К вопросу моделирования конструкции смесителя периодического действия

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Коновалов В. В., Сарафанкина Е. И., Фомина М. В. К вопросу моделирования конструкции смесителя периодического действия // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2016. – Т. 11. – С. 3716–3720. – URL: http://e-koncept.ru/2016/86781.htm.
Аннотация. Дано описание вертикального лопастного смесителя периодического действия, представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию частоты вращения лопастной мешалки и угла установки лопастей на величину затрачиваемой мощности. Рассмотрены вопросы работоспособности смесителя.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Фомина Мария Владимировна,аспирант ФГОУ ВО «Пензенская ГСХА»

СарафанкинаЕлена Ивановна, магистр ФГОУ ВО «ПензГТУ»

Коновалов Владимир Викторович,

д.т.н., профессор ФГОУ ВО «ПензГТУ»

К вопросу моделирования конструкции смесителя периодического действия

Аннотация.Дано описание вертикального лопастного смесителя периодического действия, представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию частоты вращения лопастной мешалки и угла установки лопастей на величину затрачиваемой мощности. Рассмотрены вопросы работоспособности смесителя.Ключевые слова: Смеситель периодического действия, частота вращения мешалки, угол установки лопастей, мощность

Современное развитие техники и технологии предусматривает широкое применение композитных материалов в самых различных направлениях деятельности человека. При получения композита одной из обязательных операций является смесеобразование исходных материалов [14]. Для приготовления смесей широко используются как экструдеры и шнековые прессы [5…7], так и смесители непрерывного и периодического действия [8…10].Обязательными требованиями для изделий машиностроения является обеспечение в требуемых пределах показателей прочности, жесткости и твердости деталей и более сложных конструктивных элементов машин и механизмов, в соответствии с разработанной конструкцией технической документацией. К некоторым изделиям, таким, например, как смесители различных видов, грохоты, вибрационные транспортеры и т.п., дополнительно предъявляются особые требования по вибростойкости [11…13]. Согласно ГОСТ Р 544252011 при работе смесителя могут возникать ряд опасностей, в т.ч. механические. К их числу относятся: ‬потеря устойчивости смесителем, ‬опасность защемления и повреждения тела оператора, ‬некачественные монтаж смесителя и установка рабочего органа, ‬электрические опасности, ‬опасности, возникающие при конструировании смесителей лопастных в результате пренебрежения гигиеническими требованиями, ‬опасности для оператора в т.ч. от продукта и средств очистки, ‬опасности для потребителя ввиду загрязнения пищевого продукта посторонними материалами, микробиологическими причинами, ‬опасность повышенного уровня шума и вибрации, ‬опасности, возникающие при конструировании смесителей в результате пренебрежения эргономическими требованиями [14].Следует обратить внимание на то, что если большинство из перечисленных опасностей связаны с эксплуатацией готового изделия и, во многом, будут определяться случайными факторами, то, последняя из перечисленных опасностей, связана со стадиями проектирования и конструирования, а, следовательно, при соответствующей проработке, как потенциальная опасность может быть устранена или значительно уменьшена.Заметим также, что пренебрежение эргономическими требованиями, при разработке конструкции смесителя, в дальнейшем, при его эксплуатации, может привести к ошибкам в управлении и травмированию оператора. Например, вследствие превышения допустимых пределов физических нагрузок или неудобной позы при работе. Следовательно, данный вопрос заслуживает должного внимания.Обеспечение работоспособности лопастных смесителей с позиции прочности его деталей и элементов конструкции, можно определить расчетным способом при известных параметрах привода (затрачиваемая мощность, частота вращения рабочего органа и др. производные показатели). Но, при нерегламентированной (нештатной) работе смесителя, вследствие многократного увеличения расчетных нагрузок и напряжения, возникают условия, которые могут привести, не смотря на предусмотренные в его конструкции механические и электрические элементы защиты, к серьезной поломке, дорогостоящему ремонту и простою данного технологического оборудования. Особое беспокойство обычно вызывают детали узла разборного устройства смесительной камеры и элементы конструкции рабочего органа смесителя.К характерным особенностям эксплуатации лопастных смесителей можно отнести значительные вибрационные и повторнопериодические (в том числе знакопеременные) нагрузки, приводящие к развитию усталостных трещин, а в результате к преждевременному разрушению деталей и узлов [15]. В зоне контакта взаимодействующих поверхностей деталей имеют место и более сложные физикохимикомеханические процессы связанные с явлением фреттингкоррозии (фреттинга), которые, также как и явление усталости материала, приводят к разрушению деталей и выходу данного технологического оборудования из строя. Напомним [16], что фреттингкоррозия может развиваться как в номинально неподвижных соединениях, например, на посадочных поверхностях зубчатых колес, шкивов, звездочек, колец подшипников и валов, в местах различных прессовых посадок, в шлицевых, шпоночных, заклепочных, резьбовых и других соединениях, так и в сопряжениях с проскальзыванием, к которым относятся шарнирные соединения, подшипники скольжения, подвижные посадки, кулачковые механизмы и т.п. Заметим, что для некоторых из перечисленных видов соединений в настоящее время уже имеются частные решения по борьбе с явлением фреттингкоррозии[16].Отсутствие или повреждение антикоррозионных покрытийиконтакт с агрессивной средой, как это имеет место в соответствие с особенностями работы лопастных смесителей, способствует ускоренному развитию перечисленных деструктивных явлений.Обратим внимание еще на одну особенность современного машиностроения ‬свыше 60% от общего количества деталей составляют детали имеющие резьбу, а сами резьбовые соединения во многих случаях являются ответственными элементами конструкций, требующими строго нормированной затяжки (то есть требуемого уровня и минимального разброса значений контролируемого параметра, например момента затяжки) [17, 18]. Несоблюдение данного требования может привести, и зачастую приводит, к перегрузке резьбового соединения, перекосам, деформации, поломке закрепляемых деталей, разрушению прокладок, нарушению плотности и герметичности стыка сопрягаемых деталей. Такие нарушения нормальной работоспособности резьбовых соединений могут встречаться как непосредственно в процессе сборки, так и при эксплуатации как одиночных, так и многоболтовых (групповых) соединений [17, 18].Использование резьбового крепежа работающего в условиях повторнопериодического и вибрационного нагружения становится одним из проблемных мест конструкции лопастных смесителей. Так, с учетом эффективности выполнения сборочных операций, при ежесменном обслуживании смесителя, возникают проблемы с гарантированным соблюдением требуемого уровня и минимального разброса затяжки резьбовых соединений. Возможность применения средств механизации резьбосборочных работ [17, 18], при учете особенностей данного технологического оборудования и требований к условиям его эксплуатации, не представляется возможным. При конструировании смесителя следует учитывать указанные недостатки. Поскольку для расчетасмесителя имеется потребность в исходных данных, соответственно был разработан и изготовлен макет смесителя, а так же проведены замеры мощности, затрачиваемой на привод.Особенностью разрабатываемого смесителя (рисунок 1) является [20] размещение двух соосных емкостей 9 разного объема и использование шестилопастных 11 мешалок с нижним приводом от электродвигателя 1.

