CC BY
54
Information about the authors Yarovoy Viktor Grigorievich - Candidate of Technical Sciences, professor of the department of tractors and automobiles, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zerno-grad). Phone: 8(86359) 43-6-51, 8-909-439-71-25.
Sharapov Andrey Petrovich - post-graduate student of the department of tractors and automobiles, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8-918-851-95-58. E-mail: [email protected]
УДК 62-932.4 62-405.6
УПРУГИЕ СИЛЫ ЭЛАСТИЧНОГО СМЕСИТЕЛЯ КАК ВОЗМОЖНОСТЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ
© 2010 г. М.В. Суханова, К.А. Останин
Рассмотрено влияние упругих сил эластичного смесителя непрерывного действия на процесс формирования многокомпонентных сыпучих смесей при скатывании сыпучего тела по эластичной поверхности. Получена зависимость, определяющая влияние упругих сил эластичного смесителя на сдвиг слоев компонентов, обуславливающий процесс сме-сеприготовления.
Ключевые слова: смесеприготовление, эластичный, многокомпонентный, непрерывный, силы, смеситель, интенсификация.
It was examined the influence of the resilient forces of an elastic mixer with unbroken activity on the process of forming of multicomponent loose mixtures under a loose body rolling on the elastic surface. It has got the dependence determining the influence of the resilient forces of an elastic mixer on the resilient forces of inelastic mixer on the movement of component layers causing the mixture preparing process.
Key words: mixture preparing, elastic, multicomponent, unbroken, forces, a mixer, intensification.
Одним из важнейших направлений сельскохозяйственного производства является получение различного рода сыпучих многокомпонентных смесей (удобрений, кормовых и др.). Кормопроизводство является одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства.
Создание однородных кормовых смесей является весьма сложной технологической задачей, которая зависит от множества характеристик. Комплексная разработка оптимального технологического процесса на базе универсальных высокоэффективных аппаратов, экономически выгодных для фермеров, с выходом на качественные характеристики кормов, позволяющие повысить продуктивность живот-
новодства, является ключевой проблемой на сегодняшний день [1].
Принципиально важно учитывать то обстоятельство, что процесс кормопроизводства необходимо рассматривать не только в масштабах крупного животноводческого комплекса, но и в приложении к малым и фермерским хозяйствам, удельный вес которых в АПК составляет в среднем по России 27-29%.
В общем процессе производства продукции животноводства на долю кормов приходится более половины затрат в ее себестоимости. В связи с этим вопросы получения однородных кормосмесей, сбалансированных по питательным элементам, приобретают первостепенное значение [1].
Способы организации процесса смешивания сыпучих материалов можно условно разделить на три основные группы
[2].
К первой группе относят процесс периодического смешивания. Для него наиболее благоприятна изотропная (одинаковая во всех направлениях) подвижность частиц, приводящая к асимптотически однородной смеси. Ограничение времени смешивания, диктуемое требованиями производительности, снижает качество смешивания.
Ко второй и третьей группам относят процесс непрерывного смешивания, в котором всегда присутствует транспортная составляющая движения частиц вдоль смесителя.
Во второй группе смесителей эффективное перемешивание обеспечивает поперечная составляющая подвижности частиц (например, в гравитационных смесителях, где компоненты смеси падают вниз под действием сил веса, а интенсивное перемешивание обеспечивается размещенными в смесителе вставками). Такие смесители осуществляют эффективное смешивание, только если расходы компонентов на входе стабильны или меняются синхронно, т.е. такие смесители снижают начальную пространственную неоднородность смеси, но не понижают временную неоднородность.
В смесителях непрерывного действия, относящихся к третьей группе с преобладающей горизонтальной составляющей, подвижность частиц обеспечивается во всех направлениях. Такая организация процесса наблюдается, например, в лопастных и вибрационных смесителях непрерывного действия. Наличие достаточно большого объема материала внутри смесителя позволяет понижать как пространственную, так и временную неоднородность смеси.
Производительность смесителей последней группы ниже производительности гравитационных смесителей. Кроме того, в них осуществляется, как правило, принудительное (напорное) перемещение материала, поэтому они потребляют гораздо более высокую удельную мощность на
смешивание. Однако такие смесители обладают существенным достоинством -возможностью получения смесей со стабильно высокой однородностью, что делает их все более привлекательными для современных технологий.
Теория смешивания направлена на создание конструкций, обеспечивающих оптимальную эффективность процесса смешивания. Критерием оптимальной эффективности процесса смешивания является получение смеси требуемой однородности. При этом энергозатраты на приготовление сыпучих многокомпонентных смесей должны быть сведены к минимуму.
