CC BY
30
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.363.7
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВИНТОВОГО СМЕСИТЕЛЯ-КОНВЕЙЕРА
В. В. Коновалов, доктор. техн. наук., профессор; А. С. Фомин, аспирант; В. П. Терюшков, канд. техн. наук., доцент; А. В. Чупшев, канд. техн. наук., доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. 8-927-383-16-17, е-таП: [email protected]
Отражены результаты исследований рабочего процесса перемешивания сухих компонентов спирально-винтовым смесителем-конвейером непрерывного действия. Приводится его схема и продольный разрез, на основании которого можно судить о процессе перемешивания кормов в устройстве. Представлены некоторые экспериментальные данные. Получены аналитическое и функциональные выражения, позволяющие установить производительность устройства и оптимальные значения диаметра прутка и шага спирали, а также уравнения регрессии поправочного коэффициента производительности. Произведено сравнение опытных расчетных значений эксперимента. По экспериментальным данным даны двухмерные поверхности отклика, позволяющие судить о значимости конструктивных параметров смесителя, влияющих на качество смеси.
Ключевые слова: смеситель-конвейер, спирально-винтовой шнек, лопасть, рабочий орган, смесь, мощность, коэффициент вариации, равномерность смеси, конструктивные параметры.
Введение.
В перспективе около 54 % производимого в стране фуражного зерна будет перерабатываться комбикормовой промышленностью, а оставшаяся часть - использоваться для производства комбикормов непосредственно в хозяйствах или на межхозяйственных предприятиях [1, 2]. В связи с этим потребность в смесителях кормов, способных приготавливать качественные смеси, неизбежно растет [3, 4].
В существующих кормоприготовитель-ных установках и агрегатах смесители являются отдельными устройствами, осуществляющими смешивание компонентов, а расположенные после них конвейеры перемещают приготовленную смесь к последующей машине. Использование смесителей-конвейеров позволит совместить операции по смешиванию и транспортировке компонентов и смеси, что позволит умень-
шить стоимость агрегата за счет устранения освободившегося привода и снизить энергоемкость выполнения указанных операций [5-7].
Увеличение сферы животноводства требует повышенного внимания к полноценному, сбалансированному кормлению животных. Корм должен готовиться строго по рецепту и быть питательным, полезным, вкусным, хорошо усваиваться и не содержать примесей и веществ, вредных для здоровья животных. Получение однородной смеси в результате процесса перемешивания различных компонентов широко используется для приготовления сыпучих кормов. Применяемые конструкции смесителей сыпучих кормов не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству приготавливаемых смесей, в связи с многообразием факторов, влияющих на смешивание сыпучих компонентов [8-10].
Нива Поволжья № 1 (30) 2014 63
Результаты исследований.
Авторами разработан смеситель-конвейер сухих концентрированных кормов непрерывного действия (рис. 1).
4 _
/ 2 5 6
Рис. 1. Схема спирально-винтового смесителя-конвейера сухих кормов: 1 - выгрузной лоток; 2 - кожух;
3 - загрузочная воронка; 4 - опорный вал;
5 - винтовая спираль; 6 - шкив привода
Смеситель представляет собой спирально-винтовой шнек (конвейер), состоящий из кожуха 2, загрузочной воронки 3, выгрузного лотка 1, привода 6, прутковой спирали 5 рабочего органа. Внутри кожуха на подшипниках установлен рабочий орган, представляющий собой вал 4 с крепящейся к нему на радиальных поддерживающих лопастях винтовой спиралью 5 из металлического прутка. Диаметр прутка спирали в исследованиях изменялся от 5 до 8 мм при шаге спирали 50...175 мм. Диаметр кожуха 100 мм. Длина кожуха шнека составляет 2,3 метра. Частота вращения рабочего органа изменялась от 150 до 400 мин-1.
Предварительная смесь непрерывно поступает из многокомпонентного дозатора в загрузочную воронку 3 смешивающего шнека непрерывного действия (в смеситель-конвейер). Поступающие компоненты смеси захватываются спиралью 5 одноза-ходного шнека и двигаются в направлении зоны транспортировки, где осуществляется перемешивание компонентов смеси за счет воздействия на нее прутковой спирали 5 и радиальных лопастей 7. Подача смеси в зону выгрузного лотка 1 осуществляется как ее самопроизвольная выгрузка.
Основными параметрами нормированной подачи корма являются [7]:
-объёмная подача Qo = 5 ф (1)
-массовая подача Qfg = Sp ■ Зо ■ р , (2)
где S0 - площадь сечения определяющего отверстия, м2; иср - средняя скорость движения потока корма, м/с; р - плотность корма, кг/м3.
