Интенсификация процесса смешивания сыпучих кормов порционным вертикальным шнековым смесителем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Черкасов Роман Иванович

• Черкасов Роман Иванович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Черкасов Роман Иванович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. 1 Технологии приготовления полнорационных кормов в

условиях внутрихозяйственного производства

1.2 Анализ основных известных смесителей для приготовления 20 кормов

1.3 Анализ результатов исследования процесса смешивания 28 сыпучих материалов

1.4 Параметры и способы оценки однородности смешивания

1.5 Цель и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

В ПОРЦИОННОМ ВЕРТИКАЛЬНОМ ШНЕКОВОМ СМЕСИТЕЛЕ

2.1 Процесс смешивания сыпучих кормов в порционном 38 вертикальном шнековом смесителе

2.2 Математическое моделирование распределения компонентов 45 при смешивании сыпучих материалов шнековым смесителем.

2.3 Производительность порционного вертикального шнекового

смесителя

2.4 Мощность на привод вертикального шнекового смесителя

2.5 Факторы повышения эффективности работы шнекового 62 смесителя

Выводы по главе

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Описание экспериментальной установки и измерительной 70 аппаратуры

3.2 Общая методика проведения экспериментальных исследований

3.3 Определение показателя однородности смешивания

3.4 Обработка результатов экспериментов

Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Влияние площади загрузочных окон и частоты вращения 92 шнека на производительность смесителя

4.2 Влияние параметров и режимов на процесс смешивания

4.3 Методика инженерного расчета основных параметров

смесителя

Выводы по главе

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРЦИОННОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ШНЕКОВОГО СМЕСИТЕЛЯ

5.1 Экономическая эффективность результатов исследования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процесса смешивания сыпучих кормов порционным вертикальным шнековым смесителем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В структуре животноводческой продукции до 50-70% всех затрат приходится на долю кормов. Эти затраты можно существенно уменьшить, если производить корма не на крупных специализированных заводах, а непосредственно на внутрихозяйственных предприятиях, используя собственное сырье и минимизируя транспортные расходы. Кроме того, в этом случае обеспечивается возможность оперативного контроля за ходом технологического процесса по приготовлению кормов и внесения необходимых корректив в работу технологического оборудования. Для эффективной работы такого предприятия необходимо оборудование, которое в полной мере удовлетворяет требованиям ресурсосбережения при гарантированном обеспечении требуемого качества продукции. Кроме того, в условиях кризиса весьма остро стоит вопрос о стоимости оборудования. В особенности это касается фермерских и крестьянских хозяйств с их ограниченными финансовыми возможностями.

Известны два способа получения смесей из сыпучих компонентов -периодический и непрерывный. При периодическом способе смешивания цикл работы смесителя состоит из загрузки компонентов, их смешивания и выгрузки смеси. При непрерывном способе смешиваемые материалы непрерывно подаются в смеситель и непрерывно из него выводятся. Качество смеси в обоих случаях зависит от продолжительности времени нахождения смешиваемых материалов в смесителе.

При первом способе возможно получение смеси высокого качества за счет многократной циркуляции смешиваемых материалов внутри смесителя, что можно осуществить, например, в шнековом смесителе. При втором способе качество смеси во многом зависит от точности работы дозаторов и питателей, которые по конструкции часто сложнее смесителя. При однократном прохождении смешиваемых материалов через смеситель непрерывного действия качество смеси не всегда соответствует

предъявляемым требованиям, поэтому необходимо применение, например, каскада смесителей, либо организации обратных перетоков смешиваемых материалов, что представляется достаточно сложной технической задачей.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в исследование вопросов разработки смесителей сыпучих кормов и технологий их приготовления внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.И. Макаров, А.К. Мальцев, В.Ф. Хлыстунов, В.И. Сыроватка, И.И. Фурса, В.И. Пахомов, Э.М. Погосян, О. Б. Пашевкин, О. В. Демин, В.Ю. Фролов; С.М. Ведищев, H. Spath и др. В работах этих и других ученых [1, 2, 6, 8, 19, 21, 23, 24, 29, 30, 31, 32, 35, 38, 40, 41, 42, 43, 45, 46, 47, 49, 51, 60, 65, 69, 72, 73, 82, 85, 86, 87, 90, 91] показано, что периодический способ смешивания сыпучих материалов является более предпочтительным, как обеспечивающий высокое качество смеси за счет циркуляции смешиваемых материалов внутри смесителя, но для этого способа являются актуальными вопросы уменьшения энергозатрат на приготовление смеси и снижения стоимости применяемого оборудования.

Объект исследования - процесс смешивания сыпучих кормов в порционном вертикальном шнековом смесителе.

Предмет исследования - зависимости процесса смешивания сыпучих кормов в порционном вертикальном шнековом смесителе.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации применялся экспериментально-аналитический метод исследований с использованием теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования, теории подобия, 3D моделирования.

Научная новизна:

• получены теоретические зависимости для определения рациональных конструктивных параметров и режимов работы порционного вертикального шнекового смесителя кормов, при которых обеспечивается требуемое качество смеси при заданной продолжительности смешивания;

• доказано, что установка на внутренней поверхности кожуха вертикального шнека винтовой реборды уменьшает затраты времени и удельные энергозатраты на смешивание корма за счет повышения скорости его циркуляции в бункере.

Практическая значимость:

• инженерная методика расчета рациональных конструктивных параметров и режимов работы порционного вертикального шнекового смесителя кормов;

• компьютерная программа для оценки качества приготовляемой кормосмеси из компонентов с различным размером фракций;

• принципиальные схемы вертикальных шнековых порционных смесителей, на которые получены патент РФ на изобретение и три патента на полезные модели.

Положения, выносимые на защиту:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих кормов порционным вертикальным шнековым смесителем;

• методика инженерного расчета основных конструктивных и режимных параметров шнекового смесителя кормов;

• компьютерная программа для оценки качества смеси сыпучих кормов, различающихся по размеру фракций;

• усовершенствованные принципиальные схемы порционного вертикального шнекового смесителя.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается:

• использованием в качестве теоретической базы фундаментальных исследований отечественных и зарубежных авторов по вопросам смешивания сыпучих материалов;

• использованием современных методов исследований и обработки экспериментальных данных;

• сходимостью экспериментальных данных с теоретическими выводами с допустимой погрешностью.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и получили одобрение на Юбилейной конференции студентов и молодых ученых, посвященной 85-летию ДГТУ (г. Шахты, 2015 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы современной науки» (г. Ставрополь, 2015 г.), на ХЬУ1 Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (г. Новосибирск, 2015 г), на VII международной научно-практической конференции «Научные исследования: от теории к практике» .(г. Чебоксары, 2016 г.), на XI международной научной конференции «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы» (г. Пенза, 2015 г.), на I Всероссийской (с участием граждан иностранных государств) научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Научная весна 2016» (г. Шахты, 2016 г.), а также в ходе проведения конкурсного отбора по программе УМНИК (г. Ростов-на-Дону 2014 г., 2015 г., 2016 г.) и участия в XIII Международном салоне изобретений и новых технологий «Новое время» (г. Севастополь 2017 г.).

