ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

Цуркан Олег Васильович

УДК 621.929.7

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГООЩАДНОГО ВІБРАЦІЙНОГО ЗМІШУВАЧА ДЛЯ ВНЕСЕННЯ ПРЕМІКСІВ В КОМБІКОРМИ

Спеціальність 05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації та комплексної механізації технологічних процесів Вінницького державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Берник Павло Степанович,

Вінницький державний аграрний університет, завідувач кафедри

автоматизації та комплексної механізації технологічних процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сердюк Леонід Іванович,

Полтавський національний технічний університет ім. Ю. Кондратюка,

завідувач кафедри теоретичної механіки;

кандидат технічних наук, доцент Богомолов Олексій Васильович,

Харківський державний технічний університет сільського господарства,

завідувач кафедри обладнання та технології переробних і харчових виробництв.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України,

м. Київ, кафедра механізації тваринництва

Захист відбудеться 23 вересня 2004 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському державному технічному університеті сільського господарства за адресою: 61002, м. Харків-2, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету сільського господарства за адресою: 61002, м. Харків-2, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий ,, 17” серпня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Черенков О.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з основних технологічних задач комбікормового виробництва є отримання однорідної суміші. Від ступеня досконалості проведення цього процесу залежать економічні показники виробництва, витрати енергетичних ресурсів і, як результат, продуктивність, товарна якість та собівартість тваринницької продукції. Особливістю процесу змішування є багатостадійність, значна тривалість до 20-25 хв. та енергоємність 1,3-2,3 кВт·год/т, що обумовлено необхідністю одночасного внесення 10-15 компонентів преміксів з різними фізико-механічними властивостями, частка яких у загальній масі комбікорму складає 0,5-5%. Це амінокислоти, вітаміни, ферментні препарати, антиоксиданти, антибіотики, емульгатори, транквілізатори, протибактеріальні речовини та інші складові. Змішування, як правило, здійснюється у гравітаційних, шнекових та лопатевих змішувачах, жодний з яких не забезпечує поєднання високої однорідності суміші, швидкості здійснення процесу і низьких енерговитрат.

Відомо, що вплив низькочастотних коливань на дисперсні системи докорінно змінює їхні властивості. Під дією вібраційного поля, за певних умов, здійснюється циркуляція завантаження і його коливання із частотою коливань контейнера та амплітудою, рівною або меншою за амплітуду коливань останнього. Як показали численні дослідження, коефіцієнти в’язкості і сухого тертя технологічного завантаження зменшуються, в залежності від режимів коливань, на один-два порядки, відбувається інтенсивна взаємодія та послаблення зв’язків між частками суміші на мікро- і макрорівнях.

Застосування вібраційного змішування особливо ефективне у високотехнологічних процесах, що мають місце у кормовиробничій, харчовій, медико-біологічній, хімічній, будівельній галузях та інших, де однорідність суміші – найголовніша умова реалізації технології.

Тому розробка вібраційного змішувача для приготування високоякісних повнораціонних кормів з меншими енерговитратами є актуальною і необхідною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася згідно з тематичним планом науково-дослідних та дослідно-конструкторських розробок за наказом Міністерства сільського господарства і продовольства України №181 від 10 червня 1996 року за темою №172 ,,Розробка і впровадження вібромашин для переробних галузей АПК’’ протягом 1997-2004 рр. Також робота виконувалась згідно з планом наукових робіт ВДАУ і кафедри автоматизації та комплексної механізації технологічних процесів ВДАУ.

Мета і задачі дослідження. Метою цієї роботи є удосконалення процесу внесення преміксів в комбікорми і підвищення їхньої однорідності шляхом розробки і дослідження вібраційного змішувача з покращеними техніко-економічними показниками.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- проаналізувати відомі конструктивні схеми віброзмішувачів із врахуванням особливостей приготування сумішей у сільськогосподарському кормовиробництві;

- спроектувати, виготовити дослідно-промисловий зразок віброзмішувача з неколивним лопатевим валом і провести порівняльні експериментальні дослідження впливу витрат енергії при різних технологічних режимах на якість змішування;

- розробити нову конструктивну схему енергоощадного віброзмішувача з подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем коливного руху контейнера в обертовий рух лопатевого вала;

- розробити математичу модель запропонованого змішувача, провести її аналітичне дослідження і перевірити адекватність отриманих теоретичних залежностей експериментальним даним;

- обґрунтувати робочі параметри нового вібраційного змішувача для внесення преміксів в комбікорми, оцінити на конкурентоспроможність та розробити рекомендації щодо його використання в переробному сільськогосподарському виробництві.

Об’єкт дослідження. Вібраційний змішувач для високоякісного внесення преміксів в комбікорми.

