Методика расчета вибрационного дозатора-смесителя камерного типа при консервировании фуражного зерна

Размещено на http://www.allbest.ru

Методика расчета вибрационного дозатора-смесителя камерного типа при консервировании фуражного зерна

А.В. Червяков, С.В. Курзенков



В статье предложена методика расчета вибрационного дозатора-смесителя камерного типа оборудования для консервирования зерна. Результаты статьи могут быть использованы при проектировании аналогов оборудования различной производительности и выбора эффективных режимов обработки зернового материала раствором консерванта.

вибрационный дозатор смеситель зерно консервирование

The article presents methods of calculation of vibratory doser-mixer of chamber type for preserving grain. Results of the article can be used for designing analogous equipment with different productivity levels and the choice of efficient modes of grain treatment by preservative solution.



Введение

В УО БГСХА разработано оборудование для консервирования зерна с вибрационным рабочим органом. Детальное его описание и принцип работы изложены в источниках [1, 2].

Целью данной работы являлась разработка методики выбора и расчета основных элементов конструкции дозатора-смесителя с учетом качества консервирования и производительности оборудования.

Анализ источников и методы исследования. Представленная в статье методика основана на результатах теоретических и экспериментальных исследований, проведенных как в лабораторных, так и в производственных условиях и опубликованных в следующих источниках [3-5; 7; 8].

Теоретические исследования, изложенные в работе [3], позволили получить математическую модель движения рабочего органа при изменении конструктивных параметров оборудования и технологических параметров процесса. Анализ зависимостей, описывающих траектории перемещения произвольных точек рабочего органа, показал, что в пространстве эти точки движутся по замкнутым линиям, напоминающим одинаково ориентированные эллипсы. При этом вертикальная составляющая амплитуды колебаний равна нулю для точек, совпадающих с осью симметрии системы, и возрастает с увеличением расстояния от вертикальной оси.

Результаты этих исследований были использованы при изучении движения частицы зернового материала по колеблющейся поверхности распределительного устройства [4]. В ходе анализа полученных теоретических зависимостей было определено влияние режимов вибрационного процесса элементов устройства на динамику перераспределения материала в камере смешивания. Установлено, что при перемещении по поверхности распределительного устройства наблюдаются два вида движения материала - без отрыва и с отрывом от поверхности. Причем зоны такого движения зависят от конструктивных, массовых, инерционных параметров оборудования и режимов его работы. Это позволило сделать вывод, что эти факторы будут существенно влиять на прохождение материала через перфорированную поверхность распределительного устройства, а значит, и перераспределение его в камере смешивания.

Поэтому дальнейшие исследования [5] были направлены на детальное изучение факторов, влияющих на формирование потока материала в камере смешивания рабочего органа. Анализ теоретических зависимостей изучаемого процесса и конструктивных особенностей оборудования показал, что процесс формирования потока зернового материала в камере смешивания при его сепарации через перфорированную поверхность распределительного устройства зависит от: радиуса и высоты поднятия обечайки дозатора сыпучего компонента, соответственно r_об (м) и h_об (м); угловой скорости вращения вала рабочего органа - (с^-1); массы колеблющейся части рабочего органа - M_р.о. (кг); массы дебаланса - m (кг); параметров, определяющих момент возмущающей силы - x_ц.м. (м), z_д (м); безразмерной величины , характеризующей соотношение радиуса отверстия к радиусу частицы обрабатываемого материала. Такие же параметры, как радиус диска рабочего органа - r_д (м), коэффициент перфорации решета распределительной поверхности - k_пер, ее ширину - H_реш (м), а также безразмерный параметр ₁, характеризующий трансформацию отверстия при вибрации, можно исключить из рассмотрения при изучении формирования потока зернового материала в камере смешивания.

Исследования по изучению формы и расположению отверстий на перфорированной части рабочего органа показали предпочтительность использования круглых отверстий, с центрами, распределенными по вершинам правильных треугольников. Такая форма и расположение отверстий обеспечивает наилучшую пропускную способность устройства и однородность его колеблющейся части [6].

