CC BY
45
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.363.7
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАВНОМЕРНОСТИ СМЕСИ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ СМЕШИВАНИИ
В. В. Коновалов, доктор техн. наук, профессор; А. В. Чупшев, канд. техн. наук, ст. преподаватель; М. В. Фомина, инженер; А. С. Калиганов, инженер
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, е-таП: копоуа!оу-реп7а@гатЫег. ги
Рассматриваются приемы приготовления сухих кормов в зависимости от физико-механических свойств, технологических и кинематических факторов процесса перемешивания. Представлена технологическая схема процесса смешивания в данном типе смесителя. Показаны теоретические кривые изменения энергоемкости перемешивания в зависимости от качества приготавливаемой смеси. Теоретически обосновано время, необходимое на перемешивание компонентов до надлежащего качества смеси. Представлен графический анализ результатов моделирования равномерности смешивания 5-ступенчатым лопастным смесителем. Цель исследований - обоснование конструктивных и кинематических параметров смесителя путем моделирования процесса смешивания. Задачи: теоретическое обоснование времени перемешивания по минимуму энергоемкости приготовления смеси и выявление перспективной модели для перемешивания кормов. По результатам моделирования получены графики влияния конструктивно-кинематических параметров на равномерность приготавливаемой смеси.
Ключевые слова: смесь, смеситель, качество смеси, коэффициент вариации, длительность перемешивания, энергоемкость перемешивания, производительность.
Введение.
Смешивание компонентов как технологический процесс для получения смеси широко распространено во многих отраслях народного хозяйства: пищевой и химической промышленности, металлургии, сельском хозяйство и др. [1,2]. В силу разных зоотехнических требований к качеству смеси и завершенности смесеобразования, а также случайности распределения частиц ингредиентов смеси (особенно сыпучих материалов) в наполнителе процесс получается довольно сложный и не изучен в достаточной степени. Применительно к кормопроизводству основное внимание уделяется определению производительности устройства, потребляемой им мощности, обоснованию параметров устройств с учетом специфики конструкции смесителя и т. д. [3-6].
В настоящее время известны смесители разнообразных конструкций, принципа
действия и способа реализации технологического процесса [7, 8]. Однако далеко не все они способны приготовить качественную смесь из сухих компонентов.
Увеличение объемов производства продукции животноводства требует повышения 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 [9, 10].
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 [11,12].
Нива Поволжья № 3 (28) 2013 77
Результаты исследований.
Теоретическое описание показателя качества процесса смешивания (перемешивания), универсальное для всех типов смесителей, на данный момент отсутствует. По мнению некоторых авторов [13, 14], процесс смешивания может описываться по аналогии с процессом диффузии показательной функцией. Согласно этой аналогии для описания равномерности смеси справедливо уравнение
© = 1 - е'к'т, (1)
где к - эмпирический коэффициент интенсивности перемешивания; Т - длительность смешивания материала [9], с:
Т=
М
(2)
где М - масса материала смеси постоянно находящаяся внутри смесителя, кг; р -производительность смесителя непрерывного действия по выгрузке, кг/с.
При этом из анализа работы смесителей [15, 16] видно (рис. 1), что при поступлении компонентов смеси с исходным качеством смеси ©Н в различные смесители изменение качества смеси будет происходить по разным уравнениям: ©1(Т) и ©2(Т).
Потребное качество смеси ©К достигнет требуемого значения через промежуток времени
ТС1=ТК— ТН ТС2=^К — Н (3)
где Тн и 4 - условное время смешивания, соответствующее промежутку времени до начала перемешивания, для достижения равномерности смеси, соответствующей качеству смеси 0Н начала перемешивания.
