Снижение энергоемкости процесса смешивания кормов в шнековом смесителе-раздатчике

УДК 631.363 Завражнов А.И., Астапов С.Ю.

СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ КОРМОВ В ШНЕКОВОМ СМЕСИТЕЛЕ-РАЗДАТЧИКЕ

В технологических процессах по приготовлению кормовых смесей важную роль играет операция по смешиванию компонентов кормов, результаты которой решающим образом сказываются на поедаемости и усвояемости кормов, следовательно, и на продуктивности животных.

Операция по смешиванию компонентов кормов является наиболее энергоемкой. Перед наукой стоит важная задача - исследовать в едином комплексе процесс приготовления и раздачи кормосмесей с целью повышения эффективности этих операций, снижения затрат энергии.

Поэтому возникает необходимость в разработке и создании универсальных мобильных кормоприготовительных машин, которые обеспечили равномерное перемешивание компонентов с меньшими затратами энергии. Исследования в этом направлении актуальны, имеют важное значение и требуют решения.

Обзор и анализ конструкций смесителей-раздатчиков кормов показал, что на фермах используется довольно большое количество кормоприготовительных агрегатов, однако не все они способны приготавливать корма необходимого качества. Наиболее перспективным типом таких машин являются прицепные смесители-кормораздатчики с горизонтальным расположением шнеков.

Однако недостатком горизонтально расположенных шнеков является то, что большая часть энергии затрачивается на транспортировку нижним шнеком корма и постоянное выдавливание массы вверх. Это приводит к неудовлетворительной работе агрегата, следовательно, к уменьшению качества смешивания корма.

В связи с этим был спроектирован трехшнековый смеситель-раздатчик с изменяемым углом наклона верхних шнеков. Наклон верхних шнеков позволяет вовремя отводить массу корма, транспортируемого нижним шнеком от стенки бункера и поднимать вверх, одновременно смешивая его.

Мощность, необходимая для привода смесителя, затрачивается на подъем продукта (в пределах бункера), преодоление сил трения продукта о внутреннюю поверхность бункера, сил трения кормосмеси о винтовую поверхность шнека, перемешивание продукта и на преодоление сил трения в подшипниках и передаточных механизмах смесителя. На рисунке 1,а показана схема движения материала в бункере смесителе-раздатчике кормов с горизонтальным расположением рабочих органов. Для того чтобы поднять (выдавить) массу корма нижним шнеком вверх, необходимо затратить больше энергии, чем в смесителе, изображенном на рисунке 1,б. Из рисунка 1,б видно, чем меньше расстояние К, тем меньше нужно затратить энергии для перемещения массы внутри смесителя (меньше сопротивление движения материала внутри бункера).

Мощность, затрачиваемая на перемещение кормосмеси нижним шнеком [1-3], равна

N = 'Н = 'L ‘SІnS,

1 367 367 ’

где Q - производительность раздатчика-смесителя, т/ч;

Н - высота подъема продукта, м;

L - длина шнека, м.

В межвитковом пространстве смесителя на частицу корма действуют силы, представленные на рисунке 2.

Проектируя силы на плоскость ХУ (рис. 2), можно получить следующее дифференциальное уравнение для движения корма вдоль рабочей поверхности витка шнека:

д 2 Г ^ „

т------= У Г..

дх2 ^ г

Подставляя в (2) соответствующие значения сил, получим

d 2r . 2

m —- = f  m  g  sin є + f  m a  r  sin є — m  g  cos Є. dt

Рис. 1. Схема движение корма в бункере смесителя-раздатчика: а) с горизонтальным расположением шнеков; б) с наклонным расположением шнеков; ^ - движение материала; Fшн - сила давления смеси от нижнего шнека, действующая на заднюю стенку бункера; К - расстояние между осями вращения нижнего и верхних шнеков; 5 - угол наклона верхних шнеков

После сокращения на m будем иметь d2 r

= f  g  sin є + f a  r  sin є — g  cosє.

Рис. 2. Силы, действующие на частицу корма при ее движении под действием нижнего шнека

Выражением g  cose можно пренебречь.

После этого уравнение (4) будет иметь вид

d 2r 2

= f  g  sine + f a  r  sine.

Преобразуем уравнение (5).

dt

d2 r dt2

= f  slnє  (g + a2  r).

Выражение перед скобками можно представить как f • sin £ = const = a. Тогда выражение (6) будет иметь вид

d2 r

dt2

о • r • а + а • g

Так как скорость движения частицы У = О • r, то

dr

оо •Г = У • о = — о

dt

После преобразований уравнение (7) будет иметь вид

d 2 r dr

, —о-/ -$т£ + g-f $т£

йх2 д

Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка.

Решив уравнение (9), получим

r = С + С •e

О0-f • sin£

1 ' 2

-1

_g_

о

Найдем, что при t = 0, £ = 0

г = с + С.

Тангенциальная скорость V, движения частицы материала в межвитковом пространстве смесителя определяется по следующей зависимости:

К= г-О0.

С учетом уравнения (10) формула (11) примет вид

У' = С -о + С, - Оо - .

