Обоснование параметров винтового смесителя-конвейера
В.
В. КоноваловБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Коновалов
В.
В.,
Фомин
А.
С. Обоснование параметров винтового смесителя-конвейера // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1051–1055. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54474.htm.
Аннотация. Приведены результаты исследований процесса смешивания сыпучих материалов винтовым смесителем-конвейером непрерывного действия. Получены выражения, позволяющие определить неравномерность смеси и энергоемкость смесеобразования с учетом частоты вращения винта, диаметра прутка и шага его спирали. Определена функциональная зависимость указанных показателей.
Ключевые слова:
смеситель-конвейер, спираль, винт, шнек, рабочий орган, смесь, комбикорм, коэффициент вариации, неравномерность смеси, качество смеси, энергоемкость
Похожие статьи
Текст статьи
Фомин Артем Сергеевич,аспирантФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г.Пензаas_fomin@bk.ru
Коновалов Владимир Викторович,
доктор технических наук, профессорФГБОУ ВПО «Пензенскийгосударственныйтехнологическийуниверситет», г.Пензаkonovalovpenza@rambler.ru
Обоснование параметров винтового смесителяконвейера
Аннотация.Приведены результаты исследований процессасмешивания сыпучих материаловвинтовымсмесителемконвейеромнепрерывного действия. Получены выражения, позволяющие определить неравномерность смеси и энергоемкость смесеобразованияс учетомчастоты вращения винта,диаметра прутка и шагаегоспирали.Определена функциональная зависимость указанных показателей.Ключевые слова:смесительконвейер, спираль, винт, шнек, рабочий орган, смесь, неравномерность смеси, качество смеси, коэффициент вариации, энергоемкость, комбикорм.
В существующих кормоприготовительных установках и агрегатах смесители являются лишь отдельными устройствами,осуществляющих смешениекомпонентов, а расположенные после них конвейеры перемещают приготовленную смесь к последующей машине. Использование смесителейконвейеровпозволит совместить операции,как по смешиванию, так ипотранспортировке компонентов и смеси, что позволит снизитьстоимость агрегата за счет устранения освободившегося привода и энергоемкость выполнения указанных операций[1, 2].Получение однородной смеси в результате процесса перемешивания различных компонентов широко используется для приготовления сыпучих кормов. Применяемые конструкции смесителей сыпучих кормов не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемых к качеству приготавливаемых смесей, в связи с многообразием факторов, влияющих на смешивание сыпучих компонентов[3…5].Меньшую энергоемкость смешивания обеспечивают смесители кормов непрерывного действия[2…9]. В ФГБОУ ВПО «ПензенскаяГСХА»разработан смесительконвейер сухих концентрированных кормов (рисунок 1)непрерывного действия[1].Смеситель представляет собой спиральновинтовой шнек (конвейер), состоящий из кожуха 2, загрузочной воронки 3,выгрузного лотка 1,привода 6, прутковой спирали 5 рабочего органа. Внутри кожуха на подшипниках установлен рабочий орган, представляющий собой вал 4с крепящейся к нему на радиальных поддерживающих лопастях винтовой спиралью 5из металлического прутка. Диаметр прутка спирали соответствует 5,0; 6,5 и 8,0 мм при шаге спирали 50, 120и 175мм. Диаметр кожуха 100 мм. Частота вращения рабочего органа изменяется от 190 до 440мин1.Длина кожуха лабораторного конвейерасоставляет 2,3 метра.
Рисунок 1 –Винтовой смесительконвейер сухих кормов: 1 –выгрузной лоток; 2 –кожух; 3 –загрузочная воронка; 4 –опорный вал; 5 –прутковая спираль;6 –шкивприводаУчитывая, что суммарная производительностьдозаторовQ=0,41 кг/с[1],обеспечивает работу устройства при всехзначенияхисследуемыхпараметров (таблица 1), даннаяпроизводительность используется при проведении исследований качества приготавливаемой смеси спиральновинтовымсмесителемконвейеромпри добавлении в качестве контрольного компонента зеренячменя в количестве 1% от образуемой смеси.Таблица 1
План проведения экспериментов по оптимизации конструктивных параметров смесителяконвейераОбозначение и наименование факторовУровни факторовИнтервалы варьированияОсновнойВерхнийНижнийd–диаметр прутка спирали, мм;6,58,05,01,5S–шаг витка спирали, мм;1201905070n–частота вращения винта спирали, мин1;340410270120В результате проведения эксперимента получены опытные данные коэффициента вариации. Корреляционный анализ полученных данных по неравномерности смешивания не показал четкой линейной зависимости исследуемых факторов на коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах (рисунок 2.а), поэтому используем уравнение второго порядка (рисунок 3). После подстановки числовых значений коэффициентов уравнение регрессии запишется:= 93,41689,0915∙d+0,437548∙S0,33113∙0,00276∙d∙S0,003296∙d∙0,00066∙S∙+0,820084∙d2+0,000457∙S2+0,0004743∙2. (1)Коэффициент корреляции –R=0,99853. Fтест=0,99407.Учитывая высокие значения R (более 0,85) и Fтеста (более 0,95), уравнение второго порядка (ф.1) адекватно описывает опытные данные (рисунок 2.б).
