CC BY
127
МЕХАНИЗАЦИЯ
J
УДК 631.363.7
УСТРОЙСТВО И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО СМЕСИТЕЛЯ СЫПУЧИХ КОРМОВ
Н.С. СЕРГЕЕВ, доктор технических наук, проректор
В.Н. НИКОЛАЕВ, кандидат технических наук, доцент
Э.Н. ГАЙНУЛЛИН, аспирант Челябинская ГАА
E-mail: [email protected]
Резюме. Производство сыпучих кормовых смесей и комбикормов высокого качества непосредственно в сельскохозяйственных предприятиях сегодня очень актуально. Для этого нужны новые высокоэффективные машины, в частности смесители. На основе анализа существующих конструкций разработано устройство вибрационного смесителя сыпучих кормов. Он состоит из установленного на упругих опорах цилиндрического контейнера, внутри которого расположен вал с активными перемешивающими органами. На валу также закреплены дебалансные вибровозбудители. Перемешиваемые компоненты приводятся в состояние «виброкипения», что позволяет снизить их внутреннее трение. Исследования проводили с целью теоретического обоснования основных параметров предлагаемого вибрационного смесителя сыпучих кормов. В результате были получены следующие значения: диаметр смесителя - 250 мм, расстояние между ближайшими перемешивающими элементами - 125 мм, шаг витков перемешивающих пружин - 8 мм, минимальная длина контейнера - 210 мм. Получены формулы определения средней скорости транспортирования сыпучего корма и производительности предлагаемого смесителя. Выявлена зависимость изменения производительности смесителя от угловой скорости вращения вала, которая составляет 80 с-1, при транспортировании сыпучих кормов, имеющих различные показатели плотности и внутреннего трения. Ключевые слова: животноводство, комбикорма, смешивание, вибрация, амплитуда, частота.
Повышение эффективности животноводства напрямую зависит от продуктивности сельскохозяйственных животных, которая достигается только при их сбалансированном питании. Для этого в рационах используют комбикорма, премиксы, белково-витаминноминеральные добавки.
Закупка предприятиями готовых комбикормов и сухих смесей приводит к потерям связанным с затратами на их транспортирование, к тому же остаются невостребованными собственные кормовые ресурсы.
Важный этап производства комбикормов и кормовых сухих смесей - смешивание. В технике наиболее распространено смешивание при помощи движущихся лопастей; вращения камеры (резервуара) смесителя; пропускания массы через сопла; сжатого воздуха, пара или жидкости; вибрации, ультразвука, электрогидрав-лического эффекта и др.
[1].
Наибольший интерес вызывает полезное применение вибрации, так как путем регулирования ее параме-
тров при малых энергозатратах можно воздействовать, как на значительные объемы, так и на тончайшие слои сыпучей среды [2...5].
Идея приготовления сыпучей кормовой смеси под воздействием вибрации привела к созданию высокоэффективного смесителя сыпучих кормов [6]. Он состоит из несущей рамы с установленным посредством упругих рессор под углом к горизонту рабочим органом, выполненным в виде открытого цилиндрического желоба с одной торцевой стенкой, а также приводной станции с эксцентриковым вибровозбудителем. При работе от последнего через шатуны рабочему органу передаются поперечные колебания, под воздействием которых частицы корма теряют контакт с вибрирующей поверхностью, и сыпучая среда переходит в состояния «псевдоожижения» и «виброкипения», где происходят эффективное и полное разрушение ее структуры, разрыв связей между частицами и образование однородной смеси.
Недостатки такой установки - низкая производительность и сложность обеспечения сглаживающей способности неравномерной работы дозаторов, которая приводит к снижению однородности смеси, ввиду отсутствия активных перемешивающих элементов внутри рабочего органа.
Известен вибрационный смеситель сыпучих материалов [7], содержащий упруго установленный на основании цилиндрический контейнер с загрузочной горловиной и разгрузочным патрубком, внутри которого расположен вал с закрепленными на нем одним концом пружинами. На концах вала с наружной стороны контейнера расположены вибровозбудители.
