КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ
СТАЦЕНКО ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 620.66.022
РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНОГО ВІДЦЕНТРОВОГО ЗМІШУВАЧА БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ З ДОДАТКОВОЮ ЗОНОЮ ЗМІШУВАННЯ ДЛЯ СИПКИХ МАТЕРІАЛІВ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
05.05.10 – машини легкої промисловості
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Біла Тетяна Яківна,
Київський національний університет технологій та дизайну,
доцент кафедри електромеханічних систем
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Піпа Борис Федорович,
Київський національний університет технологій та дизайну,
професор кафедри інженерної механіки;
кандидат технічних наук, доцент
Кіселичник Олег Іванович,
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри автоматизації електромеханічних систем та електроприводу
Провідна установа: Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України
Захист відбудеться 14.06. 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.02 Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.
Автореферат розісланий 05.05. 2007 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Бухонька Н.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасні підприємства легкої, хімічної та інших промисловостей широко застосовують у виробництві товарів народного споживання різноманітні за своєю рецептурою сипкі композиції, що складаються з багатьох компонентів. Зокрема, у легкій промисловості сипкі суміші використовують для виготовлення деталей низу взуття, фурнітури, штучної шкіри і т.п. Параметри суміші, а саме її відсотковий склад та однорідність, суттєво впливають на фізико-механічні властивості кінцевого продукту, а отже, значною мірою визначають його якість. Для отримання сумішей сипких матеріалів широко застосовується змішувальне обладнання, яке за принципом дії можна розділити на дві групи: періодичної та безперервної дії. Обладнання безперервної дії у порівнянні з періодичними змішувачами забезпечує ряд суттєвих переваг, серед яких високі продуктивність та якість суміші, незначний нагрів компонентів суміші під час змішування, менші метало- та енергоємність, можливість застосування в автоматизованому виробництві. Проте відсутність можливості керування перебігом процесу змішування та недостатність розробок нових сучасних конструкцій змішувачів безперервної дії стримує їх застосування в промисловості.
Серед змішувального обладнання безперервної дії найбільш перспективними є відцентрові змішувачі, які забезпечують високу продуктивність при відносно невеликих питомих енерговитратах.
Незважаючи на велику кількість наукових робіт, присвячених проблемам безперервного змішування сипких матеріалів, процеси, що відбуваються при цьому, вивчені значно менше ніж періодичні. Тому створення нового, більш ефективного змішувального обладнання потребує дослідження впливу його параметрів на однорідність суміші, що залежить від траєкторій руху її частинок. Крім того, неможливість визначення параметрів суміші під час змішування не дозволяє проводити корегування її відсоткового складу.
Таким чином, на сьогоднішній час існує необхідність вивчення процесів безперервного змішування, дослідження впливу параметрів змішувачів на перебіг цих процесів, розробки рекомендацій щодо проектування нових високоефективних типів змішувального обладнання, створення способу визначення поточних параметрів сипких композицій під час змішування для забезпечення можливості корегування їх складу у процесі роботи обладнання, що зумовлює актуальність проведення цих досліджень.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у рамках наукової програми „Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів” (держбюджетна тематика № Н/н 2, 2003-2006 р.р.), що виконана відповідно до плану НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну.
Мета і задачі дослідження. Мета роботи – вдосконалення конструкції та режимів роботи змішувального обладнання, що забезпечить підвищення якості кінцевого продукту та продуктивності змішувача, автоматизацію процесу виготовлення сумішей сипких матеріалів.
Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувались такі задачі:
– проведення аналізу існуючих конструкцій змішувачів безперервної дії, принципів їх роботи та методів визначення параметрів суміші;
– створення математичних моделей, що характеризують процес змішування компонентів суміші у відцентровому змішувачі безперервної дії з керованими параметрами режимів роботи;
– розробка автоматизованого відцентрового змішувача безперервної дії з підвищеними показниками продуктивності, згладжувальної здатності, однорідності суміші;
– розробка рекомендацій щодо проектування змішувального обладнання запропонованої конструкції.
Об’єкт дослідження – процес безперервного змішування сипких матеріалів у відцентрових змішувачах безперервної дії (ВЗБД).
