Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СМЕСИ'

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СМЕСИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
24
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УСТАНОВКА / СМЕСЬ / СТЕПЕНЬ ОДНОРОДНОСТИ / ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ / УРАВНЕНИЕ РЕГРЕССИИ / ДВУМЕРНЫЕ СЕЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОТКЛИКА / КОМПОНЕНТЫ СМЕСИ / ПРИГОТОВЛЕНИЕ КОРМОВ

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Солонщиков П.Н., Савиных П.А.

Приведены результаты экспериментальных исследований установки для приготовления жидких кормовых смесей при непрерывном режиме смешивания, позволяющие получить уравнения регрессии, влияющие на такие основные показатели, как степень однородности и удельные затраты электрической энергии. Полученные уравнения отражают влияние конструктивных параметров на режим смешивания, протекающий в рабочей камере установки, в непрерывном режиме. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе ФГБОУ ВО Вятского государственного агротехнологического университета сотрудниками кафедры технологического и энергетического оборудования. Экспериментальные исследования направлены на повышение качества смешивания заменителя цельного молока в установке за счет изменений конструктивных параметров рабочего колеса и неподвижных лопаток. Таким образом, решается проблема выполнения конструкции основных рабочих органов, при этом профили лопаток рабочего колеса и диска имеют радиальную конструкцию, что проще в изготовлении и, как следствие, позволяет провести дальнейшую промывку после окончания работы. Получены экспериментальные результаты по определению конструктивных параметров установки в непрерывном режиме работы. Так, основные искомые критерии оптимизации - степень однородности составила Ѳ=74% при угле установки рабочего колеса β2=80-100° и угле установки неподвижных лопаток βст=65-102°, а значение затрат электрической энергии составляет Ээл=0,265-0,28 кВт·ч/т∙ед.ст.одн. При этом видно, что углы можно будет расположить радиально, то есть под базовые значения в 90°.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF MIXING INSTALLATION CONSTRUCTIVE PARAMETERS ON MIXTURE QUALITY INDICATORS

The results of liquid feed mixtures preparation’s installation experimental studies with continuous mixing regime are presented, allowing to obtain regression equations that affect such basic indicators as the uniformity degree and electrical energy specific cost. The obtained equations reflect the design parameters influence on the mixing regime occurring in installation’s working chamber, in continuous regime. Experimental studies on the production base of the FGBOU VO Vyatka state agrotechnological university by Technological and energy equipment department’s workers were conducted. Experimental studies aimed the whole milk substitute’s mixing quality in the installation improving due to impeller and fixed blades’ design parameters changing. Thus, the main working bodies design performing problem is solved, while the impeller’s blades and disk have a radial design profiles, that is easier to manufacture and, as a result, allows further washing after the work’s end to do. Experimental results the installation’s design parameters determining in continuous operation have been obtained. Thus, the main optimization criteria - uniformity degree was Ѳ=74%, at installation’s impeller angle β2 = 80-100° and the installation’s fixed blades angle βst = 65-102°, electric energy costs’ value is Eel = 0,265-0,28 kW*h/t*units.stand.odn. At the same time, it can be seen that the angles can be radial arranged, that is, under the 90°base values.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СМЕСИ»

УДК 631.363.7 DOI 10.51794/27132064-2022-2-98

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СМЕСИ

П.Н. Солонщиков, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО Вятский ГАТУ E-mail: solon-pavel@yandex.ru

П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор

Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого E-mail: priemnaya@fanc-sv.ru

Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований установки для приготовления жидких кормовых смесей при непрерывном режиме смешивания, позволяющие получить уравнения регрессии, влияющие на такие основные показатели, как степень однородности и удельные затраты электрической энергии. Полученные уравнения отражают влияние конструктивных параметров на режим смешивания, протекающий в рабочей камере установки, в непрерывном режиме. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе ФГБОУ ВО Вятского государственного агротехнологическо-го университета сотрудниками кафедры технологического и энергетического оборудования. Экспериментальные исследования направлены на повышение качества смешивания заменителя цельного молока в установке за счет изменений конструктивных параметров рабочего колеса и неподвижных лопаток. Таким образом, решается проблема выполнения конструкции основных рабочих органов, при этом профили лопаток рабочего колеса и диска имеют радиальную конструкцию, что проще в изготовлении и, как следствие, позволяет провести дальнейшую промывку после окончания работы. Получены экспериментальные результаты по определению конструктивных параметров установки в непрерывном режиме работы. Основные искомые критерии оптимизации - степень однородности составила 6=74% при угле установки рабочего колеса в2=80-100° и угле установки неподвижных лопаток вст=65-102°, а значение затрат электрической энергии составляет Ээл=0,265-0,28 кВтч/тед.ст.одн. При этом видно, что углы можно будет расположить радиально, то есть под базовые значения в 90°.

