CC BY
95
УДК 631.363.7
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛЕНТОЧНОГО СМЕСИТЕЛЯ
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией
Н.В. Турубанов, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник
Д.А. Зырянов, аспирант
Зональный НИИ сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье приведено теоретическое обоснование выбора конструктивно-технологических параметров ленточного шнека смесителя и требуемой мощности на валу двигателя. На основании анализа литературных источников, проведенных расчетов и условий эффективного смешивания компонентов комбикормов приняты: шаг внешнего шнека S1=0,3 м, шаг среднего шнека S2 =0,4 м, шаг внутреннего шнека S3 =0,75м, мощность установленного на смеситель двигателя NfB=11,5 кВт. По принятым параметрам шнека в ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» изготовлен горизонтальный лопастной смеситель. Проведены экспериментальные исследования по работе лопастного шнека смесителя при смешивании двухкомпонентной смеси, состоящей из ржи (20%) и пшеницы (80%). Приведены схема отбора проб и методика оценки коэффициента неравномерности смешивания. Результаты экспериментальных исследований показали: неудовлетворительное смешивание в области внутреннего шнека смесителя, что свидетельствует о недостаточном осевом перемещении материала внутренним шнеком; хорошее смешивание материала в области работы внешнего шнека, коэффициент неравномерности смешивания составляет не более 5%, что соответствует зоотехническим требованиям, предъявляемым к смесям, и свидетельствует о хорошем движении материала без образования застойных зон; мощность, снимаемая с двигателя, на привод вала шнека смесителя NfB=9,7 кВт. Для улучшения качественной работы смесителя необходимо уменьшить величину шага внутреннего шнека до S3=0,48 м и количество смешиваемого материала, чтобы прерывать вращательное движение материала вокруг оси вала смесителя. Ключевые слова: смеситель, ленточный шнек, смешивание кормов, экспериментальные исследования.
Введение. Для эффективного кормления животных в настоящее время необходимо использовать комбикорма, себестоимость которых значительно меньше, если приготовление происходит непосредственно в хозяйстве. Равномерность смешивания различных компонентов комбикормов напрямую зависит от конструктивных особенностей смесителей и режимов их работы. Несмотря на большое количество разработанных конструкций смесителей, достаточно низка изученность происходящих в них процессов. Организация эффективного процесса смешивания компонентов с получением соответствующих зоотехническим требованиям смесей является на сегодняшний день актуальной задачей. Проведем расчет ленточного шнека смесителя и мощности двигателя, необходимой для его привода.
Методика исследований. Для эффективной работы ленточного шнека необходимо,
чтобы количество материала, перемещаемого всеми витками шнека, было одинаковым. Наружный диаметр внешнего шнека задан конструктивными параметрами смесителя и равен: А = 1 м (рис. 1).
Диаметр среднего А2 и внутреннего А шнеков принимаем из условия равномерного перемещения материала без образования застойных зон и его эффективного перемешивания А = 0,75 м, А = 0,4 м [3].
Количество циклов, необходимых для получения качественной смеси, зададим равным Ы= 3. Время смешивания примем £= 5 мин. Исходя из этих условий, определим шаг каждого шнека и мощность, необходимую на его привод [1].
Рассчитаем количество материала, находящегося в смесителе за один рабочий цикл М = о, где М - масса смеси, т; (р0 - удельный вес материала, т/м3.
Определим объем рабочего пространства смесителя
пБ2
где Б - диаметр наружной кромки шнека, м; I - длина смесителя, м.
Количество перемещаемого материала за один рабочий цикл должно составлять
М
Q = Л •-• 60 •
где () - производительность ленточного винтового шнека смесителя, т/ч; N - количество циклов перемещения материала шнеком за один цикл смешивания; t - время смешивания, мин; у1 - коэффициент загрузки смесителя.
Определим скорость осевого перемещения материала V, м/с
у = _С_
^ 900п(Б2 - й2)^у0с0
где с! - диаметр внутренней кромки шнека, м; ^ - коэффициент заполнения межвит-кового пространства; с0 - коэффициент, учитывающий просачивание материала между корпусом, материалом и винтовой поверхностью.