Теоретический объём материала на длине одного шага шнека определяется [11-14] как
7t-
где D - наружный диаметр шнека, м; do -диаметр вала шнека, м; s - шаг шнека, м.
Подача шнековых дозирующе-выгрузных устройств определится [7... 12]:
К
(4)
-1
где ю - угловая скорость, c ; kh - безразмерный коэффициент, определяющий зависимость подачи корма от высоты корма в бункере; kw - безразмерный коэффициент, определяющий зависимость подачи корма от влажности корма W; kp - коэффициент, учитывающий угол наклона шнековой лопасти; кф - коэффициент, учитывающий угол раствора выгрузного окна [9].
На основе указанной формулы можно определить производительность спирально-винтового конвейера, кг/с:
О = C-^-iD.-Z'^} s ¿•к-, (5)
-1
где n - частота вращения винта, c ; D1 -наружный диаметр винта шнека, D1=0,92 D, м; d - диаметр прутка шнека, м; kp - безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий зависимость подачи корма от существующих условий.
Однако данная формула не полно учитывает все конструктивные особенности рабочего органа смесителя-конвейера.
Теоретический объём материала на длине одного витка определяется как
K = E(SJ0 s)-Vm = S-D2--VVC (6)
где Уж - объем, занимаемый элементами конструкции рабочего органа, м3, определяемый как
Т'Ж= Т'ж1 + I ж2 + Г.;.
7F-
При этом Vjki = S —(tp - объем, занимаемый опорным валом - сердечником,
объем, занимаемый витком спирали, м3; Ld - длина прутка витка спирали на длине шага конвейера, м; Dj - наружный диаметр винта шнека, Dj = 0,92 D, м;
К^жЗ = ZJop LJop ■ (dr2f+ =
- объем, занимаемый лопастями, м3; Zlop - количество лопастей на одном витке спирали, шт.; Liop - длина лопасти, м.
При этом подача материала будет пропорциональна площади проекции витка спирали на поперечное сечение полости смесителя-конвейера. Тем самым, данную
зависимость можно учесть через поправочный коэффициент, учитывающий долю площади витка относительно площади отверстия на поперечном сечении конвейера:
Коэффициент пропорциональности в формуле производительности будет определяться как произведение ряда коэффициентов пропорциональности и поправочных:
: = ' 'V (8)
где кь - безразмерный коэффициент пропорциональности, учитывающий условия загрузки от конструктивно-кинематических параметров витка конвейера.
На основе вышеуказанной формулы получили производительность спирально-винтового смесителя-конвейера, кг/с:
О = г; ■ \ ) (9)
где ц - коэффициент допустимого заполнения пространства витка.
При этом производительность спирально-винтового конвейера не должна превысить максимально возможное значение, кг/с:
<?, * - - л * У ■ 5 ■ я - ■ °)
В результате проведения эксперимента
получены опытные данные подачи, а после обработки результатов установлено уравнение регрессии максимальной подачи смесителя-конвейера при свободном заполнении межвиткового пространства пше-нично-ячменной дертью (р = 710 кг/м3) из накопительного бункера:
Q = A0+Ards+A2-ss+A3-n+Alrds2+A22-ss2+ +A33-ny2+A12-dy-s+A13-dy-n+A23-sy-n\ (11)
где ds - диаметр прутка спирали, мм; s" -шаг витка спирали, мм; n" - частота вращения спирали, мин-1; A0, Ah A2, A3, Alh A22, A33, Al2, A i3, A23 - коэффициенты уравнения регрессии.
Условия принудительной загрузки (подача различными метателями с начальной скоростью материала) не рассматривались. Количество повторностей замеров на выходе из двухметрового конвейера - 3. Время забора порции - 20±0,1 с. Погрешность замеров - ±5 г.
После подстановки числовых значений коэффициентов уравнение регрессии запишется в виде
Q = -l,8l089+0,598l23d'-0,00245s + +0,00040l8n-0,05254 d"2- 0,00002s'2+ +0,000000504ns2+0,00ll07dss + +0,0002l9dsn + 0,0000085ls"n \ (12)
Коэффициент корреляции R = 0,96118844. Результаты расчета подачи по уравнению регрессии и их соответствие опытным значениям представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Результаты соответствия опытных и расчётных значений
Нива Поволжья № 1 (30) 2014 65
а) б)
Рис. 3. Двухмерные поверхности отклика производительности: а) шага спирали Б (мм) и частоты вращения п (мин-1) при диаметре прутка спирали ё = 5 мм; б) диаметра прутка спирали ё (мм) и частоты вращения п (мин-1) при шаге спирали Б = 50 (мм)
С ростом частоты вращения увеличивается подача устройства. Для диаметра прутка спирали 5 мм наибольшая производительность составляет 90... 140 мм. С ростом частоты вращения экстремум подачи смещается к большему шагу спирали.