Ключевые слова: установка, смесь, степень однородности, экспериментальные исследования, уравнение регрессии, двумерные сечения поверхности отклика, компоненты смеси, приготовление кормов.

Введение. С развитием фермерских хозяйств возлагаются определенные надежды на решение отечественной проблемы с продовольствием. Установлено, что энергетических средств малой механизации и сельскохозяйственных орудий к ним очень немного. Однако отечественная промышленность может обеспечить практически полную механизацию процессов и довести ее до комплексной. Известно также, что без решения этой задачи, то есть без высокого уровня механизации производственных процессов, добиться высокой результативности функционирования фермерского хозяйства невозможно. Отечественной промышленностью в настоящее время разработаны и поставлены на производство различные энергетические средства малой механизации. По мере разра-

ботки и постановки на производство новой техники изменяются как количественный, так и качественный (типаж и структура) состав парка энергетических средств и набор сельскохозяйственных машин к ним. Количественный и качественный состав их может выбираться фермером в зависимости от природных условий, специализации, структуры посевных площадей и уровня организации производства [1, 2].

Стоит заметить, что существующие средства механизации, а именно по приготовлению жидких кормовых смесей, не являются универсальными, т. к. существует проблема использования нескольких устройств, чтобы в совокупности осуществить технологический процесс. Изучена информация по разработке и выпуску энергетических средств

отечественной промышленностью и проанализирована ситуация о наличии этих средств в фермерских хозяйствах. Но при этом подход заключается в теоретическом изыскании и объяснении процесса смешивания жидких кормов в экспериментальной установке.

Целью проводимой работы является определение оптимальных параметров смесительной установки для приготовления жидких кормовых смесей.

Методика. Классический процесс смешивания (приготовления) жидких кормов заключается в сочетании двух компонентов: жидкого (вода) и сухого (ЗЦМ, пищевые отходы и т. д.). Воду необходимо нагревать в пределах 20-40оС, при этом последнее значение должно быть выдержано строго; но, в свою очередь, такая температура может вызвать появление нежелательной микрофлоры, поэтому приготовленную смесь нужно либо полностью раздавать, либо утилизировать. Также качественное смешивание способствует лучшему растворению сухих веществ, позволяя получить более стабильную смесь [2]. Схема установки представлена на рисунке 1.

лок), но дополнительно установлен второй ряд лопаток с тем же их количеством. На периферии рабочей камеры расположен диск, на котором расположены лопатки, которые помогают перемешивать компонент. В рабочем колесе выполнено отверстие под установку питающего устройства в виде шнека, перемещающего сухой материал из загрузочной камеры.

Качество смеси, полученной при смешивании компонентов, определим с помощью степени однородности, которая характеризует завершенность процесса в целом [5,6,7]: Фо (г,.) _ Ф0 (г )

© =

Ф (z - 3) 0,9973'

(1)

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для приготовления жидких кормовых смесей

Базой для создания послужил обычный лопастной насос, но в качестве универсального рабочего колеса было выбрано радиальное расположение лопаток, то есть на диск привариваются лопатки. При этом было соблюдено минимальное количество лопаток -2=6 шт. (как для обычных турбинных меша-

где Ф0 - нормированная функция Лапласа.

Доля частиц контрольного компонента в смеси находится в заданных пределах ±Д; при этом 0<0<1. Предельному случаю полного смешивания соответствует значение 0=1. Рецептура соотношения компонентов была принята, исходя из зоотехнических требований; соответственно, в интервале 1:8-1:10, то есть на 8 литров воды - 1 кг заменителя молока, отклонение допустимое Д=±20%. Таким образом, формулу (1) нужно преобразовать с учетом допущения, что в знаменателе будет не число 0,9973, которое близко смешиванию компонентов в соотношении 1:1, а будет интервал от 0,125 до 0,1, что соответствует соотношению 1:8-1:10:

0 = _ФА.. (2)

0,125...0,1

Для оценки качества работы смесительной установки используем такой показатель, как удельные энергозатраты, отнесенные к единице массы готового продукта, определяемый по формуле (3), кВтч/т:

q =

p

Q

(3)

где Р - мощность, потребляемая установкой, кВт; Qч - часовая производительность установки, м3/ч или т/ч.

