Оптимизация конструктивно-режимных параметров цилиндрических винтовых барабанов для приготовления комбикормов
На правах рукописи
Марченко Алексей Юрьевич
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ВИНТОВЫХ БАРАБАНОВ
ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМБИКОРМОВ
Специальность 05.20.01- Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар - 2012 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
(ФГБОУ ВПО«Кубанский ГАУ»)
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Фролов Владимир Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Плешаков Вадим Николаевич, ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ», профессор кафедры тракторов, автомобилей и технической механики доктор технических наук, старший научный сотрудник Тищенко Михаил Андреевич, ГНУ «Северо Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хо зяйства» Российской академии сельскохозяйст венных наук, ведущий научный сотрудник отдела механизации животноводства
Ведущая организация - ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследователь ский институт животноводства» Российской академии сельскохозяйственных наук (г. Крас нодар)
Защита диссертации состоится «21» ноября 2012 г. в 1330 часов на засе дании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044 г. Краснодар, ул. Калинина, 13, факультет энергетики и электрификации, ауд. №4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ку банский государственный аграрный университет»
Автореферат размещен на сайте ВАК РФ http://vak2.ed.gov.ru «17» октября 2012 года.
Автореферат размещен на сайте Кубанского ГАУ http://kubsau.ru «17» октября 2012 года.
Автореферат разослан «» октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В.С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Многокомпонентность комбикормов, высокие требования к их качеству, обуславливают сложность выбора эффективного технологического оборудования для их смешивания. Создание условий для ин тенсификации процесса смешивания компонентов комбикормов и применение эффективных методов воздействия на компоненты является важнейшей зада чей развития и совершенствования технологических машин в кормопроизвод стве. Такая задача может быть решена внедрением прогрессивного технологи ческого комплекта оборудования на базе новых конструкций рабочих органов, позволяющих осуществлять смешивание компонентов комбикормов непре рывным потоком в процессе их приготовления. Использование рабочих орга нов с дискретно расположенными по периметру, разнонаправленными по от ношению к винтовым линиям плоскими элементами, называемыми винтовыми барабанами, позволит интенсифицировать процесс смешивания. Поэтому со вершенствование процесса смешивания компонентов комбикормов путем оп тимизации конструктивно-режимных параметров винтовых барабанов, созда ние новых конструкций винтовых барабанов, совершенствование основ их конструирования и расчета, а так же исследование их технологических воз можностей является актуальной народнохозяйственной задачей.
Исследование проводилось в соответствии с планом НИР Кубанского ГАУ (№ ГР 01.200113467, 2006-2010гг. и № ГР 01.200606833, 2011-2015 гг.).
Цель исследований – снижение энергетических и трудовых затрат на смешивание компонентов комбикормов путем оптимизации конструктивно режимных параметров винтовых цилиндрических барабанов.
Объект исследований - технологический процесс смешивания компо нентов комбикормов рабочими органами с дискретно расположенными по пе риметру, разнонаправленными по отношению к винтовым линиям плоскими элементами.
Предмет исследований - аналитические и экспериментальные зависи мости процесса смешивания компонентов комбикормов винтовыми цилиндри ческими барабанами с дискретно расположенными по периметру, разнона правленными по отношению к винтовым линиям плоскими элементами.
Методика исследований. Аналитические исследования по определению основных параметров винтовых цилиндрических барабанов выполнялись с использованием методов теоретической механики, аналитической геометрии и математического анализа. Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения достоверности результатов теоретических исследований с использованием, как классического метода проведения однофакторного экс перимента, так и теории многофакторного эксперимента. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований проводились методами мате матической статистики.
Рабочая гипотеза: использование винтовых цилиндрических барабанов с дискретно расположенными по периметру разнонаправленными по отноше нию к винтовым линиям плоскими элементами позволит активизировать про цесс смешивания за счет интенсивности перемещения компонентов комбикор мов, направляя последние не только навстречу друг другу, но и к противопо ложным вращающимся стенкам винтового цилиндрического барабана.