@1
02
0.3 Он 0.6
0.4
0.2
Эт(Т)
*
О0(т)
Г
/ * *
/
/ 1
Л и
0 1 4 6 £
тн
Г т
Рис. 1. Изменение равномерности смеси © (0,01 %) в зависимости от длительности смешивания Т, с
Чем более пологий график функции, тем больше времени требуется на достижение нужного качества смеси. Поскольку энергоемкость перемешивания в различных смесителях различна, то и затраты энергии соответственно будут разными. При этом, как правило, большее значение коэффициента перешивания будет соответствовать большей энергоемкости [12]. С целью оптимизации энергоемкости процесса непрерывного смесеобразования при ступенчатом смешивании (последовательном расположении нескольких рабочих органов) потребуется располагать в правильном порядке рабочие органы с разными величинами коэффициента перемешивания. Только их правильное сочетание и последовательность позволят уменьшить суммарные затраты энергии на процесс.
В процессе оптимизации смешивания потребуется ответить на два вопроса.
1. Если изначально имеется уровень смешивания ©Н, то каков будет уровень смешивания ©К через время АТ=ТС?
Условное время до начала смешивания определится:
Тн = -к-1п(1-© н ) . (4)
В таком случае качество смеси через промежуток времени ТС составит
© к = 1 - е - к'(Тн +Тс) . (5)
2. Если изначально имеется уровень смешивания ©Н, а через некое время АТ= ТС будет уровень смешивания ©К, то сколько времени потребуется на данное изменение качества смеси?
Из рисунка 1
Гн = --Цп(1-© н ) , Тн = -А-1п(1-© н ) . (6)
к 2 к 1
Тогда
А Т = Тс = -(
к 2 к 1
)1п(1-© н ) .
(7)
Равномерность смеси ©К достигается через время
tн +{ТК-Тн )=ТК -Тн )=ТК +АТ , (8)
где Тк = - ~ 1п(1- © к ) . (9)
к 2
Осуществив компьютерное моделирование, произвели проверку полученных выражений (рис. 2). Анализ результатов позволяет использовать полученные выражения в последующих расчетах.
С использованием указанных выражений, было осуществлено моделирование смешивания сухих концентрированных кормов в смесителе непрерывного действия
б
Рис. 2. График показательной функции при отсутствии поправок (а) и при их наличии (б) на начальное качество смеси и время условного смешивания
а
[16, 17], представленном на рис. 3. Одновременно с непрерывной загрузкой ингредиентов смеси в смеситель сверху, в нижней части смесителя осуществляется выгрузка приготовленной смеси через выгрузное отверстие. Длительность перемешивания компонентов внутри смесителя
регулируется заслонкой, перекрывающей выгрузное отверстие смесителя и обеспечивающей расположение лопастной мешалки под слоем перемешиваемого материала. В зависимости от количества ярусов лопастей мешалки время смешивания будет различным.
Рис. 3. Схема смесительного устройства: 1 - подшипниковая опора верхняя; 2 - емкость смесителя; 3 - вал; 4 - лопасть мешалки; 5 - втулка крепежная мешалки; 6 - подшипниковая опора нижняя; 7 - материал смеси
5
Нива Поволжья № 3 (28) 2013 79
Рис. 4. Результаты моделирования равномерности смешивания 0 5-ступенчатым рабочим органом: а - при частоте вращения мешалки 750 мин-1; б - при частоте вращения мешалки 1000 мин-1
В результате компьютерного моделирования получены графики изменения качества смеси (равномерности смеси ©, 0,01 %) в зависимости от длительности перемешивания Т, с. За промежуток времени от 0 до Т (рис. 4) частицы материала поступают к конкретному ярусу лопастей мешалки, активно перемешиваются, а затем опускаются к расположенному ниже ярусу лопастей. В результате смешивание частиц лопастями данного яруса прекратилось. Таким образом, в виду особенности конструкции смесительного устройства реальное время смешивания прекращается в момент времени Т\ Далее отсчитывается лишь мнимое время смешивания. Поступление частиц на новый ярус лопастей требует нового отсчета времени от 0 до Т\ но для следующего графика (например, после ©1 будет ©2 и т. д.).