В статье [7] было приведено обоснование параметров оборудования, исключенных из экспериментальных исследований. К таким параметрам были отнесены радиус диска, ширина и коэффициент перфорации распределительной поверхности рабочего органа. В этой работе предлагались теоретические подходы к определению закона движения потока зерна при сепарации его через перфорированную поверхность, было выдвинуто ряд рабочих гипотез, нуждающихся в экспериментальном подтверждении. Рассматривались следующие гипотезы:

- предлагаемая конструкция установки, выбранное расположение и форма отверстий перфорированной части рабочего органа обеспечивают равномерность кольцевого потока в камере смешивания;

- сепарация материала через перфорированную поверхность распределительного устройства зависит от перечисленных выше параметров и подчиняется нормальному закону распределения;

- эффективная зона просыпания зернового материала, а значит и радиус рабочего органа, которые могут быть определены исходя из вероятностного смысла процесса сепарации, изменяются в узких пределах при варьировании приведенных факторов и несущественно влияют на процесс обработки.

Целью дальнейшей работы, изложенной в источнике [8], было экспериментальное изучение процесса сепарации зернового материала через поверхность распределительного устройства рабочего органа, определение теоретических закономерностей данного процесса на основании статистических характеристик рассматриваемого процесса, подтверждение или опровержение гипотез, выдвинутых на основании теоретических предпосылок в ходе моделирования изучаемого процесса. Исследования базировались на результатах экспериментов. Оценка их производилась на основании статистических характеристик и пропускной способности предлагаемого оборудования Qз (кг/с). В данных экспериментах качественные показатели процесса обработки не исследовались.

Проведенные исследования позволили определить опорные границы выбранных факторов и подтвердить выдвинутые гипотезы. В ходе моделирования процесса сепарации материала в рабочем органе было установлено, что зона эффективного просыпания зернового материала изменяется в узких пределах при варьировании конструктивных параметров оборудования и технологических параметров процесса. Это позволило зафиксировать ширину перфорированной части распределительной поверхности на уровне 0,125 м.

На этапе поисковых экспериментов, изложенных в работе [9], ставилась цель определения границ варьирования выбранных факторов. Опыты проводили на лабораторной установке, повторяющей конструкцию модуля дозирования-смешивания, с диаметром корпуса камеры смешивания 0,6 м, с фиксированными диаметром обечайки 0,18 м и диаметром диска распределительного устройства 0,25 м. Основными показателями на этом этапе выбраны производительность установки Q (кг/с) и коэффициент неравномерности обработки зерна рабочим раствором k_н.о.. Для проверки рабочей гипотезы о зависимости равномерности обработки зерна консервантом от его распределения по ширине кольцевого потока при постоянных параметрах распыла был использован показатель k_нр, характеризующий неравномерность распределения материала в камере смешивания.

На этом этапе была обоснована целесообразность использования при планировании многофакторного эксперимента вместо фактических величин r_ч, r_отв, x_ц.м, z_д, M_р.o, m_д, r_об, h_об безразмерных комплексов - =r_отв/r_ч, _д=z_д/x_ц.м., _M=m_д/M_р.o, _об=h_об/D_oб, которые принимались в качестве параметров подобия конструкции предлагаемого устройства. В ходе обобщения результатов поисковых экспериментов были установлены границы варьирования этих факторов: угловая скорость вала - [195; 320] с^-1, безразмерный параметр, характеризующий соотношение высоты поднятия обечайки к ее диаметру - _об [0,056; 0,22], безразмерный параметр, характеризующий соотношение радиуса отверстия к радиусу частицы обрабатываемого материала - [5,30; 6,70], безразмерный параметр, характеризующий отношение массы дебаланса к массе колеблющейся части рабочего органа - _M[0,0014; 0,0071], безразмерный параметр, характеризующий расположение дебаланса, относительно центра масс колеблющейся части системы - _d[1,41; 1,88].

Следующий этап экспериментальных исследований сводился к оптимизации конструктивных параметров модуля дозирования-смешивания и технологических параметров процесса консервирования зерна и к определению рациональных параметров изучаемого процесса. Результатами этих исследований являлись:

1) математические модели влияния исследуемых факторов в диапазонах их изменения

на производительность установки

Q=0,034 - 0,00007² - 23412,6_M² + 1,73_д² + 0,019_об + 0,0013 + 1,715_M - 0,0248_д

и неравномерность обработки зерна консервантом

k_н.о= -0,0463- 0,771_об+1,536+55,895_M+ 0,0001²-0,124²+ 0,231_д²-0,085_обMд.