Из двухмерного сечения поверхности отклика подачи при шаге спирали 50 мм (рис. 3, б) видно, что наибольшая производительность конвейера соответствует диаметру прутка спирали 6,5.7 мм. По мере увеличения частоты вращения наблюдается дрейф оптимума подачи в сторону увеличения диаметра прутка. С ростом частоты вращения производительность увеличивается.
Тем самым, можно рекомендовать для использования диаметр прутка спирали 6,5 мм и шаг спирали 100.135 мм.
При попытке описания линейной зависимостью получено уравнение регрессии, описывающее данный коэффициент:
кь= - 0,518755098 + 226,1741114-^ -- 7546,128176-ё - 12,65925238-5 + + 0,008231637-п. (13)
Коэффициент корреляции Я = 0,92833315. Однако расчетные значения производительности О выходят за 95 % доверительный вариант. Поэтому для описания данного коэффициента использовали уравнение второго порядка:
кк = 190,17к - 6619,33-ё - 19,275-Б + +0,00272-п+2469,Ы-5-0,37457-8-п-
-6,36781-ёп + 0,073389/Б + 0,013634-п2.
(14)
Коэффициент корреляции Я = 0,97948, Ф-тест 0,89272501.
Анализ графиков производительности на основе уравнения 12 (рис. 3) и двухмерных сечений на рисунке 5 показывают совпадение имеющихся тенденций.
Диаметр прутка спирали не оказывает существенного влияния на величину производительности. С увеличением частоты вращения наблюдается рост производительности конвейера. Повышение шага витков спирали способствует возрастанию производительности смесителя-конвейера. Максимальная подача соответствует диаметру прутка около 6,5.7,0 мм. Статистические показатели ф. 14 демонстрируют адекватность регрессионной модели коэффициента кь.
Сопоставляя значения производительности при различной частоте вращения спирали, видим, что независимо от конструктивных параметров производительность изменяется от цтЫ = 0,44 до дтах = 1,05 кг/с. В процессе обоснования параметров смесителя-конвейера по качеству смеси следует обосновать оптимальные конструктивно-кинематические параметры при производительности 0,44 кг/с, а для обоснованных значений конструктивных параметров определить наибольшую (оптимальную/рациональную) производительность устройства, обеспечивающую минимальную энергоемкость при соблюдении качества смеси.
Рис. 4. Двухмерные поверхности отклика коэффициента кк и производительности Q (кг/с)
а) шага спирали £ (м) и диаметра прутка спирали d (м) при п = 5,7 с1; б) частоты вращения п (с1) и шага спирали £ (м) при с = 0,006,5 м; в) частоты вращения п (с1) и диаметра прутка спирали с (м) при £ = 0,12 м
в
Вывод. Предлагаемое аналитическое выражение производительности спирально-винтового смесителя-конвейера (ф. 9), предусматривающее использование ко-
эффициента кк, позволяет получить достоверные значения производительности устройства, погрешность которых не превышает 15 %.
Нива Поволжья № 1 (30) 2014 67
1.6 1.5 1.4
От 13 $=175
Оо 1-2 4 з=175
«V120 1
От
5=50
* * ■ ■
1 гаан 1 тт
с!=6,5
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
// //
//
/(•
/1
у/ р • / • / • / * /
у/ • * у * у
/У/ • • • у /
•яУ/ р • • У • у • у
• * у • у • ^
-У* /// . У
• У
'1. / • • у * ^ ш
100 150 200 250 300 350 400
п
450
Рис. 5. Графики сходимости производительности О (кг/с) по уравнению регрессии О0 (ф.12) и по аналитическому выражению От (ф.9) с учетом коэффициента ^ (ф.14)
Литература
1. Концепция развития механизации и автоматизации процессов в животноводстве на период до 2015 года. - Подольск: ГНУ ВНИИМЖ, 2003. - 102 с.
2. Основные направления развития кормопроизводства Российской Федерации на период до 2010 года. - М.: Росинформагротех, 2001. - 64 с.
3. Коновалов, В. В. Механизация технологических процессов животноводства / В. В. Коновалов, С. И. Щербаков, В. Ф. Дмитриев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006. - 274 с.
4. Коновалов, В. В. Обоснование технических средств приготовления и выдачи кормов в свиноводстве / В. В. Коновалов.- Пенза, 2005. - 314 с.