В полном объеме работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Проектирование и технический сервис транспортно-технологических систем» ДГТУ с участием ведущих преподавателей ИСО и П (филиал ДГТУ).

Реализация результатов исследования. Результаты научных исследований используются в учебном процессе Донского государственного технического университета, а также приняты для изготовления на Шахтинском заводе ООО «Техмаш» и внедрения на сельхозпредприятиях Октябрьского (сельского) района Ростовской области.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 14 работах, среди них 4 в журналах из перечня ВАК РФ. Получены патент РФ на изобретение, 3 патента на полезную модель, подана заявка на получение

свидетельства о регистрации компьютерной программы.

Структура и объем диссертации. Научная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Основное содержание диссертации изложено на 130 страницах, 10 приложений на 19 страницах. Диссертационная работа содержит 45 иллюстраций и 17 таблиц, список использованных источников включает 92, в том числе 12 иностранных.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Технологии приготовления полнорационных кормов в условиях внутрихозяйственного производства

Животноводческая отрасль сельского хозяйства является основным потребителем кормов. При этом, поскольку ни один вид корма не содержит полного набора требуемых для животных питательных веществ, витаминов и микроэлементов, скармливание отдельных видов кормов приводит к тому, что животные медленно развиваются. Отдача от них снижается, растут расходы на единицу производимой продукции и, в конечном итоге, снижается рентабельность производства. К примеру, неправильное соотношение полезных компонентов в рационе свиней по элементам питания ведет к снижению среднесуточного прироста их массы на 30-35% и увеличению затрат корма на единицу продукции на 50 % [17]. В среднем расход кормов на получение 1 ц молока превышает затраты труда в 1,5 раза, мяса крупного рогатого скота (КРС) - в 2,5 раза, свиней - в 2,0 раза, птицы - в 1,3 раза. И только качественные корма обеспечивают доставку в организм животного, полезных веществ в требуемых количествах и соотношениях, что позволяет на 15-20 % повысить продуктивность животных по сравнению с использованием кормосмесей, сопоставимых с ними по общей питательности.

В структуре рационов крупного рогатого скота концентрированные корма составляют до 35 %, свиней и птицы соответственно до 90-95 %. В соответствии с намечаемыми объемами производства продукции животноводства потребность в концкормах составит до 18,8 млн.т [42]. В доперестроечный период производство комбикормов в стране было сосредоточено на крупных специализированных заводах, производивших корма для различных видов и возрастных групп животных по стандартным рецептам. Следует отметить, что существовавшая сеть таких предприятий все же не полностью обеспечивала потребность животноводства в

комбикормах. Существенную долю затрат составляли транспортные расходы на перевозку компонентов сырья и готового корма. Да и производимые комбикормовыми предприятиями корма не всегда отвечали требуемым показателям качества. К примеру, по данным научных организаций, из большого числа образцов комбикормов, отобранных на различных заводах по их производству, примерно 2 % укладывались в нормы.

Положение усугубилось в годы перестройки, повлекшей за собой сокращение поголовья животных и птицы, снижение объема производства комбикормов на специализированных предприятиях и увеличение их стоимости из-за роста цен на сырье, белково - минерально - витаминные добавки (БМВД) и премиксы промышленного приготовления и энергоресурсы. Следствием этого явилась тенденция все большей концентрации производства комбикормов на внутрихозяйственных предприятиях. Так, по прогнозам, 54 % фуражного зерна будет перерабатываться предприятиями комбикормовой промышленности, а остальная часть - непосредственно в хозяйствах, где на базе собственных или покупных балансирующих добавок планируется производить до 40 млн. т комбикормов.

Однако специфика сельскохозяйственного производства налагает определенный отпечаток на характер функционирования внутрихозяйственного предприятия по приготовлению кормов. Прежде всего, это специализация животноводческой фермы хозяйства, видовой и возрастной состав животных который определяет возможный набор компонентов будущей кормосмеси, а типоразмер - объемы заготовки исходных компонентов и приготавливаемого корма и часовую производительность технологических линий внутрихозяйственного предприятия. Ранее выполненные исследования показывают, что фактическая требуемая часовая производительность технологических линий по приготовлению полнорационных кормосмесей для молочно-товарных ферм, рассчитанная на основе рекомендуемых для условий южных регионов рационов кормления, изменяется в довольно широком диапазоне значений. К

примеру, требуемая часовая производительность линии подготовки зерновых компонентов возрастает с 80 кг/час в цехе, обслуживающем ферму на 100 коров, до 600 кг/час при обслуживании фермы на 800 коров, линии приготовления комбикорма - соответственно с 120 до 960 кг/час. Помимо этого, различия в рационах кормления различных возрастных групп животных обслуживаемой фермы обуславливают необходимость частой и оперативной перестройки технологического процесса на производство корма требуемой рецептуры и реальную возможность её реализации в условиях внутрихозяйственного предприятия.

Важной составляющей себестоимости приготавливаемого корма является, как известно, стоимость используемых в нем компонентов. Поэтому приготовление кормов должно в максимальной степени базироваться на производимом и имеющемся в хозяйстве сырье (зерно злаковых и масличных культур, белковые компоненты, минеральные компоненты). В этой связи, для эффективного использования имеющегося сырья зачастую возникает необходимость балансирования приготавливаемого корма обогащающими добавками, например, мультиэнзимными композициями (ферментами) при введении в рацион значительного количества ячменя или ржи.

Нередко в хозяйстве возникает и необходимость балансирования корма лекарственными препаратами, поскольку имеющиеся добавки промышленного изготовления не всегда удовлетворяют потребности обслуживаемого поголовья животных. И наличие в технологической схеме внутрихозяйственного предприятия оборудования, позволяющего осуществить эту операцию, весьма характерный признак завершенности его технологического процесса.

Вместе с тем следует отметить, что никакие особенности специфики хозяйства и его сырьевой базы не должны нарушать принципов неукоснительного соблюдения нормативных требований к обеспеченности рационов обменной энергией, сухим веществом и другими питательными

веществами и безусловного удовлетворения качества подготовки сырья и приготовления сбалансированного комбикорма предъявляемым к ним зоотехническим требованиям. Этому в немалой степени способствует возможность оперативного контроля качества за ходом технологических операций и внесения соответствующих корректив в работу технологического оборудования уже на стадии приготовления корма, легко реализуемая в условиях внутрихозяйственного предприятия.