Научную новизну представляют:
- математическая модель движения частиц компонентов комбикормов в цилиндрических винтовых барабанах;
- теоретические аспекты расчета винтовых барабанов, которые включают разработку классификации возможных схем их построения и методику моде лирования новых конструкций;
- конструктивные элементы цилиндрических винтовых барабанов, по зволяющие управлять процессом смешивания компонентов комбикормов при реализации предложенной схемы.
Практическая ценность. Ресурсосберегающий технологический про цесс смешивания компонентов комбикормов и комплект оборудования для его осуществления, обеспечивающий их смешивание непрерывным потоком в процессе транспортирования с большой амплитудой их перемещений.
Новизна технических решений подтверждена патентами Российской фе дерации на изобретения пат. 2373809, пат. 2373810, пат. 2372817.
Реализация результатов исследований. Производственная проверка результатов исследований прошла в хозяйствах Краснодарского края: ООО «Комтех-Краснодар», ООО «СЕРП», ООО «Кубинфо» и ООО «ВЕГА».
Результаты исследований используются в учебном процессе факультета механизации и инженерно-строительного факультетов Кубанского ГАУ при выполнении курсового и дипломного проектирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
- закономерности перемещения частиц компонентов комбикормов в ра бочем пространстве смешивающих рабочих органов в виде цилиндрических винтовых барабанов;
- математическая модель, описывающая движение частиц компонентов комбикормов в цилиндрических винтовых барабанах;
- аналитические зависимости для определения основных конструктивно режимных параметров винтовых барабанов;
- методика расчета основных конструктивно-режимных параметров вин товых барабанов;
- экспериментальные зависимости показателей работы винтовых цилин дрических барабанов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на международных научно-технических конференциях в Курске (2008 г.), Росто ве-на-Дону (2008 г.), Орле (2009 г.), Виннице (2010 г.) и региональных научно технических конференциях в Краснодаре (2008 и 2010 гг.).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах, включая 3 патента РФ на изобретение, одну монографию и 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем опубликованных работ со ставляет 22,6 п.л., из них на долю автора приходится 9,4 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 138 наименований, в том числе 8 – на иностранном языке и приложения. Дис сертация изложена на 183 страницах машинописного текста, включая 40 стра ниц приложения, содержит 66 рисунков, 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сфор мулирована цель исследований, представлены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса приготовления комбикормов» пока зано состояние и перспективы кормления животных полнорационными кормо смесями, особенности процесса смешивания частиц компонентов комбикормов и требования к смесителям, проведена оценка и краткий анализ технических средств используемых для обеспечения процесса смешивания комбикормов.
Вопросам моделирования технологического процесса смешивания комби кормов с использованием ПЭВМ и математических моделей посвящены труды А. Г. Аганбегяна, Н. Н. Моисеева, Н. П. Федоренко, Д. Б. Юдина и ряда других.
Большой вклад в создание смесительных аппаратов, в теорию и практику процессов смешивания внесли следующие ученные: В. М. Аблаутов, Л. Е. Агеев, М. В. Баканов, И. И. Блехман, А. В. Бурмага, Б. И. Вагин, В. А. Голиков, С. М. До ценко, Н. В. Дуленко, С. В. Евсеенко, М. И. Егорченко, А. М. Ермачков, Я. М.
Жислин, А. И. Завражнов, С. Я. Зафрен, В. И. Земсков, Г. В. Иванец, А. П. Ка лашников, С. Ф. Керимов, В. Г. Коба, В. Ф. Ковтун, И. В. Кулаковский, Н. И.
Кулешов, Г. М. Кукта, Л. М. Куцын, Г. В. Ламонов, П. И. Леонтьев, Ю. А. Мат веев, И. И. Мозгов, В. Л. Новобратский, А. А. Пасько, Ю. С. Поляков, В. В. По пов, В. А. Пушко, А. М. Семенихин, В. С. Сечкин, А. В. Смоленский, А. М. Су харев, М. А. Тищенко, И. А. Уланов, И. Я. Федоренко, А. Н. Федоров, А. Ш. Фин кельштейн, Н. Г. Шамов, Л. И. Шмельмах и другие.