Основой качественного смешивания является равномерное распределение исходных компонентов в объеме смеси. Процесс смесеобразования можно осуществить с помощью эластичных устройств, создающих пульсирующие циклы напряженных состояний во взаимно-перпендику-лярных плоскостях (способ «взбивания подушки»)
[3]. Использование смесителей с эластичными рабочими органами (эластичных оболочек) позволяет интенсифицировать процесс приготовления многокомпонентных сыпучих и связных смесей [4].
Для интенсификации процесса смешивания в смесителях любого типа можно использовать эластичные рабочие органы. К преимуществам смесителей с эластичными рабочими органами относится то, что все способы создания подвижности частиц во всем объеме смешивания интенсифицируются колебанием эластичных стенок смесителя, без усложнения конструкции, при снижении энергоемкости процесса смешивания [4].
К преимуществам смесителей с эластичными рабочими органами относится то, что все перечисленные способы создания подвижности частиц во всем объеме смешивания интенсифицируются колебанием эластичных стенок смесителя, без усложнения конструкции, при снижении энергоемкости процесса смешения.
Организация процесса смешивания сыпучих материалов в эластичных смесителях принципиально не отличается от организации потоков в жестких смесителях.
К основным достоинствам смесителей с эластичными рабочими органами можно отнести:
- обеспечение высокой энергоемкости процесса перемешивания, благодаря которой получение смеси требуемого качества осуществляется в течение меньшего рабочего цикла;
- возможность создания циклических колебаний эластичных стенок смесителя, ускоряющих процесс смешивания;
- малая удельная энергоемкость;
- многообразие форм, материалов и простота изготовления эластичных смесителей;
- возможность использования эластичных смесителей в жестких устройствах для интенсификации процесса смешивания.
Известно, что для организации процесса смешивания необходимо создать у компонентов общие границы и обеспечить сдвиг, скольжение частиц во всем объеме смешивания, при котором преодолевается пороговое трение между частицами [2].
Несмотря на разнообразие конструкций смесительного оборудования, во всех смесителях, как жестких, так и эластичных, процесс смешивания происходит по одинаковому принципу: микромасштабное проникновение частиц одного компонента в зазоры между частицами другого компонента и макромасштабный принудительный перенос значительных масс компонентов из одной зоны смесителя в другую. Это обстоятельство позволяет использовать единый подход к построению математических моделей процессов перемешивания.
Процесс формирования однородной многокомпонентной сыпучей смеси в сме-
сителе непрерывного действия с эластичной камерой смешивания можно разделить на три этапа (рис. 1).
(Примечание: на рисунке основной линией показано начальное формирование потока на каждом этапе, пунктиром - последующие виды формирования потока, «сплошной» стрелкой показано движение упруго-эластичной камеры, пунктирной -движение потока смеси. Эластичная камера в дальнейшем по тексту будет называться оболочкой). В перемешиваемом объеме сыпучего тела возможно бесконечное разнообразие взаимного расположения частиц компонентов. Во время цикла приготовления смесей сыпучее тело испытывает напряженное состояние под действием переменных сил, как сил гравитации, так и сил со стороны рабочих элементов конструкции смесителя. Рассмотрим движение сыпучего материала вблизи внутренней поверхности стенок оболочки. Цилиндрическая оболочка круглого поперечного сечения закреплена в хомутах, совершающих вертикальное возвратно-поступательное движение посредством направляющих штоков, соединенных с коленчатым валом. При вращении коленчатого вала направляющие штоки, перемещаясь вертикально, приводят в возвратно-поступательное движение установленные на них хомуты. В хомутах закреплены стенки эластичной оболочки. Посредством движения хомутов оболочка совершает колебательное волновое движение. При движении волны сверху вниз поток смеси направляется вниз, формируя сложное движение смеси: переносное поступательное движение под действием стенки оболочки на частицы смеси и сложное относительное движение частиц
Рис. 1. Схема формирования потоков смеси при движении одного рабочего отсека смесителя за один цикл
смеси в потоке. Относительное движение формируется за счет гравитационного перемещения частиц в пространства между соседними частицами и вращательного движения при скатывании по наклонной внутренней поверхности эластичной оболочки (рис. 1 а).
Второй этап движения смеси происходит за счет транспортирующего движения стенок оболочки и перемещения компонентов смеси под действием гравитационных сил на дно отсека оболочки. Отсек -часть смесителя, свободно провисающая между соседними хомутами (рис. 1 б).
