Обоснование конструктивных параметров устройства для подачи сапропеля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

УДК 631.33

В.С. СЕЧКИН, д-р техн. наук;

В.В. БЕЛОВ, д-р техн. наук СПб ГАУ

СО. АНТИПОВ, канд. техн. наук;

А.П. ПАВЛОВ, канд. техн. наук;

А.Н. ПАВЛОВ, канд. техн. наук;

Великолукская ГСХА

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОДАЧИ САПРОПЕЛЯ

Дан анализ и рассмотрены различные технологические схемы выращивания и совершенствования технологического процесса выращивания витаминной кормовой добавки на сапропелевом субстрате. Обосновано, что ротор шнекового нагнетателя целесообразно изготавливать конической формы. Приведены основные зависимости влияния различных факторов на процесс транспортирования, а также зависимости по определению конструктивных параметров шнекового нагнетателя.

Интенсификация и расширение сельскохозяйственного производства тесно связаны с проблемой повышения выпуска продукции животноводства. Существующее состояние кормовой базы, слабое производство белково-витаминных добавок не могут обеспечить животноводство органоминеральным кормовым сырьем в достаточном объеме.

Общее признание сапропели получили в качестве минеральной добавки за их зольную часть, которая отличается большим разнообразием неорганических веществ. Основным фактором накопления этих элементов является наличие в озерном иле сапропелеобразователей биологически активных веществ, а также способность коллоидной фракции органического вещества адсорбировать макро- и микроэлементы, приносимые в водоем питающими его поверхностными и подземными водами.

Одним из способов использования сапропеля естественной влажности на кормовые добавки является выращивание гидропоники зеленого корма (ГЗК).

77

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

В связи с тем, что в составе ГЗК, выращенного из чистого зерна, содержится небольшое количество клетчатки, были предложены технологии выращивания зеленого корма на «поедаемых» целлюлозосодержащих субстратах (солома, мох, опилки и т.п.). Из них наиболее широкое распространение получило в настоящее время выращивание ГЗК из ячменя на субстрате измельченной соломы. Проведенные исследования [1] показали, что использование в качестве вегетационной поверхности сапропеля естественной влажности позволяет получить результаты, не уступающие применяемым в настоящее время способам выращивания ГЗК, а по некоторым показателям даже превосходящие их.

Одной из наиболее энергоемких и технологически ответственных операций производственного цикла является распределение сапропелевого субстрата. Поэтому, совершенствование конструктивных и технологических параметров устройства для подачи сапропеля естественной влажности является актуальной задачей.

Наиболее универсальными и простыми являются рабочие органы механического типа: конвейерные ленты, поршневые и матричные прессы, устройства вибрационного типа. Однако из-за особенностей физико-механических свойств сапропеля они не могут обеспечить технологический процесс в полном объеме, сложны в использовании при распределении рабочего материала, а также громоздки.

Конструктивные особенности и характеристики этих устройств обоснованы тем, что для обеспечения технологического процесса подачи под определенным давлением сапропеля естественной влажности рабочий орган должен соответствовать ряду требований:

- обеспечивать подачу сапропелевого сырья влажностью 83-90 %;

- иметь большую площадь приемного сечения для обеспечения непрерывного процесса подачи;

- содержать минимальное количество лопастей;

- для повышения надежности, снижения износа и динамических нагрузок, рабочий орган должен иметь невысокую частоту вращения.

В наибольшей степени удовлетворяют этим требованиям шнековые, конические нагнетатели, достоинством которых является про-

78

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

стота конструкции, долговечность, надежность в работе и подаче сред с механическими включениями.

В основу теоретических исследований шнекового нагнетателя положено математическое моделирование технологических процессов и условия работы рабочего органа, методы теоретической механики, основы гидравлики, дифференциального и интегрального исчисления.

Одним из основных показателей, характеризующих процесс движения сапропеля естественной влажности в шнековом рабочем органе [2], является подача в единицу времени. Рассмотрим геометрию движущего элемента рабочего органа конического вида. Рабочей частью его является винтовая поверхность, образованная совокупностью винтовых линий (рис. 1).

Известно, что шнековые устройства могут быть с постоянным, переменным шагом и диаметром шнека. На основании опыта эксплуатации рабочих органов аналогичных устройств для определения основных параметров примем начальные условия, что шаг и диаметр изменяются плавно с постоянным отношением Кн:

К = D+1

D

(1)

где Di - диаметр входного сечения, м;

Di+1 - диаметр следующего витка шнека, м.