2) зависимость неравномерности обработки зерна раствором консерванта от распределения его в камере смешивания

k_н.о=0,5 kн.р²+0,509 kн.р;

3) рациональные конструктивные параметры рабочего органа предлагаемой установки и технологические параметры процесса: =206,4 с^-1, hоб=0,04 м, rотв=0,01 м, mд=0,061 кг, zд=0,12 м, при которых производительность установки достигает свыше 15000 кг/ч консервированного зерна с качественными показателями, удовлетворяющими агротехническим требованиям (kн.о=0,1).

Приведенные выше результаты исследований легли в основу методики расчета и проектирования установок для консервирования зерна с рабочими органами предлагаемой конструкции.



Основная часть

Для обеспечения устойчивости процесса нанесения жидких растворов консервантов на зерно с гарантированным качеством получаемого продукта, эффективности подбора оборудования и его режимов работы необходимо иметь возможность определять параметры процесса на оптимальном или наиболее рациональном уровне в зависимости от производительности оборудования и вида зернового сырья.

С этой целью была разработана методика расчета предлагаемого рабочего органа, основанная на решении компромиссной задачи:

k_н.о= - 0,0463 - 0,771_об+1,536+55,895_M+ 0,0001²-0,124²+ 0,231_д²-0,085_обMд min

(1)

Исходными данными при расчете являлись: вид зернового материала, агротехнические требования к консервированому зерну и производительность оборудования по конечному продукту Q_п (кг/с).

Вид зерна при моделировании изучаемого процесса характеризовался эквивалентным радиусом зерновки r_ч (м) и объемной массой зерна -_з.м (кг/м³), которые в свою очередь находились по стандартным методикам. На основании производительности оборудования по конечному продукту устанавливалась подача зернового материала и расчитывалась подача консерванта. Так как согласно агротехническим требованиям массовая доля консерванта в общем объеме конечного продукта незначительна и не превосходит 5-процентный уровень ошибки по подаче зернового материала, то можно принять Qз= Qп (кг/с). Тогда подача раствора консерванта расчитывается по формуле:

(2)

где Qк^y - удельный расход консерванта согласно рекомендациям производителя, (л/т).

Например, при производительности оборудования 8750 кг/ч секундная подача материала составляет 2,43 кг/с. Руководствуясь нормами расхода (согласно рекомендациям производителя), на основании формулы (2) определяем подачу консерванта. Так, при норме расхода раствора консерванта 10 л/т его подача должна составлять:

Подача зернового материала и рабочего раствора консерванта в камеру смешивания должна быть синхронизирована. Это обеспечивается системой автоматики, внедренной в предлагаемое оборудование. При этом необходимая подача раствора консерванта устанавливается дозатором дросельного типа с последующей проверкой мерным цилиндром в режиме «настройка».

Для синхронизации подачи зернового материала в базовом оборудовании, обеспечения качественного процесса смешивания рабочего раствора и зернового материала с учетом изменения основных технологических параметров в указанных диапазонах (угловой скорости [195; 257,5] c^-1, высоты поднятия обечайки hоб[0,01; 0,04] м, при использовании сменных дебалансов массы mд[0,02; 0,06] кг) была разработана номограмма, показанная на рис. 1. Под базовым понимается оборудование с диаметром обечайки Dоб=0,18 м, радиусом диска распределительного устройства rд=0,125 м, отверстиями радиуса rотв=0,01 м, диаметром камеры смешивания Dк.с.=0,5 м и коэффициентом перфорации kпер=0,47, массой рабочего органа Mр.о.=14 кг, подвеской колеблющейся части системы, располагающейся от центра масс на расстоянии хцм=0,085, а от дебаланса на расстоянии zд=0,12 м. Данная номограмма наглядно показывает наиболее рациональные режимы обработки зерна. Из ее анализа видно, что наиболее эффективная обработка зернового материала осуществляется с производительностью от 12000 кг/ч до 15000 кг/ч (рис. 1). При этом коэффициент неравномерности обработки kн.о будет варьировать от 0,045 до 0,08.