Наконец, немаловажным фактором, определяющим в конечном итоге и себестоимость приготавливаемого корма, являются показатели используемого в составе технологических линий внутрихозяйственного предприятия комплекта технических средств. Для эффективной работы такого предприятия компоновка оборудования его технологических линий должна осуществляться по блочно-модульному принципу, сводящему к минимуму вспомогательные передаточные (транспортные) операции и обеспечивающему возможность быстрого изменения режима его работы. Само же оборудование должно удовлетворять требованиям ресурсосбережения при гарантированном обеспечении требуемого качества продукции.

Возможные варианты получения комбикорма сельскохозяйственным предприятием и приготовления на его основе полнорационных кормосмесей иллюстрирует структурная схема, разработанная в ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии, представленная на рис. 1.1. Производимая в отрасли растениеводства предприятия сельскохозяйственная продукция включает семена зерновых и бобовых культур, семена масличных культур, зеленые корма, грубые (сено) и сочные (сенаж, силос, корнеплоды) корма.

Семена зерновых и масличных культур, зеленая трава частично используются для переработки на продовольственные и кормовые цели. Получающиеся при этом отходы переработки продукции (отруби, мучка, жмыхи, шроты и т.д.), а также готовая продукция (травяная мука) используются в производстве кормов.

1 - зеленая трава; 2 - маслосемена; 3 - зерно; 4 - грубые корма; 5 -сочные корма; 6 - травяная мука; 7 - отходы переработки зерна и маслосемян;

8 - белково-минеральные добавки; 9 - премиксы; 10 - полнорационные комбикорма; 11 - полнорационные кормосмеси Рисунок 1.1 - Структурная схема вариантов технологии получения полнорационных комбикормов и кормосмесей в хозяйстве

Анализируя структурную схему, можно выделить два граничных варианта получения хозяйством комбикорма:

• приобретение за счет частичной реализации на рынке собственной сельскохозяйственной продукции произведенного специализированным предприятием (например, комбикормовым заводом) комбикорма из закупленных на рынке компонентов;

• производство комбикорма на внутрихозяйственном предприятии с максимальным использованием собственной сырьевой базы и закупкой на рынке недостающих компонентов.

Находящиеся в названном интервале варианты могут отличаться лишь различной степенью зависимости от ассортимента приобретаемых на рынке

недостающих компонентов.

В первом варианте приобретенный комбикорм, соответствующий специфике имеющейся в хозяйстве животноводческой отрасли, может непосредственно раздаваться животным (если он используется как основной корм, например, для птицы) либо использоваться в качестве компонента полнорационной кормосмеси, например, при производстве корма для крупного рогатого скота. В последнем случае в хозяйстве на базе стационарных кормосмесительных агрегатов, размещаемых в небольших помещениях, миникормоцехов или мобильных смесителей-раздатчиков с использованием грубых и сочных кормов собственного производства и покупных комбикормов готовят полнорационные кормовые смеси. Отпадает необходимость в возведении в хозяйствах громоздких и дорогостоящих кормоцехов, а применение мобильных многофункциональных смесителей-раздатчиков кормов позволит снизить расход электроэнергии на 20 % и затраты труда - на 30 % [61]. Но определяющую роль в данном варианте все же играет стоимость покупаемого хозяйством полнорационного комбикорма, приготовленного на специализированном комбикормовом заводе из покупных компонентов, и окончательный выбор в пользу того или другого варианта можно сделать лишь проанализировав их технико-экономические показатели.

Второй вариант обеспечивает более гибкую систему производства, позволяющую оперативно реагировать на изменяющиеся запросы животноводческой отрасли путем соответствующей перестройки технологического процесса. К тому же в максимальной степени используется сырье собственного производства с реальной возможностью удешевления производимых кормосмесей за счет совершенствования технологических процессов заготовки исходных компонентов и приготовления кормов. Для этого в хозяйстве создается внутрихозяйственное предприятие с полным набором технологических линий, позволяющих на основе максимального использования собственного сырья и частично покупаемых компонентов

производить полнорационные комбикорма и кормовые смеси для животноводческой отрасли.

Примером могут служить разработанные ранее проектным институтом "Гипронисельхоз" цеха для приготовления полнорационных комбикормов для свиней непосредственно в хозяйствах и межхозяйственных объединениях из зерна собственного производства и белково-витаминных добавок промышленного изготовления - ОЦК-4, ОКЦ-4, ОКЦ-15, ОКЦ-ЗО и кормоцеха на базе комплектов оборудования КОРК-15А и КЦК-5, используемые на молочнотоварных фермах на 800-1200 коров и откормочных комплексах до 5000 голов.

Оборудование цеха ОЦК-4 производительностью 4 т/ч [65] комплектуется из отдельных блоков:

- размольно-смесительного, предназначенного для накопления исходных компонентов (зерна и готовых БМВД), дозирования их, дробления зерновых компонентов, смешивания измельченных зерновых компонентов с БМВД и выдачи готового комбикорма;

- приготовления белково - витаминно - минеральных добавок;

- жидких добавок для обогащения комбикорма техническим жиром, мелассой и карбамидом;

- гранулирования корма.

Оборудование цеха включает систему автоматического управления средствами транспортирования и дозирования сыпучих компонентов, транспортные средства и систему электрооборудования.

Цех работает следующим образом.

Зерновые компоненты и промышленные белково - витаминные добавки последовательно подаются на вибросепаратор и магнитную колонку и после очистки от посторонних примесей накапливаются в соответствующих бункерах размольно - смесительного отделения. Сюда же подается и травяная мука. В соответствии с заданным рецептом с помощью пневматической управляющей машины (ПУМ-1), последовательно взятые из каждого

бункера компоненты подаются пневмотранспортером на пневматические порционные весы. Сформированная таким образом порция зерновых компонентов поступает в дробилку, а измельченное зерно накапливается в бункере над смесителем. После того, как весы освобождаются от навески зерна, в них в соответствии с рационом отвешиваются порции белково -витаминных добавок и травяной муки, которые так же подаются в бункер над смесителем. Подготовленная в соответствии с рецептом порция кормов массой 500 кг из бункера высыпается в смеситель, перемешивается и готовый комбикорм поступает либо на склад, либо в оперативный бункер блока жидких добавок, либо на гранулирование.

