процесс и в производство.
Результаты исследований внедрены в колхоз-племенной завод им. В. И. Ленина Тамбовского района, Тамбовской области. Лабораторная установка и приборы используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях в ФГБОУ ВПО «Мичуринский ГАУ» (2009–2010 гг.); ФГБОУ ВПО «Тамбовский ГТУ» (2009 г.); ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н. И. Вавилова» (2011 г.); ФГБНУ ВНИИТиН (2011 г.); ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011 г.); ФГБНУ ВНИИМЖ (2015 г.).
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ в ведущих научных и научно-технических журналах, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК (4,46 печ. л., из которых 1,52 приходится на долю автора) и получен 1 патент РФ на изобретение.
Объем работы. Диссертация включает введение, 5 глав, общие выводы и список использованных источников из 193 наименований. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста и содержит 9 таблиц, 49 рисунков и 12 приложений.
Анализ устройств для приготовления сухих рассыпных кормосмесей
Существует целый ряд машин для приготовления комбикормов в условиях хозяйства, работающих по упрощенной технологической схеме: АК-1000, АК-2000, АК-3000, УЗ-ДКА-1, АМК-1, МКА-1, АКА-3.322, «AWAР», Р1-БКЗ-2-6, Р1-БК-5-6, «Прок», «Клад», УПК-0,7, УМК-Ф-2, ОПК-2, «SKIOLD», КУ-2, УК-2, установки комбикормовые «KOMBINAT», «RIELA», «MILL-MIXER», «SKIOLD PICCOLO», комбикормовые мини-заводы DOZA, комбикормовые заводы контейнерного типа производимые фирмами «OTTEVANGER MILLING ENGINEERS», «WYNVEEN INTER-NATIONAL B. V.», полуприцепные комбикормовые установки РМ 35 и «Mix all», самоходные установки для приготовления комбикормов фирм «Полымя» и «Awila» [82, 106, 108, 111, 115, 123, 174].
При любой технологической схеме при производстве сухих рассыпных кормосмесей обязательными является операция по смешиванию и наличие машины для выполнения этой операции – смеситель кормов [147]. Как видно из рисунка 1.1 в рассмотренной технологической схеме предусмотрено наличие нескольких смесителей. Основной задачей любого смесителя являет обеспечение требуемого качества смеси, достигаемого при минимальных удельных затратах энергии [159].
К качеству смеси предъявляются достаточно жесткие зоотехнические требования. Сбалансированные кормовые смеси могут содержать до 50 различных компонентов [79, 147]. Для обогащения кормовых смесей используют премиксы, в состав которых включены витамины, антибиотики, различные лекарственные вещества, синтетические аминокислоты, микроэлементы и биостимуляторы. Эти добавки вводят в комбикорма в малых дозах, составляющих от 0,01 до 0,001% [147]. Поэтому так важно применение смесителей обеспечивающих высокую однородность. Качество смешивания считается удовлетворительным, если неоднородность смеси не превышает 10% [187]. Зоотехнические требования устанавливают минимум однородности смеси: для свиней — 85 %; для птицы — 90 %; для КРС — 80 % (с вводом карбамида — 90 %); для комбикормов собственного производства — 90...95 % [79]. Конструкция смесителей должна удовлетворять ряду требований [79]: достаточная производительность и достаточное качество приготовляемых кормовых смесей; при смешивании частицы компонентов корма не должны разрушаться; дозировку компонентов корма надо изменять без дополнительных приспособлений; процесс загрузки компонентов в бункер смесителя должен быть механизирован; соответствие требованиям безопасности и санитарно-гигиеническим; высокая эксплуатационная надежность и простота в обслуживании; долговечность работы.
На российском рынке представлен большой выбор малогабаритного оборудования для приготовления сухих рассыпных кормосмесей, рассчитанного на животноводческие предприятия различной мощности. Отечественные агрегаты выполнены как правило по самой простой схеме, на них возможно приготовление самых простых кормовых рецептов, в технологическом процессе присутствует большая доля ручного труда и повышенные удельные затраты энергии на единицу корма. Импортное оборудование имеет ряд преимуществ, но высокая стоимость ограничивает ее массовое распространение [147]. Кроме того для обеспечения продовольственной безопасности страны «Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации на период до 2020г» предусмотрено - «поэтапное снижение зависимости отечественного агропромышленного и рыбохозяйст-венного комплексов от импорта технологий, машин, оборудования и других ресурсов» [66, 165]. Поэтому так важно стимулировать спрос на отечественное комбикормовое оборудование, а этого можно достичь лишь за счет создания более совершенного оборудования. Одним из путей решения этой задачи является совершенствование конструкций смесителей кормов, входящих в состав любого комбикормового агрегата, работа которого, в конечном итоге, определяет качество корма и в значительной степени затраты энергии на полученную единицу корма.