Предмет дослідження. Вплив вібраційного поля на процес змішування.

Методи дослідження. В роботі використовувалися теоретичні і експериментальні методи досліджень. При інформаційно-аналітичному дослідженні методів та обладнання для змішування застосовували Internet-систему як джерело інформації. При проведенні експериментів та обробці експериментальних даних використовувалися методи планування експерименту та регресійного аналізу. Перевірка адекватності отриманих залежностей експериментальним даним здійснювалась методами математичної статистики з використанням стандартних програм: MathCad, Microsoft Excel 2003. Диференціальні рівняння руху були складені за допомогою рівнянь Лагранжа ІІ-го роду, а їх розв’язок і аналіз здійснювався на основі теорії коливань механічних систем. Визначення технічного рівня розробки проводили за узагальнюючими показниками двох видів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше шляхом експериментальних досліджень енергетичних характеристик вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом встановлено діапазон значень коефіцієнта режиму вібрації k контейнера для змішуваних матеріалів, при якому сумарні витрати енергії на привод неколивного лопатевого вала і вала віброзбуджувача є мінімальними, неоднорідність, для досліджуваної суміші, при є мінімальною, в порівнянні з існуючими схемами, і досягає 0,8-3%;

- вперше запропоновано використати енергію коливань контейнера для привода неколивного лопатевого вала та розроблено новий вібраційний змішувач із віброімпульсним перетворювачем коливного руху;

- розроблена і проаналізована математична модель нового вібраційного змішувача з двомаятниковим перетворювачем коливного руху контейнера в обертовий рух неколивного лопатевого вала, що дозволило отримати залежності для визначення амплітуди коливань контейнера, потужності привода змішувача та визначити точки встановлення маятників і їх взаємного положення, в залежності від геометричних та амплітудно-частотних параметрів.

Практичне значення отриманих результатів. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень була обґрунтована схема, розроблено та виготовлено дослідно-промисловий зразок вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом. Запропонована методика порівняльних експериментальних досліджень дозволила знайти умови, коли споживана потужність і час змішування найменші, а якість суміші – найкраща, в порівнянні з існуючими змішувачами. Створений дослідно-промисловий зразок віброзмішувача з неколивним лопатевим валом впроваджено на АТЗТ ,,Корделівський ОМКЗ” Калинівського району Вінницької області для внесення преміксів та білково-вітамінних добавок в комбікорми. В результаті час приготування однієї порції зменшився в 2,3-2,5 рази, енерговитрати на здійснення процесу змішування в 1,8-2,1 рази, а однорідність суміші покращилася в 4-5 разів.

Розроблена нова схема енергоощадного вібраційного змішувача для внесення преміксів в комбікорми (патент України на винахід № 63977 С2, м. кл. В 01 F 11/00). Реалізована ідея єдиного привода збудження коливань контейнера і обертання неколивного лопатевого вала з перетворенням енергії коливань контейнера змішувача разом із завантаженням в обертовий рух неколивного лопатевого вала за допомогою подвійного маятникового віброімпульсного перетворювача руху забезпечує ще більше (в 4-5 разів) зменшення питомих енерговитрат на здійснення процесу змішування в порівнянні із традиційними змішувачами.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримані самостійно. Проведено аналіз стану науково-дослідних робіт по створенню вібраційних змішувачів [1, 2, 6]; розроблена методика проведення теоретичних і експериментальних досліджень, здійснена їх статистична обробка; виконано узагальнення матеріалів за результатами досліджень з підготовкою до опублікування та апробація на наукових конференціях [3, 4, 7]; розроблена фізична та математична моделі вібраційного змішувача з подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем і проведено їх аналітичне дослідження [5, 8-12].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на X та XI міжнародних конференціях ,,Теория и практика процессов измельчения, разделения и уплотнения” (Одеса, 22-25 серпня 2002 р.; 24-29 серпня 2003 р.), на IV міжнародній науково-технічній конференції ,,Вібрації в техніці та технологіях” (Вінниця, 1-5 жовтня 2002 р.) у роботі XII щорічної міжнародної наукової школи ,,Вибротехнология 2002” (Одеса, 19-24 серпня 2002 р.), на III і IV міжвузівських науково-практичних конференціях аспірантів ,,Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи’’ (Вінниця, 17-19 березня 2003 р., 5-7 квітня 2004 р.), на міжнародній науково-практичній конференції ,,Актуальні проблеми технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв’’ (Харків, 27-28 березня 2003 р.), на міжнародній НТК ,,Науково-технічні засади розробки, випробування і прогнозування перспективної сільськогосподарської техніки’’ (УкрЦВТ, смт Дослідницьке Київської обл., 2-3 червня 2003 р.), на науково-технічному семінарі ,,Совершенствование конструкций оборудования. Развитие конструктивних форм рабочих камер’’ (ДГТУ, Россия, октябрь 2003 г.), на IV міжнародній науково-практичній конференції ,,Сучасні проблеми землеробської механіки’’ (Харків, 17-18 жовтня 2003 р.), на науково-технічних конференціях Вінницького державного аграрного університету у 1998 – 2004 роках.

