CC BY
11
Припоров Игорь Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент Слепченко Юрий Владимирович, соискатель
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина» Россия, 350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13 E-mail: mail@kubsau.ru
Prospects for the use of computer devices in air-sieve grain cleaning machines
Priporov Igor Evgenievich, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor
Slepchenko Yuri Vladimirovich, research worker
Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilina
13 Kalinina St., Krasnodar, 350044, Russia
E-mail: mail@kubsau.ru
Modern grain cleaning machines with pneumatic fractionation of grain material components also have a number of structural and technological disadvantages: large overall dimensions and metal content, the complexity of setting the air system to the operating mode, high specific energy costs for the process of pneumatic fractionation due to the use of a large number of fans and a significant length of the pneumatic system elements. Currently, there is no development of a device for determining the cleaning of oilseeds together with an air-sieve grain cleaning machine of the MVU-1500 type, for example, sunflower in real time. In most cases, to determine the quality of seeds, it is necessary to give the received seeds from the grain cleaning machine for examination or check yourself, but the time spent on performing this operation is very long and labor-intensive. Therefore, the aim of the study is to reduce the time and labor costs for determining the quality of seed material in real time in air-sieve grain cleaning machines through the use of computer devices. The analysis of scientific works shows that when creating promising grain cleaning machines there are no theoretical studies and experimental data to substantiate the structural and technological parameters of the input of grain material into the pneumatic separation channel, etc. Considered the receiving-distribution device grain cleaning machines, the lack of which in most cases is the selection of terrorismrelated for a particular type of grain-cleaning machines (air, air-sieve), leading to time-consuming and increasing the size pneumocephalus channel. The disadvantages of the machine of secondary cleaning of sunflower seeds are given, which do not have the ability to determine the quality of seed material in real time, which leads to an increase in time and labor costs. At the Department «Tractors, cars and technical mechanics» Kuban SAU developed an improved air-sieve grain cleaning machine, which eliminates the shortcomings of serial.
Key words: air-sieve grain cleaning machine, computer device, sunflower seeds, device for determining the
cleaning of seeds, sieve system, labor costs.
-♦-
УДК 621.929.7
Возможный резерв повышения эффективности процесса вибросмешивания
A.П. Иванова1'2, д-р техн. наук, профессор; М.А. Васильева1, канд. техн. наук;
B.В. Делигирова1, канд. техн. наук; Е.И. Панов2, канд. техн. наук
1 ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет
2 ОрИПС - филиал ФГБОУ СамГУПС
Цель исследования - изучение возможностей повышения эффективности процесса вибросмешивания при приготовлении кормосмеси для кур. Объектом исследования был процесс смешивания сыпучих кормов в вибрационном смесителе с использованием стимулирующих виброактивных поверхностей. Выбранная модель поведения сыпучих ингредиентов при вибрациях позволяет создать структуру математической модели технологического процесса, наиболее точно его отражающую. Показано, что во многом возможности резерва повышения эффективности процесса вибросмешивания зависят от выбора смешивающего оборудования. В ходе экспериментального исследования использовались различные сменные виброактивные поверхности, помещаемые стационарно в центре корпуса смесителя, которые различались размерами площадей и конфигурацией формы. Установлено, что при приготовлении кормосмеси влажностью до 15 % для молодняка кур получается смесь выше по степени однородности на 1,1- 1,55 %, если используются виброактивные поверхности сложной конфигурации. Возможный резерв повышения эффективности процесса вибросмешивания определяется разработкой методического и технического обеспечения элементов смесеприготовления, выбором модели поведения сыпучей среды для математического описания и прогнозирования качественно-энергетических результатов и формированием конструктивного рабочего пространства смешивающих аппаратов.
Ключевые слова: вибросмешивание, вибрационный импульс, виброактивная поверхность, смешивающий аппарат, однородность.