Третий этап движения смеси снизу вверх происходит при вертикальном подъ-
еме хомута, с закрепленным в нем участком оболочки, под действием сил трения между компонентами смеси и материалом оболочки и транспортирующего движения стенок оболочки (1 в).
Рассмотрим влияние упруго-эластичной поверхности стенки смесителя на процесс формирования сыпучих многокомпонентных смесей.
Рассмотрим сначала силы, действующие на элементарный объем смеси, при скатывании ее с жесткой поверхности (рис. 2). Пользуясь основным законом динамики, можно записать:
С2х
т-^- = Ьдв — / • • соба + • біпа.
&
2
Рис. 2. Схема сил при движении сыпучего тела по жесткой наклонной поверхности смесителя
тр. Т^Рдв.
УХ
(1)
Рис. 3. Схема сил при движении сыпучего тела по эластичной наклонной поверхности смесителя
3
А теперь рассмотрим силы, действующие на сыпучее тело при скатывании его с эластичной наклонной поверхности, со стороны которой на сыпучее тело будут
действовать силы упругости материала оболочки (Тупр.) (рис. 3).
Пользуясь основным законом динамики, получим
т
С2 х С2
= Гдв — / • mg • соб а + mg • біп а + / • Г
упр-
(2)
Выразив отношение полученных зависимостей, будем иметь
1 , (3)
к =
1 —
mg ■ соб а где mg - сила тяжести;
/ - коэффициент трения между сыпучим телом и оболочкой;
¥дв. - движущая сила;
Рупр/ - сила упругости;
N - сила нормального давления; а - угол наклона поверхности.
Будем называть к - коэффициент «подскока» (отрыва) сыпучего тела от поверхности оболочки.
Из полученного выражения видно, что при возрастании упругой составляющей (fFупр) до значения гравитационной составляющей (mg.cosа) коэффициент
«подскока» увеличивается. Упругая составляющая (f Fупр) зависит от свойств ма-
териала эластичной оболочки и свойств компонентов смеси. Однако следует учитывать, что увеличение коэффициента трения между сыпучим телом и оболочкой может привести к обратному процессу, при котором подскок сыпучего тела окажется невозможным. Следовательно, существует предельное максимальное значение упругой составляющей (f Fупр), после которого подскок окажется невозможным.
То есть
(f Fупр)< тупр)], (4)
где [(т Fупр)] - предельное значение упругой составляющей.
Отрыв сыпучего тела от поверхности оболочки обуславливает переход слоев смеси из устойчивого равновесного (непо-
движного) состояния в неустойчивое (подвижное) состояние. Переход из устойчивого в неустойчивое состояние будет сопровождаться сдвиговым перемещением, скольжением слоев, интенсифицируя процесс перемешивания компонентов. Рост коэффициента «подскока» ускоряет сдвиговое скольжение слоев.
Таким образом, использование эластичной оболочки в качестве смесительной камеры приводит к появлению упругих колебаний стенок при движении потока смеси. Колебания стенок смесителя обуславливают скольжение слоев, являющееся основной причиной процесса смешивания, при сокращении времени смешивания, без увеличения энергозатрат на процесс смешивания.
Литература
1. Смешивание в кормопроизводстве / Л.П. Карташов, А.П. Иванова, Л.В. Межуева, В.В. Гунько. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2007. - 202 с.
2. Баранцева, Е.А. Процессы смешивания сыпучих материалов: моделирование, оптимизация, расчет / Е.А. Баранцева, В.Е. Мизонов, Ю.В. Хохлова / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». - Иваново, 2008. -116 с.
3. Суханова, М.В. Проблемы проектирования смесителей сыпучих продуктов / М.В. Суханова // Экономика, организация, технология и механизация животноводства: межвузовский сборник научных трудов. - Зерноград, 2008. - Вып. 4. - С. 249-251.
4. Суханова, М.В. Эластичные оболочки как устройства для приготовления сыпучих многокомпонентных смесей / М.В. Суханова // Вестник аграрной науки Дона: межвузовский сборник научных трудов. - Зерноград, 2009. - Вып. 4. - С. 10-13.
Сведения об авторах
Суханова Майя Викторовна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 43-5-75, 8-928-755-11-21.
Останин Константин Александрович - аспирант кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8-928-602-45-42.
Information about the authors
Sukhanova Maya Viktorovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of theoretical and applied mechanics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-5-75, 8-928-755-11-21.
Ostanin Konstantin Alexandrovich - post-graduate student of the department of theoretical and applied mechanics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-928-602-45-42.