Кормоцеха КОРК-15А, КЦК-5-3, ЦПК-12 и др. производительностью 15-20 т/ч [40] для производства кормовых смесей из грубых, сочных и концентрированных кормов и жидких обогатительных добавок на молочнотоварных фермах несколько отличаются набором используемого оборудования, но, как правило, имеют одинаковые технологические линии (рисунок 1.2):

- приема, накопления, измельчения и дозированной подачи грубых кормов, силоса, сенажа, зеленой массы, а также корнеклубнеплодов;

- приема, накопления измельчения и дозированной подачи концентратов;

- приема, подготовки и дозированной подачи питательных растворов (мелассы, карбамида, поваренной соли и др.);

- приема, подготовки и дозированной подачи минеральных добавок;

- приема, накопления и дозированной подачи жома;

- сбора, транспортирования, смешивания, доизмельчения, обогащения и выдачи кормосмесей влажностью 65-70 %.

Технологический процесс работы такого цеха протекает следующим образом. Солому (сено) в россыпи или тюках, траву или силос (сенаж) и жом из транспортных средств выгружают в лоток питателя соответствующей

линии и дозировано подают на сборный транспортер.

/ / \

Рисунок 1.2 - Кормоцех КОРК-15А-9

Корнеплоды из транспортных средств выгружают на лоток питателя корнеклубнеплодов и направляют в измельчитель - камнеуловитель, где происходит их мойка, отделение от инородных включений и измельчение. Измельченные корнеклубнеплоды из бункера - дозатора поступают также на сборный транспортер. Подготовленные на линии жидкие обогатительные добавки насосом - дозатором по системе трубопроводов подаются к форсункам, закрепленным на корпусе смесителя кормов. Отдозированные компоненты сборным транспортером подаются в модернизированный измельчитель - смеситель кормов ИСК-ЗА. Сюда же из бункера-дозатора поступают и концентрированные корма. В смесителе компоненты доизмельчаются, перемешиваются и в виде готовой кормосмеси выгружаются в мобильные кормораздатчики, доставляющие ее в животноводческие помещения.

Скармливание животным кормовых смесей, приготавливаемых в таких цехах, в сравнении с раздельным скармливанием компонентов рациона повышает рентабельность производства молока на 4,4-13,6 % за счет увеличения продуктивности коров и снижения удельного расхода кормов [33]. Однако, используемые при этом цеха отличаются высокой стоимостью

строительной части, большой энергоемкостью, а непрерывный режим работы и высокая их производительность ограничивают, в известной степени, возможность оперативной перестройки технологического процесса на производство кормов для отдельных групп животных. Используемое в них, как правило, объёмное дозирование компонентов не удовлетворяет возросшим требованиям к неравномерности дозирования компонентов. Оставляет желать лучшего и однородность получаемой кормосмеси (79-89 %).

Лучше всего корма усваиваются при употреблении животными сбалансированных по содержанию кормов. В состав их входят зерновые (кукуруза, ячмень, пшеница, овес, горох и др.) и мучнистые (отруби, мучка) компоненты, продукты перерабатывающих предприятий (шроты, жмыхи), продукты животного происхождения (мясная, рыбная, мясокостная мука) и микробиологического синтеза (дрожжи, аминокислоты), витаминные корма (хвойная мука), минеральные (соль, мел, фосфат) и жидкие (меласса, кормовой жир, растительное масло) компоненты и биологически активные вещества. Основными же структурными составляющими комбикормов являются зерновые компоненты, доля которых может составлять от 60 до 70 %.

В технологическом процессе подготовки любого компонента комбикорма можно выделить основные операции, собственно и обеспечивающие необходимые изменения исходных свойств компонентов и качественные показатели приготавливаемого корма либо позволяющие получить в процессе обработки заданные свойства отдельных компонентов. Это, прежде всего, операции, гарантирующие требуемые гранулометрический состав обрабатываемого компонента, точность дозирования компонентов и однородность получаемой кормосмеси.

Измельчение компонентов кормосмеси определяет качество будущего корма и энергозатраты на технологический процесс их подготовки. Эффективное использование животными содержащихся в зерновых и минеральных компонентах питательных веществ возможно лишь при

измельчении их до необходимой крупности. С уменьшением модуля крупности помола не только увеличивается количество мелких частиц и пыли, но и увеличиваются затраты энергии на измельчение продукта. Степень измельчения зерна регламентируется рецептом приготавливаемого корма: модуль крупности размола должен соответствовать для свиней 0,2 -1,0 мм, для КРС - 1,0 - 1,8 мм, для птицы - 1,8 - 2,6 мм. Содержание в продукте размола целых зерен не должно превышать 0,3 - 0,5 %, пылевидных частиц - 20 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черкасов Роман Иванович, 2018 год

- - - 0

3 0 0

3

3 0

1 3

00

3 1

0 0

1 3 2

33

у

(2.19)

В общем случае матрицу перехода системы можно записать в виде:

А(1) =

Рп Р.

21

Р12

Р22

Р1 Р

2 п

(2.20)

V Рп1 рп 2 ... Р пп

Нетрудно видеть, что для столбцов матрицы А(1) выполняются равенства:

Рк + Р 2 к +... + Рпк = 1, к = 1,2,..., п, (2.21)

что означает вероятность попадания частицы к - го объема в какой-то элементарный объем цилиндра. Если так рассматривать Марковский процесс, то формула для матрицы состояний системы за п шагов имеет вид

А(п) = [А(1)]". (2.22)

При условии обеспечения адекватности математической модели на практике число элементарных объемов необходимо брать достаточно большим, т.е. для обеспечения погрешности модели не выше 5% число элементов разбиения рабочего тела цилиндра должно быть не менее

1

п

n > 20,

— = 5%. 20

Рассмотрим задачу смешивания сыпучих материалов на модельном примере. Пусть рабочее тело цилиндра разбито на 5 элементарных объемов и выполняются сформулированные выше допущения. Тогда матрица состояний системы за один шаг имеет вид:

A(l) =

2 1

3 1

3 0

3 1

00 00

00 1

0

33 11

00 1

33 1

3 1

33 1

0

0

1

3

2

V

33

(2.23)

Выполним расчет матрицы состояний системы в среде Maple 9.5 за 20

шагов, результаты представим с точностью £ = 10 5:

(2.24)

0.16167 0.23859 0.23077 0.22294 0.14602"

0.15906 0.23599 0.23077 0.22555 0.14863

А(20)= 0.15385 0.23077 0.23077 0.23077 0.15385

0.14863 0.22555 0.23077 0.23599 0.15906

0.14602 0.22294 0.23077 0.23859 0.16167

Нетрудно видеть, что вероятности попадания частиц в каждый объем равны среднему значению 0,225 с погрешностью порядка 5%.

