Розробка та дослідження енергоощадного вібраційного змішувача для внесення преміксів в комбікорми

Цикл роботи маятникового механізму з муфтами вільного ходу в даній машині поділяється на робочий хід, коли маятник з вантажем провертається разом з лопатевим валом, і холостий хід, під час якого відбувається рух, що повертає маятниковий механізм в початкове положення.

Таке конструктивне виконання віброзмішувача дозволяє розвантажити підшипникові опори лопатевого вала, зменшити коливні маси машини, інтенсифікувати процес змішування без додаткових приводних механізмів.

Наведена схема має шість ступенів вільності, тому рух машини описаний шістьма диференціальними рівняннями другого порядку, які були складені з використанням рівнянь Лагранжа II-го роду:

(1)

(2)

(3)

(4)

, якщо , якщо

(5)

(6)

де с, ц - полярні координати, що визначають положення центра мас контейнера відносно нерухомої системи координат Оxy; ц₁ - кут повороту контейнера відносно осі Ox; m₁ - маса контейнера разом із завантаженням m₁=m_конт+kМm_завант; I₁ - момент інерції контейнера із завантаженням відносно центра мас; б₁ - кут, що визначає положення точки підвісу першого маятника; ц₂ - кут повороту першого маятника (з механізмом вільного ходу) відносно осі Ox; m₂ - маса першого маятника; I₂ - момент інерції першого маятника; б₂ - початковий кут нахилу першого маятника до горизонтальної осі; ц₃ - кут повороту дебаланса відносно контейнера; m₃ - маса дебаланса; I₃ - момент інерції дебаланса відносно центра мас; б₃ - кут, що визначає положення дебалансного віброзбуджувача відносно контейнера; I₄ - момент інерції лопатевого вала і механізма вільного ходу відносно осі обертання; ц₅ - кут повороту другого маятника відносно осі Оx; m₅ - маса другого маятника; I₅ - момент інерції другого маятника; б₅ - початковий кут нахилу другого маятника до горизонтальної осі; c_x1, c_y1,c_ц1 - коефіцієнти лінійного та кутового опору пружної підвіски контейнера; b_x1, b_y1, b_ц1 - коефіцієнти лінійного та кутового в'язкого опору середовища; О₁А=l₁ - відстань від осі обертання лопатевого вала до осі обертання дебаланса; ОО₂= l₂ - довжина першого маятника; l₃ - ексцентриситет дебаланса; О₁О₄= l₄ - відстань, що визначає положення точки підвісу першого маятника; О₄О₅= l₅ - довжина другого маятника; ВО₄=h₅ - відстань від точки підвісу другого маятника до точки кріплення пружини BL; OL=h₂ - відстань від точки підвісу першого маятника до точки кріплення пружини BL; О₄Н= h₄ - відстань від точки підвісу другого маятника до точки кріплення пружин.

Аналіз системи диференціальних рівнянь руху, проведений з метою їх розв'язку, дозволив шляхом визначення членів більшого порядку малості прийняти певні спрощення та припущення. Отриманий частинний розв'язок лінійних диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами дозволив вивести наближені залежності, в тому числі для визначення амплітуди коливань А контейнера:

. (7)

Була визначена залежність потужності Р необхідної для здійснення процесу змішування у вібраційному змішувачі з неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним приводом:

. (8)

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень нового вібраційного змішувача із неколивним лопатевим валом і подвійним маятниковим віброімпульсним приводом та їх порівняння із теоретичними розрахунками, проведена оцінка його технічного рівня в порівнянні з існуючими.

В найбільш економічному режимі роботи змішувача при змішуванні досліджуваних матеріалів, коли витрати енергії на привод вала віброзбуджувача складають Рв=350 Вт. Порівняння із значеннями споживаної потужності для віброзмішувача з окремим приводом неколивного лопатевого вала, коли Рв=252 Вт, РУ=467 Вт при (рис. 2.) дозволяє зазначити, що витрати енергії на привод збудження коливань зросли на 38,8% за рахунок приєднання маси двох маятників. Але сумарні витрати енергії на здійснення процесу змішування зменшилися на 25,1%.

При порівнянні теоретично знайденої залежності споживаної потужності віброзбуджувачем P_в від коефіцієнта режиму вібрації k та її експериментальним значенням виявлено, що розбіжність складає 10-12%, що є прийнятним для використання запропонованої математичної моделі в проектних розрахунках вібраційних змішувачів даного типу. Результати порівняльних досліджень доводять зменшення питомих витрат енергії в порівнянні із змішувачем з двома окремими приводними механізмами лопатевого вала і дебалансного віброзбуджувача в 1,5 рази, а в порівнянні з існуючими - в 3-5 раз при забезпеченні потрібної швидкості обертання лопатевого вала та обертового момента.