В основе тривиальной модели реальных сыпучих сред, обрабатываемых вибросмешиванием, лежат закономерности движения элементарной частицы, позволяющие описывать механизм поведения дисперсной системы [1].
Увеличение объёма, занимаемого дисперсной средой, уменьшение плотности компонентов, нарушение связей между частичками происходят под воздействием вибрации и приводят к разрыхлению всей массы продукта, что способствует в конечном результате созданию однородной среды.
Состояние виброкипения, происходящее внутри сыпучей массы, характеризуется беспорядочным движением частиц, что приводит обрабатываемую среду к иерархии, способствующей изменению однородности всей многокомпонентной системы.
Процесс перемещения сыпучей системы внутри корпуса вибросмесителя может быть представлен схемой (рис. 1). Наиболее интенсивно движение компонентов протекает в местах контакта сыпучей среды с поверхностью, передающей вибрацию.
1 -.■.■.-. т ттш
Рис. 1 - Схема движения продукта в рабочем пространстве смесителя
Соответственно чем больше площадь виброконтакта, тем напряжённее будет работать вся система. Вибрация передаётся сыпучей массе через поверхность соприкосновения, которая в свою очередь состоит из нескольких элементов, т.е. корпуса вибросмесителя и внутренних рабочих органов. Увеличить рабочую виброактивную поверхность можно за счёт установки в смесителе жёстко закреплённой внутренней насадки.
Микромоделью вибросмешивания можно считать ячейки Бенара, которые образуются в результате хаотического движения частиц и являются прототипом изучаемого технологического процесса [2]. Движение сыпучих компонентов внутри ячеек показано стрелками (рис. 1). Частицы, находящиеся внутри условной ячейки, перемещаются вертикально вверх по траектории, условно схожей с многогранной призматической поверхностью. Состояние, характерное для процесса виброкипения, можно описать следующим образом: контролируемая масса компонентов дисперсной среды находится какое-то время в
верхних слоях сыпучей системы, после чего движение меняется на противоположное, т.е. смесь направляется вниз до основания ёмкости и поднимается вверх в середине фокусного пространства [3]. Поэтому логично устанавливать рабочую виброактивную поверхность именно в центре смесителя, так как собственно там образуется чаще всего мёртвая зона. Если конфигурация рабочей виброактивной поверхности проектируется сложной, но обтекаемой, то и траектория движения, которое она передаёт хаотически движущейся дисперсной среде, будет усложняться.
При слежении за перемещающейся в процессе виброобработки смесью установлен ряд закономерностей. Например, изучаемые режимы вибрации способствуют тому, что частицы мелкой фракции стремительнее перемещаются в нижнюю часть рабочей камеры, а более крупные движутся вверх. Чем сложнее траектория перемещения компонентов, тем интенсивнее протекает процесс, что приводит к сокращению его продолжительности, необходимой для достижения смесью требуемой степени однородности. Установлено, что при низкой интенсивности вибрации возникает обратный процесс, т.е. сегрегация.
Материал и методы исследования. Математические методы прогнозирования результатов процесса вибросмешивания позволяют изыскивать резервы повышения его эффективности. Для этого в первую очередь выбирается модель поведения сыпучей системы при наложении на неё вибрационного поля. Не всегда модель поведения сыпучей системы целесообразно рассматривать как элементарную частицу, существуют и другие научные подходы.
Сыпучая многокомпонентная масса может быть представлена как сложная, формализованная модель, имеющая множество разнохарактерных взаимосвязей. Но следует всё же оговориться, что всякая модель имеет отклонения от реального процесса и не отражает досконально его суть, т.е. в какой-то степени является приближённой.
Существующие типы моделей формально можно объединить в несколько укрупнённых групп (рис. 2), такие, как элементарные, сложные и вариативные.