Формула (3) является универсальной, но она не учитывает характер и качество полученного продукта, поэтому лучше ввести такой показатель, как удельные энергозатраты

электрическом энергии, который учитывает степень однородности смеси, кВт-ч/т-ед.ст. одн.:

Р

(4)

а ■ &

Мощность, расходуемая электродвигателем, который приводит в движение установку [2, 5], кВт:

Р = ГЗ ■иф ■ 1ф ■ сов^ = ид ■ 1ф • сов^, (5)

где иф - фазное напряжение сети, В; 1ф -сила тока фазная; учитывая, что соединение

«звезда», то 1ф=1л - линейная сила тока, А; сosф - коэффициент мощности электродвигателя.

Экспериментальная база. Исследования пр ов едены на б азе ФГБОУ В О В ятский ГА-ТУ на кафедре технологического и энергетического оборудования и направлены на повышение эффективности смешивания кормов в смесительной установке. Испытание у станов ки пр овод или на специально созданном стенде (рис. 2), который позволяет отбирать пробы во время испытаний.

Рис. 2. Схема работы установки с открытым контуром: 1 - установка; 2 - бак с водой; 3 - бак с готовой смесью; 4 - мультиметр БМК-20; 5 - частотный преобразователь; 6 - клапан загрузки компонентов; 7 - загрузочная камера; 8, 9, 10, 11 - шаровые краны

По проточной схеме установка работает следующим образом: перед началом работы кран 11 закрывают, а краны 9, 10 открывают. После запуска электродвигателя открывают кран 6 и засыпают в загрузочную камеру 7 сухие компоненты. Полученная смесь поступает в бак 3 [6].

Ход исследований. Вначале исследуем эффективность приготовления смеси при фиксированной частоте вращения в диапазонах 750, 1500 и 1750 мин-1, при температуре 40°С и соотношении компонентов 1:8-1:10 при непрерывном смешивании компонентов, то есть время приготовления будет состав-

лять ир=0 мин. На рисунке 3 представлены графики зависимости при частоте вращения п=750, 1500 и 1750 мин-1 и разном количестве неподвижных лопаток 2=12, 16, 20, 24 и 28 шт. При этом базовые углы установки лопастей рабочего колеса составляли ^2=90°, а угол неподвижных лопаток вст=90о. В дальнейшем углы меняли от 30о до 150о.

Как видно из полученных зависимостей [4], степень однородности будет иметь наибольшее значение 0=78-82% при числе лопаток 2=20 шт. и при частотах вращения от 750 мин-1 до 1750 мин-1, при этом угол установки лопаток составляет 30о, то есть лопат-

ки отогнуты назад против вращения рабочего колеса. Для оптимизации таких параметров необходимо реализовать план эксперимента и нахождение оптимальных параметров через анализ двумерных сечений.

Эксперимент реализован в несколько этапов. Первый этап оценивает частоту вращения рабочего колеса х1, число неподвижных лопаток Х2 при базовых значениях углов ^2=90° и вст=90°. Критериями оптимизации будут степень однородности &,% и удельные энергозатраты электрической энергии Ээл, кВт-ч/т-ед.ст.одн. План эксперимента 32 представлен в таблице 1.

Таблица 1. План эксперимента 32 по определению оптимальных параметров при факторах: частота вращения рабочего колеса - Х1 и число неподвижных лопаток - Х2

Название факторов и единицы их измерения Кодированное обозначение факторов Уровни факторов Интервал варьирования

нижний -1 средний 0 верхний +1

Частота вращения рабочего колеса п, мин-1 х\ 750 1500 1750 500

Число неподвижных лопаток г, шт. х2 12 20 28 6

(¿2=+0,36), на удельные энергозатраты электрической энергии - частота вращения (¿2=+0,04).

Оценки коэффициентов регрессии считались значимыми с 95% доверительной вероятностью при величине P-Value, приведенной в таблице дисперсионного анализа, не превышающей 0,05. Анализируя сечение (рис. 3), можно сделать вывод, что при числе лопаток Z=20-24 шт. и частоте вращения «=1250-1500 мин-1 достигли максимального значения степени однородности 0=73,7%. По двумерному сечению видно, что наименьшие затраты электрической энергии достигаются при сочетании факторов Z=26-38 шт. и частоте вращения «=1250-1500 мин-1; значение составляет Ээл=0,25-0,265 кВт ч /т-ед.ст.одн. Для следующих испытаний выбираем, что частота вращения будет п=1500 мин-1, а число лопаток - Z=24 шт. Второй план будет оценивать реализацию значений углов ^2 и вст. План эксперимента 32 представлен в таблице 2.