Рассмотрев два последовательных витка шнека, из подобия четырехугольников AOKD и OBCK (рис. 1) можно записать:

OK _ BC AD ~ OK

(2)

Обозначив радиусы шнека в начале каждого витка Rk=AD, Rk-o=OK и Rk-o1=BC, получим:

Rk -o _ Rk ~°1

Rk Rk-o ’

где o и o1 - разность между значениями радиусов предыдущего и последующего витка шнека, м.

79

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

ров:

Значение величин с и Ci определим из геометрических разме-

с=Н ctg Д; (4)

С=(Нг+ Нг+i) ctg Д (5)

где Д - угол наклона конуса.

Рис. 1. Схема к определению конструктивных размеров шнекового нагнетателя

Выражение (1) с учетом (3), (4) и (5) запишем в следующем

виде:

80

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Кн

Rk - (Hi+1 + Hi )ctgP

Rk - Hicg

(6)

В результате математических преобразований выразим шаг предыдущего и последующего витка шнека Hi и Hi+1, через Rk c учетом подъема винтовой линии ф

Hi=2nRk tg% (7)

H1+i =2п (Rk- Hi ctgP) tgy. (8)

Преобразовав выражение (8) с учетом (7), получим:

Hi+i=2nRktgp-4nRktgф ctgp. (9)

Подставив выражения (8), (9) в (6) выразим значение Кн в общем виде:

Кн

Rk - 2nRk<gvc<gp + 4п2Rkg2ctgp

Rk - 2nRktg^cg

2nRktg<Vctgp

(10)

Упрощая выражение (10), получим значение коэффициента Кн для практического применения:

Кн

1 - 4ntgtyctgP + 4 п2 tg§2 ctgP2 1 - 2ntg9ctgP

(11)

Проведенные исследования показали, что на величину коэффициента подобия оказывают влияние углы подъема винтовой линии шнека и наклона образующей конуса.

Для определения основных конструктивных размеров конического нагнетателя составим уравнение проекции винтовой линии на плоскость XOY. При малых значениях сторон B'A' и DB', треугольник (ADA 'B', см. рис. 1) можно считать прямоугольным и поэтому:

8l1=tg^5S, (12)

где 5l1=B A' , а SS=DB '.

81

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

В связи с этим величину SS можно приближенно вычислить по формуле:

SS=RSy

Учтем, что Sli связано с SR зависимостью:

(13)

Slx =—^ SR, sin во

(14)

где р0 - половина угла при вершине конуса, который равен:

Rk - RH

Р о = arctg k н .

Выразив угол наклона образующей конуса через угол при основании конуса Р, получим:

/Зо=90°-р. (15)

Тогда из выражения (12) следует:

SR=tgqxsin(90-P)RSy. (16)

Обозначив выражение tgqsin(90-P) через ;, равенство (16) перепишем в следующем виде:

SR=£RSy. (17)

Решая выражение (17) относительно R, получим:

R=Ce;y, (18)

где e - постоянная; e=2,7183.

Учитывая, что y=0, R=Rk, составим уравнение проекции винтовой линии в полярных координатах (R,y). Тогда уравнение на плоскость YOXбудет иметь вид R=Rkl;y, и при R=Rн выражение (18) примет следующие значение:

Rh = Rkeyn , (19)

где yn - число повторов полярного радиуса.

82

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

У n

1, RH -ln—H-

S Rk

(20)

Если использовать формулы приведения с учетом R^R+Lctgfi, то после упрощения выражение (20) примет следующий вид:

У n

1 J nRk + Lcg

tgy cosp Rk

(21)

Подставив значение E,=tgtyc°sP и yn из выражения (21) в (19), получим зависимость для определения наибольшего радиуса входного сечения в шнековый нагнетатель:

Rk + Lctgfi

ln-

RH = Rkl

Rk

(22)

Зная радиусы входного сечения Rfi и выходного Rk, можно получить зависимость для определения длинны нагнетателя L через количество витков шнека Wy.