Анализ устройств для приготовления сухих рассыпных кормосмесей В настоящее время существует большое разнообразие различных конструкций смесителей выпускаемых промышленностью и отдельных образцов, разрабо 18 танных научно-исследовательскими институтами и конструкторскими бюро, изготовленных аспирантами и соискателями вузов, а также специалистами и рационализаторами предприятий, большое количество конструктивных схем предлагается в патентах и авторских свидетельствах. Одной из основных задач при проектировании новой конструкции смесителя является уменьшение удельных затрат энергии на процесс смешивания при соответствии получаемой смеси зоотехническим требованиям. Одним из путей достижения этих требований является совершенствование рабочих органов смесителей и оптимизация режимов их работы.
Для определения наиболее перспективных конструктивно-технологических схем смесителей был проведен анализ существующих конструкций. На основании имеющихся классификаций смесителей кормов была разработана уточненная по типу рабочего органа классификация (рисунок 1.2) [20, 22, 27, 35, 36, 63, 70, 79, 87, 88, 91, 95, 99, 101, 154, 159, 168, 179, 184, 186].
Все смесители классифицируются по ряду признаков. По своему производственному назначению имеются смесители для смешивания сухих, жидких, полужидких и тестообразных кормов, а также универсальные [79, 88]. Кормление сухими рассыпными кормами имеет ряд преимуществ: снижение затрат на приготовление и транспортировку, большие сроки хранения готового корма без риска его порчи, сокращение потерь корма при поедании, проще произвести механизацию и автоматизацию процессов приготовления и раздачи. Предпочтительным является создание смесителя для приготовления сухих рассыпных кормов.
По кинематическому режиму работы в зависимости от частоты вращения рабочих органов смесители можно разделить на тихоходные и быстроходные. Разделение смесителей по этому признаку производится по показателю кинематического режима, определяемого по формуле [79]:
Обоснование конструктивных параметров шнекового участка
На основании обзора существующих конструкций смесителей кормов, проведенного в первом разделе, нами предлагается тихоходный смеситель периодического действия с неподвижным прямоугольным корпусом и двумя горизонтально расположенными принудительно смешивающими комбинированными рабочими органами с чередующимися участками [27, 35, 37, 183, 184]. Схема этого смесителя представлена на рисунке 2.1. Смеситель состоит из бункера 1 с выгрузными патрубками 2 с заслонками, двух мотор-редукторов 3 с пультами управления мотор-редукторами 4, двух рабочих органов, каждый рабочий орган состоит из частей 5 и 6, вращающихся в противоположные стороны, на рабочих органах размещены участки шнековой навивки 7 длиной Lш, перемешивающе-транспортирующих лопаток 8 и 9 длиной Lшл1 и Lшл2 соответственно и перебрасывающих лопастей 10 длиной Lл. Переме-шивающе-транспортирующие лопатки имеют возможность поворота относительно оси вала. Общая высота бункера равна Нобщ.. Радиусы перебрасывающих лопастей Rл, шнековой навивки Rш, перемешивающе-транспортирующих лопаток первой Rпт1 и второй Rпт2 частей рабочего органа равны между собой.
Принцип работы смесителя заключается в следующем. Загружается корм в бункер 1. Включаются приводы 3 частей 5 и 6 рабочих органов. Под действием шнековой навивки 7 и перемешивающе-транспортирующих лопаток 8 корм, перемешиваясь, движется к выгрузному патрубку 2. Вращение части 5 рабочего органа осуществляется в таком направлении, при котором корм смещается к боковой стенке бункера 2. Часть 6 рабочего органа вращается в противоположную сторону относительно части 5 и перемешивающе-транспортирующие лопатки 9 перемешивают и перемещают корм к перебрасывающим лопастям 10, частично перебрасывая его в зону работы второго рабочего органа. Окончательный переброс корма в зону работы второго рабочего органа выполняют перебрасывающие лопасти 10. Аналогично, с тем же эффектом смешивания, но в противоположном направлении перемещает корм второй рабочий орган. По окончании перемешивания открываются заслонки патрубков 2, и готовая кормосмесь выгружается через них. На данную конструкцию смесителя получен патент № 2381725 (Приложение В) [35].