а
бРисунок 2–График статистической оценки неравномерности смешивания , %:а) линейной корреляции между независимыми факторами S,d, и критерием оценки процесса –неравномерностью смешивания ; б) соответствия опытных и расчётных значенийГрафический анализ полученного выражения позволил определить оптимальные параметры смесителяконвейера. Наименьшее значение коэффициента вариации содержания контрольного компонента в пробах соответствует диаметру прутка спирали 6,5 мм и частоте вращения спирали рабочего органа порядка 400 мин1. Шаг витка спирали должен быть менее 50 мм.Однако, учитывая, что уменьшение шага спирали снижает производительность устройстваиспользовать данный показатель с малым шагом нерационально. Уменьшение шага приводит к увеличению количества воздействий спирали на материал, повышая качество смеси. Однако, при этом, снижается скорость осевого смещения, что уменьшает производительность.Тонкая (менее 6,5 мм) спираль не обеспечивает достаточного смещения слоев материала, а увеличение диаметра более 6,5 мм способствует образованию «пробки», которая перемещается без внутреннего перемешивания.С ростом частоты вращения до 400 мин1качество смеси улучшается. Это связано с увеличение турбулентности движения частиц. Дальнейшее увеличение частотывращения приводит к частичному уравновешиванию центробежных сил и сил тяжести, что ухудшает ссыпание частиц.В результате проведения эксперимента получены опытные данные энергоемкости смешения.Корреляционный анализ полученных данных по энергоемкости не показал четкой линейной зависимости исследуемых факторов на энергоемкость (рисунок 4.11), поэтому используем уравнение второго порядка. После подстановки числовых значений коэффициентов уравнение регрессии запишется:Y= 489,1715+50,05107∙d2,54974∙S1,56386∙0,04299611∙d∙S+0,032304∙d∙++0,001312∙S∙3,1338∙d2+0,010551∙S2+0,00258∙2 (2)Коэффициент корреляции –R = 0,96658. Fтест = 0,96372.Учитывая значения Fтеста, уравнение второго порядка (ф.2) адекватно описывает опытные данные.абвРисунок 3–Двумерные поверхности отклика неравномерности смешивания (%) от:а) частоты вращения n(мин1) и диаметра прутка спирали d(мм); б) частоты вращения n(мин1) и шага спирали S(мм); в) шага спирали S(мм) и диаметра прутка спирали d(мм)
Рисунок 4–График статистической оценки энергоемкости, Дж/кг:а) линейной корреляции между независимыми факторами S,d,nи критерием оценки процесса –энергоемкости смешивания YПолученная модель позволяет выявить общие тенденции изменения энергоемкости. С увеличением диаметра прутка спирали и частотой вращения рабочего органа энергоемкость возрастает. Наименьшей энергоемкости смешения соответствует шагу витка спирали 100…120 мм.
а б
вРисунок 5–Двумерные поверхности отклика энергоемкости (Дж/кг) от:а) частоты вращения n(мин1) и диаметра прутка спирали d(мм); б) шага спирали S(мм) и диаметра прутка спирали d(мм); в) частоты вращения n(мин1) и шага спирали S(мм)
Таким образом, выбираем для практического использования смесителяконвейера диаметр прутка спирали 6,5 мм как оптимальный по неравномерности смешивания, а на основе данных энергоемкости принимаем рациональныйшаг спирали 100…120 мм, обеспечивающий наименьшую энергоемкость смешения. При этомв зависимости от используемой частоты вращения рабочего органа энергоемкость составляет 360…420 Дж/кг.