Предмет дослідження – автоматизований відцентровий змішувач безперервної дії з додатковою зоною змішування для сипких матеріалів, що застосовуються у легкій промисловості.
Методи дослідження. Поставлені у роботі задачі вирішувались з використанням сучасних математичних методів та класичних положень фізики, теорії механізмів та машин, теорії твердого тіла, гідродинаміки. Застосовані методи математичного моделювання, планування експерименту, статистичного та регресійного аналізу. Результати математичного моделювання та обробки даних експериментальних досліджень наведені в роботі у вигляді таблиць і графіків, побудованих з використанням розроблених спеціальних програм для ПЕОМ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що на основі аналітичних досліджень кінематики та динаміки руху частинок у змішувачі обґрунтовано умови створення та алгоритми проектування ВЗБД. При цьому вперше отримані наступні наукові результати:
– створено математичні моделі процесу змішування сипких середовищ у ВЗБД;
– аналітично обґрунтована можливість підвищення продуктивності та згладжувальної здатності ВЗБД шляхом введення додаткової зони змішування;
– запропоновано наукові основи створення автоматизованих змішувачів безперервної дії для сипких середовищ.
Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення дисертаційної роботи полягає в тому, що на основі проведених досліджень:
– введена додаткова зона змішування з керованим режимом роботи;
– розроблено новий відцентровий змішувач безперервної дії з підвищеними згладжувальною здатністю та продуктивністю і можливістю корегування складу суміші (патент України на корисну модель № 18784, Бюл. №11, від 15.11.2006);
– розроблено спосіб визначення параметрів суміші під час роботи змішувача (деклараційний патент України № 66717 А, Бюл.№5, від 17.05.2004);
– розроблено алгоритм проектування нових автоматизованих відцентрових змішувачів безперервної дії;
– результати дисертаційної роботи впроваджено у виробництво на заводі кабельних бортових мереж для автомобілів ТЗОВ “Кромберг енд Шуберт Україна”. Розрахункова економічна ефективність складає 45620 грн. на рік.
Особистий внесок здобувача. Полягає у постановці та вирішенні основних експериментальних і теоретичних завдань. За безпосередньою участю автора здійснено вибір предмету дослідження, створено та удосконалено ряд методів і засобів досліджень, виготовлено відцентровий змішувач безперервної дії з підвищеними згладжувальною здатністю та продуктивністю і можливістю корегування складу суміші, розроблено спосіб визначення параметрів суміші під час роботи змішувача. Конкретний персональний внесок здобувача в опублікованих наукових працях у співавторстві з науковим керівником полягає у вирішенні основних теоретичних та прикладних задач [2, 4], проведенні експериментів [5, 6], отриманні результатів [1, 7].
Апробація роботи. Основні теоретичні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та одержали позитивну оцінку на:
– 3-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка та електромеханіка” (ІТЕМ-2005), м. Луганськ;
– ІV Українсько-Польській науково-технічній конференції молодих науковців “Механіка та інформатика”, м. Хмельницький, 2006;
а також на чотирьох конференціях молодих вчених, аспірантів та студентів Київського національного університету технологій та дизайну протягом 2003 – 2006 років.
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 9 робіт, серед яких 7 наукових статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, та 2 патенти України.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літературних джерел та додатків. Робота надрукована на 130 сторінках, містить 54 рисунки, 5 таблиць, 140 найменувань використаних джерел та 35 сторінок додатків. Загальний обсяг дисертації становить 181 сторінку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі досліджень, показані наукова новизна та практичне значення роботи.