Такая конструктивно-технологическая схема смесителя обеспечивает организованное регламентированное движение компонентов корма и позволяет снизить удельные затраты энергии и получить качественную смесь. 2.2 Обоснование параметров шнеколопастного смесителя Все факторы, влияющие на процесс смешивания, можно разделить на три группы [79, 95]: 1) методы смешения (распыливание, пересыпание, перелопачивание, наслаивание компонентов, смешение компонентов в «кипящем» слое и т. д.); 2) конструктивные особенности смесителей и их режимы работы (степень заполнения, скорость и характер циркуляции материала внутри смесителя, конструкция размешивающего органа, скорость вращения этого органа и т. д.); 3) физико-механические характеристики смеси компонентов (соотношение компонентов, их гранулометрический состав, объемные массы, коэффициент внутреннего трения и т. д.). Методы смешивания в большинстве случаев ограничиваются условиями приготовления смеси, ее физико-механическими свойствами, а также принятой технологией приготовления.
Для определения средней высоты смеси в бункере в зависимости от коэффициента наполнения, по числовым значениям, найденным в программе "Компас 3D VI4м, с последующей обработкой в "Excel 2007"(приложение Г), были получены выражения:
Обоснование конструктивных параметров участков перемешивающе-транспортирующих лопаток В лопастном смесителе реализация процесса смешивания происходит в основном за счет перераспределения частиц и под действием рабочих органов. Форма рабочих органов лопастных смесителей весьма разнообразна. С ее помощью можно значительно повысить интенсивность смешивания. Форма зависит во многом от свойств смешиваемых материалов. Для большинства видов сыпучего и даже вязкого материала наиболее рациональными и простыми в изготовлении яв 80 ляются рабочие органы, выполненные в виде плоских прямоугольных пластин (рисунок 2.4).
Расположение лопастей на валу может быть либо по одной винтовой линии, либо по двум параллельным винтовым линиям. Для интенсификации процесса выгодно использовать как можно большее количество лопастей для максимального перемещения частиц внутри смесителя. Но их большое количество приведет к значительному увеличению металлоемкости, что повлияет на стоимость изготовления, усложнит обслуживание и ремонт. Расположение лопастей в ряду может быть одинаковым или различным, за счет чего в лопастных смесителях возможна организация потоков частиц в ряду с различной скоростью. Для исключения концентрации материала в определенных зонах смесителя рекомендуется использовать лопасти с одинаковыми углами поворота, кроме крайних рядов, где угол поворота лопастей должен отличаться от остальных [63].
Число лопастей в ряду должно быть таким, чтобы в момент выхода одной лопасти из слоя сыпучего материала время до вхождения другой лопасти было минимальным. В противном случае происходит значительное периодическое изменение нагрузки на двигатель. При увеличении коэффициента заполнения смесительной камеры от 0 3 до 0 65 время перепада нагрузки на вал также уменьшается [63].
Методики определения физико-механических свойств кормов
Как видно из графиков (рисунок 4.4), с увеличением угла установки лопаток от 50 до 60происходит интенсивный спад неоднородности смеси. При значениях угла более 65 возобновляется рост значений коэффициента вариации. Данная тенденция не зависит от частоты вращения рабочих органов и величин коэффициента наполнения, отличаясь только числовыми значениями. Характер изменения коэффициента вариации от угла установки лопаток объясняется изменением соотношения направлений перемещения объемов смешиваемого материала, захватываемого лопаткой: при малых значениях угла установки лопаток (anmi=50... 60) преобладают поперечные перемещения материала, а с увеличением угла установки лопаток (аптЛ 60) возрастает объем материала, перемещаемый в осевом направлении с сохранением достаточного поперечного движения, что ведет к наиболее интенсивному перемешиванию (60... 65), при превышении угла установки лопаток более 65 начинает преобладать осевое перемещение материала (лопатки работают подобно шнеку), эффективность смешивания снижается. Значение угла установки лопаток для получения минимального значения коэффициента вариации распределения контрольного компонента в смеси должно находиться в пределах от 60 до 65, а с учетом зависимостей, представленных на рисунке 4.3, для дальнейших экспериментов было принято рациональное значение угла установки лопаток равным 65.
В ходе теоретических исследований были получены закономерности, позволяющие определить значения потребляемой мощности от режимно-конструктивных параметров шнеколопастного смесителя и физико-механических свойств смешиваемых материалов. Для проверки адекватности предложенных выражений сопоставили полученные теоретически значения с экспериментальными (рисунок 4.6).