L = Rh Rk

RH

ln—

R„

V

D

4k 2W2 tg2 Ф- ln2 —H

6 R

(23)

где W =

P2 +(RH - Rk)\n Rh_

2k(Rh - Rk )^Ф Rk

1

-ln

Rk

tgФ cosP Rk

Таким образом, установлено, что основные размеры нагнетателя (длина шнека, радиусы входного и выходного сечения) тесно связаны между собой и зависят от углов подъема винтовой линии, наклона конуса и числа витков шнека.

Проведенные исследования позволили установить, что при работе нагнетателя на поверхности ротора шнека вдоль оси при определенных условиях может создаваться область, которая не участвует в подаче сапропеля. В этой области масса вовлекается во вращение с ротором и не перемещается вперед, в связи с этим целесообразно уменьшить эту зону или ограничить поступление в нее сапропеля. На-

83

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

ми теоретически обосновано, что для ограничения зоны, не участвующей в подаче сапропеля, ротор шнекового нагнетателя целесообразно изготавливать конической формы [2].

В технической литературе достаточно материалов, посвященных теории, испытанию и эксплуатации шнековых нагнетателей. Однако сведения о распространении и движении материала не имеют строгой теоретической основы и не содержат рекомендаций для определения производительности шнековых устройств для подачи материалов, близких по своим физико-механическим свойствам к сапропелю естественной влажности.

Более перспективным является метод [3], предлагаемый Г. Шенкелем, который позволяет ближе учесть физико-механические свойства подаваемых материалов. В зарубежной литературе преобладают сведения экспериментального характера. Все это послужило основой для проведения дальнейших исследований шнекового нагнетателя при подаче сапропеля естественной влажности.

Для определения подачи конического шнекового нагнетателя в зависимости от конструктивных параметров, а также физикомеханических свойств сапропеля рассмотрим движение частицы сапропеля в нагнетателе.

Вектор скорости движения у представим в виде суммы вектора скорости относительно шнека V и вектора скорости движения относительно стенок шнекового, конического цилиндра (рис. 2). На основании теории взаимодействия вязкопластичной смеси с рабочими органами шнекового нагнетателя составляющая подачи процесса перемещения материала считается осевая составляющая V вектора скорости V . Г. Шенкель предлагает рассчитывать подачу по формуле:

Q = VzF, (24)

где F - площадь поперечного сечения шнекового канала, м ;

V - осевая составляющая скорости V, м/с.

Осевую составляющую VZH можно определить из выражения: Ут = ,KDHn sin ф cos ф(1 - tgtyctgrn), (25)

где DM - диаметр входного сечения шнековой камеры, м;

84

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

n - частота вращения шнека, с"1; а - угол между направлением движения материала и плоскостью боковых поверхностей винтовой поверхности шнека, град, который равен:

ctga

cos2 ф - 0.5 sin29

(26)

Ввиду того, что корпус шнековой камеры конический, входной диаметр шнекового нагнетателя определяется по формуле:

DH = Dk + 2ctgp(L - Z), (27)

где Dk - минимальный диаметр конуса, м;

L - длина нагнетателя, м;

Z - расстояние от максимального диаметра до рассматриваемого сечения, м.

Рис. 2. Направление движения частиц в межвитковом пространстве

85

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Площадь входного отверстия конического шнека определится из выражения:

¥н = n(D% - dl)/4, (28)

где йН - диаметр вала шнека, м.

С учетом, что вал шнека выполнен конусным, глубину канала НН в любом сечении определяем по формуле:

K=ho + (L-Z) (ctgP - tga), (29)

где a - угол наклона образующей вала, град.;

h0 - глубина канала на выходе из нагнетателя, м.

В производственных условиях для непрерывной подачи сапропеля на ленту транспортера применим уравнение неразрывности потока для установившегося движения [2, 3]:

VzhFh = VzkFk , (30)

где Угн - аксиальная составляющая скорости Уз в конце шнекового канала, м/с;

Fk - площадь поперечного сечения выходной части шнекового нагнетателя, м2.

Из зависимости (30) выразим значение Vzk.

Vzk = VzhFh / F.

Обозначим отношение FH / F через к

(31)

к =

D2 - d2

DH dH

D2 - d2

DK dk

(32)

Далее, подставив значения (25), (28) в (31) с учетом (27), (29) получим:

Ft = viriDflsin^cos^>(l - tgqctga!) . (33)

86

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Для получения наибольшей эффективности подачи целесообразно выход сапропеля из нагнетателя осуществлять через боковое отверстие в корпусе, поскольку в этом случае к большому центробежному давлению добавляется осевое.