Перемешиваемый материал, попадая внутрь контейнера, подвергается воздействию пружин, находящихся на валу, и вибрирующего корпуса, в результате чего переходит в состояние «виброкипения», которое способствует интенсивной циркуляции и смешиванию компонентов.
Недостаток такого устройства - низкая производительность при смешивании сыпучих материалов из-за малой скорости их перемещения вдоль контейнера.
Мы сконструировали новый вибрационный сме-
ситель [8], который состоит из цилиндрического кон-
Рис. 1. Вибрационный смеситель: 1 - рама; 2 - корпус контейнера; 3 - вал; 4 - вибровозбудители; 5 - загрузочная горловина; 6 - выгрузной патрубок; 7 - упругая муфта; 8 - электродвигатель; 9 - лопатки; 10 - пружины; 11 - опоры; 12 - подшипниковые узлы; 13 - подъёмное устройство.
Расстояние между ближайшими перемешивающими элементами Э, чередующимися в продольной плоскости контейнера взято из условия исключения их взаимного зацепления при отклонении пружин под действием сыпучей среды.
Для исключения застревания компонентов смеси Рис. 2. Геометрические параметры вибрационного смесителя сыпучих кормов: D - диа- шаг витков перемешиваю-метр цилиндрического контейнера; в - шаг перемешивающих элементов; р - угол расстановки щих пружин ЭП должен пре-перемешивающих элементов в поперечной плоскости вала; I - область воздействия лопатки; вышать эквивалентный диа-II - область воздействия пружины; III - область воздействия контейнера.
тейнера 2 (рис. 1), упруго установленного на раме 1, посредством пружинных опор 11. В корпусе контейнера имеются загрузочная горловина 5 и выгрузной патрубок
6. Внутри контейнера расположен вал 3, с закрепленными на нем перемешивающими элементами 9 и 10. Также на концах вала установлены дебалансные вибровозбудители 4. Вал через упругую муфту 7 соединен с электродвигателем 8.
Устройство работает следующим образом. Вал
3 приводится во вращение посредством электродвигателя 8 через упругую муфту 7. Смешиваемые компоненты загружаются через загрузочную горловину 5. Дебалансное вращение вала приводит к колебательному движению контейнера с валом по круговой эллиптической траектории с высокими ускорениями. Эти ускорения столь велики, что находящаяся в контейнере масса сыпучего материала при колебаниях то отрывается от внутренней поверхности корпуса, то контактирует с ней, что увеличивает интенсивность вибрации сыпучего материала. В свою очередь, установленные на валу перемешивающие цилиндрические пружины 10 получают вращательно-колебательные движения от вала 3 с контейнером 2. И в результате этого процесса сыпучий материал приводится в состояние «виброкипения», которое способствует интенсивной циркуляции и смешиванию его компонентов. Лопатки 9 помимо смешивания перемещают материал, что способствует увеличению производительности смесителя. Интенсивная циркуляция сыпучего материала в вибрирующем контейнере приводит к сокращению времени приготовления высококачественной смеси, повышению производительности и снижению удельной энергоемкости процесса. Выгрузка готовой смеси сыпучего материала из контейнера осуществляется посредством разгрузочного патрубка 6.
Цель нашей работы - теоретическое обоснование основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими органами.
Условия, материалы и методы. На качество смешивания влияют конструктивные особенности смесителя и его режимы работы, степень заполнения, скорость и характер циркуляции материала, диаметр и длина рабочего органа (цилиндрического желоба), число и расположение активных перемешивающих элементов (лопаток и пружин).
В механических смесителях (лопастных, шнековых) диаметр контейнера D следует выбирать в пределах от 80 до 250 мм [1, 4, 5] (рис. 2).
метр сыпучего материала зерен сельскохозяйственных культур Эк (рис. 3), который, согласно [9], можно найти из формулы:
Ок=2<
1(аЬс)
(1;
где а, Ь, с - средние значения длины, ширины и толщины зёрен, м.