Проведена оцінка на конкурентоздатність дослідно-промислового зразка змішувача за методом узагальнюючих показників якості двох видів, в порівнянні з існуючими, свідчить про його високий технічний рівень.

Висновки

В дисертації запропоновано рішення проблеми створення енергоощадного змішувача для високоякісного внесення преміксів в комбікорми з використанням низькочастотних коливань.

1. На основі проведеного аналізу існуючих конструктивних схем змішувачів доведено, що накладання вібраційного поля на технологічне середовище дозволяє реалізовувати високі технології, створює умови для отримання якісної суміші, недосяжної в інших змішувачах, суттєво зменшує витрати часу і енергії. Обґрунтовано схему вібраційного змішувача, яка представляє собою U-подібний контейнер із розташованим вздовж геометричної осі неколивним лопатевим валом, з'єднаним з контейнером еластичним з'єднанням, який транспортує суміш в осьовому напрямку, запобігає можливій появі сегрегації, руйнує утворення конгломератів шляхом здійснення радіальних переміщень контейнера із завантаженням відносно лопатей.

2. Експериментальними дослідженнями енергетичних характеристик та якості змішування запропонованої схеми вібраційного змішувача встановлено, що мінімальні витрати сумарної енергії виникають в режимі безперервного підкидання часток середовища при значенні коефіцієнта режиму вібрації k?2,5-3 час змішування, в порівнянні із змішуванням без лопатевого вала, зменшується в 3-5 разів, а однорідність суміші покращується у 4-5 разів.

3. Отримано залежності витрат енергії на привод лопатевого вала від кутової швидкості обертання лопатевого вала щ_л, віброприскорення контейнера Ащ², площі перемішуючих елементів лопатевого вала S, насипної густини завантаження г методом планування експеримента та регресійного аналізу. Статистична обробка результатів експерименту показала, що збільшення частоти обертів лопатевого вала щ_л та площі його перемішуючих елементів S призводить до збільшення величини споживаної потужності привода неколивного лопатевого вала P_л, а при збільшенні віброприскорення контейнера Ащ² - до значного її зменшення. Вплив насипної густини г на зміну потужності приводного двигуна лопатевого вала віброзмішувача P_л, в досліджуваних межах є незначним при накладанні вібраційного поля.

4. Запропоновано нову схему вібраційного змішувача, яка реалізує ідею єдиного привода для збудження коливань контейнера і обертання неколивного лопатевого вала, а перетворення енергії коливань контейнера змішувача разом із завантаженням в обертовий рух неколивного лопатевого вала реалізується за допомогою подвійного маятникового віброімпульсного перетворювача.

5. Розроблено математичну модель вібраційного змішувача з дебалансним віброзбуджувачем, U-подібним контейнером, неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем у вигляді 6-ти диференціальних рівнянь другого порядка. На основі теоретичних досліджень та проведеного аналізу математичної моделі отримані частинні розв'язки лінійних рівнянь, що дозволило визначити точки встановлення маятників, їх взаємне положення в залежності від геометричних та амплітудно-частотних параметрів.

6. Проведеними експериментальними дослідженнями енергетичних характеристик вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем підтверджено адекватність складеної математичної моделі, що визначає її практичну цінність.

7. Оцінка ефективності нового змішувача вказує на його високу конкурентоздатність в сучасному кормовиробництві, а виготовлений дослідно-промисловий зразок впроваджено на АТЗТ,,Корделівський ОМКЗ” Калинівського району Вінницької області. Це забезпечило зменшення питомих витрат електроенергії в порівнянні з традиційними змішувачами в 1,8-2,1 рази і покращення однорідності отриманої суміші в 4-5 разів.

Публікації за матеріалами дисертаційної роботи

1. Паламарчук І.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Розвиток конструктивних схем віброзмішувачів з механізмом вільного ходу// Збірник наукових праць Харківського державного технічного університету сільського господарства,,Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв” (випуск 5). Харків, 2000. С. 167-173. (доля здобувача 60%-аналіз стану науково-дослідних робіт по створенню вібраційних змішувачів).

