CC BY
1
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, Nq 3, 2023
DOI 10.24412/2311-6447-2023-3-214-218
Энергозатраты при смешивании кормов вертикальным шнеком
Energy consumption when mixing feed with a vertical auger
Доцент Р.И. Черкасов, МИРЭА - Российский технологический университет, кафедра информатики, rtcherckasov@yandex.ru
профессор К.А. Адигамов, Донской государственный технический университет, adigamov k@mail.ru
начальник С.В. Лемайкина Ростовский юридический институт МВД России, кафедра информационного обеспечения ОВД, slemaikina2@mvd. ru
Associate Professor R.I. Cherkasov, MIREA - Russian Technological University, Department of Computer Science, rtcherck-asov@yandex.ru
Professor K.A. Adigamov, Don State Technical University, adigamov_k@mail.ru Chief S.V. Lemaykina
Rostov Law Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, Department of Information Support of the Department of Internal Affairs, slemaikina2@mvd.ru
Аннотация. Рассчитывались энергозатраты при смешивании кормов вертикальным шнеком на основе анализа составляющих потребляемой мощности привода шнека в целях определения структурных элементов данной мощности и возможностей для уменьшения энергозатрат при смешивании кормов. Проведенный анализ показал, что наиболее высокие энергозатраты при работе вертикального шнека приходятся на преодоление сил трения материала по внутренней поверхности кожуха, в связи с чем предлагается установить внутри данного кожуха винтовую реборду и навить ее в противоположном направлении по отношению к спирали шнека. Выявлено, что в результате этого удельная энергоемкость будет уменьшена более, чем в 2 раза. Данный вывод подтвержден экспериментально, в том числе с помощью лабораторной установки, на конструкцию которой выдан патент.
Abstract. In the presented article, energy consumption is calculated when mixing feed with a vertical auger based on the analysis of the components of the power consumption of the auger drive in order to determine the structural elements of this power and determine the possibilities for reducing energy consumption when mixing feed. The analysis showed that the highest energy consumption during the operation of the vertical screw falls on overcoming the friction forces of the material on the inner surface of the casing, and therefore, the author proposes to install a screw rib inside this casing and wind it in the opposite direction with respect to the screw spiral. It is revealed that as a result of this, the specific energy intensity will be reduced by more than 2 times. This conclusion has been confirmed experimentally, including with the help of a laboratory installation for the design of which a patent has been issued.
Ключевые слова шнек, смешивание кормов, кожух, винтовая реборда, энергоемкость Keywords: auger, feed mixing, casing, screw rib, energy intensity
Процесс смешивания компонентов кормов является одним из важнейших при производстве кормосмесей либо гранулированного комбикорма, а шнековые смесители получили достаточно широкое применение. Приведенные в статье известные формулы для расчета мощности привода вертикального шнека позволяют определить лишь ориентировочные ее значения, но не указывают направления снижения энергозатрат. Поэтому выполнен анализ составляющих потребляемой мощности привода шнека, чтобы определить слагаемые этой мощности и на базе этой информации предложить один из вариантов уменьшения энергозатрат при смешивании кормов.
уд:
© Р.И. Черкасов, К.А. Адигамов, С.В. Лемайкина, 2023
214
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности
¡шш
АПК-продукты здорового питания, № 3, 2023
Выполненный анализ позволил установить, что наибольшие энергозатраты при работе вертикального шнека приходятся на преодоление сил трения материала по внутренней поверхности кожуха, которые значительно превосходят другие энергозатраты. На этом основании предложено установить внутри кожуха винтовую реборду, навитую в противоположном направлении по отношению к спирали шнека. Реборда препятствует вращению материала вместе со шнеком, что повышает его производительность. В результате удельная энергоемкость смешивания материалов уменьшается в 2,0-2,1 раза, что подтверждается экспериментальными исследованиями.
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 и является основным при оценке конкурентоспособности применяемого оборудования.