Сложность смешивания компонентов комбикормов создает необходи мость исследования реальных процессов, происходящих в смесительном аппа рате, с помощью построения их моделей.
Таким образом, возникает потребность в разработке рабочих органов в виде винтовых цилиндрических барабанов, обеспечивающих высокое качество приготовления комбикормов, при оптимальных конструктивно-режимных па раметрах.
На основе обзора и анализа состояния вопроса сформулированы сле дующие задачи исследования:
1. На основании анализа существующих конструкций винтовых бараба нов разработать их классификацию и наметить перспективное направление при создании смешивающих рабочих органов для комбикормов.
2. На основе компьютерного моделирования, разработать конструктивно технологическую схему для изготовления цилиндрического винтового барабана.
3. Провести анализ математических моделей, исследовать процесс сме шивания частиц компонентов комбикормов в продольном и поперечном сече ниях цилиндрических барабанов и получить зависимости для обоснования его основных конструктивно-режимных параметров.
4. Экспериментально проверить достоверность теоретических положе ний и обосновать оптимальные конструктивно-режимные параметры цилинд рического винтового барабана.
5. Дать экономическую оценку проведенным исследованиям и разрабо тать методику инженерного расчета, выполнить компьютерное моделирование пространственных форм винтовых барабанов.
Во второй главе изложены результаты теоретических исследований при выборе винтовых цилиндрических барабанов. В процессе проведения исследо ваний разработана классификация винтовых барабанов, которая позволяет це ленаправленно вести поиск новых конструкций винтовых барабанов.
Проведено теоретическое исследование конструктивных особенностей винтовых цилиндрических барабанов, как наиболее производительных при транспортировке и смешивании комбикормов.
Наружный диаметр винтового барабана:
D = k·ai, (1) где аi – сторона равностороннего треугольника;
k –эмпирический коэффици ент, определенный по результатам исследований (k= 1,16).
Диаметра проходного сечения винтового барабана:
d = m ai, (2) где m коэффициент, определенный по результатам исследований (m = 0,56).
Углы наклона винтовых линий выбираются из конструктивных особен ностей барабана.
На рисунке 1 представлено компьютерное изображение винтового бара бана вогнутой формы, который обеспечивает интенсификацию процесса сме шивания комбикормов, поджатие компонентов комбикормов в процессе их пе ремещения от загрузки к выгрузке.
Рисунок 1 – Конструкция винтового барабана вогнутой формы, разработанная по компьютерному изображению По найденным пространственным формам винтового барабана, в соот ветствии с предложенной схемой, выполнена его конструкторская проработка.
Утолщенными линиями 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 показана одна из шести винтовых, ломаных линий основного направления, а утолщенной линиями 10, 11, 12, 6, 13, 14, 15, 16, 17 противоположного направления.
В процессе смешивания компонентов комбикормов параметры траекто рии движения их частиц должны быть номинальными (для максимального обеспечения выполнения процесса), т.е. иметь определенные в этом смысле характеристики. Траектория движения частиц может быть спиралеобразной пространственной кривой с неравномерным шагом и различным диаметром витков, на которую наложены колебания стохастического характера. В зависи мости от геометрии внутренней поверхности винтового барабана, пространст венная траектория каждой из перемещаемых частиц должна иметь достаточ ную протяженность для обеспечения качественного выполнения технологиче ского процесса смешивания компонентов комбикормов.
В исследованиях была принята модель движения частиц компонентов комбикормов как материальной точки массой m. В этом случае моделируемое движение является условным в том смысле, что его изучение сводится только к изучению движущихся в поперечной плоскости х0у частиц компонентов ком бикормов во вращающемся винтовом барабане. Затем все параметры продоль ного движения (в том числе и скорость) могут быть получены при использова нии свойства j = const – постоянства угла наклона винтовой линии к продоль ной оси винтового барабана.
После введения полярной системы координат (r, ), в поперечную плос кость движущихся частиц компонентов комбикормов вращающегося винтово го барабана получена система дифференциальных уравнений в виде:
m r Fr r (3) m r 2 r F где r – некоторый выбранный радиус вращения в зависимости от меняющейся геометрии стенок вращающегося винтового барабана в плоскости сечения x0y, в зависимости от характера модели руемых сил Fr, и F описывается любое движение (в данном случае это движение стеснено боковой поверхностью вращающегося винтового бараба на). Под m принята масса моделируемых, условно движущихся материальных точек.