Перший розділ присвячено аналізу сучасного стану дослідженнь обладнання та процесів виготовлення композицій з сипких матеріалів, який показав, що найбільш перспективним для застосування у легкій промисловості є змішувальне обладнання безперервної дії. Дослідженню процесів, що виникають під час роботи такого обладнання, та його проектуванню присвячені роботи професорів Макарова Ю.І., Александровського А.А., Зайцева А.І., Ахмадієва В.Г., Бурмістенкова О.П. та ін. Встановлено, що основними параметрами, які характеризують роботу змішувача є його згладжувальна та змішувальна здатність. Розглянуто існуючі конструкції ВЗБД та принципи їх роботи. Виявлено, що вдосконалення ВЗБД здійснюється у двох напрямках: по-перше, створенням додаткових зон змішування і, по-друге, інтенсифікацією руху частинок по внутрішній поверхні ротора за рахунок створення рециркуляції та складних траєкторій руху частинок з різними швидкостями. Встановлено, що сучасні конструкції відцентрових змішувачів безперервної дії не дозволяють корегувати склад суміші у процесі роботи. Для дослідження впливу конструктивних параметрів обладнання на якість виготовлення суміші необхідно мати математичний опис руху частинок всередині змішувача. Розглянуто відомі математичні методи моделювання роботи змішувачів безперервної дії. Встановлено, що в процесі моделювання будь-яку композицію сипких матеріалів представляють як суміш, що складається з двох компонентів: ключового та основного. Виявлено, що найбільш доцільним є застосування методів дослідження, які передбачають розбиття змішувача на сукупність ланок, кожна з яких має свою передаточну функцію. Для визначення параметрів ланок необхідно розробити фізичну модель взаємодії частинок суміші із робочими органами змішувача. Такий підхід забезпечує можливість застосування отриманої математичної моделі у широких межах зміни параметрів змішувача. Розглянуто основні властивості сипких матеріалів, їх вплив на перебіг процесу змішування.
Корегування складу суміші потребує інформації про її поточний склад. Розглянуто існуючі методи визначення параметрів суміші. Виявлено, що вони не можуть застосовуватись у системах керування змішувальним обладнанням безперервної дії через високу тривалість циклу вимірювання. У зв’язку з цим, встановлено необхідність створення нового способу дослідження параметрів суміші з короткою тривалістю циклу вимірювання.
Другий розділ присвячено аналітичним дослідженням процесу змішування у автоматизованому ВЗБД. У роботі висунуто гіпотезу, що за рахунок створення додаткової зони змішування з керованим режимом роботи з’являться можливості створення нового змішувального обладнання, підвищення однорідності суміші, згладжувальної здатності і продуктивності змішувача. Під час проведення аналітичного дослідження згладжувальної здатності як реакції системи на імпульсну зміну об’ємної продуктивності дозатора ключового компонента, змішувач представлено як ланку ідеального змішування. Зміна концентрації компонентів суміші при проходженні цієї ланки визначається за допомогою диференціального рівняння першого порядку:
, | (1)
де Tзм – постійна часу змішувача; Свих(t) – концентрація компоненту суміші на виході змішувача; Свх(t) – концентрація компоненту на вході змішувача.
Математична модель (1) включає постійну часу змішувача, що визначається його геометричними параметрами та режимами роботи. Введення додаткових зон змішування поліпшує якість суміші, але призводить до підвищення часу знаходження частинок у змішувачі та, відповідно, постійної часу змішувача. Змішувач з декількома зонами змішування можна представити як сукупність послідовно з’єднаних ланок ідеального змішування, кожна з яких має свою постійну часу. Для змішувача з двома зонами змішування математична модель зміни концентрації компонентів суміші визначається диференціальним рівнянням другого порядку:
, | (2)
де T1, T2 – постійні часу відповідних зон змішування.
Значення постійних часу зон змішування залежать не тільки від параметрів самих зон, а і від початкових умов руху частинок у них, тобто від попередніх зон змішування. На практиці експериментальне визначення постійної часу окремої зони у більшості випадків викликає великі труднощі. Тому, для дослідження згладжувальної здатності змішувача з декількома зонами змішування використовують рівняння (1), але з урахуванням загальної постійної часу змішування:
, | (3)
де N – кількість зон змішування.
Аналіз результатів моделювання впливу додаткової зони з постійною часу, близькою до першої зони, на згладжувальну здатність змішувача показав, що введення додаткової зони змішування призводить до зменшення відхилення концентрації ключового компоненту суміші від заданого значення на 45% та до зниження коефіцієнта неоднорідності на 40,9%. Запропонований підхід дозволив розробити конструкцію ВЗБД з додатковою зоною змішування (рис.1).