Коэффициент заполнения межвиткового пространства не должен превышать коэффициент загрузочной способности транспортера у = у1у2
где - коэффициент, учитывающий число оборотов шнека; у2 - коэффициент, учитывающий угол наклона шнека.
Коэффициенты загрузочной способности винтового транспортера определяются по следующим эмпирическим формулам:
= 1 - 0,0006 • п; у2 = 1 - 0,0005 • в,
где п - число оборотов винта в минуту; в - угол наклона оси винта к горизонту, град.
Предполагается, что движение груза будет равномерным и подчинено закономерностям движения материальной точки.
на составляющие
Определим шаг винта шнека Б, м:
60и 5 =-.
п
Угловая скорость шнека ю, с-пп
ш = 30.
Рассчитаем угол поворота слоя материала в сторону вращения шнека
ф' = агсгд(р22 • гд{а + р^),
где /2 - коэффициент трения материала о стальную поверхность корпуса при движении; а - угол подъема винтовой нитки шнека по наружной кромке; р1 - угол трения материала по стальной поверхности шнека в движении.
а = агад (П^); р1 = агад /1,
где /1 - коэффициент трения материала о стальную поверхность шнека при движении.
При работе смесителя мощность, подаваемая на вал шнека, затрачивается на: преодоление сил инерции, возникающих при изменении скорости движения материала (в момент загрузки) от 0 до и м/с; преодоление силы трения материала о внутреннюю поверхность смесителя и о винтовую поверхность шнека; перемещение материала вдоль оси винта.
Определим мощность на преодоление сил инерции, возникающих при изменении скорости от 0 до V, м/с
Лоигпа! оГ УШТ^Н №3(19)-2015
77
Ni =
Qv2
1 270^'
где д - ускорение свободного падения, м/с Мощность на преодоление трения груза о внутреннюю поверхность смесителя будет найдена по формуле:
N2 = Ю' Fk = f2' (Рс + G' cos в • cos ф' )'
Pe =
2 • g
G = M • g,
где Fk - сила трения материала о внутреннюю поверхность стенок смесителя, Н; G - вес материала, Н; ш2 - угловая скорость смешиваемого материала, с-1; А - диаметр окружности, проходящей через центр давления груза на поверхность шнека, м; Рс - центробежная сила, Н.
Рассчитаем мощность, расходуемую на перемещение материала вдоль оси шнека и на преодоление трения материала о винтовую поверхность
N = Рр •Do -(ы-^) + Р'о • D • (ы- ^2) 3 = f 1500 1500 '
Po = G • sinfi • tg(ар + pi), P'o = Fk • sinQ • tg(ар + pi),
а' = arctg (Пйо),
где P0 - движущая сила, касательная к окружности, проходящей через центр давления груза, Н; Р0 - окружная сила на наружной кромке винта шнека, Н; в - угол наклона оси шнека к горизонту, град; 9 - угол подъема винтовой линии, по которой движется материальная точка, град; а0 - угол подъема винтовой линии, проходящей через центр давления материала на поверхность шнека, град.
Мощность на валу для каждого шнека определяется
(Ni + N2 + N3) • к0
No =
Пп
где к0 - коэффициент, учитывающий защемление и дробление груза; пп - к.п.д. подшипников вала шнека.
Общая мощность на валу шнека определяется
= ^ + Мо2 + N03,
где Ы01, Ы02, Ы0з - мощность, необходимая на привод каждого шнека.
Мощность, снимаемая с вала электродвигателя
N - - . .
"дв „ , Лпр Лрем Лред Лцеп'
Лпр
где Ппр - к.п.д. привода; Прем - к.п.д. ременной передачи; Пред - к.п.д. редуктора; Пцеп - к.п.д. цепной передачи.