5. Кулинцев, В. В. Белковые концентраты для кормления свиней / Кулинцев В. В. // Достижения науки и техники АПК. - 2011 - № 1. - С. 61 - 62.
6. Нуруллин, Э. Г. Некоторые результаты исследований по определению параметров централизованного дозирования аппаратов / Э. Г. Нуруллин, И. М. Сапахов, И. З. Исламов // Вестник Казанского ГАУ. - 2009. - № 3(13). - С. 147-149.
7. Спирально-винтовой смеситель-конвейер / А. С. Фомин, В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, В. П. Терюшков // Сельский механизатор. - 2012. - № 7. - С. 7.
8. Фомин, А. С. Определение подачи спирально-винтового шнека / А. С. Фомин, В. В. Коновалов // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. Том II / Пензенская ГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 128-130.
9. Крючкова, Л. Г. Совершенствование процесса работы дозирующе-выгрузных устройств шнекового типа бункерного раздатчика-смесителя: автореф. Дис.... канд. техн. наук / Л. Г. Крючкова. - Благовещенск, 2007. - 19 с.
10. Коновалов, В. В. Расчет оборудования и технологических линий приготовления кормов / В. В. Коновалов. - Пенза, РИО ПГСХА, 2002. - 206 с.
11. Артемьев, В. Г. Элементы теории спирально-винтовых пружинных транспортеров. Научное редактирование / В. Г. Артемьев, Ю. М. Исаев. - Ульяновск: УГСХА, 2006. - 108 с.
12. Критическая частота вращения спирального винта при перемещении частицы материала / Ю. М. Исаев, В. Г. Артемьев, Н. М. Семашкин и др. // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012. -№ 1. - С.132-135.
13. Определение поправочных коэффициентов подачи вертикального шнека / И. А. Боровиков, В. В. Коновалов, С. В. Гусев, Л. В. Иноземцева // Вестник Саратовского ГАУ им Н. И. Вавилова. - 2007. - № 3. - С. 43-44.
14. Определение подачи цилиндрического шнекового пресса / В. В. Новиков, В. В. Коновалов, Д. В. Беляев, Л. В. Иноземцева // Нива Поволжья. - 2010. - № 2. - С.51-56.
15. Гумаров, Г. С. Основы научного исследования и обработки опытных данных на компьютере / Г. С. Гумаров, В. В. Коновалов. - Уральск: Типография ТОО «Полиграфсервис», 2008. -242 с.
UDK 631.363.7
ANALYTICAL DEFINITION OF THE PERFORMANCE OF SCREW MIXER-CONVEYER
V.V. Konovalov, doctor of technical sciences, professor; A. S. Fomin, postgraduate student;
V.P. Terushkov, candidate of technical sciences, candidate of technical sciences, assistant professor; A.V. Choupshev, candidate of technical sciences, assistant professor
FSBEE HPT «Penza SAA», Russia, t. 8-927-383-16-17, e-mail: [email protected]
The article deals with the research results of the working process of mixing dry components with a sleep-black-screw mixer-conveyor of continuous action. The scheme and longitudinal section are shown on the basis of which one can judge about the process of mixing of feed in the device. Some experimental data are presented. Analytical and functional expressions are presented, they allow to determine the device performance and optimal values of the bar diameter and pitch of the spiral, and also regression equation of the correction factor productivity. The examined calculated values of the experiment have been compared. On the results of the experimental data two-dimensional response surface which allow to judge about the importance of design parameters of the mixer, affecting the quality of the mixture are shown.
Key words: mixer-conveyer, the spiral screw, vane, a working body, mixture, power, coefficient of variation, uniformity of mixture, construction parameters.
References:
1. The concept of development of mechanization and automation of processes in animal husbandry for the period until 2015. - Podolsk: SSU ARSRIMAH, 2003. - 102 p.
2. The main trends of the development of fodder production in the Russian Federation for the period up to 2010. - M: Rosinformagrotech, 2001. - 64 p.
3. Konovalov, V.V. Mechanization of technological processes in animal husbandry / V.V. Konovalov, S. I. Shcherbakov, V. F. Dmitriyev. - Penza: EPD PSAA, 2006. - 274 p.
4. Konovalov, V. V. Substantiation of technical means in preparation and output of fodders in hog production / V.V. Konovalov. - Penza, 2005. - 314 p.
5. Kulintsev, V.V. Protein concentrates for pigs feeding / V.V. Kulintsev // Dostizeniya nauki i tekhniki APK. - 2011. - № 1. - P. 61 - 62.