Известно следующее выражение для определения мощности на привод вертикального шнека [1]:
п^-С /^ Пд Д2 -5!П3 а соз^у
(1)
N =
где О - вес материала, находящегося на шнеке при полной его загрузке; у - угол между переносной скоростью Уе и абсолютной скоростью Уа материала, возникающими при вращении шнека; а, Ы - угол подъема спирали и радиус шнека; Пш- частота вращения шнека; / - коэффициент трения материала по кожуху; д - ускорение свободного падения [1].
В формуле (1) угол у является неизвестной величиной, поэтому рассчитать требуемую мощность привода возможно, если не задавать какие-либо обоснованные его величины.
В работе [2] формула для расчета мощности привода вертикального шнека имеет вид:
где О - производительность шнека; Н - высота подъема материала шнеком; к - коэффициент, учитывающий потери на трение в опорах шнека; Ш - коэффициент сопротивления движению материала по кожуху, определяемый опытным путем; П - К.П.Д. привода.
По формуле (2) мощность привода можно рассчитать только в том случае, если известны численные значения коэффициента Ш. Некоторые из них приведены в справочных данных, например, при транспортировании пшеницы Ш=4,5-6,9 ; овса Ш=3,6-4,9 .
Разброс численных значений коэффициента Ш достаточно большой, поэтому расчет по формуле (2) нужно производить по максимальному значению этого коэффициента.
По мнению авторов статьи, выражение для определения мощности привода вертикального шнека можно представить в виде:
N = Л^ + Щ + Д'э
(3)
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:
(4)
где О - вес материала, расположенного на шнеке при полной его загрузке; Уг - осевая скорость перемещения материала.
(6)
(7)
где V - объем шнека, заполненный материалом; р- плотность материала; к- коэффициент загрузки шнека.
где О, 1 - наружный диаметр и диаметр сердечника шнека. С учетом (5) и (6) формула (4) примет вид:
Требуемая мощность на преодоление силы трения по шнеку:
где /ш - коэффициент трения материала по шнеку.
Требуемая мощность на преодоление силы трения по кожуху:
где Ош - угловая скорость шнека; Ом - угловая скорость материала. Произведя суммирование выражений (4), (8), (9), получим:
(8)
(9)
где угол в имеет то же значение, что угол у в формуле (1). Выражение (10) позволяет выполнить анализ составляющих общей мощности привода.
Определим сравнительные численные значения второго и третьего слагаемых формулы (10). Примем в первом случае минимальные значения рекомендуемых параметров, во втором случае - максимальные значения:
1 • > > > > * ш > >
2 • > > > > 1" ш > >
Результаты расчета показаны ниже.
Д^,! = С ■ их(1 + 0,60 + 3,22) = 4,Б2£ ■
= ^ ■ + 0,63 + 90,91) = 92,54£г ■ vг
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 параметров. Основным слагаемым мощности привода, как следует из расчетов, являются затраты мощности на преодоление сил трения материала по кожуху [4, с.71]. Из расчетов видно, что эти затраты мощности в 4,82-92,54 раза больше, чем затраты мощности на подъем материала.
Из анализа формулы (9) следует, что затраты мощности на преодоление сил трения по кожуху зависят, главным образом, от разности значений Ош и Ом. Если увеличить частоту вращения материала Ом относительно шнека, можно существенно сократить общую требуемую мощность привода. Одним из вариантов решения этого вопроса является применение кожуха шнека с установленными на его внутренней поверхности ребордами [3].
Эксперименты по проверке этого технического решения выполнялись с применением лабораторной установки (рис. 1), на конструкцию которой выдан патент РФ.