Публікації. З теми дисертації опубліковано 12 робіт, серед них 8 статей у фахових журналах і збірниках наукових праць, 1 стаття у науковому виданні і 2 у матеріалах наукових конференцій та отримано 1 патент України на винахід.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація викладена українською мовою, складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що охоплює 131 назву та додатків. Загальний обсяг роботи складає 155 сторінок, в тому числі 41 рисунок, 16 таблиць і 11 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, наведені мета і задачі дослідження, викладено наукові положення, що виносяться на захист, наукова та прикладна новизна отриманих результатів, місце і практичне значення створених розробок, дана загальна характеристика дисертації.

У першому розділі представлені результати аналітичних досліджень стану проблеми по змішуванню. Розкрито специфіку внесення преміксів у комбікорми для годівлі тварин, птиці, риб тощо. Виділені основні переваги вібраційного змішування та обґрунтовано доцільність його використання. Представлений аналіз та класифікація конструктивних схем вібраційних змішувачів. Сформульовані задачі досліджень.

Вагомий внесок у створення та впровадження вібраційних технологій і обладнання, а також розвиток конструктивних схем змішувачів, теорію і практику процесу змішування зробили відомі вчені: І.І. Блехман, А.П. Бабічев, П.С. Берник, І.Х. Гончаревич, А.Є. Десов, П.Д. Денісов, В.В. Кафаров, К.М. Корольов, Г.Я. Куннос, Ю І. Макаров, М.В. Михайлов, М.Л. Моргуліс, П.П. Овчинников, Ф.Д. Овчаренко, В.М. Потураєв, В.О. Повідайло, К.М. Рагульскіс, А.М. Скудра, Л.І. Сердюк, В.Й. Сівко, К.В. Фролов, В.П. Франчук, В.А. Членов, В.Б. Яковенко та ін.

На основі проведеного аналізу відомих конструкцій змішувачів, що експлуатуються в різних галузях господарства України та результатів досліджень по даній проблемі, слід зробити висновок, що значного підвищення рівня однорідності отриманої суміші із компонентів з різними фізико-механічними властивостями, зменшення тривалості змішування і питомих енерговитрат можна досягти шляхом комбінованої дії на технологічне середовище вібраційного поля і перемішуючих лопатей. Обґрунтована схема експериментального зразка вібраційного змішувача.

У другому розділі представлена методика проведення досліджень, наведено опис обладнання і планування експерименту методами математичної статистики.

Даний змішувач має зварну раму, на якій встановлений контейнер 3 за допомогою спіральних пружин 2. Ємкість контейнера складає 70 літрів. До контейнера 3 приєднаний дебалансний віброзбуджувач 1, а в середній частині розміщений вал 6 з лопатями 7, який встановлений на опори 5, що жорстко закріплені на рамі змішувача 12, яка не коливається. За рахунок цього при роботі змішувача вал не здійснює коливних рухів, що значно розвантажує підшипникові вузли 5, підвищує їх довговічність і надійність. Крім того, зменшується коливна маса змішувача, що знижує витрати енергії. Завдяки еластичним з’єднанням 4 між лопатевим валом 6 і контейнером 3 коливання контейнера на вал не передаються. Привод вала здійснюється від електричного двигуна 9 через гнучку муфту 8. Завантаження компонентів здійснюється через горловину 10, а вивантаження суміші – через люк 11.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень впливу параметрів вібрації на енергетичні та якісні характеристики вібраційного змішувача, метою яких було отримання залежностей витрат енергії та якості суміші в процесі змішування. На установці (рис. 1) порівнювалися три схеми змішування: 1 - вібраційна (без лопатевого вала); 2 - із лопатевим валом без накладання вібрації; 3 - комбінована (вібраційне змішування із лопатевим валом). Як робоче середовище використовували зерно сільськогосподарських культур – ріпаку, вівса, пшениці та ячменю. За основні параметри, які досліджувались, прийняли:

- енергетичні характеристики машини, а саме, потужності на привод неколивного лопатевого вала Pл і вала віброзбуджувача Pв;

- силові параметри, серед яких можна відзначити величину моменту М на лопатевому валі та величину вимушуючої сили F;

- робочі параметри: амплітуда коливань А контейнера, частота обертання лопатевого вала nл і вала віброзбуджувача nв;

- технологічні параметри процесу змішування: неоднорідність суміші Vс та час змішування t.