Рис. 1. Відцентровий змішувач безперервної дії з додатковою зоною змішування
Частинки суміші через вхідний патрубок 1 безперервно надходять у робочий простір змішувача, де відкидаються турбулізатором 4 до кришки 2 корпусу 3, а від неї надходять у внутрішній ротор 5. Турбулізатор 4 та ротор 5 встановлені на валу 9. Частинки суміші за рахунок відцентрових сил підіймаються вздовж бічної поверхні ротора 5 та вилітають з нього. Після цього, частинки відбиваються від кришки 2 змішувача та потрапляють у зовнішній ротор 6, який встановлений на валу 8. Характер руху частинок у ньому аналогічний внутрішньому ротору. Після виходу із зовнішнього ротора 6 частинки суміші за допомогою лопаті 7 подаються до патрубку 10 змішувача. Така конструкція дозволяє забезпечити більш раціональні масогабаритні параметри змішувача за рахунок часткового розміщення одного ротора всередині іншого.
Для визначення впливу геометричних та робочих параметрів змішувача (швидкості обертання роторів) на процес змішування розроблено математичні моделі руху частинок суміші у роторах змішувача та у зоні між ними.
Рис. 2. Схема взаємного розташування конічних роторів та сили, що діють на частинку суміші на їх бічній поверхні
На рис. 2 показано сили, що діють на частинку суміші у конічному роторі, де – сила тяжіння, – сила тертя ковзання, – сила інерції у переносному русі, – нормальна реакція поверхні ротора, xr – відстань від частинки суміші до вісі обертання ротора, – кутова швидкість обертання ротора, б – кут розтрубу ротора, R0 – радіус основи ротора.
Для дослідження руху частинки суміші у двороторному змішувачі запропонована модель, що додатково враховує характер руху частинок між роторами, взаємне розташування роторів та корпусу змішувача.
Визначення траєкторії та швидкості руху частинки суміші у конічних роторах здійснюється за допомогою систем диференціальних рівнянь першого порядку:
, | (4)
, | (5)
де f(x, y, z) – рівняння бічної поверхні ротора; xi, yi, zi – координати частинки відносно нерухомої системи координат; xri, yri, zri – координати частинки відносно рухомої системі координат, що обертається із кутовою швидкістю щ; vr – швидкість руху частинки; i – номер ротора змішувача; бi – кут розтрубу відповідного ротора; R0i – радіус основи відповідного ротора; fi – коефіцієнт тертя між бічною поверхнею відповідного ротора та частинками суміші. Для випадку усіченого конічного ротора .
Запропоновані системи рівнянь (4), (5) визначають траєкторії руху частинок у будь-яких роторах, виконаних у вигляді тіл обертання. Для цього змінюють рівняння f(x, y, z) у системі (5). Наприклад, для ротора, що має форму параболоїда обертання, , де k – параметр, який характеризує форму параболи.
Для переходу від власних систем координат роторів до загальної системі координат XYZ (рис. 2) використана система рівнянь:
, | (6)
Рис. 3. Траєкторії руху частинок суміші у конічному роторі для різних початкових положень
де індекси 1 та 2 відповідають внутрішньому та зовнішньому роторам; – відстань між основами роторів; hp1, hp2 – висоти внутрішнього та зовнішнього роторів; d – відстань між верхніми частинами роторів.
Результати розрахунків траєкторій руху частинок суміші для різних їх початкових положень показано на рис. 3. Отримані результати свідчать, що траєкторією руху частинки є крива другого порядку. Встановлено, що зміна початкової точки руху частинки призводить до суттєвої зміни траєкторії її руху, при цьому створюються потоки суміші, що взаємно перетинаються, та інтенсифікується процес змішування.
Довжина траєкторії руху частинки у роторі визначається формулою:
, | (7)
де t0, tк – початковий та кінцевий моменти руху частинки, і = 1 для внутрішнього ротора, і = 2 – для зовнішнього.