Анализ полученных графиков позволяет установить, что на каждом последующем ярусе прирост равномерности снижается ввиду повышения исходной равномерности смеси и постоянства коэффициента интенсивности перемешивания к. При изменении частоты вращения мешалки значения коэффициента к выше (рис. 5), что способствует более быстрому улучше-
нию качества смеси. Числовые значения описываются выражением
£=[19,8459-Q+5,8165-d£-20,4617-(dk0'5)- -
4,17576-Q2-0,48370-Q-dk] х
x-(0,000753-^e-0,23107-Fr)- 0,0060367. (10)
Рис. 5. Влияние частоты вращения мешалки п (мин-1) и числа ярусов лопастей 1К (шт.) на коэффициент интенсивности перемешивания к
Результаты моделирования равномерности смеси представлены на рис. 6.
Коэффициент корреляции опытных [16, 17] и расчетных значений по модели Я = 0,98260. Результаты ^-теста составляют 0,923422.
Таким образом, математическая модель, построенная на основе приведенных зависимостей, позволяет определять качество смешивания с достаточной точностью. Погрешность не превышает 7 %. Выводы.
Частота вращения мешалки смесителя влияет на коэффициент воздействия прямо пропорционально и независимо от числа ярусов лопастей мешалки. После моделирования равномерности смешивания виден результат влияния и количества ярусов лопастей, причем чем больше количество ярусов, тем выше качество смеси. Поэтому в качестве оптимальных конструктивных параметров нами определены количество ярусов лопастей - 5 шт. и частота их вращения 1000 мин-1.
Литература
1. Карпушкин, С. В. Расчеты и выбор перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов / С. В. Карпушкин, М. Н. Краснянский, А. Б. Борисенко. - Тамбов: изд-во ТГТУ, 2009. -168 с.
2. Чупшев, А. В. Результаты теоретических исследований процесса перемешивания в смесителе периодического действия / А. В. Чупшев, В. В. Коновалов// Нива Поволжья - 2012. -№ 2(23). - С.51-55.
3. Терюшков, В. П. Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей / В. П. Терюшков, В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, Г. В. Шабурова // Вестник Алтайского ГАУ. - 2012. - № 3. - С. 89-91.
4. Коновалов, В. В. Теоретическое обоснование основных конструктивных и режимных параметров смесителя кормов периодического действия / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев // Научно технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: материалы Международной науч.-практ. конференции. - Минск: НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2011. -Т.2. - С. 148-153
5. Чупшев, А. В. Результаты гидродинамического моделирования работы смесителя /
A. В. Чупшев, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с.-х. продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства: сборник науч. докл XVI Международной науч.-практ. Конференции. - Тамбов: Изд. Першина РВ, 2011. - С. 62-64.
6. Кухарев, О. Н. Теоретическое обоснование барабанного дражиратора с вращающимся дном / О. Н. Кухарев, Г. Е. Гришин, И. Н. Семов // Нива Поволжья. - 2013. - № 1(26). - С. 51-55.
7. Коновалов, В. В. Обоснование расположения распылителей смесительных устройств / В. В. Коновалов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003. - № 10. - С. 16-18.
8. Власов А. А. Обоснование вероятностными методами параметров смесительной камеры при взаимодействии потоков компонентов / А. А. Власов, В. В. Коновалов // Вестник СГАУ им Н. И. Вавилова. - 2003. - № 3. - С. 63-66.
9. Кулинцев, В. В. Белковые концентраты для кормления свиней / В. В. Кулинцев // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 1. - С. 61-62.
10. 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.
11. Новиков, В. В. Обоснование параметров лопастной мешалки / В. В. Новиков, С. П. Сим-ченкова, В. И. Курдюмов // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2011. - № 2(14). - С.104-108
12. Коновалов, В. В. Определение потребного количества воздействий лопастей на смесь /
B. В. Коновалов, А. В. Чупшев, В. П. Терюшков // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. - 2009. - Т. 20, № 3. - С. 107-115.
13. Стренк, Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. / Ф. Стренк; перевод с польского -Л.: Химия, 1975. - 384 с.
Нива Поволжья № 3 (28) 2013 81
800 1000 1200 1400 мин"1
О'"
Рис. 6. Результаты моделирования равномерности смешивания 0 при частоте вращения мешалки 1000 мин-1 в зависимости от частоты вращения мешалки п (мин-1) и числа ярусов лопастей мешалки (шт.)