Пусть, например, распределение одного из смешиваемых материалов первоначально имеет вид:

Р(0) = (0 0,1 0,2 0,3 0,4). (2.25)

Вычислим распределение материала после 20 шагов. Так как процесс Марковский, то формула для нахождения распределения материала после 20

(2.27)

шагов записывается в форме :

Р(20) = А(20)- Р(0),, (2.26)

где А(20) определяется из равенства (2.23).

Пользуясь формулой (2.26) с учетом равенств (2.23) и (2.24), получим:

г0,1953Л 0,1969 Р(20)= 0,2000 0,2031 0,2047у

Таким образом, после 20 шагов распределение частиц материала в рабочем теле цилиндра стало практически равномерным, так как каждая из координат вектора Р(20) имеет практически одинаковое численное значение. Равномерное распределение (2.27) существенно отличается от первоначального распределения материала (2.22).

Как было отмечено, вместе с конвективным и диффузионным перемешиваниями присутствует и процесс сегрегации, который мало себя проявляет в начале смешивания материалов и становится преобладающим в конце смешивания. Отсюда следует, что процесс смешивания материалов следует прекращать, когда доля распределения материала по Марковскому процессу будет равна доле материала, участвующего в сегрегации.

2.3 Производительность порционного вертикального шнекового смесителя

Производительность шнекового смесителя зависит, главным образом, от производительности шнека, которую можно определить по формуле [30]:

£=-(Б - а2)• к • п • к

^ 4 ш з

(2.28)

Как следует из формулы (2.28) производительность шнека зависит как от конструктивных параметров шнека, которыми являются наружный диаметр Б, диаметр вала а , шаг навивки спирали к, так и от режима его

работы - частоты вращения шнека пш. Коэффициент загрузки кз определяет меру заполнения межвиткового пространства шнека транспортируемым материалом.

При расчете конструктивных параметров шнека, таких как ( и к, их можно выразить через отношение к наружному диаметру Б:

к = (Б , (2.29)

к2 = к Б . (2.30)

Подставив (2.29) и (2.30) в (2.28), имеем:

а=р б (1-*12 )• к2 • пш • к3 (2.31)

Из выражения (2.31) можно получить формулу для определения наружного диаметра шнека:

Б =

4а

(2.32)

\р1 —к1)'к2 • пш ■ к3

При известном Б представляется возможным определить диаметр вала шнека и шаг навивки спирали:

( = к, ■ Б , (2.33)

к = к2 ■ Б . (2.34)

Величина коэффициента к1 подбирается таким образом, чтобы шнек

имел вертикальную устойчивость и в тоже время такое проходное сечение между витками спирали и валом шнека, которое позволяет материалу беспрепятственно перемещаться по спирали. Применительно к вертикальным шнекам кг = 0,3—0,5 [30]. Нижние значения этого коэффициента принимают для коротких шнеков, верхние - для шнеков большой длины. Поэтому для шнека, который является рабочим органом смесителя незначительного размера по высоте, можно принять кг = 0,3. Численные значения коэффициента к2 зависят от величины угла подъема спирали и при принятых ранее углах а = 9° и а = 18° составляют к2 = 0,5 и кг = 1,0, что согласуется с

известными данными.

При расчете производительности вертикального шнека важное значение имеет правильный выбор частоты вращения. Она должна быть достаточной для того, чтобы материал успешно перемещался вверх по спирали.

При назначении частоты вращения шнека полагают [18], что она должна быть больше критической ПШ, так как при меньшей частоте транспортирование частицы вертикальным шнеком не происходит, поскольку она будет вращаться вместе со шнеком без перемещения вверх по спирали.

Для определения пШ рассмотрим схему на рис. 2.8.

I 1 3

Г 1

^ 2

о

Рис. 2.8. Схема к расчету пр поперек спирали: 1 - вал шнека; 2 - спираль; 3 - кожух

Успешное перемещение частицы материала поперек спирали происходит в том случае, если центробежная сила Р больше силы трения частицы о спираль шнека:

Р > Р (2.35)

ц тр.с

Центробежная сила:

Р = т й • Я ,

ц ш '

где т - масса частицы, т = О 8.

Сила трения частицы о спираль:

Р = О • f = т • 8 • f ,

тр.с с с

где /с - коэффициент трения частицы о спираль.

(2.36)

(2.37)

Тогда:

т • w • R > m • g • f

ш O J c

Отсюда:

w >

g • fe

R

(2.38)

(2.39)

или

нкр >

ш

30 p

II

g • fe

R

(2.40)

По сути, по формуле (2.40) можно определить частоту вращения шнека, выше которой частица материала начнет перемещаться к кожуху шнека поперек спирали, но она недостаточна для ее перемещения по спирали вверх.

Рассмотрим схему сил, воздействующих на частицу материала, расположенную вдоль спирали (рис. 2.9)

Рис. 2.9. Схема сил к расчету вдоль спирали

Условие равновесия частицы материала на спирали можно записать в

виде:

F = F + G" + F'

п тр.ш тр.к

(2.41)

а для того, чтобы частица перемещалась по спирали вверх, нужно, чтобы:

(2.42)

где Fn - подъемная сила, заставляющая частицу двигаться по спирали вверх:

F = F • cosa , (2.43)

тр.к

F > F + G" + F т

п тр.ш тр.к

F = F • fk = mw¿ • R • fk ,

тр.к ц J k ш J k '

(2.44)

F = G • f • cosa . (2.45)

тр.шш

С учетом (2.43) можно записать:

F • cosa> F + G + F' . (2.46)

тр.к тр.ш тр.к V '

Неравенство (2.46) можно представить в виде: müf • R• fk • cosa>mg• cosa- fш + mg• sina+mw2Rsina^ fk • /ш , (2.47)

Тогда W >

30

g(cosa^ fш + sin a)

R • fk • (cosa- fш • sina)

Отсюда пш >

g(sina+ f ш • cosa)

R • fk (cosa- fm •sina)

(2.48)

(2.49)

Результаты сравнительных расчетов пш по формулам (2.40) и (2.49) при fш = 0,2; /к = 0,9; а = 18° приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Численные значения минимальной частоты вращения шнека (мин-1)

D, мм пкр, ш ' мин-1

(2.40) (2.49)

100 42,3 86,5

125 37,8 77,3

160 33,4 68,4

200 29,9 61,1

250 26,7 54,7

320 23,6 48,1

400 21,1 43,0

500 18,9 38,5

600 17,3 35,3

Данные табл. 2.1 показывают, что при принятых значениях ^, fк и а

критическая частота вращения шнека во втором случае больше в 2,04 раза.

Из формулы (2.49) видим, что критическая частота вращения шнека

зависит от радиуса шнека, коэффициентов трения материала о шнек и кожух, и угла подъема спирали. При расчете производительности радиус шнека можно принять из стандартного ряда диаметров шнека, величины коэффициентов трения /ш и /к зависят от свойств транспортируемых материалов и приводятся в справочных данных, а для определения угла а необходимо достаточное обоснование, так как от этого параметра зависит шаг навивки спирали и, следовательно, производительность шнека.