2. Паламарчук І.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Обгрунтування технологічних та конструктивних схем енергозберігаючих віброзмішувачів барабанного типу // Вибрации в технике и технологиях. 2001. №1 (17). С. 34-37. (доля здобувача 40%-розробка класифікації вібраційних змішувачів).

3. Берник М.П., Цуркан О.В., Величко Л.Д. Віброімпульсний привод нового вібраційного змішувача // Вибрации в технике и технологиях. 2001. №2 (18). С. 3-7. (доля здобувача 45%-узагальнення матеріалів за результатами досліджень з підготовкою до опублікування).

4. Берник М.П., Цуркан О.В. Дослідження динаміки руху вібраційного змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим приводом лопатевого валу // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства,,Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв” (випуск 9). Харків, 2002. С. 338-345. (доля здобувача 45%-аналіз розробленої математичної моделі вібраційного змішувача).

5. Берник М.П., Цуркан О.В., Величко Л.Д. Математична модель вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним приводом // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства,,Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв” (випуск 16). Харків, 2003. С. 157-160. (доля здобувача 70%-розробка математичної моделі вібраційного змішувача).

6. Середа Л.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Нові конструкції вібраційних змішувачів в кормовиробництві // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць УкрНДІ по прогнозуванню та випробуванню техніки і технологій для с.-г. виробництва (УкрНДІПВТ); Ред. кол.: Л.В. Погорілий та ін. Дослідницьке, 2003. Випуск 6 (20) С. 117-123. (доля здобувача 65%-розробка і створення дослідно-промислового зразка вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом).

7. Берник П.С., Берник М.П., Цуркан О.В. Енергозберігаючі змішувачі для приготування сипучих кормів // Техніка АПК. 2003. №8. С. 16-18. (доля здобувача 60%-розробка порівняльної характеристики вібраційних змішувачів, обгрунтування принципової схеми вібраційного змішувача із неколивним лопатевим валом і подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем).

8. Берник П.С., Цуркан О.В. Энергосберегающий вибрационный смеситель // Вісник Національного технічного університету,,Харківський політехнічний інститут''. Збірник наукових праць. Тематичний випуск,,Хімія, хімічна технологія та екологія''. Харків: НТУ,,ХПІ''. 2003. №17. С. 53-56. (доля здобувача 75%-проведено порівняльний аналіз вібраційних змішувачів).

9. Берник П.С., Цуркан О.В. Маятниковый преобразователь колебательного движения во вращательное // Межвузовский сборник научных статей,,Вопросы вибрационной технологии”. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2003. С. 16-20. (доля здобувача 55%-запропоновано застосувати маятникові віброімпульсні перетворювачі руху з метою використання енергії коливань контейнера для привода неколивного лопатевого вала).

10. Вібраційний змішувач: Патент № 63977. Україна, МКІ В01F11/00 / М.П. Берник, І.П. Паламарчук, О.В. Цуркан. № 2000052580; Заявлено 05.05.2000; Опубл. 16.02.2004, Бюл. № 2. 2 с. (дольова участь здобувача у розробці відмінних ознак винаходу однакова разом з іншими співавторами).

11. Выбор конструктивной схемы вибрационного смесителя с механизмом свободного хода. Тезисы докладов Международной научно технической конференции,,Вібрації в техніці та технологіях” / Искович-Лотоцкий Р.Д., Паламарчук И.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Евпатория, 1998. С. 125-128. (доля здобувача 45%-розробка енергоощадної схеми вібраційного змішувача).

12. Берник М.П., Цуркан О.В., Еленич М.П. Виброимпульсный привод вибрационных смесителей // Международный периодический сборник научных трудов,,Обработка дисперсных материалов и сред”. НВО,,ВОТУМ'', выпуск 11. Одеса. 2001. С. 62-66. (доля здобувача 60%-узагальнення матеріалів за результатами досліджень та апробація на науковій конференції).

Анотація

Цуркан О.В. Розробка та дослідження енергоощадного вібраційного змішувача для внесення преміксів в комбікорми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Харківський державний технічний університет сільського господарства. - Харків, 2004.

Дисертацію присвячено розробці, створенню та дослідженню енергоощадного вібраційного змішувача для високоякісного внесення преміксів в комбікорми.

Обґрунтована та досліджена комбінована схема вібраційного змішувача з окремим приводом неколивного лопатевого вала та вала віброзбуджувача. Побудовано залежності споживання енергії на лопатевому валу і віброзбуджувачі від параметрів вібраційного поля. Знайдено режими роботи вібраційного змішувача, за яких сумарне споживання енергії є мінімальним, а неоднорідність отриманої суміші відповідає технічним вимогам на процес змішування.