Рис. 2 - Типы моделей поведения сыпучих ингредиентов при вибрациях
Наибольший интерес представляет модель, условно представленная вязкой жидкостью. При этом сыпучая система, поведение которой схоже с перемещением жидкой среды, соответственно обладает свойствами вязкой жидкости. В связи с этим к процессу, протекающему в рабочем пространстве технологического оборудования, может прикладываться теория движения вязких жидкостей на базе возникающих в жидкости напряжений от скоростей деформаций. Дополнительное наложение на сыпучую систему вибрационного поля обязывает учитывать силы трения, а также коэффициенты упругих и вязких сил, подверженные определённой трансформации.
На следующем этапе поиска резерва повышения эффективности процесса вибросмешивания целесообразно рационально выбирать тип смешивающего оборудования [4].
Следует отметить, что стандартного подхода, связывающего конструктивное оснащение изучаемого технологического процесса с конечным результатом, выраженным качеством получаемого продукта, не существует, т.е. удо -влетворительный результат смесеприготовления может быть достигнут при использовании различных смешивающих устройств из имеющегося модельного ряда.
Предпочтение отдаётся тому смешивающему аппарату, который позволяет при достаточно низких энергозатратах получить смесь более высокой степени однородности [5].
Проведённый анализ смешивающих аппаратов показал, что правильно подобранный смеситель является резервом повышения эффективности процесса вибросмешивания.
Результаты исследования. В ходе экспериментального исследования использовались различные сменные виброактивные поверхности (патент № 2140320 [6], патент № 2189854 [7], патент № 2219992 [8]), которые стационарно крепились в рабочей камере и отличались площадью контактной поверхности и формой конфигурации (табл. 1).
Эксперимент проводился на кормосмеси для молодняка кур. Ингредиенты кормосмеси загружались в корпус смесителя в различных вариантах последовательности. При этом в состав входили 13 компонентов, из них 3 компонента крупной, 5 - мелкозернистой и 4 пылевидной фракции.
Итоговые результаты экспериментального исследования, отражённые в таблице 1, показывают потребную продолжительность протекания процесса в вибросмесителе до достижения смесью необходимой степени однородности.
На время смешивания (г, с) оказывает доминирующее влияние величина площади поверхности виброконтакта (5вк, м2), которая при наименьшем вибрационном импульсе (г, кг-м/с) даёт лучшие качественно-энергетические показатели. Следует отметить, что геометрические поверхности, передающие вибрационный импульс смеси и влияющие на траекторию её движения в рабочем пространстве вибросмесителя, стимулируют и создают предпосылки к интенсификации процесса смешивания.
Анализ полученных данных позволяет выделить форму смесильного элемента, имеющую наиболее сложную конфигурацию, т.е. 53, которая даёт возможность получить наилучшие результаты.
Форма смесительного элемента Площадь поверхности виброконтакта, 5вк, м2 Время смешения г, с Вибрационный импульс г, кг-м/с Энергия полного цикла Е, Дж Степень однородности смеси М, %
5з Ж Патент № 2140320 0,572 120-210 8,17 • 10 - 5 -7,46 • 10 - 4 554,4 - 3760,2 92,61 - 97,74
51 X Патент № 2189854 0,56 150 -240 8,35 • 10 - 5 -7,62 • 10 - 4 633,6 - 5011,2 89,94 - 96,9
52 А Патент № 2219992 0,51 180 -270 8,05 • 10 - 5 -7,32 • 10 - 4 653,6 - 5603,4 87,7 - 93,5
1. Результаты экспериментальных исследований на виброактивных поверхностях, применяемых для приготовления кормосмесей для молодняка кур
Эмпирические итоги исследования являются основанием для верификации сформированной математической модели процесса, охватывающей в совокупности весь исследовательский комплекс показателей, что в свою очередь влияет на резерв повышения эффективности вибросмешивания.
В итоге эксперимент позволил определить влияние формы виброактивной поверхности и её площади на продолжительность цикла смешивания и выходной параметрический комплекс.