Рис. 1. Натурный экспериментальный стенд: шнек; 2 - кожух; 3 - шпиндель; 4 - основание; 5 - шаровая опора шнека; 6 - электродвигатель; 7 - ременная передача; 8 - окно для отбора проб; 9,10 - лоток для циркуляции материалов; 11 - окно для загрузки материалов; 12 - реборда
Эксперименты по смешиванию сыпучих кормов, состоящих из четырех компонентов, таких как просо, ячмень, горох, кукуруза выполнялись с применением одного и того же шнека в комплекте, в первом случае - с кожухом с двухзаходной ребордой, во втором случае - с кожухом, имеющим гладкую внутреннюю поверхность [2]. При этом обеспечивалась циркуляция смешиваемых материалов, т.е. шнек захватывал их из бункера, поднимал по кожуху до верхнего торца, откуда материалы осыпались по наклонному лотку обратно в бункер и затем снова захватывались шнеком. Частота вращения шнека была принята в диапазоне (150-300) мин-1, продолжительность экспериментов составляла 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 мин. Объем смешиваемых материалов подбирался так, чтобы за время подъема их по шнеку они полностью разместились на витках спирали. При этом условии можно было определить продолжительность одного цикла смешивания и общее количество циклов за время эксперимента [3].
На рис. 2 показано, что при применении как кожуха с ребордой, так и гладкого кожуха потребляемая мощность с ростом частоты вращения шнека повышается, а удельная энергоемкость снижается, причем увеличение потребляемой мощности происходит пропорционально возрастанию частоты вращения, а энергоемкость процесса смешивания наиболее интенсивно снижается при частоте вращения шнека в диапазоне 150-250 мин-1, затем этот процесс замедляется.
К. Вт
;_
СЛ~
0,5- - 210
ОА-
0,3-
1<Ю
02--
КО
а1-\- да ко
к 3
4 / ^^
200
290
"ш- Мин'
Рис. 2. Зависимость потребляемой мощности (•_•) и удельной энергоемкости (х_х) от
частоты вращения шнека: 1, 4 - с кожухом с ребордой; 2, 3 - с гладким кожухом
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания, № 3, 2023
1исленное сравнение приведенных данных показало, что потребляемая мощность привода шнека с кожухом с ребордой оказалась больше, чем шнека с гладким кожухом в 1,11-1,15 раза по всему диапазону частоты вращения шнека, а удельная энергоемкость с кожухом с ребордой уменьшилась в 2,0-2,1 раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бережной Д.В. Расчет удельной энергоемкости маховичных накопителей энергии /Д.В. Бережной // В сборнике: Материалы XXI Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», 2015, с. 26-28.
2. Ведищев С.М. Обзор и анализ конструкций смесительных устройств / С.М. Ведищев / / Наука в центральной России. - 2022. - № 4(58). - С.91-101.
3. Волков А.А. Некоторые аспекты оптимизации технологического оборудования для смешивания комбинированных кормов / А.А. Волков // В сборнике: Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности. Сборник научных статей IV международной научной конференции, Казань, 2021. С.88-91.
5. Чкалова М.В. Система показателей эффективности технологического оборудования в кормопроизводстве / М.В. Чкалова // Техника и технологии в животноводстве. - 2021. - № 2(42). - С. 68-73.
REFERENCES
1. Berezhnoy D.V. Calculation of the specific energy intensity of flywheel energy storage devices / D.V. Berezhnoy // In the collection: Materials of the XXI International Symposium "Dynamic and technological problems of mechanics of structures and continuous media", 2015, pp. 26-28.
2. Vedishchev S.M. Review and analysis of mixing device designs / S.M. Vedish-chev // Science in Central Russia. - 2022. - № 4(58). - Pp. 91-101.
3. Volkov A.A. Some aspects of optimization of technological equipment for mixing combined feeds / A.A. Volkov // In the collection: Priority directions of innovation activity in industry. Collection of scientific articles of the IV International Scientific Conference, Kazan, 2021. pp.88-91.
5. Chkalova M.V. System of performance indicators of technological equipment in feed production / M.V. Chkalova // Equipment and technologies in animal husbandry. - 2021. - № 2(42). - Pp. 68-73.