В работе [30] приведена формула для расчета оптимального угла подъема спирали:

2б

^2а=/ +—(2.50) Г • №

Запишем ее в принятых нами обозначениях:

1

а- ^ агссЩ

г \

/ + 2 6

л ш

ш п 2

Я • Д ю

¿к ш J

(2.51)

Ниже в табл. 2.2 приведены результаты расчета угла а при /ш = 0,2; / = 0,9.

Таблица 2.2 Численные значения угла а

пш, мин-1 юш, рад/с Я, м сгбЪа а

1 2 3 4 5

100 10,5 0,2+1,98 12°12'

200 20,9 0,2+0,50 27°30'

300 31,4 0,10 0,2+0,22 33°36'

400 41,9 0,2+0,12 36°09'

100 10,5 0,2+1,32 16°39'

200 20,9 0,2+0,33 31°03'

300 31,4 0,15 0,2+0,15 35°2Г

400 41,9 0,2+008 37°12'

Продолжение табл. 2.2

100 10,5 0,2+0,99 20°02'

200 20,9 0,2+0,25 32°54'

300 31,4 0,20 0,2+0,11 36°24'

400 41,9 0,2+0,06 37°42'

100 10,5 0,2+0,79 22°5Г

200 20,9 0,2+0,20 34°06'

300 31,4 0,25 0,2+0,09 36°54'

400 41,9 0,2+0,05 37°54'

Анализ результатов, приведенных в табл. 2.2, выявил следующее: величина угла а растет и с повышением частоты вращения шнека пш и с увеличением радиуса шнека Я, но с разной интенсивностью (рис. 2.10), (рис. 2.11).

3 4

2 " 1

100 200 300 пш,мин-1

Рис. 2.10. Зависимость а = f (пш): 1 — Я = 0,1м ; 2 — Я = 0,15м ; 3 — Я = 0,20м ; 4 — Я = 0,25м

о ___

0,1 0,15 0,20 « , м

Рис. 2.11. Зависимость а = f (я): 1 — пш = 100 мин ; 2 — п = 200мин —1; 3 — п = 300мин _1; 4 — п = 400мин —1

ш ' ш ' ш

Начиная с частоты вращения шнека пш = 300мин 1 при принятых радиусах шнека первое слагаемое в формуле (2.50) становится преобладающей величиной, откуда следует, что коэффициент трения материала по шнеку является более весомым параметром, чем все другие вместе взятые;

численные значения угла а только при частоте вращении шнека пш = 100 мин-1 имеют приемлемые величины, в остальных случаях расчеты по формуле (2.50) дают завышенные результаты, при которых шаг навивки спирали изменяется в диапазоне к = (1,63 - 2,14)Я , а вертикальные шнеки с таким шагом, как правило, не применяются.

Таким образом, из анализа формулы (2.50) следует, что она не применима для расчета угла а для шнеков, работающих с большой частотой вращения.

Авторы работы [18] предлагают определять угол а по формуле:

а = агег^ш (2.52)

Как видим, эта формула учитывает только трение материала о шнек и поэтому она может быть применима для предварительных ориентировочных расчетов.

Выражение (2.47) после его преобразования позволяет определить максимальное значение угла а , при котором транспортирование материала

вверх по спирали не происходит:

а = aгеtg ■

г оШ ■ К ■ £ - g ■ / л

ш о к о и ш

(2.53)

g

Автор на основании многочисленных расчетов предлагает определять угол а как среднюю величину между а1 = 0 и а2 = тах. Тогда формула (2.53) примет вид:

1

а = ^ aгеtg ■

'ю2 ■ К ■ - g ■ / Л

ш к ш

(2.54)

g

Величина коэффициента загрузки шнека зависит от многих факторов:

частоты вращения шнека, угла подъема спирали, свойств транспортируемого материала, конструкции шнека, площади загрузочных окон в кожухе шнека и др.. Учесть все эти факторы практически невозможно и поэтому до настоящего времени формулы для расчета кз применительно к вертикальным шнекам отсутствуют, а его величину определяют экспериментально.

2.4. Мощность на привод вертикального шнека

Требуемая мощность на привод вертикального шнека определяет общие энергозатраты на смешивание материалов, а удельные энергозатраты - затраты энергии на единицу продукции, причем второй показатель, по существу, показывает эффективность процесса смешивания.

Известно следующее выражение для определения мощности на привод вертикального шнека [18]:

N = p •G• f • < •R2 •sin2 a-cos3 g (255)

8775-104 • g • sin2 (a + g) ' где G - вес материала, находящегося на шнеке; g - угол между переносной скоростью u и абсолютной скоростью иа, возникающими при вращении шнека.

В формуле (2.55) угол g является неизвестной величиной, поэтому рассчитать требуемую мощность привода невозможно.

В работе [28] формула для расчета мощности привода вертикального шнека имеет вид:

N = ^Hh ^ +1), (2-56)

где Q - производительность шнека; Н - высота подъема материала; к -коэффициент, учитывающий потери на трение в опорах шнека; W -коэффициент сопротивления движению материала по кожуху, определяемый опытным путем; h- к.п.д. привода.

По формуле (2.56) мощность привода можно рассчитать только в том случае, если известны численные значения коэффициента W. Некоторые из

них приведены в справочных данных, например, при транспортировании пшеницы W = 4,5 - 6,9, овса W = 3,6 - 4,9.

Разброс численных значений коэффициента W достаточно большой, поэтому расчет по формуле (2.56) нужно производить по максимальному значению этого коэффициента.

По мнению автора, выражение для определения мощности вертикального шнека можно представить в виде:

N = N1 + N 2 + N3, (2.57)

где N1 - мощность, необходимая на подъем материала при полной загрузке шнека; N2 - мощность, необходимая для того, чтобы материал мог преодолеть силы трения по шнеку; N3 - мощность, необходимая для того, чтобы материал мог преодолеть силы трения по кожуху. Требуемая мощность на подъем материала:

N1 = G u, (2.58)

где G - вес материала, расположенного на шнеке при полной его загрузке; U - осевая скорость перемещения материала.

G = V -р- k, (2.59)

где V - объем шнека, заполненный материалом; р- плотность материала; кз -коэффициент загрузки шнека.