При проведенні експериментальних досліджень даного змішувача визначали витрати енергії на привод віброзбуджувача і на привод неколивного лопатевого вала в процесі вібраційного змішування сипучих матеріалів. Отримані залежності, які представлені в графічному вигляді на рис. 2.

Із графіка, показаного на рис. 2, випливає, що збільшення коефіцієнта режиму вібрації супрово-джується не тільки незначним ростом споживання енергії на приводному двигуні вала віброзбуджувача Pв, але і суттєвим зменшенням витрат енергії на електродвигуні привода лопатевого вала Pл. Із графіка сумарних енерговитрат на привод змішувача PУ був встановлений режим, при якому існує чітко виражений мінімум використання сумарної потуж-ності на обох приводах змішувача. Це досягається при коефіцієнті , що відповідає режиму безперервного підки-дання часток середовища.

Метою подальших експеримен-тальних досліджень було порівняння якості суміші в залежності від різних схем змішування. Результати експерименту представлені у вигляді графіків на рис. 3.

Отримані залежності показують, що найменша тривалість змішування спостерігається у схемі, коли є комбінована дія вібраційного поля та неколивного лопатевого вала, що зменшує тривалість змішування у 2 рази в порівнянні із традиційним змішуванням за допомогою лопатевого вала і у 5-8 разів – із суто вібраційною схемою змішування. За такої схеми змішування компонентів закінчувалося через 80 с. У змішувачі тільки із вібраційною дією рівномірного розподілу зерен ріпаку у зернах ячменю не досягали і через 800 с. Дослідження, проведені в найбільш економічному режимі роботи змішувача при , доводять необхідність комбінованої дії вібраційного поля та лопатевого вала і показують, що лише за таких умов можливо досягти значення неоднорідності суміші в межах 0,8 – 3% при тривалості процесу 80 – 100 с з мінімальними сумарними витратами енергії.

При побудові математичної моделі досліджуваної технічної системи проводили повнофакторний експеримент у вигляді 24. За цільову функцію - критерій для подальшої оптимізації, обрали енерговитрати приводного двигуна неколивного лопатевого вала Pл, Вт. Отримана математична модель у вигляді лінійного рівняння регресії:

.

Статистична обробка результатів експерименту показала, що збільшення частоти обертів вала ?л та площі перемішуючих елементів S призводить до збільшення величини споживаної потужності електродвигуном привода неколивного лопатевого вала Pл, а при збільшенні віброприскорення А?2 – до значного її зменшення. Вплив насипної густини ? на зміну потужності Pл, в досліджуваних межах, є незначним при накладанні вібраційного поля. Взаємодії усіх факторів виявилися незначимими, що свідчить про відсутність суттєвого впливу зміни значень одного фактора на інший. Адекватність регресійної моделі була встановлена перевіркою за критерієм Фішера, який, за результатами проведених дослідів, склав 1,5792, що не перевищує табличного значення 3,1957.

У четвертому розділі поставлена задача подальшого зменшення витрат енергії в процесі вібраційного змішування. З цією метою було запропоновано використати енергію коливань корпуса змішувача для обертання лопатевого вала. Необхідною умовою реалізації цієї ідеї є перетворення коливного руху контейнера в обертовий рух неколивного лопатевого вала. Таке рішення дає можливість не тільки значно зменшити енерговитрати, але й уникнути використання додаткового електродвигуна та редуктора.

На рис. 4 подана принципова схема нового енергозберігаючого вібраційного змішувача (патент України на винахід № 63977 С2, м. кл. B 01 F 11/00).

Основними конструктивними елементами його є контейнер 4 з еластичними вставками 5, який через пружні опори 1 спирається на раму, віброзбуджувач 2, маятниковий механізм 7 з маятниками 8 і 9, що поєднані між собою та контейнером 4.

Лопатевий вал 6 встановлений нерухомо на рамі змішувача за допомогою стойок 3. Маятники 8 і 9 мають вантажі із масами m1 і m2 та пружини 10 із жорсткостями C1 і C2. Варіюванням цих параметрів, а також довжин маятників підбирають оптимальний робочий режим змішувача.