14. Стукалкин, Ф. Г. Исследование кормосмесителей непрерывного действия и методика их расчета: автореф. дис...канд. техн. наук. / Ф. Г. Стукалкин. - Ленинград-Пушкин, 1965. - 21 с.
15. Коновалова М. В. Сравнительные исследования смесителя кормов с плоскими и круглыми лопастями / М. В. Коновалова // Материалы Международной научно-практической конференции посвященной 80-летию со дня рождения профессора В. Г. Кобы. - Саратов: КУБиК, 2011. - С.86-88.
16. Калиганов А. С. Обоснование оптимальных конструктивно-режимных параметров смесителя непрерывного действия / А. С. Калиганов, В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, В. П. Терюш-ков // Нива Поволжья. - 2011. - № 3. - С.63-67.
17. Терюшков, В. П.. Обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя непрерывного действия / В. П. Терюшков, В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, А. С. Калиганов // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. - 2011. -Т. 22, № 3. - С. 63-68.
UDK 631.363.7
MODELING THE CHANGE OF UNIFORMITY OF MIXTURE UNDER STEPPED MIXING
Konovalov V. V., doctor of technical Sciences, Professor; A. V. Chupshev, Cand. techn. Sciences, the senior lecturer; M. V. Fomina, engineer; A. S. Kaliganov, engineer
FSBEE HPT «Penza SAA», Penza, Russia, e-mail: [email protected]
The article deals with the techniques of making dry feedstuffs depending on physico-mechanical properties, technological and kinematic factors of the mixing process. The technological scheme of mixing in this type of mixer is presented in the article. The theoretical curves of changes of energy intensity of mixing depending on the quality of the prepared mixture are shown. The time required for mixing the components to obtain the appropriate quality of the mixture is theoretically substantiated. The graphical analysis of the results of modeling uniformity of mixing 5-stepped blade mixer is shown. The aim of the research is to substantiate the design and kinematic parameters of the mixer by modeling the process of mixing. Objectives: to substantiate theoretically the mixing duration to the minimum of energy intensity of preparing the mixture and to identify promising models for mixing feed-stuffs. According to the modeling results the graphics of influence of constructive and kinematic parameters on the uniformity of the prepared mixture have been obtained.
Key words: mixture, mixer, mix quality, the coefficient of variation, the duration of mixing, the energy intensity of mixing, production output.
References:
1. Karpushkin, S. V. Calculations and selection of mixing devices of vertical capacitive apparatuses / S. V. Karpushkin, M.. N. Kracnyansky, A. B. Borisenko. - Tambov: publish. TSTU, 2009. - 168 p.
2. Chupshev, A. В., Konovalov, V. V. Results of theoretical studies of the mixing process in the mixer of periodic action // Niva Povolzhya. - 2012. - № 2(23). - P.51-55.
3. Terushkov, V. P., Konovalov, V. V., Chupshev, A. В., Shaburova, G. V. Analytical determination of the parameters of centrifugal mixers for turbulent mixing of dry mixtures // Vestnik of the Altai state University. - 2012. - № 3 P.89-91.
4. Konovalov V. V., Chupshev, A. V. Theoretical substantiation of the main design and operating parameters of the fodder mixer of periodic action / Scientific and technological progress in agricultural production / Materials of the International scientific practical conference. - Minsk: SPC for mechanization of agriculture, 2011. - Vol.2. - P.148-153.
5. Chupshev, A. В., Konovalov, V. V., Terushkov, V. P. The results of hydrodynamic modeling of mixer operation / Raising the efficiency of using resources farm production of agricultural products -update equipment and new technologies for crop and livestock production. Collection of scientific reports of the XVI International scientific-practical conference Tambov: publ. Pershina Pb, 2011. - P.62-64.
6. Kukharev O. N., Grishin G. E., Syomov, I. N. Theoretical substantiation of the drum pellet mill with a rotating bottom // Niva Povolzhya. - № 1(26), 2013. - P. 51-55.
7. Konovalov, V. V. Substantiation of placing the dispensers of mixing devices. // Mechanization and electrification of agriculture № 10, 2003. - P.16-18.