Поэтому подачу можно определить по формуле:

Q = ктЮни sin у cos y(l - tgpctga)

4

(34)

где d - диаметр выходного патрубка, м.

При определенных условиях работы в шнековом нагнетателе конического типа наблюдается явление обратного тока, что отрицательно влияет на его подачу. Потери от обратного тока учтем коэффициентом снижения подачи Knn=Qc/Q, и с учетом его значения можно записать:

Qdeucme=Q(1-Kn,)=Q(1-Qc/Q),

где Qc - объем обратного тока, м3/с.

(35)

Для определения объема обратного потока сапропеля воспользуемся зависимостью, полученной на основе экспериментальных исследований [3]

Qo

nD\s*tgty dP

М^у he dL ’

(36)

где s - величина зазора между навивкой шнека и внутренней поверхностью кожуха нагнетателя, м;

Нв - высота слоя внесения, м; dP/dL - перепад давления, равный AP/L, Па/м.

При условии, что давление на выходе из патрубков равно давлению создаваемому нагнетателем, т.е. АР=Р, имеем:

AP

рК1 2 ’

(37)

где р - плотность транспортированного сапропеля, кг/м3.

87

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Подставив значение скорости из (33) в (37), после преобразований получим:

В результате подстановки в (35) значений из (36), (37) и (38) определим подачу нагнетателя:

В результате исследований взаимодействия сапропеля с винтовой поверхностью шнекового нагнетателя установлено, что подача и давление зависят не только от длины, диаметров входного и выходного сечения нагнетателя, но и от физико-механических свойств сапропеля. Таким образом, произведенный теоретический анализ позволяет обоснованно выбрать тип рабочего органа для подачи сапропеля естественной влажности; получить выражения, устанавливающие функциональную зависимость подачи и давления нагнетателя от конструктивных параметров и режимов работы, а также от свойств рабочего материала.

Выполненные исследования направлены на совершенствование технологического процесса выращивания витаминной кормовой добавки на сапропелевом субстрате. Они позволяют обоснованно подойти к выбору конструктивных и технологических параметров устройства для подачи сапропеля естественной влажности.

процесса использования сапропеля на кормовые добавки путем обос-

AP = р

{клР»п sin у cos y(l - tgyctgaf) 2

(38)

(39)

где an=(1-Knn) - безразмерный коэффициент.

Составляющая Knn определяется по выражению

g _ Dk sAtgyKn2 DHn sin у cosy (l - tgyctgrn)p nn ~ 6py\d2L

nn

■2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антипов С.О. Совершенствование технологического

88

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

нования послойной разработки залежи и конструктивных параметров смесителя. - Великие Луки: ВГСХА, 1999. - 25 с.

2. Павлов А.Н. Повышение эффективности использования сапропелей естественной влажности на удобрения путем улучшения качественных характеристик и конструкции шнекового нагнетателя. -Великие Луки: ВГСХА, 1998. - 20 с.

3. Шенкель Г.М. Шнековые прессы для пластмасс. - Л.: Государственное научно-техническое изд. химической литературы. 1962. - 466 с.

Получено 30.12.2003.

УДК 631.171

A. В. ТРИФАНОВ;

B. В. КАЛЮГА, д-р техн. наук СЗНИИМЭСХ;

А.Г. ТРАФИМОВ, д-р экон. наук ЗАО «Ручьи»

СТРАТЕГИЯ ВЫБОРА АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРОИЗВОДСТВА СВИНИНЫ

Представлены основные положения и результаты реализации методики выбора адаптивных технологий и технических средств производства свинины и макета АРМ технолога.

Обилие базовых технологий производства свинины с большим разнообразием технических средств для выполнения процессов вышеназванных технологий требует выявления оценочных критериев, с помощью которых может быть выбрана наиболее эффективная адаптивная технология производства свинины для любого по мощности свиноводческого предприятия.

Адаптивные технологии в животноводстве можно определить как технологии, которые в максимально возможной степени учитывают благоприятные факторы и смягчают воздействие неблагоприятных факторов в данных конкретных условиях функционирования предприятия при экономном использовании всех видов ресурсов [1].

89