V = P (D2 - d2 )H (2.60)

С учетом (2.59) и (2.60) формула (2.58) примет вид:

N =p(d2 -d2)h -р-k3 u (2.61)

Требуемая мощность на преодоление силы трения по шнеку:

N = G - f u - ctg a (2.62)

Требуемая мощность на преодоление силы трения по кожуху:

N3 = G - R(w -w )2 - fk ■ u /sin ß (2.63)

g /

Произведя суммирование выражений (2.58), (2.62), (2.63), получим:

R(w -w )2 • f

\ ш м / J к

N = G v

1 + f • ctga +

(2.64)

g • sin b

где угол b имеет то же значение, что угол g в формуле (2.55). Выражение (2.64) позволяет выполнить анализ составляющих общей мощности привода.

Определим численные значения второго и третьего слагаемых формулы (2.64). Примем в первом случае минимальные значения параметров, во втором случае - максимальные значения:

1. f = 0,1; a = 9°; R = 0,10м ; w = 10,5рад/с; w = 0,1w ; f = 0,6; b = 10°.

J ш " " " " ' ш 'г ' м " ш " J к " " /

2. f = 0,2; a = 18°; R = 0,30м ; w = 41,9рад/с; w = 0,2w ; f = 0,9; b = 20°.

J ш " " " " ' ш 'г ' м " ш " J к " " /

Результаты расчета показаны ниже.

Nр1 = G • u (1 + 0,60 + 3,22) = 4,82G • vz

N 2 = G v (1 + 0,63 + 90,91) = 92,54G v

р.2 z \ " " / " z

Из полученных данных видно, что с увеличением расчетных параметров, мощность привода выросла многократно и поэтому требуемую мощность следует рассчитывать по самым тяжелым условиям работы шнека, т.е. при максимальных значениях конструктивных и режимных параметрах.

Как следует из формулы (2.63), с ростом vz увеличивается требуемая мощность привода, но с ростом vz повышается и скорость циркуляции смешиваемых материалов.

Если разделить мощность привода на производительность шнека, получим удельную энергоемкость процесса транспортирования материала:

Э = N/Q.

2.5 Факторы повышения эффективности работы шнекового

смесителя

Эффективная работа шнека зависит не только от его конструктивных параметров и режима работы, но и от наличия в нижней части кожуха загрузочных окон: их количества, расположения и суммарной площади. На

работу шнека оказывают влияние также условия перемещения материала по шнеку внутри кожуха, способствующие или препятствующие продвижению материала по спирали.

Загрузочные окна должны иметь такую площадь проходного сечения, которая в сумме равна площади полезного сечения межвиткового пространства шнека. У однозаходного шнека имеется одна спираль и поэтому такой шнек за один оборот производит один захват материала.

Многозаходный шнек производит число захватов равное числу спиралей при условии поступления достаточного количества материала из бункера, но такие шнеки применяются редко вследствие сложности изготовления, утяжеления и удорожания. Поэтому, как правило, применяются однозаходные шнеки.

Теоретически за один оборот однозаходный шнек может разместить на спирали объем материала, равный объему одного витка, который ориентировочно можно определить из выражения:

V. = Р ф 2 — d 2 )к — в ), (2.65)

где в - толщина спирали.

Вертикальный шнек не может работать с полной загрузкой витков из-за риска остановки его работы вследствие того, что при этом может происходить трение материала не только о рабочую поверхность спирали предыдущего витка, но и об обратную сторону спирали следующего витка, т.е. может происходить распор материала между соседними витками спирали. Поэтому в формуле (2.65) нужно учесть это коэффициентом заполнения, который не может быть равным единице.

ж

V = 4 (D2 — d2 — в )• к3 (2.66)

Следовательно, через загрузочные окна должен поступать объем материала равный:

у = V = S и (2.67)

м в ^ /

где S - площадь проходного сечения загрузочных окон; и- скорость поступления смешиваемых материалов через загрузочные окна на шнек.

Так как нижняя часть бункера смесителя представляет собой усеченный круговой конус, можно считать, что смешиваемые материалы поступают к загрузочным окнам самотеком. В работе [16] показано, что скорость перемещения сыпучих материалов по наклонной плоскости может достигать 1,52,0 м/с, а угол наклона транспортирующей плоскости, в нашем случае образующей конуса, должен быть больше угла внешнего трения на 5-10°.

Из (2.66) и (2.67) имеем:

Выражение (2.68) позволяет при известных параметрах шнека определить требуемую площадь загрузочных окон в кожухе шнека.

На величину скорости продвижения материала по спирали вертикального шнека оказывает существенное влияние состояние внутренней поверхности кожуха. Для того, чтобы уменьшить частоту вращения материала вместе со шнеком, повысить частоту вращения материала в противоположную сторону, предлагается [9] установить на внутренней поверхности кожуха винтовую реборду с обратной навивкой по отношению к спирали шнека. На рис. 2.12 показана схема взаимодействия частицы материала со спиралью и ребордой.

Рис. 2.12- Схема взаимодействия частицы материала со спиралью и ребордой: 1 - спираль, 2 - реборда

Из схемы на рис. 2.12 видно что, если реборда установлена по варианту

(2.68)

2

1, реакция реборды R1 направлена над спиралью, если реборда установлена по варианту 2, реакция реборды R2 направлена вдоль спирали, если реборда установлена по варианту 3, реакция реборды R3 направлена вниз по отношению к спирали. Очевидно, что максимальная реакция реборды имеет место при ее установке по варианту 2.

При работе шнека с кожухом с винтовой ребордой условие перемещения частицы материала вверх по спирали:

F > F = Fp, (2.69)

где Fc - сила сопротивления перемещению частицы материала, Fp -реакция реборды.

Fn = т • W • R • fk - (mgcosa • fш + mgsina + т • Rsina • fk • fc) , (2.70) После преобразований имеем:

Fn = m[W • R• fK(cosa-sina- f) + g(sina+cosa- fK)], , (2.71) При применении кожуха с ребордой уравнение (2.70) имеет вид

Fn = m[W • R• fK(cosa-sina-f)-g(sina+cosa- fK)] , (2.72) Уравнение (2.72) отличается от уравнения (2.71) тем, что второе слагаемое в квадратных скобках не вычитается, а суммируется. Это объясняется тем, что реборда отталкивает частицу материала и тем самым способствует продвижению частицы материала по спирали, причем максимальное воздействие реборды будет в том в том случае, если она установлена перпендикулярно спирали. Отсюда угол установки реборды:

g=90° -a (2.73)

Результаты сравнительного расчета подъемной силы при работе шнека с гладким кожухом и с кожухом с ребордой приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Численные значения ¥п

пш , мин - ®ш,Рад1с а, град Я, м ¥ п Н

¥ пг ¥ пр

1 2 3 4 5 6

100 10,5 -0,38/0,43 -0,77/0,52

200 20,9 9°/18° 0,10 29,01/26,6 49,61/43,4

300 31,4 78,43/70,5 99,03/86,0

400 41,9 147,7/132,2 168,3/149,0

100 10,5 4,58/9,26 25,18/24,3

200 20,9 9°/18° 0,15 48,66/44,1 69,26/51,2

300 31,4 122,8/110,1 143,4/126,9

400 41,9 226,1/202,5 247,3/219,3

100 10,5 9,54/9,3 40,1/26,1

200 20,9 9°/18° 0,20 68,3/66,1 88,9/78,4

300 31,4 167,2/149,5 187,8/166,3

400 41,9 305,7/272,8 326,3/289,6

100 10,5 14,5/13,7 35,1/30,5

200 20,9 9°/18° 0,25 88,0/79,1 108,6/95,9

300 31,4 221,8/189,0 242,4/205,8

400 41,9 384,7/343,2 405,3/360,0

* ¥пг, ¥пр - подъемная сила при работе шнека с гладким кожухом и с кожухом с ребордой.