Рисунок 2 – Схема движения час тиц компонентов комбикормов d d d dr d 2 r dr r, 2,, r.
dt dt dt dt dt dt Пусть Х Хr,, r,,,, У Уr,, r,,, - величины ускорений точ r r ки m по каждой из координатных осей плоскости х0у, где величина общего ус корения (WХУ):
WХУ Х 2 У 2 (4) После интегрирования определим продольную скорость перемещения частиц комбикормов VZ:
Vz r tgj C (5) Введем постоянную G, которая выражена через характеристики винто вых барабанов:
G r tgj, (6) отсюда V G C, (7) где С - постоянная, характеризующаяся технологический процесс смешива ния компонентов комбикормов;
- угловая скорость винтового барабана, c-1.
В результате проведенных исследований получено выражение для опре деления скорости продольного перемещения частиц комбикормов в винтовых барабанах:
1 2 2 4 ], V =0,5r tg j[ (8) где () и () коэффициенты, подлежащие эмпирическому определению.
Приближенная связь между коэффициентами.
()= (9) 2 Для выявления характера зависимостей () и () функция V() представ лена полиномом n-й степени n ~ Ci i, V() = (10) i ~ где коэффициенты C i вычисляются как коэффициенты интерполяционного полинома Лагранжа:
0 i 1 i 1 n n V V*i n (11) i 0 i i 1 i i 1 i n, i где Vi* – экспериментальные значения скоростей частиц компонентов комби кормов при угловых скоростях винтовых барабанов, равных i.
Из формул (8) (10) получены выражения для коэффициентов () и ():
C i i 1, () = (12) 2 4 i () = C i i 1, 2 4 i где 2 ~ С i Ctgj C i, (13) r где r и j –параметры, зависящие от размеров и конструкции винтовых бараба нов.
Из условия (12) формула (8) принимает вид:
i 2 C i, V =0,5r tg j (14) i При определении производительности цилиндрического винтового ба рабана, использовали выражение, полученное С. В. Мельниковым с допуще нием, что перемещение частиц компонентов комбикормов осуществляется по спирали Архимеда. Тогда площадь одного витка архимедовой спирали опре делится:
F 4 3 rср 3 rср 2 (15) Производительность цилиндрического винтового барабана с учетом вы ражений 14 и 15 имеет вид:
Qсм 0,5rtgj 2 2 Ci i 4 3 rср 3 rср kз kпр, (16) i В третьей главе приведено описание модельных экспериментальных ус тановок на базе винтовых барабанов, стендов для экспериментальных исследо ваний процесса смешивания, представлена методика определения однородно сти смеси, проведения отсеивающего эксперимента и планирования экстре мального эксперимента.
Исследования проводились на экспериментальной установке (рисунок 3).
При изготовлении экспериментальной установки предусматривалось измене ние угла наклона винтового барабана от 0 до 10 градусов. Коэффициент запол нения винтового барабана изменяли в пределах от 0,3 до 0,7.
Рисунок 3 – Общий вид экспериментальной установки по исследованию процесса смешивания комбикормов Анализ литературных источников, с учетом проведенных ранее поиско вых исследований, позволил выявить наиболее значимые факторы: угол на клона барабана, частота вращения барабана, продолжительность процесса смешивания, коэффициент заполнения.
За критерий оптимизации были приняты линейная скорость перемеще ния компонентов смеси в осевом направлении барабана и однородность смеси.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследо ваний смешивания компонентов комбикорма в зависимости от конструктивно режимных параметров винтового цилиндрического барабана и дан их анализ.
Анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований позволил выявить у винтовых барабанов признаки, которые характеризуют только класс и формы винтовых барабанов.
Как показал анализ, экспериментальные зависимости описываются по линомом 2-й степени.