Результаты экспериментов. Для расчета принимаем: удельный вес зерновой дерти фо = 0,7 т/ч; число п = 3,14; диаметр внешнего шнека А = 1 м; диаметр среднего шнека А = 0,75 м; диаметр внутреннего шнека А = 0,4 м; диаметры внутренних кромок шнеков: внешнего й1 = 0,95 м; среднего ё2 = 0,7 м; внутреннего й3 = 0,35 м; длина вала шнека смесителя I = 1,8 м [3]; время, за которое необходимо получить качественную смесь, Ь= 5 мин; количество циклов, которое позволит эффективно перемешать материал Ы = 3; для горизонтального смесителя коэффициент загрузки составляет у1 = 0,75; частота вращения вала шнека п = 25 мин-1; угол наклона оси вала смесителя к горизонту в = 0о; коэффициент, учитывающий просачивание материала между корпусом, материалом и винтовой поверхностью, (Со = 0,9; коэффициент трения материала о стальную поверхность шнека при движении /1 — 0,44; коэффициент трения материала о стальную поверхность корпуса при движении f2 — 0,44; угол подъема винтовой линии, по которой движется материальная точка для горизонтального шнека без вращения материала вокруг вала смесителя 6 — 90о; угловая скорость материала ш2 — 0 с-1; коэффициент, учитывающий защемление и дробление груза к0 = 1,25 для внешнего шнека, к0 = 1,0 для среднего и внутреннего шнеков; коэффициент заполнения межвиткового пространства: для внешнего шнека у = 0,7, для среднего и внутреннего у = 1 [1]; коэффициент полезного действия для: подшипников Пп = 0,98; ременной передачи прем = 0,97; редуктора пред = 0,97; цепной передачи Л цеп = 0,94 [2].
По принятым значениям величин после расчетов получаем: расчетную величину шага каждого шнеков: внешнего 51 = 0,264 м, среднего 52 = 0,496 м, внутреннего 5з = 0,48 м; требуемую мощность на валу двигателя Ыдв = 12,38 кВт. На основании анализа литературных источников, проведенных расчетов и условий эффективного смешивания компонентов комбикормов принимаем: 51 = 0,3 м, 52 = 0,4 м, 53 = 0,75 м, мощность установленного на смеситель двигателя Ыдв = 11,5 кВт. Общий вид шнека приведен на рисунке 3 [3]. По принятым параметрам шнека в ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» изготовлен горизонтальный лопастной смеситель (рис. 4).
Рис. 3. Общий вид шнека
Рис. 4. Общий вид смесителя
При проведении экспериментальных исследований проводили смешивание 200 кг ржи и 800 кг пшеницы в течение 7 минут. На рисунках 5 и 6 показаны схемы отбора проб, точками на рисунках обозначены зоны взятия проб. В качестве смешиваемого материала использовали рожь (20%) и ячмень (80%). Согласно схеме отобрано 63 пробы. Такое количество проб позволяет наиболее полно исследовать равномерность смешивания во всем объеме смесителя.
II III IV V VI VII
А -Н-I,--Н>-.и-,,-Н1--
В--1-<>-<>-1--'-
с-^ ———
Рис. 5. Схема отбора проб в смесителе в горизонтальной плоскости
ABC
Рис. 6. Схема отбора проб в смесителе в вертикальной плоскости
Визуальное наблюдение за работой смесителя и за движением материала в объеме смеси показывает наличие кипящего слоя во всем объеме материала. В смесителе не образуется застойных зон в углах, движение материала происходит не только вокруг оси вала смесителя, но и вдоль его оси в соответствии с навивкой каждого шнека. Основным качественным критерием эффективности работы любого смешивающего агрегата является однородность конечного продукта. Однородной считается смесь, в которой содержание компонентов в любой части ее объема соответствует заданному составу смеси.
Эффективность смешивания зависит не только от физических свойств компонентов (гранулометрический состав, форма и характер поверхности частиц, влажность, плотность и пр.), но и от параметров самого процесса (продолжительность смешивания, скорость рабочих органов смесителя, степень заполнения и т.д.). Экспериментально установлено, если какой-то компонент распределен в смеси равномерно, то и другие компоненты распределены равномерно. О гомогенности многокомпонентной смеси можно судить по равномерности распределения в ней 1.. .2 «ключевых» компонентов [4].
Эффективность смешивания определяют на основе статистических характеристик смеси. Такой характеристикой обычно служит коэффициент вариации (неоднородности) распределения «ключевого» компонента в смеси [4].
Journal of VNIIMZH №3(19)-2015
79
Для оценки процесса смешивания приняты показатели, используемые, в частности, в пищевой промышленности, где к качеству смешивания и однородности материала предъявляются высокие требования. Соотношение коэффициента вариации и качества смеси представлены в таблице [4].