Рисунок 1 ‬Схема двухступенчатого смесителя сухих материалов: 1‬электродвигатель; 2‬муфта; 3‬нижняя подшипниковая опора; бункера оперативного запаса компонентов; 4‬лопастная мешалка; 5‬вал; 6‬смешиваемый материал; 7‬загрузная горловина; 8‬верхняя подшипниковая опора; 9‬смесительная камера (емкость); 10‬шибер; 11‬лопасти; 12‬выгрузное отверстие; 13‬выгрузной лоток

В смесительной емкости размещен вертикальный вал, на котором установлена мешалка в виде ступицы с крепящимися к ней лопастями 11. Загрузка компонентов производится порциями через загрузочные горловины 7. При готовности смеси открывается шибер 10 и смесь высыпается. При необходимости приготовления предварительной смеси используется малая смесительная емкость. Предварительная смесь становится одним из компонентов основной смеси. По готовности основной смеси она выгружается по выгрузному лотку 13.

Ввиду необходимости обеспечения качественных показателей работы смесителя производились соответствующие исследования [20]. Кроме того осуществлялся замер мощности привода при различном угле установки лопастей (: 15, 30, 45, 60) и разной частоте вращения рабочего органа (n: 550, 750, 950 мин1). Частота вращения изменялась частотным преобразователем АБВ. Угол установки лопастей обеспечивался заменой изготовленных мешалок (рисунок 2). Замеры мощности осуществлялись прибором КИ50.Учитывая, что изменение угла установки лопастей вызывает изменение высоты лобовой проекции, то при статистической обработке данных в качестве фактора учитывался показатель «sin()», где ‬угол установки лопасти, град.

Рисунок 2 ‬Набор сменных экспериментальных мешалок

Рисунок 3 ‬Влияние частоты вращения n (мин1) и угла установки лопастей (град.) на величину затрачиваемой мощности Р (Вт)

В результате статистической обработки экспериментальных данных получено в зависимости от частоты вращения n и угла установки лопастей , уравнение регрессии затрачиваемой мощности (рисунок 3), Вт:P=633,519+3,276344n0,0012656nn+1,93084nsin()+3,02189sin().Коэффициент корреляции R=0,98617. Коэффициент детерминации 97,253%. Данные F‬теста 0,963985. Указанные критерии свидетельствуют об адекватности выбранной модели.Таким образом, осуществленные замеры мощности и полученное уравнение регрессии позволяют установить величину затрачиваемой мощности смесителем, и при конкретной частоте вращения мешалки осуществить по известным методикам силовой и прочностной расчет как элементов смесителя, так и его привода.