Получены уравнения регрессии для скорости перемещения частиц ком понентов комбикорма в винтовом барабане:
Y=61,079+9,067 x1+105,715 x2+13,144 x1 x2-44,238 x21+74,325 x22, (17) где Y - скорость перемещения, мм/с.
Уравнение регрессии (17) в канонической форме будет иметь вид Y 23,49 44,6 X1 74,69 Х 2, (18) 8 30 40 50 60 70 6 20 40 4 0 10 20 2 10 40 0 10 6 20 30 8 50 60 70 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 K Рисунок – 4 Поверхность зависимости ско- Рисунок – 5 Двумерное сечение зависи рости перемещения компонентов комби- мости скорости перемещения компонен кормов в винтовом барабане от коэффици- тов комбикормов в винтовом барабане ента заполнения и угла его наклона от коэффициента заполнения и угла его наклона Анализ зависимостей, представленных на рисунках 4 и 5, показал, что изменение значения х1 в пределах эксперимента влияет на скорости перемеще ния по закону параболы, т.е. с увеличением коэффициента заполнения от цен тра плана скорость перемещения падает, а при увеличении значения угла на клона винтового барабана х2 скорость перемещения возрастает.
С использованием планирования трехфакторного эксперимента по Вк плану определены оптимальные режимы работы цилиндрического винтового барабана при условии выполнения исходных требований к качеству приготов ления комбикормов.
Согласно полученному уравнению регрессии максимальная скорость пе ремещения частиц компонентов кормов соответствует 23,49 мм/с, оптималь ный коэффициент заполнения винтового барабана составил 0,499, а минималь ный угол его наклона, при котором будет обеспечиваться устойчивый рабочий процесс, равен 6о.
При исследовании процесса смешивания решались следующие задачи:
определение наиболее значимых факторов влияющих на процесс, построение математической модели и оптимизация основных параметров данного процес са. Экспериментальные исследования проводились на макетном образце, схема которого приведена на рисунке 3.
В качестве критерия оптимизации была выбрана однородность смеси,% (отклик Y1).
Анализ априорной информации и поисковых исследований показал, что наиболее значимыми факторами являются следующие: угол наклона барабана, ;
частота вращения барабана, ;
продолжительность процесса смешивания, Т;
коэффициент заполнения, Кv.
В результате эксперимента по матрице Плакета-Бермана и получения кри териев оптимизации проведена обработка и построены математические модели.
С целью обоснования оценки влияния факторов по результатам экспери мента получено уравнение регрессии второго порядка (программа Statistica 6. фирмы StatSoft), которое имеет следующий вид в кодированном виде:
- для однородности смеси :
Y=93,4855 + 1,7697Х1 + 3,476Х2 + 6,062Х3 + 6,5662Х4 – 0,0003Х1Х2 + + 0,00007Х1Х4 – 0,0002Х2Х3 + 0,000053Х2Х4 – 0,0001Х3Х4 – 0,018Х12 – – 0,03343Х22 – 0,0596Х32 – 0,06447Х42 (19) Адекватность модели подтверждается с вероятностью Рд=0,965 при ко эффициентах корреляции R1=0,94203 и R2=0,98269.
Переходя от кодированных значений факторов (Х1, Х2, Х3, Х4) к нату ральным (,, Т, Кv) получена зависимость показателя однородности смеси от основных технологических факторов:
= - 306,757 + 8,1128 + 1365,6433 + 14,2904Т + 59,3229Кv – 2,9563 + + 0,4507Кv – 2,015Т +22,854Кv – 0,1383ТКv -0,622 2 – 618,5805 2 – – 4,189667Т 2 – 70,1848Кv 2 (20) После получения адекватных математических моделей процесса, опре делялись координаты оптимума и построены поверхности откликов Y1.
Для упрощения анализа данных поверхностей построены двумерные сечения откликов.
Анализ графических зависимостей (рисунок 6 и 7) показывает, что одно родность смеси с увеличением угла наклона барабана от 4 до 6 градусов не прерывно возрастает до 94 %, затем однородность начинает снижаться, и при 10 градусах составляет 78%. Коэффициент заполнения при угле наклона бара бана =6о составляет Кv = 0,5.