Віброзмішувач працює наступним чином. Від віброзбуджувача 2, що обертається з кутовою швидкістю В, кругові коливання у вертикальній площині передаються U-подібному контейнеру 4, в торцевих стінках якого встановлені підпружинені маятники 9. Гармонійні коливання, що генеруються приводом, кінематично збуджують крутильні коливання маятників 9. Власні частоти коливань маятників із вантажами вибирають приблизно рівними частоті коливань контейнера, але вони не повинні дорівнювати одна одній, для створення протифазних коливань. Через пружини, які з’єднують маятники, крутильні коливання передаються від маятників 9 до маятників 8. Останні через зовнішню обойму механізму вільного ходу з’єднані із лопатевим валом 6, який встановлений в нерухомих підшипникових опорах. Завдяки еластичним з’єднанням 5 між лопатевим валом 6 і контейнером 4 високочастотні коливання контейнера на вал не передаються. Крутильні коливання маятників перетворюються в обертальний рух вала із лопатями. Напрямок обертання вала задається протилежним циркуляційному руху завантаження. Завдяки протитечійному руху лопатів та радіальному переміщенню контейнера разом із завантаженням відносно лопатів в технологічному завантаженні утворюються складні циркуляційні потоки, в яких, за рахунок різних за величиною і напрямком суміжних шарів середовища, здійснюється активне змішування.

Цикл роботи маятникового механізму з муфтами вільного ходу в даній машині поділяється на робочий хід, коли маятник з вантажем провертається разом з лопатевим валом, і холостий хід, під час якого відбувається рух, що повертає маятниковий механізм в початкове положення.

Таке конструктивне виконання віброзмішувача дозволяє розвантажити підшипникові опори лопатевого вала, зменшити коливні маси машини, інтенсифікувати процес змішування без додаткових приводних механізмів.

Наведена схема має шість ступенів вільності, тому рух машини описаний шістьма диференціальними рівняннями другого порядку, які були складені з використанням рівнянь Лагранжа II-го роду:

(1)

(2)

(3)

(4)

, якщо , якщо

(5)

(6)

де ?, ц – ?олярні координати, що визначають положення центра мас контейнера відносно нерухомої системи координат Оxy; ?1 – кут повороту контейнера відносно осі Ox; m1 – маса контейнера разом із завантаженням m1=mконт+kImзавант; I1 – момент інерції контейнера із завантаженням відносно центра мас; ?1 – кут, що визначає положення точки підвісу першого маятника; ?2 – кут повороту першого маятника (з механізмом вільного ходу) відносно осі Ox; m2 – маса першого маятника; I2 – момент інерції першого маятника; ?2 – початковий кут нахилу першого маятника до горизонтальної осі; ?3 – кут повороту дебаланса відносно контейнера; m3 – маса дебаланса; I3 – момент інерції дебаланса відносно центра мас; ?3 – кут, що визначає положення дебалансного віброзбуджувача відносно контейнера; I4 – момент інерції лопатевого вала і механізма вільного ходу відносно осі обертання; ?5 – кут повороту другого маятника відносно осі Оx; m5 – маса другого маятника; I5 – момент інерції другого маятника; ?5 – початковий кут нахилу другого маятника до горизонтальної осі; cx1, cy1,cц1 – коефіцієнти лінійного та кутового опору пружної підвіски контейнера; bx1, by1, bц1 – коефіцієнти лінійного та кутового в’язкого опору середовища; О1А=l1 – відстань від осі обертання лопатевого вала до осі обертання дебаланса; ОО2= l2 – довжина першого маятника; l3 – ексцентриситет дебаланса; О1О4= l4 – відстань, що визначає положення точки підвісу першого маятника; О4О5= l5 – довжина другого маятника; ВО4=h5 – відстань від точки підвісу другого маятника до точки кріплення пружини BL; OL=h2 – відстань від точки підвісу першого маятника до точки кріплення пружини BL; О4Н= h4 – відстань від точки підвісу другого маятника до точки кріплення пружин.

Аналіз системи диференціальних рівнянь руху, проведений з метою їх розв’язку, дозволив шляхом визначення членів більшого порядку малості прийняти певні спрощення та припущення. Отриманий частинний розв’язок лінійних диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами дозволив вивести наближені залежності, в тому числі для визначення амплітуди коливань А контейнера:

. (7)

Була визначена залежність потужності Р необхідної для здійснення процесу змішування у вібраційному змішувачі з неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним приводом:

. (8)

У п’ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень нового вібраційного змішувача із неколивним лопатевим валом і подвійним маятниковим віброімпульсним приводом та їх порівняння із теоретичними розрахунками, проведена оцінка його технічного рівня в порівнянні з існуючими.

В найбільш економічному режимі роботи змішувача при змішуванні досліджуваних матеріалів, коли витрати енергії на привод вала віброзбуджувача складають Рв=350 Вт. Порівняння із значеннями споживаної потужності для віброзмішувача з окремим приводом неколивного лопатевого вала, коли Рв=252 Вт, РУ=467 Вт при (рис. 2.) дозволяє зазначити, що витрати енергії на привод збудження коливань зросли на 38,8% за рахунок приєднання маси двох маятників. Але сумарні витрати енергії на здійснення процесу змішування зменшилися на 25,1%.