Для расчета теоретических значений показателей работы шнеколопастного смесителя в соответствии с предложенной методикой расчета, была составлена программа в среде программирования «Delphi 7.0». Внешний вид рабочего окна программы (рисунок Ж1) и рабочий код представлены в приложении Ж. Данная программа позволяет производить расчеты и оперативно определять теоретические значения при различных значениях режимных и конструктивных параметров. в) а) угол установки лопаток аптЛ= 70; б) угол установки лопаток 65; в) угол установки лопаток 60 Рисунки 4.6 - Экспериментальные и теоретические зависимости, потребляемой мощности на процесс смешивания от частоты вращения при разных коэффициентах наполнения бункера и углах установки лопаток
Графики были построены при угле установке лопаток 70 (рисунок 4.6, а), угле установке лопаток 65 (рисунок 4.6, б) и угле установке лопаток 60 (рисунок а). Коэффициент обтекания лопаток на первом участке перемешивающе транспортирующих лопаток был принят равным к"т.1 =0,75, кл =0,85, значения пт.2 коэффициента клр в зависимости от угла установки перемешивающе транспортирующих лопаток и коэффициента наполнения приведены в таблице 4.2.
По графикам видно, что достигнута хорошая сходимость теоретических и экспериментальных значений. При изменении частоты вращения от 37 мин до 57 мин ошибка не превышает 5%. Можно сделать вывод, что предложенная методика по расчету мощности, потребляемой шнеколопастным смесителем, приме- -1 нима в исследуемых пределах: частота вращения от 32 до 57 мин , коэффициент наполнения от 0,3 до 0,5, угол установки лопаток от 60 до 70.
Обоснование рациональных значений режимных и технологических параметров шнеколопастного смесителя
После реализации эксперимента и обработки полученных данных в соответствии с описанной ранее методикой были получены полиномиальные модели, описывающие зависимость удельных затрат энергии (7?) на процесс смешивания (4.1) и коэффициента вариации (7?) (4.2) от режимных и технологических параметров смесителя:
Дисперсионный анализ уравнений показал, что они адекватного описывают результаты эксперимента. В расчетах принят уровень значимости равный 0,95. Расчеты выполнялись в программе "Microsoft Excel 2007". Результаты расчетов приведены в приложениях З и И. Минимальные значения критериев оптимизации в пределах исследования составили: удельные затраты энергии на процесс смешивания - 0,82 ... 0,85 кВтч/т, неоднородность смеси - 6,2 ... 6,4%.
Теоретические зависимости изменения частоты вращения от коэффициента наполнения имеют нелинейный характер. При увеличении коэффициента наполнения от 0,3 до 0,5 теоретические критические значения частоты вращения, полученные по выражению (2.37), при которых перебрасывается материал с одного рабочего органа на другой возрастают от 30 до 47 мин 0,3 ф
Теоретическая зависимость критической частоты вращения и экспериментальные зависимости частоты вращения рабочего органа от коэффициента наполнения Экспериментальные зависимости частоты вращения, построенные для неравномерности 10%, располагаются над теоретической и возрастают от 50,6 до 56,5 мин-1. Это связано с тем что при увеличении коэффициента наполнения воз 138 растает и угол поворота лопасти при котором начинается движение материала по лопасти. Разница между экспериментальными и теоретическими зависимостями составляет от 1,3 до 1,8, что связано с неравномерным распределением уровня корма в бункере от действия рабочих органов оказывающее дополнительное сопротивление движению материала по лопасти.
Для определения значений режимных и технологических параметров смесителя в точках экстремума воспользуемся методом построения двумерных сечений поверхности отклика [102]. Для нахождения значений функции в точках экстремума, построения сечений поверхностей отклика использовали программу "Mathcad 14" [85].
Экспериментальное обоснование рационального значения угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток
Производственная проверка шнеколопастного смесителя, разработанного на основе теоретических и экспериментальных исследований проводилась в кормоцехе колхоза-племенного завода имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области в период с 1 марта по 23 апреля 2014 года (приложения К и Л).
В базовом варианте приготовление сухого рассыпного корма осуществлялось в кормоцехе колхоза-племенного завода имени Ленина при помощи комбикормового агрегата КУ 2-2, состоящего из дробилки КУ 203 с пневмозабором и двух бункеров-смесителей КУ-100 с дополнительными бункерами-дозаторами для ввода микродобавок и электронной системой взвешивания. Для выгрузки готового корма из смесителей предусмотрены выгрузные шнеки. Управление смесителем осуществляется при помощи двух пультов управления. Процесс приготовления кормовой смеси осуществлялся следующим образом. Компоненты корма, подлежащие измельчению, через дробилку подаются в смеситель, туда же через бункеры-дозаторы поступают микродобавки в объеме, предусмотренном рационом, после окончания загрузки всех компонентов производится смешивание. По истечении времени смешивания производится выгрузка готового корма из смесителя в кормораздатчик при помощи выгрузного шнека. В проектном варианте процесс приготовления сухого рассыпного корма отличался тем, что вместо одного из смесителей КУ-100 использовался шнеколопастной смеситель.