Ссылки на источники1 Бормотов, А.Н. Математическое моделирование структуры композитов в виде рациональныхфункций по краевым точкам области планирования/ А.Н. Бормотов, И.А. Прошин, С.В. Тюрденева // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013.

№12(16). С. 272280.2 Бормотов, А.Н. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита/ А.Н. Бормотов, И.А. Прошин // Вестник Брянского государственного технического университета. 2009.

№4. С. 2936.3 Бормотов, А.Н. Метод построения многофакторных нелинейных моделей на примере математического моделирования композитов специального назначения// А.Н. Бормотов, И.А. Прошин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013.

№12(16). С. 264271.4 Бормотов, А.Н. Многокритериальный синтез сверхтяжелого композита/ А.Н. Бормотов, И.А. Прошин, А.Ю. Кирсанов, Е.М. Бородин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6.

№7. С. 98104.5 Новиков, В.В. Определение объемного расхода экструдата в зоне прессования одношнекового прессэкструдера/ В.В. Новиков, А.А. Курочкин, Г.В. Шабурова, Н.А. Харыбина, Д.Н. Азиаткин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2011.

№1(75). С. 9194.6 Курочкин, А.А. Теоретическое обоснование термовакуумного эффекта в рабочем процессе модернизированного экструдера/ А.А. Курочкин, Г.В. Шабурова, Д.И. Фролов, П.К. Воронина // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2015.

№3. С. 1520.7 Коновалов, В.В. Определение подачи цилиндрического шнекового пресса/ Коновалов В.В., Новиков В.В., Беляев Д.В., Иноземцева Л.В. // Нива Поволжья. 2010.№2. С. 5156.8 Коновалов, В.В. Обоснование угла установки емкости и длительности перемешивания сухих смесей барабанным смесителем/ В.В. Коновалов, Н.В. Димитриев, С.А. Кшникаткин, А.В. Чупшев // Нива Поволжья. 2013.

№1(26). С. 4650.9 Чупшев, А.В. К обоснованию параметров быстроходного смесителя/ А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П. Терюшков, С.С. Петрова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2008.

№3. С. 151154.10 Бородин, Е.М. Модернизация мешалки варочного котла с применением нормализованного концевого подшипника/ Е.М. Бородин, В.Ю. Зайцев, К.Н Бородина. // XXIвек: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2014.

№6(22). С. 200204.11 Зайцев, В.Ю. Конструкторскотехнологические решения создания псевдогомогенных структур изделий мехатроники/ В.Ю. Зайцев // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015.№2(24). С. 1722.12 Зайцев, В.Ю. Модели напряжённодеформированного состояния изделий мехатроники/ В.Ю. Зайцев // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013.

№12(16). С. 209214.13 Зайцев, В.Ю. Конструкторскотехнологические методы защиты трубопроводов от поперечных, продольных и крутильных колебаний/ В.Ю. Зайцев, Е.М. Бородин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015.

№2(24). С. 156162.14 ГОСТ Р 544252011 «Машины и оборудование для пищевой промышленности. Смесители лопастные. Требования по безопасности и гигиене». М.: Стандартинформ, 2013 36 с.15 Потемкин, А.Н. Усталостное разрушение материалов с позиции различных теорий/ А.Н. Потемкин, А.С. Викулов, Д.Е. Никитин // Научнометодический электронный журнал Концепт. 2015. Т. 13. С. 33113315.16 Потемкин, А.Н. Квопросу о повышении фреттингостойкостирезьбовых соединений в условиях циклического нагружения. / А.Н. Потемкин, Н.Б. Романовская // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015.

№2(24). С. 122126.17 Потемкин, А.Н. Экспериментальные исследования влияния конструкторских и технологических факторов на качество автоматизированной сборки резьбовых соединений/ А.Н. Потемкин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015.

№2(24). С. 126129.18 Потемкин, А.Н. К вопросу обеспечения точности и уменьшения разброса усилий затяжки групповых резьбовых соединений в условиях механизированной сборки/ А.Н. Потёмкин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013.

№6(10). С. 161166.19 Бородин, Е.М. Теоретическое и экспериментальное исследование точности затяжки резьбовых соединений пневматическим поршневым гайковертом/ Бородин Е.М., Бородина К.Н., Колганов Е.А. // Научнометодический электронный журнал Концепт. 2014. Т. 20. С. 16261630.20 Коновалов, В.В. Моделирование изменения равномерности смеси при ступенчатом смешивании/ В.В. Коновалов, А.В. Чупшев, М.В. Фомина, А.С. Калиганов // Нива Поволжья. 2013.

№3(28). С. 7783.