0,8 3, Х Х 1, 0, 0, 0,2 1,0 1,1 1, 4 7 10 Х Х Рисунок 7 – Сечение поверхности однородно Рисунок 6 – Сечение поверхности однородно сти смеси на плоскость Х2 ()Х3(Т) сти смеси на плоскость Х1()Х4(Кv) При однородности = 92 % частота вращения барабана составит =1,1 с-1, а продолжительность процесса смешивания Т = 1,75 мин. При увеличении данных показателей до =1,2 с-1, Т = 3,0 мин однородность смеси снижается до = 80 % (рисунок 7).
3, 1, Х Х 1, 1, 89 87 85 83 81 1,0 0, 79 4 7 10 4 7 77 Х1 Х Рисунок 8 – Сечение поверхности однородно- Рисунок 9 – Сечение поверхности однородно сти смеси на плоскость Х1 ()Х2() сти смеси на плоскость Х1 ()Х3(Т) Увеличение угла наклона барабана от 6 до 10, а частоты вращения бара бана от =1,1 с-1до =1,2 с-1 и времени смешивания компонентов комбикор мов от Т = 1,75 мин. до Т = 3,0 мин. (рисунок 8 и 9), так же способствует сни жению однородности смеси до =77 %. Это подтверждают результаты ранее проведенных исследований по изучению процесса смешивания комбикормов цилиндрическими винтовыми барабанами.
0,8 0, Х Х 0,5 0, 92 90 88 86 84 0,2 0, 82 1,0 1,1 1,2 0,50 1,75 3, 80 Х2 Х Рисунок 10 - Сечение поверхности однородно- Рисунок 11 - Сечение поверхности однородно сти смеси на плоскость Х2 ()Х4(Кv) сти смеси на плоскость Х3 (Т)Х4(Кv) Анализ зависимостей представленных на рисунках 10 и 11 показывает, что при однородности смеси более =92 %, оптимальными показателями часто ты вращения барабана и коэффициента заполнения цилиндрического бараба на, Кv следует считать =1,1 с-1 и Кv = 0,5.
В результате проведенных экспериментальных исследований процесса смешивания на цилиндрических винтовых барабанах оптимальными конструк тивно-режимными параметрами последних следует считать следующие:
– угол наклона барабана, = 6о, – частота вращения барабана, =1,1 с-1, – продолжительность процесса смешивания, Т = 1,75 мин., – коэффициент заполнения, Кv = 0,5.
При данных значениях показателей однородность смеси составляет более =92 %, что полностью удовлетворяет зоотехническим требованиям, предъяв ляемым к процессу смешивания.
На рисунке 12 представлены зависимости Q = f() производительности цилиндрического винтового барабана от частоты его вращения, полученные аналитическим и экспериментальным путем.
Анализ зависимости Q = f() показывает, что производительность ци линдрического винтового барабана с увеличением частоты вращения непре рывно возрастает до значения Q=750…760 кг/ч при =1,0…1,1 с-1.
Затем наблюдается снижение как фактической, так и теоретической производительности до значения Q= 800…880 кг/ч при =3,0…3,5 с-1.
После увеличения частоты вра щения барабана до =10 с-1 про исходит стабильный рост теоре Рисунок 12 - Зависимость производительности Q тической производительности до от частоты вращения цилиндрического винто вого барабана. (о-о-о – фактическая, - - - - - расчет- показателя Q=920…930 кг/ч при ная Q = f() по выражению 16) резком снижении фактической производительности до Q= 390 кг/ч. Это объясняется тем, что коэффициент проскальзывания kпр при частоте вращения барабана от =4 с-1 до =10 с-1 на чинает резко увеличиваться, с проскальзывания материала о внутреннюю по верхность цилиндрического винтового барабана от 10% до 90%, что сущест венно влияет на качественные и количественные показатели процесса.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что оптимальное значение частоты вращения барабана находится в пределах =1,0…1,5 с-1, что подтверждают ранее проведенные экспериментальные исследования. Кроме того при этих значениях частоты вращения цилиндрического винтового бара бана наблюдается хорошая сходимость теоретических и экспериментальных исследований зависимости Q = f(), которая находится в пределах 5-8%, что подтверждает достоверность полученных результатов.