8. Vlasov, A. A., Konovalov V. V. Substantiation with the probabilistic methods of the parameters of the mixing chamber during the interaction between flows of the components. // Vestnik of SSAU in the name of N. I. Vavilov, № 3. - 2003. - P. 63-66.
9. Kulintsev, V. V. Protein concentrates for pigs feeding // Dostizeniya nauki i tekhniki AIC. -2011. -№ 1 P. 61-62.
10. Nurullin, E. G. Some 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.
11. Novikov, V. V. Substantiation of the parameters of the paddle stirrers / V. V. Novikov, S. P. Simchenkova, V. I. Kurdyumov // Vestnik of Ulyanovsk state agricultural academy, 2011. -№ 2(14). - P.104-108.
12. Konovalov V. V., Chupshev, A. В., Terushkov, V. P. Determination of the required number of impacts of blades on a mixture. // Vestnik of the All-Russian research Institute of mechanization of animal husbandry. -2009. - Vol. 20. № 3. P. 107-115.
13. Strenk, F. Mixing and devices with mixers. / Translated from Polish. - Khimiya, 1975. -384 p.
14. Stukalkin, F. G. Examining fodder mixers of continuous action and the method of their calculation: abstract diss... PhD. / F. G. Stukalkin. - Leningrad-Pushkin, 1965. - 21 p.
15. Konovalova, M. V. Comparative studies of fodder mixer with flat and circular blades / Materials of the International scientifical-practical conference devoted to the 80th anniversary of Professor V. G. Koba. - Saratov: CUBik. - 2011. - P.86-88.
16. Kaliganov, A. S., Konovalov, V. V., Terushkov, V. P. Chupshev Substantiation of optimal constructive-regime parameters of the mixer of continuous action // Niva Povolzhya. - № 1(26), 2011. - 63-67.
17. Terushkov, V. P., Konovalov, V. V., Chupshev, Kaliganov, A. S. Substantiation of constructive and operating parameters of the mixer of continuous action // Bulletin of the All-Russian research Institute of mechanization of animal husbandry. -2011. Vol. 22. № 3. - P. 63-68.
УДК 631.331
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ ВЫСЕВАЮЩЕГО АППАРАТА С КАТУШКОЙ В ВИДЕ ШАЙБЫ С МЕЛКОЗУБЧАТЫМ ПРОФИЛЕМ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН МЕЛКОСЕМЕННЫХ КУЛЬТУР
Н. П. Ларюшин, доктор техн. наук, профессор; В. Н. Кувайцев, канд. техн. наук; И. В. Бычков, аспирант; А. В. Шуков, канд. техн. наук, доцент; Т. А. Кирюхина, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (841-2) 628-517, e-mail: bitchkow. [email protected]
Работа посвящена повышению качества высева семян мелкосеменных культур с разработкой и применением высевающего аппарата с катушкой в виде шайбы с мелкозубчатым профилем. Проведены теоретические исследования высевающего аппарата для высева семян мелкосеменных культур. Получены аналитические зависимости для определения оптимальных значений конструктивных и режимных параметров высевающего аппарата. Теоретическими исследованиями установлены важнейшие характеристики высевающего аппарата для высева семян мелкосеменных культур и определены геометрические размеры катушки в виде шайбы с мелкозубчатым профилем.
Ключевые слова: высевающий аппарат, сеялка, теоретические исследования, катушка, распределение семян.
Анализ работ, посвященных теории рабочего процесса посева, показывает, что распределение семян мелкосеменных культур по площади питания зависит от равномерности распределения семян по длине рядка [1, 2].
С целью получения более равномерных по длине рядка посевов отечественными и зарубежными учеными было создано множество высевающих аппаратов для высева семян мелкосеменных культур.
Однако анализ качественных показателей работы различных типов высевающих аппаратов позволяет утверждать, что такое многообразие их конструкций является не показателем высокой степени совершенствования и законченности, а, скорее всего, является результатом недостаточной полноты их изучения. Следовательно, работа, проводимая в направлении повышения качественных показателей посева, является актуальной.
Нива Поволжья № 3 (28) 2013 83