З метою подальшого зменшення витрат енергії в процесі вібраційного змішування створено новий вібраційний змішувач, у якого енергія вібруючого контейнера разом із завантаженням використовується для обертання неколивного лопатевого вала. Розроблена та проаналізована математична модель динаміки руху даного змішувача.

Основні теоретичні результати дисертації перевірено експериментально, що підтверджує їх адекватність.

Ключові слова: змішування, премікси, вібраційний змішувач, енерговитрати, неоднорідність суміші, віброімпульсні перетворювачі.

Аннотация

Цуркан О.В. Разработка и исследование энергосберегающего вибрационного смесителя для внесения премиксов в комбикорма. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Харьковский государственный технический университет сельского хозяйства. - Харьков, 2004.

Диссертация посвящена разработке, созданию и исследованию энергосберегающего вибрационного смесителя для высококачественного внесения премиксов в комбикорма.

Проанализированы различные конструктивные схемы вибрационных смесителей, используемых для приготовления смесей во многих технологических процессах. Низкие удельные энергозатраты, высокая производительность и качество смешивания, с учетом специфических особенностей приготовления полнорационных комбикормов, подтверждают технологическую целесообразность их широкого применения в сельскохозяйственном кормопроизводстве. Обоснована необходимость и преимущества комбинированного воздействия вибрационного поля и неколебательного лопастного вала на смешиваемые компоненты.

Проведенный анализ известных работ по вибрационному смешиванию, а также критериев определения однородности смеси положен в разработку методики экспериментального исследования разработанного вибрационного смесителя. Впервые определен экономичный режим работы вибросмесителя при значении коэффициента режима вибрации для исследуемых материалов, при которых удельные затраты потребляемой энергии минимальные и в 3-5 раз меньше, чем в традиционных смесителях. При этом достигается неоднородность смеси 0,8-3% в течение 80-100 с. Исследовано влияние времени смешивания на неоднородность смеси в зависимости от воздействия параметров вибрационного поля и наличия лопастного вала. Методом планирования эксперимента и регрессионного анализа получена зависимость затрат энергии на привод неколебательного лопастного вала Рл в зависимости от его угловой скорости вращения щл, виброускорения контейнера Ащ², площади перемешивающих лопастей S, насыпной плотности загрузки г.

Составлена и проанализирована математическая модель динамики вибрационного смесителя с неколебательным лопастным валом и двойным маятниковым виброимпульсным преобразователем. Аналитически установлена и экспериментально подтверждена закономерность потребления энергии электродвигателем вибровозбудителя в зависимости от режима вибрации. Рассмотрены варианты расположения точек подвеса маятников и их положение по отношению к центру масс контейнера для получения максимального крутящего момента и угловой скорости на лопастном валу.

Оценка эффективности разработанного смесителя показала его конкурентоспособность в современных условиях кормопроизводства.

Созданный образец вибросмесителя внедрен в технологический процесс приготовления комбикормов на стадии внесения премиксов в условиях АОЗТ,,Корделевский ОМКЗ'' Калиновского района Винницкой области, что обеспечило снижение удельных энергозатрат в 1,8-2,1 раза и улучшение однородности смеси в 4-5 раз в сравнении с действующими смесителями.

Ключевые слова: смешивание, премиксы, вибрационный смеситель, энергозатраты, неоднородность смеси, виброимпульсные преобразователи.

Abstract

Tsurkan O.V. The eleboration and researching of energysaving vibromixer for bringing in premix to the combifood - Manuscript.

Tsesis for being conferred Candidate of Technical Scinces Degree in speciality 05.05.11 - Мachines and means of mechanization of agrarian production. - Kharkiv state technical university of agriculture. - Kharkiv, 2004.

The dissertation deals with eleboration, creating and reasearching of energysaving vibromixer for qualitative bringing in premix to the combifood. The combined sheme of vibromixer with separate drive with unfluctuated spade shaft and vibroexciters between consumersion of energy on spade shaft and vibration field are built. Ih that case the energy consumersion is minimum and unhomogenousity of mixture is due to the technical demands.

In order to make energy consumersion minimum during vibromixering a new vibromixer is made. The mathematical model of mixer's motion is made.

The main theoratical results of the thesis are checked experimantally.

Key words: mixering, vibromixer, energy consumersion, unhomogenousity of mixture.