Довжина траєкторії руху частинки суміші у зоні між роторами (рис. 4) обчислюється за формулою: |
(8)
де R1, R2 – радіуси верхніх частин роторів; Н – відстань від верхньої точки внутрішнього ротора до верхньої точки змішувача; г – кут нахилу кришки змішувача; б1, б2 – кути розтрубів внутрішнього та зовнішнього роторів, відповідно; hp1, hp2 – висоти внутрішнього та зовнішнього роторів, відповідно; R01, R02 – радіуси основ внутрішнього та зовнішнього роторів, відповідно; d – відстань між верхніми частинами роторів.
Рис. 4. Розрахункова схема руху частинки у зоні між роторами
Загальна довжина траєкторії руху частинки у двороторному змішувачі визначається за формулою:
. | (9)
У ВЗБД ефект змішування досягається за рахунок взаємного перетинання траєкторій руху частинок суміші. В ідеальному випадку частинки суміші повинні рухатись абсолютно хаотично і незалежно одна від одної, але виконання цієї вимоги є практично неможливим з технічної точки зору. У реальних ВЗБД частинки суміші рухаються у складі розріджених потоків. Для забезпечення високої однорідності суміші необхідно створити умови для виникнення максимально можливої кількості потоків, що взаємно перетинаються, та забезпечити різні швидкості руху частинок у них. При цьому взаємне проникнення потоків можливе лише при достатній їх розрідженості, у противному випадку відбувається змішування лише тих частинок, що знаходяться на поверхні потоку.
Під час процесу безперервного змішування всередині змішувача постійно знаходиться деякий запас матеріалу, величина якого визначається розмірами, конструкцією змішувача та характером руху потоків частинок у ньому. Відомо, що існує взаємозв’язок між продуктивністю змішувача Q, запасом матеріалу G та середнім часом перебування частинок у ньому:
. | (10)
Встановлено, що швидкість руху частинок у змішувачі визначається режимами роботи його робочих органів (4), тому підвищення продуктивності призведе до збільшення запасу матеріалу, зниженню розрідженості потоків суміші та, відповідно, до зменшення взаємного проникнення потоків, які взаємно перетинаються. При цьому відбуватиметься змішування тільки тих частинок, що знаходяться у зовнішніх шарах потоків суміші. Таким чином, забезпечення високої якості змішування вимагає збільшення розрідженості шарів суміші, що рухаються у змішувачі.
Запропонований ВЗБД має додаткову зону змішування, яка підвищує загальну довжину траєкторії частинок суміші (9). Підвищення запасу матеріалу у зоні змішування при збереженні розрідженості шару суміші обчислюється за формулою:
, | (11)
де G1, G2 – запас матеріалу у зоні змішування однороторного та двороторного змішувачів, відповідно; lзаг1, lзаг2 – довжини траєкторій частинок у зонах змішування однороторного та двороторного змішувачів, відповідно.
Результати аналітичного дослідження показали, що введення зовнішнього ротора у змішувач призводить до збільшення загальної довжини траєкторії руху частинок на 20,4% у порівнянні із однороторним змішувачем однакових габаритних розмірів при незмінних швидкостях обертання роторів.
Траєкторія руху частинок між роторами визначається взаємним розташуванням роторів та корпусу змішувача. Результати розрахунків швидкості частинок суміші під час виходу з внутрішнього ротора для типових значень параметрів змішувача свідчать, що вона знаходится у межах від 8 до 15 м/с. Враховуючи, що відстані між ротором та корпусом змішувача не перевищують кількох десятків сантиметрів, можна вважати рух частинок у зоні між роторами прямолінійним. Допустимий діапазон зміни кутів нахилу кришки змішувача г, що гарантує потрапляння частинок суміші у зовнішній ротор, визначається наступними формулами:
, | (12)
, | (13)
, | (14)
де
.
Надходження частинок суміші у зовнішній ротор супроводжується їх ударом о шар суміші, що рухається вздовж його бічної поверхні. Схематично розташування частинок під час удару показано на рис. 5. На рисунку О2 – центр частинки, що падає; О1 – центр частинки, що рухається вздовж твірної ротора; V1, V2 – швидкості першої та другої частинок, відповідно; V11, V22 – проекції швидкостей частинок на лінію удару; ц – кут між лінією удару та напрямком руху частинки, що падає; и – кут між твірною ротора та лінією удару.
