АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА РАБОТЫ СМЕСИТЕЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель исследования - аналитически обосновать длительность цикла работы смесителя периодического действия. Повышение продуктивности животных требует улучшения качества кормов. Одним из способов повышения качества корма является приготовление смесей. Наиболее качественные смеси обеспечивают смесители периодического действия. Их особенностью является предварительная загрузка компонентов смеси и последующий период их смешивания рабочим органом. После приготовления смеси открывается выгрузное отверстие и готовая смесь выгружается. В ряде случаев используются смесители ступенчатого смешивания, в которых вначале приготавливается предварительная смесь, догружаются дополнительные добавки и получается смесь. Иногда осуществляется несколько подобных ступеней смешивания. В статье дается описание разработанной конструкции вертикального лопастного смесителя периодического действия для приготовления кормовых смесей . Используя известные теоретические положения прикладной механики, аналитически выводятся выражения длительности смешения компонентов смеси и выгрузки готового корма из смесителя. Выгрузку корма из смесителя можно разделить на два интервала времени. Первый интервал - пока разгружается смесь выше выгрузного отверстия (высота выгрузного отверстия постоянна). Второй интервал - когда разгружается смесь на высоте выгрузного отверстия (высота смеси изменяется от высоты выгрузного отверстия до практического нуля, т.е. высота выгрузного отверстия - переменная величина). В статье теоретически обоснуются выражения времени цикла работы смесителя, включая время смешения и разгрузки вертикального смесителя. Представлены формулы для определения длительности смешивания, время выгрузки материала через прямоугольное боковое отверстие и полное время цикла.