Ссылки на источники1.Коновалов, В.В. Определение подачи винтового смесителяконвейера/ Коновалов В.В., Фомин А.С. // Научнометодический электронный журнал "Концепт".–2013.–Т. 4.–№34.–С. 29162920.2.Сыроватка, В.И. Механизация приготовления кормов: Справочник/ В.И. Сыроватка, А.В. Демин, А.Х. Джалилов и др. –М.: Агропромиздат, 1985. –368 с.3.Ведищев, С.М. Смеситель сухих рассыпных кормосмесей/ С.М. Ведищев, Н.В. Хольшев, А.В. Прохоров// Журнал: «Вопросы современной науки и практики». –№4. –2012. –С.326328.4.Терюшков, В.П. Смеситель сухих кормов/ В.П. Терюшков, В.В. Коновалов, И.А. Боровиков, С.В. Гусев // Сельский механизатор. –№7. –2006. –С. 32.5.Мишин, К.М. Устройство для внесения жира в концентрированные корма/ К.М. Мишин, В.В. Коновалов, А.А. Курочкин// Механизация и электрификация с/х. –№5. –2002. –С. 1213.6.Кухарев, О.Н. Результаты исследования барабанного дражиратора/О.Н. Кухарев, И.Н. Сёмов, А.М. Чирков//Нива Поволжья. –2010.–№1. –С. 5457.7.Коновалов, В.В. Обоснование расположения распылителей смесительных устройств// Механизация и электрификация с/х. –№10. –2003. –С. 1618.8.Коновалов, В.В. Обоснование параметров увлажнителя концентрированных кормов/ В.В. Коновалов, Л.В. Иноземцева // Достижения науки и техники АПК. –№7. –2003. –С. 2324.9.Гусев, С.В. Мобильный раздатчик для сухих и жидких кормов/ С.В. Гусев,В.В. Коновалов, С.И. Щербаков // Молочное и мясное скотоводство. –№1. –2003. –С. 2324.10.Лянденбурский, В.В. Основы научных исследований/В.В. Лянденбурский,В.В.Коновалов, А.П. Бажанов // Пенза: ПГУАС. –2010. –176 с.
Artem Fomin,graduatestudent VPO "Penza State Agricultural Academy", Penzaas_fomin@bk.ruVladimir Konovalov,
Doctor of Technical Sciences, professor of VPO "Penza State Technological University ", Penzakonovalovpenza@rambler.ruRATIONALE PARAMETERS MIXERCONVEYORThe results of studies of the mixing process of bulk materials conveyor screw mixer continuous. Obtained expressions, allowing the mixture to determine uneven mixing and energy to the frequency of rotation of the screw, rod diameter and pitch of his spiral. Determine the functional dependence of these indicators.Keywords:mixerconveyor, spiral, screw, auger, working body mixture uneven mixture, mixing quality, the coefficient of variation, power consumption, feed.
Коновалов Владимир Викторович,
доктор технических наук, профессорФГБОУ ВПО «Пензенскийгосударственныйтехнологическийуниверситет», г.Пензаkonovalovpenza@rambler.ru
Обоснование параметров винтового смесителяконвейера
Аннотация.Приведены результаты исследований процессасмешивания сыпучих материаловвинтовымсмесителемконвейеромнепрерывного действия. Получены выражения, позволяющие определить неравномерность смеси и энергоемкость смесеобразованияс учетомчастоты вращения винта,диаметра прутка и шагаегоспирали.Определена функциональная зависимость указанных показателей.Ключевые слова:смесительконвейер, спираль, винт, шнек, рабочий орган, смесь, неравномерность смеси, качество смеси, коэффициент вариации, энергоемкость, комбикорм.
В существующих кормоприготовительных установках и агрегатах смесители являются лишь отдельными устройствами,осуществляющих смешениекомпонентов, а расположенные после них конвейеры перемещают приготовленную смесь к последующей машине. Использование смесителейконвейеровпозволит совместить операции,как по смешиванию, так ипотранспортировке компонентов и смеси, что позволит снизитьстоимость агрегата за счет устранения освободившегося привода и энергоемкость выполнения указанных операций[1, 2].Получение однородной смеси в результате процесса перемешивания различных компонентов широко используется для приготовления сыпучих кормов. Применяемые конструкции смесителей сыпучих кормов не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемых к качеству приготавливаемых смесей, в связи с многообразием факторов, влияющих на смешивание сыпучих компонентов[3…5].Меньшую энергоемкость смешивания обеспечивают смесители кормов непрерывного действия[2…9]. В ФГБОУ ВПО «ПензенскаяГСХА»разработан смесительконвейер сухих концентрированных кормов (рисунок 1)непрерывного действия[1].Смеситель представляет собой спиральновинтовой шнек (конвейер), состоящий из кожуха 2, загрузочной воронки 3,выгрузного лотка 1,привода 6, прутковой спирали 5 рабочего органа. Внутри кожуха на подшипниках установлен рабочий орган, представляющий собой вал 4с крепящейся к нему на радиальных поддерживающих лопастях винтовой спиралью 5из металлического прутка. Диаметр прутка спирали соответствует 5,0; 6,5 и 8,0 мм при шаге спирали 50, 120и 175мм. Диаметр кожуха 100 мм. Частота вращения рабочего органа изменяется от 190 до 440мин1.Длина кожуха лабораторного конвейерасоставляет 2,3 метра.