При порівнянні теоретично знайденої залежності споживаної потужності віброзбуджувачем Pв від коефіцієнта режиму вібрації k та її експериментальним значенням виявлено, що розбіжність складає 10-12%, що є прийнятним для використання запропонованої математичної моделі в проектних розрахунках вібраційних змішувачів даного типу. Результати порівняльних досліджень доводять зменшення питомих витрат енергії в порівнянні із змішувачем з двома окремими приводними механізмами лопатевого вала і дебалансного віброзбуджувача в 1,5 рази, а в порівнянні з існуючими – в 3-5 раз при забезпеченні потрібної швидкості обертання лопатевого вала та обертового момента.

Проведена оцінка на конкурентоздатність дослідно-промислового зразка змішувача за методом узагальнюючих показників якості двох видів, в порівнянні з існуючими, свідчить про його високий технічний рівень.

ВИСНОВКИ

В дисертації запропоновано рішення проблеми створення енергоощадного змішувача для високоякісного внесення преміксів в комбікорми з використанням низькочастотних коливань.

1. На основі проведеного аналізу існуючих конструктивних схем змішувачів доведено, що накладання вібраційного поля на технологічне середовище дозволяє реалізовувати високі технології, створює умови для отримання якісної суміші, недосяжної в інших змішувачах, суттєво зменшує витрати часу і енергії. Обґрунтовано схему вібраційного змішувача, яка представляє собою U-подібний контейнер із розташованим вздовж геометричної осі неколивним лопатевим валом, з’єднаним з контейнером еластичним з’єднанням, який транспортує суміш в осьовому напрямку, запобігає можливій появі сегрегації, руйнує утворення конгломератів шляхом здійснення радіальних переміщень контейнера із завантаженням відносно лопатей.

2. Експериментальними дослідженнями енергетичних характеристик та якості змішування запропонованої схеми вібраційного змішувача встановлено, що мінімальні витрати сумарної енергії виникають в режимі безперервного підкидання часток середовища при значенні коефіцієнта режиму вібрації k?2,5-3 час змішування, в порівнянні із змішуванням без лопатевого вала, зменшується в 3-5 разів, а однорідність суміші покращується у 4-5 разів.

3. Отримано залежності витрат енергії на привод лопатевого вала від кутової швидкості обертання лопатевого вала ?л, віброприскорення контейнера А?2, площі перемішуючих елементів лопатевого вала S, насипної густини завантаження ? методом планування експеримента та регресійного аналізу. Статистична обробка результатів експерименту показала, що збільшення частоти обертів лопатевого вала ?л та площі його перемішуючих елементів S призводить до збільшення величини споживаної потужності привода неколивного лопатевого вала Pл, а при збільшенні віброприскорення контейнера А?2 – до значного її зменшення. Вплив насипної густини ? на зміну потужності приводного двигуна лопатевого вала віброзмішувача Pл, в досліджуваних межах є незначним при накладанні вібраційного поля.

4. Запропоновано нову схему вібраційного змішувача, яка реалізує ідею єдиного привода для збудження коливань контейнера і обертання неколивного лопатевого вала, а перетворення енергії коливань контейнера змішувача разом із завантаженням в обертовий рух неколивного лопатевого вала реалізується за допомогою подвійного маятникового віброімпульсного перетворювача.

5. Розроблено математичну модель вібраційного змішувача з дебалансним віброзбуджувачем, U-подібним контейнером, неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем у вигляді 6-ти диференціальних рівнянь другого порядка. На основі теоретичних досліджень та проведеного аналізу математичної моделі отримані частинні розв’язки лінійних рівнянь, що дозволило визначити точки встановлення маятників, їх взаємне положення в залежності від геометричних та амплітудно-частотних параметрів.

6. Проведеними експериментальними дослідженнями енергетичних характеристик вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем підтверджено адекватність складеної математичної моделі, що визначає її практичну цінність.

7. Оцінка ефективності нового змішувача вказує на його високу конкурентоздатність в сучасному кормовиробництві, а виготовлений дослідно-промисловий зразок впроваджено на АТЗТ ,,Корделівський ОМКЗ” Калинівського району Вінницької області. Це забезпечило зменшення питомих витрат електроенергії в порівнянні з традиційними змішувачами в 1,8–2,1 рази і покращення однорідності отриманої суміші в 4-5 разів.

Публікації за матеріалами дисертаційної роботи:

1. Паламарчук І.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Розвиток конструктивних схем віброзмішувачів з механізмом вільного ходу// Збірник наукових праць Харківського державного технічного університету сільського господарства ,,Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв” (випуск 5). – Харків, 2000. – С. 167–173. (доля здобувача 60%–аналіз стану науково-дослідних робіт по створенню вібраційних змішувачів).