Полный текст

Повышение продуктивности животных требует улучшения качества кормов. Одним из способов повышения качества корма является приготовление смесей. Наиболее качественные смеси обеспечивают смесители периодического действия. Их особенностью является предварительная загрузка компонентов смеси и последующий период их смешивания рабочим органом. После приготовления смеси открывается выгрузное отверстие и готовая смесь выгружается [1]. В ряде случаев используются смесители ступенчатого смешивания, в которых вначале приготавливается предварительная смесь, догружаются дополнительные добавки и получается смесь. Иногда осуществляется несколько подобных ступеней смешивания [2]. Цель исследования - аналитически обосновать длительность цикла работы смесителя периодического действия. Задача исследования - определить теоретические выражения, описывающие цикл работы смесителя периодического действия, время загрузки, смешения и выгрузки. Материалы и методы исследований. Предлагается для приготовления кормовых смесей использовать лопастной смеситель разработанной авторами конструкции [3, 4]. Он состоит (рис. 1) из емкости смесителя 9, привода в составе электродвигателя 1 и муфты 2, передающей вращающий момент на вертикальный вал 5 и далее к мешалке 4. Загрузка ингредиентов смеси осуществляется через загрузочный бункер 8. Выгрузка готовой смеси осуществляется через выгрузное окно 12 по выгрузному лотку 13. Используя известные теоретические положения прикладной механики, аналитически выводятся выражения длительности смешения компонентов смеси и выгрузки готового корма из смесителя. Рис. 1. Смеситель периодического действия: 1 - электродвигатель; 2 - муфта; 3,8 - подшипник; 4 - мешалка; 5 - вал; 6 - смесь; 7 - загрузочный бункер; 9 - емкость смесителя; 10 - заслонка; 11 - лопасти мешалки; 12 - выгрузное окно; 13 - выгружаемый корм Результаты исследований. Конструктивные и энергетические параметры обосновывались авторами в ряде работ [3, 4]. Однако функционально не выявлялась длительность цикла работы устройства. Время цикла приготовления смеси (с) включает в себя [1, 5-7]: (1) где Tз - время загрузки компонентов, с; Тс - время смешения компонентов, с; Тв - время выгрузки готовой смеси, с; Тд - подготовительно-заключительные операции при работе дозирующего и смесительного оборудования, обеспечивающего подготовку смесительного агрегата следующему циклу, с. Время загрузки компонентов дозаторами в смеситель определяется особенностями дозирующего устройства и способом загрузки компонентов смеси. В общем случае время загрузки компонентов (с) можно определить: (2) где Qд - производительность системы дозирования компонентов смеси, кг/с. Длительность смешивания компонентов смеси смесителем определим на основе материалов [7]. Процесс перемешивания компонентов смеси может описываться показательной функцией по аналогии с процессом диффузии [8, 9]. Согласно этой аналогии, для описания равномерности приготавливаемой смеси справедливо уравнение: (3) где k - эмпирический коэффициент интенсивности перемешивания; Т - длительность перемешивания материала [8], с. Для различных смесителей (включая разные значения конструктивных и кинематических параметров одного и того же смесителя) значение эмпирического коэффициента интенсивности перемешивания k будет различным [7]. Соответственно графики изменения равномерности смеси Q для таких смесителей также будут отличаться интенсивностью (рис. 2). Рис. 2. Изменение равномерности смеси Q (0,01%) в зависимости от длительности смешивания Т (с) При одинаковой системе работы дозирующих устройств начальное качество смеси QН на момент загрузки компонентов смеси в обоих вариантах смесителей будет одинаковым. Необходимое качество смеси QК достигнет требуемого значения через некоторый промежуток времени, например для двух разных смесителей промежуток времени смешения составит: ТС1=ТК - ТН, ТС2=tК - tН, (4) где Тн и tн - условное время смешивания, соответствующее промежутку времени до начала перемешивания, для достижения равномерности смеси, соответствующей качеству смеси QН начала перемешивания, с. По условию минимальной энергоемкости смесеприготовления наиболее вероятно сокращение длительности смешивания. Соответственно, зная эмпирическую величину k (эмпирический коэффициент интенсивности перемешивания для смесителя), можем найти потребную длительность смешения компонентов конкретного смесителя. Условное время до начала смешивания определится: (5) Условное время до окончания смешивания определится: (6) Время смешения (с) в общем виде определится: (7) Время выгрузки смеси можно определить на основе данных статьи [10]. Если в смесителе диаметром D (м) загружена масса компонентов смеси M (кг), то при средней плотности смеси высота корма в смесителе составит H (м). При этом координата положения центра тяжести ХС (м) радиального элементарного сектора [10] в момент времени t поворота некой лопасти мешалки, вращающейся на валу 4 вокруг вертикальной оси вертикальной цилиндрической емкости 2 (рис. 3), относительно начала выгрузного отверстия 1 на ее боковой поверхности (при котором t=0), определится относительно оси вращения: (8) где g - ускорение свободного падения, м/с2; f - коэффициент трения; w - угловая скорость вращения мешалки, рад/с; Sl - высота выгрузного отверстия, м; При выгрузке материала сектор смещается в радиальном направлении, не успевая заполняться. Радиальные сектора составляют в совокупности всю поверхность днища смесительной емкости. Радиальная скорость перемещения центра тяжести радиального сектора (м/с) будет функцией времени поворота лопасти (соответственно времени расположения лопасти относительно начала выгрузного отверстия) [10]: (9) Подача материала (кг/с) через выгрузное отверстие в виде прямоугольной щели определится: или (10) где So - ширина выгрузного отверстия, м; Jср - средняя скорость выхода материала из смесителя через выгрузное отверстие в радиальном направлении, м/с; Ji - скорость выхода материала из смесителя в радиальном направлении на i-м участке, м/с; Ni - количество i-х участков выгрузного отверстия, шт.; r - плотность вороха материала в смесительной емкости при работе мешалки, кг/м3. Рис. 3. Схема размещения размеров при выгрузке материала из емкости смесителя: 1 - выгрузное отверстие; 2 - верхний слой материала; 3 - емкость смесителя; 4 - вращающийся вал с мешалкой При разгрузке за бесконечно малое время DТ из смесителя выгрузится масса корма М1 (кг) и объем смеси V1 (м3): М1=DТ×Q, V1=М1/r. (11) Высота слоя корма в смесителе уменьшится на DH. Теперь высота корма составит H-DH. Изменение высоты корма в смесителе (м) составит: DH= 4×V1/(p×D2)= 4×(DТ×Q/r)/(p×D2) или DH =4×DТ×Q/(p×r×D2). (12) Выгрузку корма из смесителя можно разделить на два интервала времени. Первый интервал - пока разгружается смесь выше выгрузного отверстия (высота выгрузного отверстия постоянна). Второй интервал - когда разгружается смесь на высоте выгрузного отверстия (высота смеси изменяется от высоты выгрузного отверстия до практического нуля, т.е. высота выгрузного отверстия - переменная величина). Определим время первого интервала времени (с), когда конечная высота слоя корма составит Sl: Dt1=(p×r×D2×DH)/(4×Q), или Dt1=(H-Sl)×(p×D2×r)/(4×Q). (13) Определим длительность второго интервала времени (с), когда высота слоя корма в смесителе изменяется от высоты отверстия Sl до нуля: , (14) где - показатель, определяемый из формул 10 и 13. Учитывая, что логарифм нуля математически определить невозможно, граничным условием (соответствующим условному нулю) примем размер частиц смеси в соответствии с зоотехническими требованиями - 0,001 м. Время второго интервала (с) выразится: . (15) На основании данных формул можно найти время, в течение которого координата центра тяжести опустится до дна, что и будет длительностью выгрузки (с): . (16) Заключение. Аналитически описана длительность цикла Тц (с) работы вертикального смесителя периодического действия с боковым выгрузным отверстием в виде прямоугольной щели:
×