Производственная проверка шнеколопастного смесителя проводилась с целью определения удельных затрат энергии на процесс смешивания, качества получаемой смеси и производительности смесителя.
В ходе испытаний определялась производительность за час основного времени. Фактически потребляемая мощность на привод обоих смесителей в производственных условиях регистрировалась прибором К-505. Качество корма, полученного в шнеколопастном смесителе, определялось после его выгрузки, а величина коэффициента вариации рассчитывалась по приведенной в 3 разделе методике. Результаты испытаний и технические характеристики смесителей представлены в таблице 5.1 [143, 146].
За время испытаний шнеколопастного смесителя отказов зафиксировано не было, качество получаемой смеси соответствовало зоотехническим требованиям [79].
По результатам контрольных наблюдений и производственных испытаний за работой шнеколопастного смесителя, комиссия пришла к выводу, что предложенная конструкция смесителя перспективна и может служить основой для разработки промышленного образца.
Расчет экономической эффективности применения шнеколопастного смесителя для приготовления сухого рассыпного корма проводился согласно методикам, изложенным в соответствующих работах [19, 39, 68, 51, 93, 103, 104, 105, 116, 140], а также на основании результатов испытаний и литературных данных.
Для расчета использовали цены и тарифы на сентябрь 2014 года. Для сравнения был выбран смеситель КУ-100, применяемый в комбикормовой установке КУ-2-2 производства ОАО "Слободской машиностроительный завод", используемой в кормоцехе колхоза-племенного завода имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области. Исходные данные для расчёта приведены в таблице 5.2 [81, 147, 177]. Расчет объема дополнительных капитальных вложений приведен в приложении М.
Определим экономический эффект от снижения эксплуатационных затрат, разницы стоимости и производительности. Удельные приведённые затраты на 1 т., смешанного корма ПЗУД, руб./т., определяется по выражению: ПЗуд = ЭЗУд + КВуд Ен, (5.1) где Эзуд- удельные прямые эксплуатационные затраты, руб./т; КВуд - удельные капитальные вложения, руб./т; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, (ЕН=0,1). Удельные прямые эксплуатационные затраты ЭЗУД, руб./т определяются по формуле Эзуд = 3 + Э + ЗТОиТР +А, (5.2) где 3 - затраты по оплате труда, руб./т; 149
Производственная проверка шнеколопастного смесителя в колхозе-племенном заводе имени Ленина Тамбовского района Тамбовской области, показала, что он в сравнении со смесителем КУ-100 за счет организации регламентированного движения компонентов корма имеет улучшенные качественные показатели: неоднородность ниже на 39,0%, при этом производительность выше на 9,4%, а удельные затраты энергии на процесс приготовления смеси снижается на 17,5% и составляет 1,37 кВтч/т.
Оценка экономической эффективности шнеколопастного смесителя с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки, показала, что за счет снижения удельных затрат энергии годовой экономический эффект составляет 33288 рублей, срок окупаемости 2 года 11 месяцев.
На основании уточненной классификации смесителей кормов разработана новая конструктивно-технологическая схема шнеколопастного смесителя с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся участки (патент РФ № 2381725), позволяющими снизить время смешивания за счет организации движения компонентов корма в бункере и уменьшить удельные затраты энергии на процесс смешивания до 0,82…0,85 кВтч/т.
Теоретические исследования позволили: - получить зависимости изменения: полезного объема бункера смесителя (2.11) от его конструктивных параметров и коэффициента, учитывающего объем рабочих органов; средней высоты смеси в бункере от коэффициента наполнения бункера (2.12) и (2.13); - выявить влияние массы загруженного корма, конструктивно-режимных параметров смесителя и физико-механических свойств смешиваемых материалов на время цикла (2.26) и мощность (2.85) на процесс смешивания.
Экспериментальные исследования позволили: - выявить зависимости неравномерности смешивания, мощности и удельных затрат энергии на процесс смешивания от конструктивно-режимных и технологических параметров; - определить рациональные значения параметров шнеколопастного смесителя: угол установки перемешивающе-транспортирующих лопаток - 65; частота вращения рабочих органов - 53,1...57,0 мин-1; время смешивания - 270...360 с; коэффициент наполнения бункера - 0,3...0,32.
При рациональных значениях параметров удельные затраты энергии на процесс смешивания находятся в пределах 1,25...1,85 кВтч/т, а неоднородность смеси составляет соответственно 10...6,4%.