6. Nurullin, E. G. Some research results on determination of the parameters of the centralized dosing devices / E. G. Nurullin, I. M. Sapakhov, I. Z. Islamov // Vestnik of Kazan SAU. -2009. - № 3(13). - P. 147-149.
7. The spiral screw mixer-conveyer / A. S. Fomin, V.V. Konovalov, A.V. Choupshev, B. P. Terushkov // Selsky mekhanizator. - 2012. - № 7. - 7 p.
8. Fomin, A. S. Delivery determination of the spiral screw auger / A. S. Fomin, V. V. Konovalov // Contribution of young scientists to the innovative development of the AIC of Russia: materials of the All-Russian scientific-practical conference. Volume II / Penza state agricultural academy. - Penza: EPD PSAA, 2011. - P. 128-130.
Нива Поволжья № 1 (30) 2014 69
9. Kryuchkova, L.G. Improving the process of operation of rationing-unloading devices of a screw type bunker distributor-mixer: Abstract dis. ... candidate of technical sciences / L.G. Kryuchkova. - Blagoveshchensk, 2007. - 19 p.
10. Konovalov, V.V. Calculation of the equipment and technological lines of feed preparation / V.V. Konovalov. - Penza, EPD PSAA, 2002. - 206 p.
11. Artemyev, V.G. Elements of the theory of spiral screw spring conveyors. Scientific editing / V.G. Artemyev, Yu. M. Isayev. - Ulyanovsk: USAA, 2006. - 108 p.
12. Critical frequency of rotation of the spiral screw when replacing a particle of the material / Yu. M. Isayev, V.G. Artemyev, N. M. Semashkin et.al. // Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy. - 2012. - № 1. - P.132-135.
13. Determination of the correction coefficients of delivering vertical auger / I. A. Borovikov, V.V. Konovalov, S.V. Gusev, L.V. Inozemtseva // Vestnik of Saratov state university in the name of N. I. Vavilov. - 2007. - № 3. - P. 43-44.
14. The definition of delivering the cylindrical screw press / V.V. Novikov, V.V. Konovalov, D. V. Belyaev, L.V. Inozemtseva // Niva Povolzhya. - 2010. - № 2. - P.51-56.
15. Gumarov, G.S. Fundamentals of scientific research and processing the experimental data on the computer / G.S. Gumarov, V.V. Konovalov. - Uralsk: Typography of LLP «Polygraphservice», 2008. - 242 p.
УДК664.769
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРУДАТОВ НА ОСНОВЕ НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
А. А. Курочкин, доктор техн. наук, профессор; Г. В. Шабурова, канд. техн. наук, доцент; Д. И. Фролов, канд. техн. наук, доцент; П. К. Воронина, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенский ГТУ», Россия, e-mail: [email protected]
Представлены результаты исследований влияния влажности экструдируемого сырья, а также диаметра фильеры матрицы и давления воздуха в вакуумной камере экструдера на индекс расширения экструдатов. На основе запатентованного авторами способа производства экструдатов предложен новый технологический принцип получения экструдированных продуктов с улучшенными структурными свойствами. Результаты моделирования процесса получения экструдатов из растительного крахмалсодержащего сырья свидетельствуют о том, что наряду с технологическими факторами экструзии (влажность сырья) и техническими параметрами экструдера (диаметр фильеры матрицы) величина давления в вакуумной камере экструдера оказывает существенное воздействие на индекс расширения, а значит, и на интенсивность формирования пористой структуры получаемых экструдатов. Приведен анализ полученной модели и ее графическая интерпретация.
Ключевые слова: растительное сырье, крахмал, влажность, экструдат, вакуумная камера экструдера, фильера матрицы, индекс расширения.
Введение. Многочисленными исследованиями установлено, что в растительном крахмалсодержащем сырье изменения крахмала в процессе экструзии зависят от удельной механической и тепловой энергии, полученной обрабатываемым материалом [1-4].
Наряду с функционально-технологическими свойствами получаемых экструда-тов, эта энергия существенно влияет на коэффициент вспучивания (индекс расширения) экструдата и его пористость [5-7].
С другой стороны, пористая структура экструдатов обусловливает такие их свойства, как набухаемость, водоудерживающая
способность, растворимость, жироудержи-вающая способность и др. [8, 9, 10].
Известно, что содержание воды в экс-трудируемом сырье относится к числу наиболее важных факторов, влияющих на процесс термопластической экструзии. Влажность обрабатываемого сырья определяет температуру его перехода в вязко-текучее состояние. Изменяя вязкость системы, вода оказывает влияние на тепловой баланс экструдера, в котором теплота выделяется в результате трения при гомогенизации, пластификации, сдвиге и сжатии перемещаемого в процессе обработки материала.