В пятой главе представлена методика инженерного расчета оборудова ния для смешивания компонентов комбикормов на базе винтового цилиндри ческого барабана, даны рекомендации по выбору типа и класса винтовых бара банов для смешивания компонентов комбикормов. В качестве базового смеси теля был принят смеситель ВКС-3М. Использование винтовых цилиндриче ских барабанов в качестве рабочих органов смесителей позволяет снизить за траты труда на 60,6%, металлоемкость на 60,0%, энергоемкость на 38,8%.
Экономический эффект от внедрения составит 129,0 руб./т, а срок оку паемости составляет 1,1 года.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основании анализа технологий и технических средств по зарубеж ным и отечественным литературным источникам, разработана классификация винтовых барабанов, позволяющая наметить перспективные направления в разработке винтовых цилиндрических барабанов с дискретно расположенными по периметру разнонаправленными по отношению к винтовым линиям пло скими элементами. Разработаны конструкции винтовых барабанов, техниче ская новизна которых подтверждена патентами на изобретения (№ 2372817;
№ 2373809;
№ 2373810).
2. Разработана методика компьютерного моделирования пространст венных форм, позволяющая на стадии проектирования получить наглядное изображение ранее неизвестных конструкций винтовых барабанов. На основа нии методики компьютерного моделирования разработана конструктивно технологическая схема для изготовления экспериментального цилиндрическо го винтового барабана. Получены зависимости для определения основных па раметров винтовых цилиндрических барабанов, необходимых при проектиро вании и расчете рабочих органов для приготовления комбикормов, в том числе для определения наружного и внутреннего диаметра винтовых цилиндриче ских барабанов.
3. Получены математические модели процесса смешивания компонен тов комбикормов винтовыми цилиндрическими барабанами в продольных и поперечных сечениях. Определены аналитические зависимости для получения численных значений коэффициентов, зависящих от угла наклона барабана () и степени заполнения рабочего пространства барабана () существенно влияющих на скорость продольного перемещения частиц комбикормов. Опре делена зависимость продольной скорости компонентов комбикормов V от уг ловой скорости винтового цилиндрического барабана.
4. Изготовлена экспериментальная установка по исследованию процес са смешивания комбикормов, рабочими органами которой являются винтовые цилиндрические барабаны, позволяющие изменять угол наклона винтового ба рабана от 0о до 10о к горизонту при коэффициенте заполнения последнего от 0,3 до 0,7.
5. Теоретически и экспериментально обоснованы конструктивно режимные параметры винтового цилиндрического барабана, обеспечивающие приготовление комбикорма с высоким качеством. Оптимальными параметрами винтового цилиндрического барабана следует считать: максимальная скорость перемещения частиц компонентов комбикормов в продольном направлении составляет 23,49 мм/с;
оптимальный коэффициент заполнения винтового ци линдрического барабана 0,499;
минимальный угол наклона барабана, при ко тором будет обеспечиваться устойчивый рабочий процесс составляет 6 о, опти мальная частота вращения цилиндрического барабана 1,1 с-1 при однородно сти смеси 92%, продолжительность процесса смешивания составляет Т = 1,75 мин.
6. Систематизирована методика инженерного расчета винтового цилин дрического барабана, предложена технология сборки винтовых цилиндриче ских барабанов и даны рекомендации по типу и классу винтовых барабанов.
Для барабана Ц5 основными параметрами являются: сторона равносторонних треугольников, из которых изготовлен винтовой барабан, а 5 = 0.45 м;
длина винтового барабана L= 2,7 м;
диаметр описанного вокруг винтового барабана цилиндра Dн.б = 0,522 м;
диаметр вписанного внутри винтового барабана ци линдра Dв.б =0,252м;
частота вращения винтового барабана n = 65 об/мин;
пло щадь потока Sm = 0,061 м2;
коэффициент заполнения винтового барабана КV = 0,52;
объем частиц компонентов комбикормов загружаемых в винтовой барабана Q корм.= 0,1647 м3 ;
расчетная производительность П = 10,02 т/час.