Как было сказано выше, вибрационные установки для приготовления сыпучих однородных смесей предусматривают моделирование рабочего пространства, ограниченного определёнными геометрическими размерами и формой. Существенным стимулятором технологического процесса смесеприготовления являются внутренние рабочие органы, имеющие возможность варьирования геометрических параметров конструктивных элементов. К ним можно отнести полезный объём рабочего пространства, объём загрузки материала, внутреннюю виброактивную поверхность рабочей камеры, площадь поверхности внутренней виброактивной насадки.
Расчётные, эмпирические формулы виброимпульса включают такие конструктивные составляющие, как площади поверхностей виброконтакта [9, 10]. От величины виброимпульса зависит передача энергии смешиваемой массе виброактивной поверхностью, что создаёт предпосылки интенсификации смесеприготовления и позволяет сделать его более эффективным, а также осуществлять прогнозирование результатов процесса.
Площадь сменной поверхности виброконтакта (5р.н.) 5з имеет сложную конфигурацию и вычисляется по формуле:
н з = 2пЯз • (2Яз - к) + 2яД4 • (2Д4 - к2 - Из) +
14 (1)
+2%Я5 • (к - И4) + 2%—• (Я6¿1 + Я7¿2),
где Яз, Я4 - радиусы сфер;
Я5 - радиус шарового сегмента;
Я6, Я7 - радиусы торовых поверхностей;
И1, И2, Из, И4 , И5 - высота шаровых сегментов;
¿1, ¿2 - длины дуг торов.
На основании проведённого исследования построены графические зависимости влияния величины вибрационного импульса на однородность получаемых смесей при использовании виброактивных поверхностей 5з, 51, 52 (рис. з).
Наглядным результатом демонстрации целесообразности применения в процессе смесеобразования виброактивной поверхности 5з являются экспериментально полученные графические зависимости (рис. з). Она имеет большую площадь виброконтакта, а также сложную конфигурацию по сравнению с 51 и 52, и при её использовании наблюдается не только снижение энергозатрат, но и повышение степени однородности кормосмеси на 1,1 - 1,55 %.
Выводы. Возможный резерв повышения эффективности процесса вибросмешивания определяется:
- разработкой методического и технического обеспечения элементов смесеприготовления;
- выбором модели поведения сыпучей среды для математического описания и прогнозирования качественно-энергетических результатов;
- формированием конструктивного рабочего пространства смешивающих аппаратов, включающих поверхности с элементами галтелей (прошедшие апробацию), которые могут быть рекомендованы для приготовления многоком-
м, и
5» %г
9а
& 6,5
---------- • ---_
г ■—
\
1
-г*-
^___...—-—
Ж
д.
....... /
-—.—.—.— 1 ь ■■ ■■■■■ ■■ 1 ■'■ ■■ -1 ■■■ ■■■ ■'■ -1 -1-т—
17.8
аэ.о
40.?
н
51.4
-
62.6
1, кг м.ч ю
Рис. з - Эмпирические зависимости влияния величины вибрационного импульса (/, кг-м/с 10 5) на однородность (М, %) кормосмеси для кур при использовании поверхностей 5з, 51 52
понентных кормовых масс, мелкой фракции для птицы с влажностью до 15 %.
Литература
1. Холодилин А.Н., Панов Е.И. Моделирование процесса перемещения частицы в поле центробежных сил // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 1 (75). С. 109 - 112.
2. Блехман И.И. Что может вибрация? О вибрационной механике и вибрационной технике. М.: Наука,1988. 208 с.
3. Шустер Г.Г. Детерминированный хаос. Введение / перевод с англ. М.: Мир, 1988. 240 с.
4. Никитина А.В., Иванова А.П. Вибрации - механизм возникновения, системы защиты // Молодёжная наука в XXI в.: матер. Междунар. науч.-исследоват. конф. молодых учёных: в 2 частях. Уфа, 2018. С. 88 - 90.
5. Межуева Л.В., Иванова А.П. Геометрические поверхности в обеспечении биотехнологических процессов: монография. Уфа: Аэтерна, 2018. 125 с.