Швидкість частинок після удару визначається за допомогою системи нелінійних рівнянь:
, | (15)
де V1’, V2’ – швидкості частинок після удару; - швидкості частинок суміші до удару; – коефіцієнт, що враховує співвідношення мас частинок; m1, m2 – маси першої та другої частинок, відповідно; p – безрозмірний коефіцієнт, що враховує пружність частинок.
Рис. 5. Розрахункова схема взаємного розташування частинок суміші під час удару
Аналіз результатів моделювання взаємодії частинок суміші показав, що швидкість частинки, яка падає, після удару змінюється у межах від 23% до 96% від початкової в залежності від значень кутів и та ц. Такий широкий діапазон зміни швидкості призводить до створення потоків частинок із різними швидкостями та напрямками руху, що підвищує хаотичність їх руху та створює у зовнішньому роторі додаткову зону змішування.
Корегування складу суміші потребує даних про її поточні параметри та використання системи керування як роботою самого змішувача, так і дозаторів. Сучасні методи визначення складу сипкої суміші характеризуються великою трудомісткістю та не можуть бути застосовані у автоматизованому ВЗБД. У роботі запропоновано новий спосіб визначення параметрів суміші, який захищений деклараційним патентом України на винахід. Його суть полягає у визначенні діелектричної проникності готової суміші під час роботи змішувача безперервної дії. Компоненти суміші, рухаючись між обкладинками ємнісного датчика, змінюють діелектричну проникність середовища та, відповідно, ємність датчика. Зміна співвідношення компонентів суміші призводить до зміни сигналів датчика. Перевагами цього методу є можливість визначення відсоткового складу всього об’єму суміші, а не окремої виборки, та коротка тривалість циклу вимірювання.
На основі аналітичного дослідження параметрів датчиків різної конструкції встановлено, що для змішувачів з вихідним патрубком циліндричної форми найбільш доцільним є застосування ємнісних датчиків коаксіального типу. Їх перевагами є висока ємність та можливість встановлення без зміни конструкції змішувача. Ємність такого датчика С визначається геометричними параметрами вихідного патрубку змішувача:
, | (16)
де L – довжина вихідного патрубку; R – радіус вихідного патрубку; r – радіус центральної циліндричної обкладинки датчика; е0 – електрична стала; е – діелектрична проникність середовища.
Рис. 6. Схема автоматизованого ВЗБД
На рис. 6 показано схему автоматизованого відцентрового змішувача безперервної дії. Компоненти подаються у змішувач за допомогою дозаторів (для спрощення рисунку показано тільки один дозатор), об’ємні продуктивності яких змінюються за допомогою двигунів (М3). Після проходження через всі зони змішувача частинки суміші потрапляють у вихідний патрубок, в якому встановлено ємнісний датчик 1, що має дві обкладинки 2, 3. Сигнали ємнісного датчика за допомогою блоку порівняння 6 порівнюються із сигналом блоку завдання 10. Якщо зафіксовано відхилення складу суміші від заданого рівня, який визначається під час калібрування системи за допомогою зразкової суміші, пристрій керування 4 подає відповідні сигнали пристрою керування роботою дозатора 9 та пристрою керування зовнішнім ротором 5, які у свою чергу змінюють швидкості обертання двигунів М3 та М2. Аналіз результатів аналітичного дослідження системи керування показав, що зменшення постійної часу пристрою керування дозволяє зменшити кількість суміші із некоректним відсотковим складом, але, призводить до виникнення коливальних процесів та зниження стійкості системи. При відхиленні відсоткового складу суміші пристрій керування 5 зменшує швидкість обертання зовнішнього ротора до величини, за якої частинки суміші не можуть вийти з нього за рахунок відцентрових сил (щ < щкр), та одночасно пристрій 9 починає поступово змінювати об’ємну продуктивність відповідного дозатора. Критична швидкість обертання ротора, що забезпечує вихід частко з нього, визначається за формулою:
. | (17)
Суміш, що накопичується у зовнішньому роторі, змішується із сумішшю з виправленим відсотковим складом, внаслідок чого середнє відхилення відсоткового складу від заданого значення зменшуватиметься. При досягненні заданого відсоткового складу суміші пристрій керування 5 підвищує швидкість обертання зовнішнього ротора та переводить його у звичайний режим роботи. Такий алгоритм керування змішувачем забезпечує аперіодичний характер процесів у змішувачі та заданий відсотковий склад суміші. Залежність відхилення відсоткового складу суміші від параметрів системи керування для двокомпонентної суміші визначається за наступними формулами:
, |
(18)
, |
(19)
, |
(20)
де mKK, mOK – маси ключового та основного компонентів суміші; tH – час роботи зовнішнього ротора у режимі накопичувача; гКК, гОК – насипна густина основного та ключового компонентів, відповідно; QKKвих(t), QOK – об’ємні продуктивності ключового та основного компонентів суміші на виході змішувача, відповідно.