Рисунок 1 –Винтовой смесительконвейер сухих кормов: 1 –выгрузной лоток; 2 –кожух; 3 –загрузочная воронка; 4 –опорный вал; 5 –прутковая спираль;6 –шкивприводаУчитывая, что суммарная производительностьдозаторовQ=0,41 кг/с[1],обеспечивает работу устройства при всехзначенияхисследуемыхпараметров (таблица 1), даннаяпроизводительность используется при проведении исследований качества приготавливаемой смеси спиральновинтовымсмесителемконвейеромпри добавлении в качестве контрольного компонента зеренячменя в количестве 1% от образуемой смеси.Таблица 1
План проведения экспериментов по оптимизации конструктивных параметров смесителяконвейераОбозначение и наименование факторовУровни факторовИнтервалы варьированияОсновнойВерхнийНижнийd–диаметр прутка спирали, мм;6,58,05,01,5S–шаг витка спирали, мм;1201905070n–частота вращения винта спирали, мин1;340410270120В результате проведения эксперимента получены опытные данные коэффициента вариации. Корреляционный анализ полученных данных по неравномерности смешивания не показал четкой линейной зависимости исследуемых факторов на коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах (рисунок 2.а), поэтому используем уравнение второго порядка (рисунок 3). После подстановки числовых значений коэффициентов уравнение регрессии запишется:= 93,41689,0915∙d+0,437548∙S0,33113∙0,00276∙d∙S0,003296∙d∙0,00066∙S∙+0,820084∙d2+0,000457∙S2+0,0004743∙2. (1)Коэффициент корреляции –R=0,99853. Fтест=0,99407.Учитывая высокие значения R (более 0,85) и Fтеста (более 0,95), уравнение второго порядка (ф.1) адекватно описывает опытные данные (рисунок 2.б).
а
бРисунок 2–График статистической оценки неравномерности смешивания , %:а) линейной корреляции между независимыми факторами S,d, и критерием оценки процесса –неравномерностью смешивания ; б) соответствия опытных и расчётных значенийГрафический анализ полученного выражения позволил определить оптимальные параметры смесителяконвейера. Наименьшее значение коэффициента вариации содержания контрольного компонента в пробах соответствует диаметру прутка спирали 6,5 мм и частоте вращения спирали рабочего органа порядка 400 мин1. Шаг витка спирали должен быть менее 50 мм.Однако, учитывая, что уменьшение шага спирали снижает производительность устройстваиспользовать данный показатель с малым шагом нерационально. Уменьшение шага приводит к увеличению количества воздействий спирали на материал, повышая качество смеси. Однако, при этом, снижается скорость осевого смещения, что уменьшает производительность.Тонкая (менее 6,5 мм) спираль не обеспечивает достаточного смещения слоев материала, а увеличение диаметра более 6,5 мм способствует образованию «пробки», которая перемещается без внутреннего перемешивания.С ростом частоты вращения до 400 мин1качество смеси улучшается. Это связано с увеличение турбулентности движения частиц. Дальнейшее увеличение частотывращения приводит к частичному уравновешиванию центробежных сил и сил тяжести, что ухудшает ссыпание частиц.В результате проведения эксперимента получены опытные данные энергоемкости смешения.Корреляционный анализ полученных данных по энергоемкости не показал четкой линейной зависимости исследуемых факторов на энергоемкость (рисунок 4.11), поэтому используем уравнение второго порядка. После подстановки числовых значений коэффициентов уравнение регрессии запишется:Y= 489,1715+50,05107∙d2,54974∙S1,56386∙0,04299611∙d∙S+0,032304∙d∙++0,001312∙S∙3,1338∙d2+0,010551∙S2+0,00258∙2 (2)Коэффициент корреляции –R = 0,96658. Fтест = 0,96372.Учитывая значения Fтеста, уравнение второго порядка (ф.2) адекватно описывает опытные данные.абвРисунок 3–Двумерные поверхности отклика неравномерности смешивания (%) от:а) частоты вращения n(мин1) и диаметра прутка спирали d(мм); б) частоты вращения n(мин1) и шага спирали S(мм); в) шага спирали S(мм) и диаметра прутка спирали d(мм)
Рисунок 4–График статистической оценки энергоемкости, Дж/кг:а) линейной корреляции между независимыми факторами S,d,nи критерием оценки процесса –энергоемкости смешивания YПолученная модель позволяет выявить общие тенденции изменения энергоемкости. С увеличением диаметра прутка спирали и частотой вращения рабочего органа энергоемкость возрастает. Наименьшей энергоемкости смешения соответствует шагу витка спирали 100…120 мм.