28

Получены уравнения регрессии, описывающие влияние частоты вращения и числа лопаток:

0 = 72,12 - 0,02 • х + 0,36 • х - 0,11-X +1 + 0,36 • XX +1,21-х\. (6)

= 0,26 + 0,04• х -0,001-х + 0,01-х2 -

- 0,001 • хъ - 0,005 • (7)

С помощью программных приложений Microsoft Office Excel 2007 и Statgraphks Plus 5.0 были произведены расчеты оценок коэффициентов регрессии; при этом оценена их значимость, проверена адекватность полученных моделей, по которым строили двумерные сечения поверхностей откликов. Расчеты, проведенные по определению среднего значения отклика и расчетного значения к4итерия оптимизации, определяли в среде Microsoft Office Excel 2007. В урав нениях (6) и (7) наибольшее влияние на степень однородности смеси оказывает число лопаток

Z, шт

12

750

п, мин

1750

Рис. 3. Двумерное сечение поверхности отклика

степени однородности (-) и затрат

электрической энергии (-----) от числа лопаток

и частоты вращения вала рабочего колеса

Получены уравнения регрессии, описывающие влияние углов:

0 = 74,08+1,41-х - 0,72 • х2 - 2,6-х?- 0,01-хх -- 2,89 • х2, (8)

Э = 0,25 + 0,04 • х + 0,003-х2 + 0,04 • х2 + + 0,0008• хх -0,01-х2. (9)

Таблица 2. План эксперимента 32 по определению оптимальных параметров при факторах: угол наклона лопаток рабочего колеса - Х1 и угол _наклона неподвижных лопаток - Х2_

Название факторов и единицы их измерения Кодированное обозначение факторов Уровни факторов Интервал варьирования

нижний -1 средний 0 верхний +1

Угол наклона лопаток рабочего колеса в2, град. Х1 30 90 150 60

Угол наклона неподвижных лопаток вст, град. Х2 30 90 150 60

В уравнениях (8) и (9) наибольшее влияние на степень однородности смеси оказывает угол установки лопаток рабочего колеса (¿2=+1,41), на удельные энергозатраты - этот же угол (¿2=+0,04).

Оценки коэффициентов регрессии считались значимыми с 95% доверительной вероятностью при величине Р-Уа1ие, не превышающей 0,05 (таблица дисперсионного анализа [10,11]). Анализируя сечение (рис. 4), можно сделать вывод, что при углах рабочего колеса в пределах от 80° до 120° и углах неподвижных лопаток от 60° до 102° достигнуто максимальное значение степени однородности 0=74,0%.

30 54 78 102 fl, град 150

Рис. 4. Двумерное сечение поверхности отклика

степени однородности (-) и затрат

электрической энергии (-----) от углов установки

рабочего колеса и неподвижных лопаток

По двумерному сечению видно, что наименьшие затраты электрической энергии достигаются при сочетании факторов ^2=50-80o и вст=48-110°, тогда Ээл=0,25 кВт-ч/т-ед. ст.одн. Но учитывая, что однородность составила 74%, выберем сочетание ^2=80-100° и вст=65-102о, при этом ЭЭл=0,265...0,28 кВт-ч/т-ед.ст.одн. В то же время видно, что углы можно будет расположить радиально, то есть под базовые значения в 90°.

Выводы.

1. Современные установки должны иметь универсальность применения в любой технологической линии. Представлена установка, которая не только смешивает, но и в дальнейшем транспортирует смесь как обычный насос; при этом в нем предусмотрено дозирующее устройство, которое необходимо для подачи сухих компонентов.

2. Проведены экспериментальные исследования по определению конструктивных параметров установки в непрерывном режиме работы. Так, степень однородности составила 0=74% при ^2=80-100° и вст=65-102°, значение затрат электрической энергии составляет Ээл=0,265-0,28 кВт-ч/т-ед.ст.одн. При этом видно, что углы можно будет расположить радиально, то есть под базовые значения в 90° градусов.

Литература:

1. Savinyh P., Turbanov N., Aleshkin A. Investigation of impact of technological and structural parameters upon energy indicators of work of mixer // Engineering for rural development: 19th International Scientific Conference. Jelgava, 2020. Vol. 19. P. 1338-1348.

2. Maintenance research of a horizontal ribbon mixer / Marczuk A., Savinykh P., Turubanov N., Zyryanov D. etc. // Maintenance and Reliability. 2017. Vol. 19, № 1. Р. 121-125.