Радиальная скорость VRдвижения частицы материала в межвитковом пространстве смесителя определяется по формуле

У = dr

R dt

Тогда абсолютная скорость Vа движения частицы в межвитковом пространстве будет равна

К =т1уГ+у; .

Подставив в уравнение (14) соответствующие значения скоростей V, и VR из формул (12) и (13), окончательно получим

У =

(C1 • о + С2 • о0 • e°°fsin£ -t^g + vT¿у +

dr v dt у

Мощность, необходимая для преодоления трения,

N = ¥т- /V ,

2 ШН Л а ’

где Fшн - сила давления смеси от нижнего шнека, действующая на заднюю стенку бункера. После подстановки значений получим

N = F • f •

14 2 * ШН J

А

(C1 о0 + С2 • о0 • e°° f -t^g + у +

dr v dt у

Мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения кормосмеси о винтовую поверхность,

М ^ -п

N=

KP

375

где Мкр - крутящий момент, необходимый для преодоления сил трения по винтовой поверхности

Мр = ¥ш„-К-f,

где К - расстояние между нижним и верхними шнеками, м.

Следовательно, подставляя значение Мкр в выражение (18), получим

— - К - f - п

N3 = -ШН-----------f—.

3 375

Из рисунка 1,б следует, чем меньше расстояние К (угол наклона шнеков 5), тем меньше значение N3.

Суммарная мощность

Nс = N + N2 + N3.

Мощность на валу смесителя

Ыс-к

N = —С—-,

П

где кп - коэффициент, учитывающий перемешивание и перемещение кормосмеси;

П - КПД подшипников вала винта (для одного подшипника п = 0,99).

Согласно уравнению по определению энергетических показателей смесителя, общая потребная мощность расходуется на преодоление сил трения качения в опорах, выдавливание массы, перемешивание и сообщения ей кинетической энергии.

Согласно проведенным исследованиям было установлено, что на величину затрачиваемой энергии наибольшее влияние оказывает время смешивания, а также частота вращения рабочего органа. Кроме того, большое влияние на характеристики мощности оказывает угол наклона верхних шнеков.

На основании исследований работы смесителя установлено, что производительность находится в зависимости от времени смешивания, частоты вращения, коэффициента заполнения рабочей камеры, плотности компонентов корма и объёма контейнера-смесителя.

Из сказанного следует, что потребную мощность на перемешивание кормового материала N в первую очередь следует определять в зависимости от частоты вращения шнеков. При этом ставится условие соответствия качества смешивания кормовых компонентов зоотехническим требованиям.

На рисунке 3 представлены характерные зависимости энергоемкости процесса приготовления кормо-смеси от угла наклона верхних шнеков при различных частотах вращения рабочих органов.

Из зависимостей (рис. 3) видно, что при угле наклона верхнего яруса шнеков 8 и частоте вращения 100 мин-1 значение энергоемкости минимально и составляет 0,82 кВгч/т.

Угол наклона, град

♦ П = 75 мин’1 *П = 100 МИН’1 АП = 125 МИН’1

Рис. 3. Зависимость удельной энергоемкости процесса приготовления смеси от угла наклона верхних шнеков и частоты вращения

В диапазоне угла наклона верхних шнеков от 8 до 16е и увеличением частоты вращения рабочих органов > 100 мин-1 характерно увеличение удельной энергоемкости процесса смешивания.

На рисунке 4 представлены зависимости энергоемкости от частоты вращения при различном времени смешивания.

Частота вращения, об/мин

♦ t=6 мин.  t=8 мин. At=10 мин.

Рис. 4. Зависимость удельной энергоемкости процесса от частоты вращения шнеков и времени смешивания

Анализ зависимостей, представленных на рисунке 4, позволяет утверждать, что удельная энергоемкость уменьшается с увеличением частоты вращения шнеков в среднем до 100 мин-1. Дальнейшее повышение частоты вращения приводит к повышению энергоемкости. При данной частоте вращения достигается минимальное значение энергоемкости при времени смешивания 6 мин.

Дальнейшее увеличение времени смешивания приводит к увеличению энергоемкости процесса, следовательно, мощности, затрачиваемой на привод.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

- трехшнековый раздатчик-смеситель с наклонным расположением верхних шнеков позволяет своевременно отводить массу корма, транспортируемого нижним шнеком и выдавливание ее вверх. Именно на процесс постоянного выдавливания кормосмеси затрачивается большая часть энергии;

- результаты исследований показали, что на величину затрачиваемой энергии наибольшее влияние оказывают частота вращения рабочего органа, угол наклона шнеков, а также время смешивания;

- для обеспечения минимальных значений удельной энергоемкости процесса конструктивные и технологические параметры должны быть близкими к следующим значениям: угол наклона рабочих органов а = 8е, частота вращения шнеков смесителя n = 100 мин-1.

Литература

1. Мянд, А.Э. Кормоприготовительные машины и агрегаты / А.Э. Мянд. - М.: Машиностроение, 1970. -252 с.

2. Груздев, И.Э. Теория шнековых устройств / И.Э. Гоуздев, Р.Г. Мирзоев, В.И. Янков. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. - С. 144.

3. Григорьев, А.М. Винтовые конвейеры / А.М. Григорьев. - М.: Машиностроение, 1972. - С. 184.

----------♦'-------------