а б
вРисунок 5–Двумерные поверхности отклика энергоемкости (Дж/кг) от:а) частоты вращения n(мин1) и диаметра прутка спирали d(мм); б) шага спирали S(мм) и диаметра прутка спирали d(мм); в) частоты вращения n(мин1) и шага спирали S(мм)
Таким образом, выбираем для практического использования смесителяконвейера диаметр прутка спирали 6,5 мм как оптимальный по неравномерности смешивания, а на основе данных энергоемкости принимаем рациональныйшаг спирали 100…120 мм, обеспечивающий наименьшую энергоемкость смешения. При этомв зависимости от используемой частоты вращения рабочего органа энергоемкость составляет 360…420 Дж/кг.
Ссылки на источники1.Коновалов, В.В. Определение подачи винтового смесителяконвейера/ Коновалов В.В., Фомин А.С. // Научнометодический электронный журнал "Концепт".–2013.–Т. 4.–№34.–С. 29162920.2.Сыроватка, В.И. Механизация приготовления кормов: Справочник/ В.И. Сыроватка, А.В. Демин, А.Х. Джалилов и др. –М.: Агропромиздат, 1985. –368 с.3.Ведищев, С.М. Смеситель сухих рассыпных кормосмесей/ С.М. Ведищев, Н.В. Хольшев, А.В. Прохоров// Журнал: «Вопросы современной науки и практики». –№4. –2012. –С.326328.4.Терюшков, В.П. Смеситель сухих кормов/ В.П. Терюшков, В.В. Коновалов, И.А. Боровиков, С.В. Гусев // Сельский механизатор. –№7. –2006. –С. 32.5.Мишин, К.М. Устройство для внесения жира в концентрированные корма/ К.М. Мишин, В.В. Коновалов, А.А. Курочкин// Механизация и электрификация с/х. –№5. –2002. –С. 1213.6.Кухарев, О.Н. Результаты исследования барабанного дражиратора/О.Н. Кухарев, И.Н. Сёмов, А.М. Чирков//Нива Поволжья. –2010.–№1. –С. 5457.7.Коновалов, В.В. Обоснование расположения распылителей смесительных устройств// Механизация и электрификация с/х. –№10. –2003. –С. 1618.8.Коновалов, В.В. Обоснование параметров увлажнителя концентрированных кормов/ В.В. Коновалов, Л.В. Иноземцева // Достижения науки и техники АПК. –№7. –2003. –С. 2324.9.Гусев, С.В. Мобильный раздатчик для сухих и жидких кормов/ С.В. Гусев,В.В. Коновалов, С.И. Щербаков // Молочное и мясное скотоводство. –№1. –2003. –С. 2324.10.Лянденбурский, В.В. Основы научных исследований/В.В. Лянденбурский,В.В.Коновалов, А.П. Бажанов // Пенза: ПГУАС. –2010. –176 с.
Artem Fomin,graduatestudent VPO "Penza State Agricultural Academy", Penzaas_fomin@bk.ruVladimir Konovalov,
Doctor of Technical Sciences, professor of VPO "Penza State Technological University ", Penzakonovalovpenza@rambler.ruRATIONALE PARAMETERS MIXERCONVEYORThe results of studies of the mixing process of bulk materials conveyor screw mixer continuous. Obtained expressions, allowing the mixture to determine uneven mixing and energy to the frequency of rotation of the screw, rod diameter and pitch of his spiral. Determine the functional dependence of these indicators.Keywords:mixerconveyor, spiral, screw, auger, working body mixture uneven mixture, mixing quality, the coefficient of variation, power consumption, feed.