Під час аналітичного дослідження об’ємна продуктивність дозатора основного компонента вважалась сталою величиною. Об’ємна продуктивність ключового компонента на виході змішувача знаходиться з рішення диференціального рівняння: |
(21)
де tреаг – постійна часу пристрою керування; QKKвх – об’ємна продуктивність ключового компонента на вході змішувача.
Результати дослідження залежності концентрації ключового компонента суміші від постійної часу пристрою керування та часу роботи зовнішнього ротора у накопичувальному режимі при стрибкоподібній зміні об’ємної продуктивності дозатора ключового компонента показано на рис. 7. Встановлено, що зменшення постійної часу пристрою керування та збільшення тривалості роботи зовнішнього ротора у режимі накопичувача зменшує відхилення відсоткового складу суміші від заданого значення (Сзад = 0,1).
Рис. 7. Залежність концентрації ключового компонента СКК від часу роботи змішувача у накопичувальному режимі tН
Результати дослідження потужності, що споживається під час роботи автоматизованого змішувача безперервної дії, дозволили визначити режими роботи із максимальними витратами енергії. Встановлено, що під час переходу зовнішнього ротора із накопичувального у нормальний режим роботи останній містить максимально можливу кількість суміші, крім того, відбувається підвищення його швидкості обертання. Таким чином, цей режим роботи характеризується максимально можливими навантаженнями у приводі змішувача.
Отримано залежність динамічного моменту M(t) приводу змішувача від параметрів пристрою керування під час такого режиму роботи:
, | (22)
де Рзов(t) – потужність, що споживається приводом зовнішнього ротора; щ(t) – кутова швидкість обертання зовнішнього ротора; Qвнутр – об’ємна продуктивність внутрішнього ротора; Jпоч – момент інерції зовнішнього ротора до переходу у режим накопичувача; kф – коефіцієнт, що враховує розташування суміші всередині ротора; tн – час роботи у режимі накопичувача; щнорм – кутова швидкість обертання у нормальному режимі роботи; щнак – кутова швидкість обертання у режимі накопичувача; tпер – час переходу із режиму накопичувача у нормальний режим роботи.
Проведено аналітичне дослідження впливу кута розтрубу зовнішнього ротора б2 на максимальне значення динамічного моменту, що виникає у приводі ротора під час переходу із накопичувального у нормальний режим роботи. Відповідно до формули (17) зміна кута розтрубу ротора призводить до зменшення кутової швидкості ротора щкр, яка забезпечує вихід частинок з нього. Залежність щкр від значень кута розтрубу ротора 2 показано на рис. 8.
Рис. 8. Залежності максимального динамічного моменту у приводі зовнішнього ротора та критичної швидкості обертання від куту його розтрубу:
“--” – максимальний динамічний момент;
“- - - - -” – критична швидкість обертання ротора
Під час дослідження залежності максимального динамічного моменту прийнято, що частинки суміші рухаються від дна ротора (), швидкість обертання ротора лінійно зростає від щнак = 0 до щнорм = щкр за заданий проміжок часу tпер = 4с. Критична швидкість обертання ротора щкр визначалась за формулою (17) окремо для кожного значення кута розтрубу зовнішнього ротора б2. Під час проведення розрахунків обчислювались максимальні значення моментів Mmax для відповідних кутів розтрубу б2.