Из данных, представленных в табл. 2.3, можно сделать следующие выводы:

отрицательные значения подъемной силы показывают, что при пш = 100мин_1, Я=0,1м и а = 9° продвижение материала по спирали не

может происходить;

с увеличением угла a подъемная сила уменьшается и при применении гладкого кожуха, и при применении кожуха с ребордой;

при всех численных значениях пш, a и R подъемная сила при применении кожуха с ребордой больше, чем при использовании гладкого кожуха, в 1,05-1,80 раза.

Шнеки типовой конструкции, как правило, выпускаются с постоянным шагом навивки спирали, т.е. с постоянным углом подъема спирали и поэтому захват материала шнеком в зоне загрузки может происходить недостаточно эффективно. На рис. 2.13 показана схема взаимодействия спирали шнека 1 с загружаемым материалом.

При вращении шнека 1 на частицу материала 2, находящуюся на спирали, действует центробежная сила F, составляющая которой

F"= F • cosa способствует внедрению спирали в материал.

Рис. 2.13 - Схема внедрения Рис. 2.14 - Схема витка спирали спирали шнека в загружаемый с переменным углом подъема материал

Для успешной загрузки шнека нужно, чтобы FЦ имела максимальное

значение, а для этого следует уменьшать угол а. На основании этого вывода автор предлагает выполнять первый виток от нижнего торца шнека с переменным углом подъема спирали от нуля в начале витка до величины угла подъема спирали на остальной части шнека в конце витка (рис. 2.14), а чтобы не возникало затруднений при изготовлении шнеков, предлагается

выпускать этот виток в виде сменного наконечника с возможностью его стыковки с базовым шнеком.

Применительно к двухзаходным шнекам автор предложил установить сменный наконечник с двумя спиралями, каждая из которых выполнена в виде лопатки с переменным углом подъема, причем начальные кромки спиралей наконечника образуют с осью у угол, величина которого может изменяться в диапазоне от 16°42' до 26°36' в зависимости от соотношения диаметра вала шнека к наружному диаметру шнека (рис.2.15). На данное техническое решение получен патент на изобретение [62].

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:

1. Выполненные теоретические исследования позволили на основании изучения процесса перемещения материала вертикальным шнеком установить, что для интенсификации процесса смешивания компонентов внутри бункера необходимо повышать частоту вращения материала относительно шнека, что можно осуществить за счет установки винтовой реборды на внутренней поверхности кожуха.

2. Математическое моделирование показало, что процесс смешивания сыпучих материалов следует прекращать после того, как объем материала, участвующего в конвективном и диффузионном смешивании, станет равным объему материала сегрегации.

Рис. 2.15 - Схема расположения спиралей на наконечнике

3. На основании анализа составляющих потребляемой мощности привода вертикального шнека установлено, что наибольшие затраты энергии приходятся на преодоление сил трения смешиваемых материалов о кожух, а наличие на его внутренней поверхности винтовой реборды способствует уменьшению этих затрат, так как повышает частоту вращения материала относительно шнека и скорость его циркуляции внутри бункера.

4. Показано, что производительность вертикального шнека зависит главным образом от частоты его вращения и угла подъема спирали. Предложены теоретические зависимости для определения рациональных значений этих параметров.

5. На основании изучения механизма перемещения материала вертикальным шнеком предложены оригинальные технические решения, повышающие эффективность процесса смешивания кормов.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Экспериментальный стенд и аппаратура для измерений

Для проведения экспериментальных исследований был разработан стенд на базе сверлильного станка (рис. 3.1), у которого:

• частота вращения шпинделя, мин 1 - 100+300;

• мощность электродвигателя, кВт - 0,6.

Рисунок 3.1- Схема экспериментального стенда

Рабочим органом экспериментального стенда являлся вертикальный шнек 1, заключенный в неподвижный кожух 2. Шнек 1 крепился к шпинделю 3 установки посредством конусного соединения, а кожух 2 - к станине 4 посредством специальной шайбы. Для опоры и центрирования шнека на станине 4 была установлена шаровая опора 5. Вращение шнека 1 производилось от электродвигателя 6 посредством клиноременной передачи 7. При выполнении экспериментов частота вращения шнека регулировалась изменением величины напряжения электрического тока с помощью электронного регулятора и контролировалась тахометром, установленным на шпиндельной головке.

Транспортируемый материал подавался на шнек через приемный бункер 8

и вырезы в нижней части кожуха 2, а выгрузка - через окно 9 в верхней части кожуха, далее материал засыпался в мерную емкость 10. Приемный бункер 8 был изготовлен в виде кругового усеченного конуса, угол наклона образующей которого составлял 75 градусов. В дальнейшем экспериментальный стенд был модернизирован для обеспечения возможности циркуляции смешиваемых материалов (рис. 3.2).

С этой целью справа от кожуха был установлен лоток 10, соединенный через окно 9 с загрузочным устройством 8 и имеющий приемное окно 11.

При проведении исследований в качестве базового использовался шнек с охватывающим его цилиндрическим неподвижным кожухом с гладкой внутренней поверхностью (рис. 3.3). Захват материала производился через окно в нижней части кожуха, а выгрузка через верхний торец кожуха, к которому был прикреплен рассеиватель в виде усеченного конуса.

6

8

Рисунок 3.2 - Модернизированный стенд

Рисунок 3.3 - Шнек с гладким кожухом

Рисунок 3.4 - Экспериментальный кожух

Для сравнения в экспериментальных исследованиях применялся шнек с кожухом, на внутренней поверхности которого были прикреплены винтовые реборды (рис. 3.4).

Экспериментальные шнеки и кожухи имели следующие параметры:

шнек: наружный диаметр

(рис. 3.5 а) диаметр вала

шаг навивки спирали угол подъема спирали