2. Паламарчук І.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Обгрунтування технологічних та конструктивних схем енергозберігаючих віброзмішувачів барабанного типу // Вибрации в технике и технологиях. – 2001. – №1 (17). – С. 34–37. (доля здобувача 40%–розробка класифікації вібраційних змішувачів).

3. Берник М.П., Цуркан О.В., Величко Л.Д. Віброімпульсний привод нового вібраційного змішувача // Вибрации в технике и технологиях. – 2001. – №2 (18). – С. 3–7. (доля здобувача 45%–узагальнення матеріалів за результатами досліджень з підготовкою до опублікування).

4. Берник М.П., Цуркан О.В. Дослідження динаміки руху вібраційного змішувача з дебалансним віброзбуджувачем та маятниковим приводом лопатевого валу // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства ,,Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних та харчових виробництв” (випуск 9). – Харків, 2002. – С. 338–345. (доля здобувача 45%–аналіз розробленої математичної моделі вібраційного змішувача).

5. Берник М.П., Цуркан О.В., Величко Л.Д. Математична модель вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом та подвійним маятниковим віброімпульсним приводом // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства ,,Сучасні напрямки технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв” (випуск 16). – Харків, 2003. – С. 157–160. (доля здобувача 70%–розробка математичної моделі вібраційного змішувача).

6. Середа Л.П., Берник М.П., Цуркан О.В. Нові конструкції вібраційних змішувачів в кормовиробництві // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць УкрНДІ по прогнозуванню та випробуванню техніки і технологій для с.-г. виробництва (УкрНДІПВТ); Ред. кол.: Л.В. Погорілий та ін. – Дослідницьке, 2003. – Випуск 6 (20) – С. 117–123. (доля здобувача 65%–розробка і створення дослідно-промислового зразка вібраційного змішувача з неколивним лопатевим валом).

7. Берник П.С., Берник М.П., Цуркан О.В. Енергозберігаючі змішувачі для приготування сипучих кормів // Техніка АПК. – 2003. – №8. – С. 16–18. (доля здобувача 60%–розробка порівняльної характеристики вібраційних змішувачів, обгрунтування принципової схеми вібраційного змішувача із неколивним лопатевим валом і подвійним маятниковим віброімпульсним перетворювачем).

8. Берник П.С., Цуркан О.В. Энергосберегающий вибрационный смеситель // Вісник Національного технічного університету ,,Харківський політехнічний інститут’’. Збірник наукових праць. Тематичний випуск ,,Хімія, хімічна технологія та екологія’’. – Харків: НТУ ,,ХПІ’’. – 2003. – №17. – С. 53–56. (доля здобувача 75%–проведено порівняльний аналіз вібраційних змішувачів).

9. Берник П.С., Цуркан О.В. Маятниковый преобразователь колебательного движения во вращательное // Межвузовский сборник научных статей ,,Вопросы вибрационной технологии”. – Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2003. – С. 16–20. (доля здобувача 55%–запропоновано застосувати маятникові віброімпульсні перетворювачі руху з метою використання енергії коливань контейнера для привода неколивного лопатевого вала).

10. Вібраційний змішувач: Патент № 63977. Україна, МКІ В01F11/00 / М.П. Берник, І.П. Паламарчук, О.В. Цуркан. – № 2000052580; Заявлено 05.05.2000; Опубл. 16.02.2004, Бюл. № 2. – 2 с. (дольова участь здобувача у розробці відмінних ознак винаходу однакова разом з іншими співавторами).

11. Выбор конструктивной схемы вибрационного смесителя с механизмом свободного хода. Тезисы докладов Международной научно – технической конференции ,,Вібрації в техніці та технологіях” / Искович-Лотоцкий Р.Д., Паламарчук И.П., Берник М.П., Цуркан О.В. – Евпатория, 1998. – С. 125–128. (доля здобувача 45%–розробка енергоощадної схеми вібраційного змішувача).

12. Берник М.П., Цуркан О.В., Еленич М.П. Виброимпульсный привод вибрационных смесителей // Международный периодический сборник научных трудов ,,Обработка дисперсных материалов и сред”. НВО ,,ВОТУМ’’, выпуск 11. – Одеса. – 2001. – С. 62–66. (доля здобувача 60%–узагальнення матеріалів за результатами досліджень та апробація на науковій конференції).

АНОТАЦІЯ

Цуркан О.В. Розробка та дослідження енергоощадного вібраційного змішувача для внесення преміксів в комбікорми. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. – Харківський державний технічний університет сільського господарства. – Харків, 2004.

Дисертацію присвячено розробці, створенню та дослідженню енергоощадного вібраційного змішувача для високоякісного внесення преміксів в комбікорми.