Динамические состояния сыпучей среды при вибрации в зависимости от различных параметров отмечены многими исследователями. В частности установлена [2] всеобъемлющая роль таких управляющих параметров, как относительная высота слоя материала Ь, коэффициент перегрузки г и вибрационный аналог числа Рейнольдса и/.
Для достижения стохастического движения частиц перемешиваемого материала относительная высота слоя должна быть меньше единицы. Для изучаемой конструкции она вычисляется как отношение высоты наполнения смесителя Л материалом к длине контейнера смесителя L:
Ь = £<1. (2)
Минимальную длину контейнера L вибрационного смесителя можно определить из соотношения начальной высоты слоя материала и угла естественного откоса у при свободной засыпке. Начальную высоту слоя материала принимаем равной величине диаметра контейнера D:
L = D■tgy (3)
Значение угла естественного откоса у сыпучих кормов находится в пределах 10...40 градусов.
Коэффициент перегрузки определяется по известной формуле:
Аш2
г-—, (4)
где А - амплитуда вибраций, м; ю - угловая скорость вращения вала, с-1; д - ускорение свободного падения, м/с2.
Рис. 3. Перемешивающая пружина: БП - шаг витков пружины; йк - эквивалентный диаметр частицы.
Применяемые в изучаемом устройстве инерционные (дебалансные) вибровозбудители работают при амплитудах 1...3 мм.
Задавшись величиной амплитуды из формулы (4) можно выразить угловую скорость вращения вала необходимую для приведения сыпучей среды в состояние «виброкипения», которое обеспечивает высокую однородность смеси:
О) = ,
(5)
Вибрационный аналог числа Рейнольдса рассчитывается по формуле:
А-в>-п
ю = —-—, (6)
где Л - начальная высота слоя сыпучего материала, м; V - эффективная кинематическая вязкость сыпучей среды.
Из выражения (6), имея определенные значения амплитуды, угловой скорости вращения, начальной высоты слоя сыпучего корма и вибрационного аналога числа Рейнольдса, соответствующие переходу сыпучей среды в состояние «виброкипения» можно определить её эффективную кинематическую вязкость, требующую экспериментального подтверждения.
Скорость прохождения материала в различных зонах по длине контейнера сильно отличается, поэтому для вычисления производительности следует задаться средней величиной этого показателя, равной средней скорости вибротранспортирования V [10]:
\/ = кпск ■ к^-А-шсозр, (7)
где кпс - коэффициент передачи скорости; ктс - коэффициент, учитывающий толщину слоя материала; кун - коэффициент, учитывающий угол наклона контейнера к горизонту; р - угол вибрации, град.
Коэффициент передачи скорости зависит от размера перемещаемых частиц, для сыпучих кормов его рекомендуется принимать в пределах 0,85.0,7. Величина коэффициента толщины слоя будет зависеть от диаметра и коэффициента заполнения контейнера. В предлагаемом смесителе используются лопатки, способствующие движению компонентов смеси вдоль контейнера, поэтому угол его наклона к горизонту достаточен в пределах до 8 градусов. При эллиптических колебаниях угол вибрации равен нулю.
Вибрационное воздействие цилиндрического контейнера и перемешивающих рабочих органов рассматриваемого смесителя на сыпучий корм снижает коэффициент его внутреннего трения f до значения коэффициента трения скольжения а их отношение характеризуется коэффициентом снижения внутреннего трения КЭ = ^Теоретически ожидаемое значение КЭ для различных сыпучих кормов находится в пределах от 1,4 до 1,8 [5, 11]. Скорость транспортирования сыпучего корма изменяется пропорционально коэффициенту снижения внутреннего трения.
С учетом изложенного формула средней скорости транспортирования сыпучего корма принимает следующий вид:
У = К-к
■кунК„Аш,
(8)
Производительность вибрационного смесителя зависит от его конструктивных параметров, скорости транспортирования сыпучих кормов, насыпной плотности материала и коэффициента заполнения
Рис. 4. Изменение производительности вибрационного смесителя от угловой скорости вращения вала: ■ ■ ■ - дерть зерносмеси (р = 500 кг/м3); • ■ • - дерть ячменная (р = 550 кг/ м3); а л ж - дерть пшеничная (р = 600 кг/м3).