Из номограммы видно, что для обеспечения, например, производительности 14000 кг/ч при неравномерности обработки конечного продукта до 6% необходимо зафиксировать угловую скорость вращения вала на уровне 214 с^-1, высоту поднятия обечайки 0,04 м и массу дебаланса 0,038 кг.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1. Номограмма постановки оборудования на заданный режим обработки.

Для создания аналогов оборудования с более широким диапазоном варьирования производительности и заведомо прогнозируемым качеством обработки нами предлагаются номограммы определения безразмерных параметров (рис. 2), выступающих в изучаемом процессе в качестве параметров подобия. Данные номограммы составлены на основании решения задачи (1), а их адекватность проверена экспериментально.

Исходя из теории подобия, создание идентичных условий протекания процесса при изменении конструктивных параметров может быть обеспечено лишь подобием конструкции, которая определяется соответствующими параметрами. В предлагаемой конструкции модуля дозирования-смешивания такими параметрами выступали: =rотв/rч, _д=zд/xц.м., _M=mд/Mр.o, _об=hоб/Doб, сущность которых описана выше.

Анализ решения задачи (1) показал, что для обеспечения производительности от 7500 до 10250 кг/ч и неравномерности обработки от 10 до 17% (наилучшие качественные показатели, которые могут быть достигнуты) значения угловой скорости вращения вала и параметров _д, _M могут быть зафиксированы =237 c^-1, _д=1,41, _M=0,0014 вследствие незначительного влияния на количественно-качественные показатели изучаемого процесса. Для определения же рациональных параметров _об и необходимо воспользоваться номограммой (рис. 2a). Например, при производительности 8750 кг/ч соотношение высоты поднятия обечайки к ее диаметру должно быть равно _об=0,145, а радиус отверстий перфорированной части распределительной поверхности в соотношении с эквивалентным радиусом обрабатываемого материала - =5,45. При этом неравномерность обработки составит 13,2%.

В случае изменения подачи от 10250 до 12750 кг/ч целесообразно зафиксировать параметр _об на уровне _об=0,222, а _д, _M оставить равными соответственно 1,41 и 0,0014. Выбор значений параметров и при определении качественных показателей процесса осуществляется на основании номограммы (рис. 2б). Так, для обеспечения производительности оборудования 11250 кг/ч с неравномерностью обработки до 8,1% необходимо установить угловую скорость вращения вала 227 с^-1 и обеспечить соотношение радиусов отверстий перфорированной части распределительной поверхности к эквивалентному радиусу частицы материала 5,99.

Повышение производительности с 12750 до 15250 может быть обеспечено варьированием и _М согласно номограмме (рис. 2в), при фиксированных параметрах _об=0,222, =6,7, _д=1,41. Такие режимы обработки обеспечат изменение неравномерности обработки в пределах от 3,2 до 10%.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 2. Номограммы определения параметров процесса при изменении производительности оборудования:

а) от 7500 до10250 кг/ч; б) от 10500 до12500 кг/ч; в) от 12750 до 15250 кг/ч.

Переход к фактическим величинам на основании безразмерных комплексов может быть осуществлен по формулам:

h_об=_об•D_об (высота поднятия обечайки); (3)

r_отв = • r_ч (радиус отверстий); (4)

mд= _M •Mр.o (масса дебаланса); (5)

zд =_д •xц.м. (расстояние от дебаланса до подвески). (6)

В этом случае диаметр обечайки определяется подбором бункера накопителя. Он должен соответствовать диаметру выгрузного отверстия бункера накопителя, быть минимальным, но обеспечивать максимальную подачу с учетом предполагаемой производительности.

Расположение дебаланса от центра масс системы x_ц.м. целесообразно выбирать исходя из конструктивных особенностей оборудования. Рекомендуемое значени величины x_ц.м. = 0,085 м.

Масса колеблющейся части рабочего органа определяется программным путем в автоматизированных системах проектирования после определения геометрических параметров ее составных частей и материалов, из которых они будут изготовлены. Конструкция проектируемого оборудования должна позволять замену распределительных поверхностей с различными коэффициентами перфорации и смену массы дебаланса вибратора.