Коэффициент вариации вычисляли по формуле [5]
= л[—п- 1 _ 10
X
где XI - текущее значение наблюдаемой величины; х - среднеарифметическое значение наблюдаемой величины; п - число проб.
По результатам экспериментальных исследований Ус составляет 30,77%, что соответствует неудовлетворительному качеству смеси.
Вывод. Анализ результатов экспериментов показал: неудовлетворительное смешивание в области внутреннего шнека смесителя, что свидетельствует о недостаточном осевом перемещении материала внутренним шнеком; хорошее смешивание материала в области работы внешнего шнека, коэффици-
ент неравномерности смешивания составляет не более 5%, что соответствует зоотехническим требованиям, предъявляемым к смесям, и свидетельствует о хорошем движении материала без образования застойных зон; мощность, снимаемая с двигателя на привод вала шнека смесителя, при этом составила Ыдв = 9,7 кВт. Для улучшения качественной работы смесителя необходимо уменьшить величину шага внутреннего шнека до S3 = 0,48 м и количество смешиваемого материала (до 75% по высоте смесителя), чтобы прерывать вращательное движение материала вокруг оси вала смесителя.
Литература:
1. Григорьев А.М. Винтовые конвейеры. М., 1972.
2. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин. М., 2009. 496 с.
3. Пат. 2488434 РФ. Смеситель / Савиных П.А. и др. Заяв. 13.02.12; опубл. 27.07.13, Бюл. №21.
4. URL: http://www.inta.ru/mass-media/news/
5. Результаты исследований процесса смешивания в вертикально-шнековом смесителе малогабаритного комбикормового агрегата // Вестник ВНИИМЖ. 2005. Т. 15. С. 75.
Literatura:
1. Grigor'evA.M. Vintovye konvejery. M., 1972.
2. Dunaev P.F., Lelikov O.P. Konstruirovanie uzlov i de-talej mashin. M., 2009. 496 s.
3. Pat. 2488434 RF. Smesitel' / Savinyh P.A. i dr. Zayav. 13.02.12; opubl. 27.07.13, Byul. №21.
4. URL: http://www.inta.ru/mass-media/news/
5. Rezul'taty issledovanij processa smeshivaniya v verti-kal'no-shnekovom smesitele malogabaritnogo kombikor-movogo agregata // Vestnik VNIIMZH. 2005. T. 15. S. 75.
Таблица. Соотношение коэффициента вариации и качества смеси
Пределы коэф. вариации Качество смеси
Vc < 5% отличное
5% < Vc < 7% хорошее
7% < Vc < 15% удовлетворительное
Vc > 15% плохое
THE BELT MIXER'S CONSTRUCTURAL AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS' JUSTIFICATION P.A. Saveynyh, doctor of technical Sciences, professor, laboratory chief N.V. Turubanov, candidate of technical sciences, associate professor, senior research worker D.A. Zayranov, post graduate student
Zonal research Institute of North-East agriculture named after N.V. Rudnitcki
Abstract. The article provides the theoretical justification of the belt screw mixer's constructional and technological parameters' choice and the required engine shaft power. On the literature's date analysis, performed calculations and compound feed efficient mixing conditions' basis it is taken into account: external screw's step Si=0,3 m, the secondary screw's step S2=0,4 m, the internal screw's step S3=0,75 m, the installed mixer engine's capacity Nde=11,5 kW. According to the accepted screw's parameters in FGBNY "NIISH of North-East" the horizontal blade mixer is made. Experimental investigation of the blade screw mixer work with mixing of two-component mixture consisting of rye {20%) and wheat (80%) are hold. The samplings' selection scheme and methodology of the mixing non-uniformity coefficient's estimate are shown. The experimental results had showed: unsatisfactory mixing in inland screw's mixer, that indicates insufficient axial displacement of the material mixing by the inner screw; good materials mixing on the external screw's field of work, the mixing non-uniformity coefficient is not more than 5%, that corresponds with zootechnical requirements for the mixtures, and indicates good material's movement without the stagnant zones' formation; the power taken from the engine to the screw's drive shaft of mixer Nde=9,7 kW. To improve the mixer operation's quality it is necessary to reduce the amount of mixed material to interrupt the material's rotational motion around the mixer's axis and internal screw step's size to S3 = 0,48 m. Keywords: mixer, belt screw, feed mixing, experimental study.