Обґрунтована та досліджена комбінована схема вібраційного змішувача з окремим приводом неколивного лопатевого вала та вала віброзбуджувача. Побудовано залежності споживання енергії на лопатевому валу і віброзбуджувачі від параметрів вібраційного поля. Знайдено режими роботи вібраційного змішувача, за яких сумарне споживання енергії є мінімальним, а неоднорідність отриманої суміші відповідає технічним вимогам на процес змішування.

З метою подальшого зменшення витрат енергії в процесі вібраційного змішування створено новий вібраційний змішувач, у якого енергія вібруючого контейнера разом із завантаженням використовується для обертання неколивного лопатевого вала. Розроблена та проаналізована математична модель динаміки руху даного змішувача.

Основні теоретичні результати дисертації перевірено експериментально, що підтверджує їх адекватність.

Ключові слова: змішування, премікси, вібраційний змішувач, енерговитрати, неоднорідність суміші, віброімпульсні перетворювачі.

АННОТАЦИЯ

Цуркан О.В. Разработка и исследование энергосберегающего вибрационного смесителя для внесения премиксов в комбикорма. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 – Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. – Харьковский государственный технический университет сельского хозяйства. – Харьков, 2004.

Диссертация посвящена разработке, созданию и исследованию энергосберегающего вибрационного смесителя для высококачественного внесения премиксов в комбикорма.

Проанализированы различные конструктивные схемы вибрационных смесителей, используемых для приготовления смесей во многих технологических процессах. Низкие удельные энергозатраты, высокая производительность и качество смешивания, с учетом специфических особенностей приготовления полнорационных комбикормов, подтверждают технологическую целесообразность их широкого применения в сельскохозяйственном кормопроизводстве. Обоснована необходимость и преимущества комбинированного воздействия вибрационного поля и неколебательного лопастного вала на смешиваемые компоненты.

Проведенный анализ известных работ по вибрационному смешиванию, а также критериев определения однородности смеси положен в разработку методики экспериментального исследования разработанного вибрационного смесителя. Впервые определен экономичный режим работы вибросмесителя при значении коэффициента режима вибрации для исследуемых материалов, при которых удельные затраты потребляемой энергии минимальные и в 3–5 раз меньше, чем в традиционных смесителях. При этом достигается неоднородность смеси 0,8–3% в течение 80–100 с. Исследовано влияние времени смешивания на неоднородность смеси в зависимости от воздействия параметров вибрационного поля и наличия лопастного вала. Методом планирования эксперимента и регрессионного анализа получена зависимость затрат энергии на привод неколебательного лопастного вала Рл в зависимости от его угловой скорости вращения ?л, виброускорения контейнера А?2, площади перемешивающих лопастей S, насыпной плотности загрузки ?.

Составлена и проанализирована математическая модель динамики вибрационного смесителя с неколебательным лопастным валом и двойным маятниковым виброимпульсным преобразователем. Аналитически установлена и экспериментально подтверждена закономерность потребления энергии электродвигателем вибровозбудителя в зависимости от режима вибрации. Рассмотрены варианты расположения точек подвеса маятников и их положение по отношению к центру масс контейнера для получения максимального крутящего момента и угловой скорости на лопастном валу.

Оценка эффективности разработанного смесителя показала его конкурентоспособность в современных условиях кормопроизводства.

Созданный образец вибросмесителя внедрен в технологический процесс приготовления комбикормов на стадии внесения премиксов в условиях АОЗТ ,,Корделевский ОМКЗ’’ Калиновского района Винницкой области, что обеспечило снижение удельных энергозатрат в 1,8-2,1 раза и улучшение однородности смеси в 4-5 раз в сравнении с действующими смесителями.

Ключевые слова: смешивание, премиксы, вибрационный смеситель, энергозатраты, неоднородность смеси, виброимпульсные преобразователи.

ABSTRACT

Tsurkan O.V. The eleboration and researching of energysaving vibromixer for bringing in premix to the combifood – Manuscript.

Tsesis for being conferred Candidate of Technical Scinces Degree in speciality 05.05.11 – Мachines and means of mechanization of agrarian production. – Kharkiv state technical university of agriculture. – Kharkiv, 2004.

The dissertation deals with eleboration, creating and reasearching of energysaving vibromixer for qualitative bringing in premix to the combifood. The combined sheme of vibromixer with separate drive with unfluctuated spade shaft and vibroexciters between consumersion of energy on spade shaft and vibration field are built. Ih that case the energy consumersion is minimum and unhomogenousity of mixture is due to the technical demands.

In order to make energy consumersion minimum during vibromixering a new vibromixer is made. The mathematical model of mixer’s motion is made.

The main theoratical results of the thesis are checked experimantally.

Key words: mixering, vibromixer, energy consumersion, unhomogenousity of mixture.