Размеры составных частей колеблющейся части рабочего органа определяются на основании зависимостей и соотношений, приведенных ниже.

Радиус диска определяется по формуле:

(7)

где - максимальный угол (при основании конуса, образованного сыпучим материалом на диске), позволяющий обеспечить удержание материала на диске (рекомендуемое значение =48,6є найдено опытным путем), град;- высота максимального подъема обечайки (рекомендуемое значением, при диаметре обечайки D_об = 0,18 м), м.

Подбор диаметра тарельчатого распылителя осуществляется исходя из соотношения

(8)



где k[1,05; 1,2] - коэффициент, учитывающий смещение траектории падения частицы при сепарации в сторону центра симметрии установки (получен опытным путем).

Расчет перфорированной части рабочего органа ведется на основании следующих рекомендаций.

Исходя из анализа теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что ширина перфорированной части распределительной поверхности не должна превышать Н_реш = 0,125 м.

Для обеспечения прочности конструкции распределительной поверхности и однородности колеблющейся системы определение конструктивных параметров рекомендуется выполнять в следующей последовательности.

Учитывая, что распределительная поверхность находится под вибрацией, прочность ее перфорированной части можно обеспечить лишь в том случае, когда смежные друг с другом отверстия будут пробиваться на расстоянии (рис. 3). Согласно рекомендациям источника [6] применительно к листовому железу, расстояние между кромками отверстий рекомендуется определять по зависимости

(9)

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3. Расположение отверстий на перфорированной поверхности распределительного устройства.

Равномерность сепарации материала при прохождении решета, находящегося под вибрацией, можно организовать, обеспечив однородность рассматриваемой системы по его площади относительно центра масс. Для этого центры отверстий должны располагаться в шахматном порядке на пересечении прямых, отстоящих друг от друга на расстоянии

(10)

с направляющими векторами, расположенными под углом 30 друг к другу. При этом отверстия перфорированной части распределительного устройства располагаются по правильным шестиугольникам, образуя при этом «слои». В качестве 0-го слоя принимается воображаемое отверстие с центром по оси симметрии рабочего органа. Расстояния центров последующих «слоев» от оси симметрии рабочего органа определяются по алгоритму

d_i=I • d_ц, (11)

где - нумерация «слоев».

Так как количество отверстий первого «слоя» равно 6, а начиная со второго - увеличивается на 6, то их общее количество может быть посчитано по формуле суммы арифметической прогрессии

(12)

Однако «слои» отверстий будут делиться на «условные слои» (в пределах диска) и «фактические слои» (в пределах перфорированной части). Мнимыми границами, отделяющими один слой от другого можно принять окружности с центрами по оси симметрии рабочего органа и радиусами, равными

(13)

Поэтому общее количество «слоев» отверстий определяется по формуле

(14)

где - функция, которая возвращает округленный результат до соответствующего разряда.

Количество «условных слоев» вычисляется по аналогичной зависимости

(15)

Число «условных» отверстий в рамках диска определяется как

(16)

Тогда фактическое число отверстий перфорированной части распределительной поверхности будет равно

(17)



а коэффициент перфорации можно найти по формуле

(18)

Приведем пример расчета параметров рабочего органа оборудования консервирования зерна, рассчитанного на производительность 12000 кг/ч. Для такой установки может быть использован стандартный бункер-накопитель, обеспечивающий соответствующую подачу. Выбор его однозначно определит диаметр выгрузного отверстия. Например, такая подача может быть обеспечена при диаметре выгрузного отверстия, равном 0,15 м. Тогда и диаметр обечайки принимаем равным D_об=0,15 м. Исходя из диаметра обечайки и зная рекомендуемое значение параметра _об=0,222, по формуле (3) определяем максимальное значение высоты поднятия обечайки:

h_об=_об• D_об=0,222•0,15=0,033 м.

Тогда радиус диска распределительной поверхности, рассчитанный по формуле (7), будет равен

а диаметр камеры смешивания соответственно -

D_к.с.= 2•(0,125+0,104)=0,458 м.