7. Реализация процесса приготовления комбикормов, посредством вин тового цилиндрического барабана позволяет снизить затраты труда на 60,6%, металлоемкость на 60,0%, энергоемкость на 38,8% в сравнении со смесителями ВКС-3М. Экономический эффект от внедрения составляет 129 руб./т, а срок окупаемости 1,1 года, при этом чистый дисконтированный доход составил 50885,5 руб. Разработанная методика компьютерного моделирования про странственных форм винтовых барабанов позволяет на стадии проектирования обосновать основные конструктивно–режимные параметры методами клони рования и закрутки в три этапа.
Основные положения диссертации опубликованы - в изданиях рекомендованных ВАК:
1. Марченко А.Ю. Научно-технические основы создания ресурсосбере гающих машинных технологий приготовления кормов в винтовых барабанах / А.Ю. Марченко // Научный журнал. Труды Кубанского государственного аг рарного университета. – Краснодар, 2008. - № 5(14) – С. 184–191.
2. Марченко А.Ю. Ресурсосбережение при смешивании компонентов кормов в винтовых барабанах / А.Ю. Марченко // Механизация и электрифика ция сельского хозяйства, № 4. – М., 2011. – С. 20–21.
3. Марченко А.Ю. Экспериментальные аспекты процесса смешивания компонентов комбикормов цилиндрическим винтовым барабаном / В.Ю. Фро лов, Д.П. Сысоев, А.Ю. Марченко // Научный журнал. Труды Кубанского го сударственного аграрного университета. – Краснодар, 2012. - № 4(37) – С. 163– 171.
- в монографии:
4. Марченко А.Ю. Винтовые барабаны (смешивание сыпучих материа лов): монография / А.Ю. Марченко, В.В. Цыбулевский, Г.В. Серга. – Красно дар: Издательский центр КГАУ, 2008. – 367 с.
- в прочих изданиях:
5. Марченко А.Ю. Совершенствование ресурсосберегающих вибрацион ных технологий, поиск их универсальных характеристик / А.Ю. Марченко // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. – Курский государствен ный технический университет. – Курск, 2008. – С. 58–63.
6. Марченко А.Ю. Моделирование процессов движения сыпучих мате риалов с большой амплитудой / Г.В. Серга, А.Ю. Марченко // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. Курск. гос. техн. ун-т. – 2008. С. 117–128.
7. Марченко А.Ю. Разработка прогрессивного оборудования и нетради ционной вибрационной технологии для измельчения и смешивания сыпучих материалов / А.Ю. Марченко // Перспективные направления развития техноло гии машиностроения и металлообработки: Материалы международной научно технической конференции т. 1. – Ростов-на-Дону, 2008. – С. 276–279.
8. Марченко А.Ю. Ресурсосберегающая технология смешивания компо нентов кормов в винтовых барабанах / А.Ю. Марченко, Г.В. Серга // Всеукраiнский науково-технiчний журнал: Вiбрацii в технiцi та технологiях. – 2009. – № 2 – С. 91–101.
- патенты:
9. Пат. 2373809 Российская Федерация МПК А23N 17/00. Барабанный смеситель кормов / А.Ю. Марченко, Г.В. Серга, В.В. Цыбулевский, М.Г. Серга;
заявитель и патентообладатель Кубанский гос. аграрный ун-т. – № 2008121050;
заявл. 26.05.2008;
опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33.
10. Пат. 2373810 Российская Федерация МПК А23N 17/00. Смеситель кормов / А.Ю. Марченко, Г.В. Серга, В.В. Цыбулевский, М.Г. Серга;
заявитель и патентообладатель Кубанский гос. аграрный ун-т. – № 2008121050;
заявл.
28.05.2008;
опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33.
11. Пат. 2372817 Российской Федерации МПК А 23 N 17/00. Устройство для смешивания кормов / А.Ю. Марченко, Г.В. Серга, В.В. Цыбулевский;
зая витель и патентообладатель Кубанский гос. аграрный ун-т. – № 2008125523;
заявл. 23.07.2009;
опубл. 20.09.2011, Бюл. № 32.