6. Пат. № 2140320. Вибрационный смеситель / Полищук В.Ю., Воронков А.И., Васильева М.А., Иванова А.П. Зарег. 27.10.99. Бюл. № 30.
7. Пат. № 2189854. Вибрационный смеситель / Иванова А.П, Карташов Л.П., Огородников П.И., Припадчев А.Д., Васильева М.А., Рабинович М.И. Зарег. 27.09.2003. Бюл. № 36.
8. Пат. №2219992. Вибрационный смеситель / Иванова А.П., Припадчев А.Д., Огородников П.И., Межуева Л.В., Ефремов И.В. Зарег. 27.12.2002. Бюл. № 27.
9. Гунько В.В. (Делигирова). Совершенствование процесса смешивания в аппаратах вибрационного действия: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2007. 22 с.
10. Васильева М.А. Влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность процесса перемешивания сыпучих кормов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Оренбург, 2003. 18 с.
Иванова Анастасия Петровна, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
Оренбургский филиал ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения»
Васильева Марина Анатольевна, кандидат технических наук
Делигирова Виктория Викторовна (Гунько), кандидат технических наук
ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет»
Россия, 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13
Панов Евгений Игоревич, кандидат технических наук
Оренбургский государственный институт путей сообщения - филиал ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения» Россия, 460004, г. Оренбург, пр-т Бр. Коростелёвых, 28/1 -28/2 E-mail: ivaanastassia27@mail.ru
The possible reserve to enhance the vibration mixing process efficiency
Ivanova Anastasia Petrovna, Doctor of Technical Sciences, Professor Orenburg State University
Orenburg branch of Samara State University of Railway Engineering
Vasilieva Marina Anatolievna, Candidate of Technical Sciences
Deligirova Victoria Viktorovna (Gunko), Candidate of Technical Sciences
Orenburg State University
13, Victory Ave, Orenburg, 460018, Russia
Panov Evgeny Igorevich, Candidate of Technical Sciences
Orenburg State Institute of Railways - a branch of Samara State University of Railways 28/1 -28/2, Ave. Br. Korostelevs, Orenburg, 460004, Russia E-mail: ivaanastassia27@mail.ru
The purpose of the research is to study the possibilities of increasing the efficiency of the process of vibration mixing in the preparation of feed mixtures for chickens. The work was carried out in LLC Borodino-Orenburg, the enterprise Fermerstroyservis - Orenburg Region. The object of research was the process of mixing bulk feed in a vibrating mixer using stimulating vibroactive surfaces. Materials and research methods. Mathematical methods for predicting the results of the vibration mixing process allow finding reserves for increasing its efficiency. Accordingly, the selected model of the behavior of bulk ingredients during vibration allows you to create the structure of a mathematical model of the technological process that most accurately reflects it. The mathematical model is formed on the basis of the dominant process indicators and is a system that includes a combination of: various modes of operation of mixing devices, methodological and technical support of the elements of mixture preparation, the creation of a constructive-geometric working space of the vibratory mixer with elements of the internal working vibroactive surfaces. In many ways, the potential for increasing the efficiency of the vibration mixing process depends on the choice of mixing equipment. Research results. In the course of the experimental studies, various interchangeable vibroactive surfaces were used, which were placed stationary in the center of the mixer body, which differed in the sizes of the areas and the shape configuration. It was found that when preparing feed mixtures with a humidity of up to 15 %, for young chickens, the mixture turns out to be 1.1 - 1.55 % higher in uniformity if vibroactive surfaces of complex configuration are used. A possible reserve for increasing the efficiency of the vibration mixing process is determined by: developing methodological and technical support for the elements of mixing, selecting a model of behavior of a granular medium for mathematical description and predicting high-quality energy results, and forming a constructive working space for mixing devices.
Key words: vibration mixing, vibration impulse, vibroactive surface, mixing apparatus, uniformity. -♦-