Об авторах

Владимир Викторович Коновалов

ФГБОУ ВПО Пензенский ГТУ

Email: konovalov-penza@rambler.ru
д-р техн. наук, проф. кафедры «Теоретическая и прикладная механика» 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Кордон Студеный, 25А

Мария Владимировна Фомина

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: sha_penza@mail.ru
аспирант 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Кордон Студеный, 1г

Вячеслав Петрович Терюшков

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: sha_penza@mail.ru
канд. техн. наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» 440007 Пензенская область, г. Пенза, 1-й Городищенский проезд, 7-1

Алексей Владимирович Чупшев

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: sha_penza@mail.ru
канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» 440014 Пензенская область, г. Пенза, ул. Конструкторская, 12

Список литературы

  1. Коновалов, В. В. Механизация технологических процессов животноводства / С. И. Щербаков, В. Ф. Дмитриев. - Пенза, 2006. - 232 с.
  2. Терюшков, В. П. Определение энергоемкости смесеобразования быстроходных смесителей / В. П. Терюшков, А. В. Чупшев, О. Н. Широкова, М. В. Коновалова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - № 3. - С. 76-81.
  3. Коновалов, В. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя сухих кормов с плоскими лопастями / В. В. Коновалов, В. Ф. Дмитриев, М. В. Коновалова // Научное обозрение. - 2011. - №1. - С. 24-28.
  4. Коновалов, В. В. Результаты теоретических исследований процесса перемешивания в смесителе периодического действия / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев // Нива Поволжья. - 2012. - №2. - С. 51-55.
  5. Новиков, В. В. Обоснование параметров лопастной мешалки / В. В. Новиков, С. П. Симченкова, В. И. Курдюмов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - №2. - С. 104-108.
  6. Ларюшин, Н. П. Теоретическое исследование рабочего процесса барабанной картофелесортировки / Н. П. Ларюшин, О. Н. Кухарев, В. С. Бочкарев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - №3. - С. 19-25.
  7. Коновалов, В. В. Моделирование изменения равномерности смеси при ступенчатом смешивании / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, М. В. Фомина, А. С. Калиганов // Нива Поволжья. - 2013. - №3 (28). - С. 77-83.
  8. Стукалкин, Ф. Г. Исследование кормосмесителей непрерывного действия и методика их расчета : автореф. дис. … канд. техн. наук / Ф. Г. Стукалкин. - Ленинград, 1965. - 21 с.
  9. Коновалов, В. В. Моделирование процесса непрерывного приготовления смеси смесителем-дозатором экструдера / В. В. Коновалов, В. В. Новиков, Д. Н. Азиаткин, А. С. Грецов // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - №3. -- С. 72-78.
  10. Коновалов, В. В. Моделирование подачи материала при разгрузке вертикального смесителя / В. В. Коновалов, А. С. Калиганов, М. В. Фомина, А. В. Чупшев // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : сб. науч. тр. - 2014. - №06 (22). - С. 67-74.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Коновалов В.В., Фомина М.В., Терюшков В.П., Чупшев А.В., 2015

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.