3. Improving efficiency of horizontal ribbon mixer by optimizing its constructional and operational parametrs / Marczuk A., Savinykh P., Turubanov N., Zyryanov D. etc. // Maintenance and Reliability. 2019. Vol. 21, № 2. P. 220-225.

4. Solonshchikov P., Savinykh P., Ivanov S. Determination and optimization of feeding device parameters in the plant for preparing liquid feed mixtures // Ural sustaina-bility research. 2021. № 45(340). С. 13-20.

5. Solonshchikov P., Savinykh P., Barwickietc J. Optima-lization of design parameters of experimental installation concerning preparation of liquid feed mixtures // Processes. 2021. № 9(12). С. 2104.

6. Мохнаткин В.Г., Филинков А.С., Солонщиков П.Н. Исследование процесса приготовления кормовой смеси при порционном внесении компонентов // Пермский аграрный вестник. 2017. № 1(17). С. 78-82.

7. Солонщиков П.Н. Обоснование конструкции и размеров рабочего колеса установки для приготовления жидких кормовых смесей // Вестник НГИЭИ. 2021. № 2(117). С. 17-26.

Literatura:

1. Savinyh P., Turbanov N., Aleshkin A. Investigation of impact of technological and structural parameters upon energy indicators of work of mixer // Engineering for rural development: 19th International Scientific Conference. Jelgava, 2020. Vol. 19. P. 1338-1348.

2. Maintenance research of a horizontal ribbon mixer / Marczuk A., Savinykh P., Turubanov N., Zyryanov D. etc. // Maintenance and Reliability. 2017. Vol. 19, № 1. P. 121-125.

3. Improving efficiency of horizontal ribbon mixer by optimizing its constructional and operational parametrs /

Marczuk A., Savinykh P., Turubanov N., Zyryanov D. etc. // Maintenance and Reliability. 2019. Vol. 21, № 2. P. 220-225.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Solonshchikov P., Savinykh P., Ivanov S. Determination and optimization of feeding device parameters in the plant for preparing liquid feed mixtures // Ural sustaina-bility research. 2021. № 45(340). S. 13-20.

5. Solonshchikov P., Savinykh P., Barwickietc J. Optima-lization of design parameters of experimental installation concerning preparation of liquid feed mixtures // Processes. 2021. № 9(12). S. 2104.

6. Mohnatkin V.G., Filinkov A.S., Solonshchikov P.N. Is-sledovanie processa prigotovleniya kormovoj smesi pri porcionnom vnesenii komponentov // Permskij agrarnyj vestnik. 2017. № 1(17). S. 78-82.

7. Solonshchikov P.N. Obosnovanie konstrukcii i razme-rov rabochego kolesa ustanovki dlya prigotovleniya zhid-kih kormovyh smesej // Vestnik NGIEI. 2021. № 2(117). S. 17-26.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF MIXING INSTALLATION CONSTRUCTIVE PARAMETERS

ON MIXTURE QUALITY INDICATORS P.N. Solonshchikov, candidate of technical sciences, docent FGBOU VO Vyatka GATU

P.A. Savinykh, doctor of technical sciences, professor

Federal agrarian scientific center of the North-East after N.V. Rudnitsky

Abstract. The results of liquid feed mixtures preparation's installation experimental studies with continuous mixing regime are presented, allowing to obtain regression equations that affect such basic indicators as the uniformity degree and electrical energy specific cost. The obtained equations reflect the design parameters influence on the mixing regime occurring in installation's working chamber, in continuous regime. Experimental studies on the production base of the FGBOU VO Vyatka state agrotechnological university by Technological and energy equipment department's workers were conducted. Experimental studies aimed the whole milk substitute's mixing quality in the installation improving due to impeller and fixed blades' design parameters changing. Thus, the main working bodies design performing problem is solved, while the impeller's blades and disk have a radial design profiles, that is easier to manufacture and, as a result, allows further washing after the work's end to do. Experimental results the installation's design parameters determining in continuous operation have been obtained. Thus, the main optimization criteria - uniformity degree was 6=74%, at installation's impeller angle p2 = 80-100° and the installation's fixed blades angle pst = 65-102°, electric energy costs' value is Eel = 0,265-0,28 kW*h/t*units.stand.odn. At the same time, it can be seen that the angles can be radial arranged, that is, under the 90°base values.

Keywords: installation, mixture, uniformity degree, experimental studies, regression equation, two-dimensional sections of the response's surface, mixture components, feed preparation.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.