контейнера. Коэффициент заполнения контейнера ф следует принимать в пределах 0,5...0,7 [1].
Производительность вибрационного смесителя Q, т/ч с учетом выражения (8) можно определить по формуле
0 = *» К куй - Кэ - А а -р
71 - О2
4
-ф,
(9)
где р - плотность перемешиваемого материала, кг/м3; ф - коэффициент заполнения контейнера.
Результаты и обсуждение. Диаметр цилиндрического контейнера предлагаемого смесителя D принимаем равным 250 мм, тогда расстояние между ближайшими перемешивающими элементами Э составит 125 мм. Наибольший по размерам перемешиваемый сыпучий элемент корма - горох, задавшись значениями длины, ширины и толщины его семени получаем значение эквивалентного диаметра сыпучего материала равное 7 мм. Шаг витков перемешивающих пружин ЭП принят равным 8 мм. В связи с тем, что угол естественного откоса для комбикорма составляет 35.40°, минимальная длина контейнера будет равна 210 мм. Коэффициент заполнения контейнера ф был принят равным 0,6. Амплитуда вибрации контейнера А составляет 2 мм.
Задавшись перечисленными значениями, на основании выражения (9) в системе MathCAD были получены параметры изменения производительности вибрационного смесителя в зависимости от угловой скорости вращения вала на различных сыпучих кормах (рис. 4).
Далее, определив из выражения (5), что для приведения сыпучей среды в состояние «виброкипения» значение угловой скорости ю=80 с-1, мы установили, что производительность предлагаемого вибрационного смесителя превышает 6 т/ч.
Это указывает на большую его эффективность, по сравнению с серийно выпускаемым вибрационным смесителем непрерывного действия ДВС-Н [12], производительность которого составляет 1 т/ч.
Выводы. На основании проведенных исследований разработана новая эффективная конструкция вибрационного смесителя сыпучих кормов и обоснованы его главные параметры, а также выявлена зависимость производительности устройства от изменения угловой скорости при вибротранспортировании различных сыпучих кормов.
Литература.
1. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, Ленинградское отделение, 1978. 560 с.
2. Федоренко И.Я. Механико-технологическое обоснование и раз работка вибрационных кормоприготовительных машин: дис.... докт. техн. наук. Челябинск, 1992.
3. Евсеенков С.В. Повышение эффективности процесса смешивания компонентов сыпучих кормов: дис. ... докт. техн. наук. Саратов, 1994. 360 с.
4. Иванова А.П. Интенсификация и оптимизация процесса смешения компонентов при приготовлении сыпучих кормов: автореф. дис.... канд. техн. наук. Оренбург, 2000. 20 с.
5. Николаев В.Н. Разработка и обоснование параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов: автореф. дис.... канд. техн. наук. Челябинск, 2004. 22 с.
6. Сергеев Н.С., Николаев В.Н., Кечина Н.В. Вибрационный смеситель. Патент РФ № 2166360. Опубл. в Б.И. № 13. 2001.
7. Сергеев Н.С., Николаев В.Н., Букрин С.А. Вибрационный смеситель сыпучих материалов. Патент РФ № 2305591. Опубл. в Б.И. № 25.2007
8. Николаев В.Н., Гайнуллин Э.Н., Зязев Е.В. Вибрационный смеситель. Патент РФ № 2417829. Опубл. в Б.И. №13. 2011.
9. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967.
10. Демский А. Б., Веденьев В.Ф. Оборудование для производства муки, крупы и комбикормов: справочник. М.: ДеЛи, 2005.
10. Варсанофьев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. М.: Химия, 1985. 240 с.
11. Ерохин М.Н., Карп А.В., Выскребенцев Н.А. Проектирование и расчет подъемно-транспортирующих машин сельскохозяйственного назначения. М.: Колос, 1999. 228 с.