Далее на основании фактической величины эквивалентного радиуса обрабатываемого материала, например r_ч=0,0012, и рекомендуемого значения параметра =6,65 (исходя из номограммы рис. 2б) по формуле (4) определяем радиус отверстий перфорированной части распределительной поверхности:

r_отв=•r_ч=6,65•0,0012=0,008 м.

Расстояния между кромками и центрами отверстий, исходя из зависимостей (9) и (10), будут равны соответственно:

=2•0,008+0,0036=0,0196 м.

При определении общего количества «слоев» и количества «условных слоев» отверстий воспользуемся формулами (14) и (15). В результате получим=11, =5. Затем по формулам (12), (16) и (17) рассчитываем фактическое количество отверстий перфорированной части распределительной поверхности:

Обобщая результаты расчетов, по формуле (18) определяем коэффициент перфорации распределительного кольца:



Заключение

На протяжении ряда лет сотрудниками УО БГСХА и НПП «Белама плюс» (г. Орша) разрабатывалось и совершенствовалось оборудование, предназначенное для нанесения консервантов в виде растворов на поверхность зерна. Результатом этой работы стало создание оборудования, отличительной особенностью которого являлось использование в качестве активизирующего рабочего органа вибрационного дозатора-смесителя камерного типа.

Для определения эффективных режимов обработки зерна для базовой установки в статье приведена номограмма. Разработаны номограмма и методика определения наиболее рациональных параметров дозатора-смесителя с учетом его предполагаемой производительности и гарантированного качества получаемого продукта. Данная методика сопровождается примерами расчетов и может быть использована при проектировании аналогов предлагаемого оборудования различной производительности и для выбора эффективных режимов его работы.



Литература

1. Шаршунов, В.А. Состояние и тенденции применения новых ресурсосберегающих технологий при производстве комбикормов / В.А. Шаршунов, А.В. Червяков, С.В. Курзенков. M.: Девятка Принт, 2004. 136 с.

2. Червяков, А.В. Результаты испытаний установок консервирования зерна УКЗ-20 и УКЗ-50 / А.В. Червяков, С.В. Курзенков, Л.М. Иващенко // Актуальные проблемы механизации сельскохозяйственного производства: материалы науч.-практ. конф. Горки: БГСХА, 2007. С. 152-156.

3. Червяков, А.В. Теоретические исследования динамики движения точки распределительного устройства питателя-дозатора оборудования для внесения консервантов / А.В. Червяков, С.В. Курзенков, С.И. Козлов // Вестник БГСХА. 2007. №2. С. 132-138.

4. Шаршунов, В.А. Изучение параметров потока сыпучего материала в камере смешивания установки консервирования зерна / В.А. Шаршунов, А.В. Червяков, С.В. Курзенков // Весцi НАН Беларуci. Сер. аграр. навук. 2008. №4. С. 94-102.

5. Шаршунов, В.А. Обоснование конструктивных параметров рабочего органа оборудования для внесения консервантов в поток зернового материала / В.А. Шаршунов, А.В. Червяков, С.В. Курзенков // Вестник МГУП. Могилев: МГУП, 2008. №1 (4). С. 74-81.

6. Летошнев, М.Н. Сельскохозяйственные машины / М.Н. Летошнев. М.: Гос. изд-во с.-х. лит-ры, 1955. 764 с.

7. Шаршунов, В.А. Основы расчета конструкции оборудования для консервирования фуражного зерна / В.А. Шаршунов, А.В. Червяков, С.В. Курзенков // Техника и технологии: материалы Междунар. науч. конф., Пловдив, 23-24 окт. 2009 г. Болгария, 2009. С. 119-124.

8. Червяков, А.В. Изучение процесса сепарации материала через перфорированную поверхность распределительного устройства оборудования консервирования зерна / А.В. Червяков, С.В. Курзенков // Вестник БГСХА. 2009. №2. С. 138-146.

9. Шаршунов, В.А. Обоснование интервалов варьирования факторов при консервировании фуражного зерна установкой УКЗ-20 / В.А. Шаршунов, А.В. Червяков, С.В. Курзенков // Вестник МГУП. 2009. №2 (7). С. 67-73.

Размещено на Allbest.ru

...