12. Макаров Ю.И. Аппараты для смешивания сыпучих материалов. М.: «Машиностроение», 1973. 216 с.
THE STRUCTURE AND THEORETICAL SUBSTANTIATION OF THE BASIC PARAMETRES OF THE
VIBRATING MIXER OF LOOSE FORAGES N.S. Sergeev, V.N. Nikolaev, E.N. Gainullin
Summary. Manufacture of loose fodder mixes and mixed fodders of high quality is direct in the agricultural enterprises for today is very actual. For its realisation working out of new highly effective cars, in particular amalgamators is required. On the basis of the analysis of existing designs the device of the new perspective vibrating amalgamator of loose forages is developed. The amalgamator consists of the cylindrical container established on elastic support in which the shaft with active mixing bodies is located, also on a shaft activators of vibration with excentric weight are fixed. Mixed components pass in a condition «vibroboiling», that allows to lower value of their internal friction. The purpose of the given work is the theoretical substantiation of key parametres of the offered vibrating amalgamator of loose forages. As a result of theoretical researches following values are received: Diameter of the offered amalgamator makes 250мм, distance between the nearest mixing elements - 125 mm, a step of coils of mixing springs - 8 mm, the minimum length of the container makes 210 mm. Formulas of definition of average speed of transportation of a loose forage and productivity of the offered amalgamator are received. Dependence of change of productivity of the given amalgamator on angular speed of rotation of a shaft which makes 80 s-1 is revealed, at mixing of forages having various indicators of density and an internal friction.
Keywords: animal husbandry, feed, mix, mixing, vibration, amplitude, frequency.
УДК.631.7
ИЗНОСЫ КУЛЬТИВАТОРНЫХ ЛАП ПОСЕВНОГО КОМПЛЕКСА «МОРРИС»
А.М. МИХАЛЬЧЕНКОВ, доктор технических наук, руководитель структурного подразделения ГОСНИТИ Россельхозакадемии
С. А. ФЕСЬКОВ, аспирант Брянская ГСХА E-mail: [email protected]
Резюме. Культиваторные лапы посевного комплекса Моррис имеют достаточно большой ресурс. Однако из-за их высокой рыночной цены существует потребность в разработке технологий восстановления с целью повышения долговечности. Это напрямую связано со знанием специфики износов: геометрической формы, размеров и мест расположения. Для определения указанных параметров изучены износы на лапах, снятых с эксплуатации, с применением компьютерных технологий и методов математической статистики. Компьютерная обработка состояла в снятии на бумажный носитель профиля изношенной лапы, его оцифровке, сравнении с нормированным профилем и получении числовых значений износов в заданных сечениях. Количество сечений определяется задачами исследований. После этого проводится обработка полученных данных. В результате упрощается проведение исследований, появляется возможность работы с заданной точностью и большим количеством изучаемых объектов, упрощается математическая обработка данных. Лапы изнашиваются по ли-
нии образующей режуще-лезвийную часть рабочей области; износы боковых сечений крыльев столь незначительны, что не оказывают какого-либо влияния на процесс культивации. Выбор способа восстановления так же определяется изно-сами режуще-лезвийной части. Периметр лезвия при износе приобретает форму полуэллипса, обусловленную силовыми воздействиями и конфигурацией сдвигаемого слоя почвы. Проведенный статический анализ позволил (с определенной достоверностью) выявить следующие аспекты: не все числовые значения износов подчинены нормальному закону распределения (например, износы в сечениях перпендикулярных перемещению агрегата); процесс культивации можно считать установившимся так как коэффициенты вариации, по которым оценивается рассеивание экспериментальных данных, невелики. Результаты проведенных исследований можно использовать при выборе метода восстановления и разработке соответствующей технологии.
Ключевые слова: износы, культиваторные лапы, компьютерные технологии, законы распределения, эпюры износов, профили лап.
Из практики эксплуатации посевных комплексов фирмы «Моррис», которые нашли достаточно широкое применение в сельском хозяйстве России, известно, что один из их «слабых» конструктивных элементов -