За результатами дослідження залежності максимального динамічного моменту від параметрів зовнішнього ротора (рис. 8) визначено діапазон кутів розтрубу зовнішнього ротора, що забезпечує мінімальні значення його динамічного моменту, у межах від 400 до 550 при (щнорм - щнак) = 28,15…18,66 с-1. За таких умов потужність, що споживається змішувачем, становить Р = 320…410 Вт.
У третьому розділі розкрито засоби та методи експериментальних досліджень роботи автоматизованого ВЗБД із додатковою зоною змішування та наведено їх результати.
Рис. 9. Загальний вигляд роторів ВЗБД
З метою перевірки отриманих математичних моделей створено дослідну установку, що дає можливість досліджувати роботу автоматизованого змішувача як з одним, так і з двома роторами (рис. 9). В якості матеріалів для дослідження обрано гранульовані поліетилен та поліпропілен, як одні з найбільш широко розповсюджених у легкій промисловості.
Експериментальні дослідження згладжувальної здатності виконано для однороторного та двороторного змішувачів. Визначена зміна концентрації ключового компонента суміші на виході змішувача після миттєвого введення додаткових 10% ключового компоненту (рис. 10) та розраховано значення постійних часу.
Різниця між експериментальними та аналітичними (1) результатами становить 8,2% для однороторного змішувача і 3,5% для двороторного. Застосування двороторного змішувача дозволяє зменшити коефіцієнт неоднорідності на 30,3%.
Рис. 10. Дослідження згладжувальної здатності змішувачів
“0” – результати експериментальних досліджень однороторного змішувача, “+” – результати експериментальних досліджень двороторного змішувача, “-” – результати аналітичних розрахунків (1)
Результати дослідження підтверджують гіпотезу про підвищення згладжувальної здатності змішувача з додатковою зоною змішування. При цьому застосування двороторного змішувача дозволяє зменшити коефіцієнт неоднорідності.
Дослідження середнього часу знаходження частинок у змішувачі проводилось для однороторного та двороторного змішувачів з різною продуктивністю дозаторів. Результати досліджень наведено на рис. . На основі експериментальних даних отримано рівняння регресії, що визначають залежності середнього часу знаходження частинок у змішувачах від швидкостей обертання їх роторів:
(однороторний) | (23)
(двороторний) | (24)
Рис. 11. Дослідження середнього часу знаходження частинок у змішувачі
“?” – результати експериментальних досліджень; “1” – для однороторного змішувача; “2” – для двороторного змішувача; “-” – регресійні криві
Різниця між отриманими рівняннями регресії та експериментальними даними не перевищує 2,2%. Аналіз результатів дослідження свідчить, що введення додаткового ротора у змішувач спричиняє підвищення середнього часу перебування частинок суміші у ньому в середньому на 20,4% при незмінній швидкості обертання роторів. Зважаючи на те, що довжина траєкторії руху частинки пропорційна часу її руху (при сталій швидкості обертання роторів), можна стверджувати, що ВЗБД запропонованої конструкції підвищує запас матеріалу на 20,4% без зниження розрідженості потоків суміші у ньому та дає можливість підвищити продуктивність змішувача також на 20,4%. Рівняння (23), (24) визначають допустимий діапазон збільшення швидкості обертання роторів двороторного змішувача при збереженні середнього часу перебування частинок у ньому. Для введення додаткової зони змішування дозволяє підвищити швидкість обертання роторів на 24,4…38,2%.
Запропонована система визначення параметрів суміші встановлює момент виникнення та рівень відхилень у складі суміші. Ця інформація дозволяє не тільки корегувати роботу дозаторів, а і зменшувати величину самого відхилення. Для дослідження впливу часу реакції пристрою керування дозаторами та часу роботи у режимі накопичувача на відсотковий склад суміші Скк проведено повнофакторний експеримент типу 22. Фактори, що змінювались: tр – час реакції пристрою керування дозаторами, tн – час роботи у режимі накопичувача. В результаті дослідження отримано наступне рівняння регресії: |
(25)
Співставлення отриманих даних (рис. 12) свідчить про їх відповідність результатам аналітичних досліджень (18)…(20).
На рис. 13 показано результати експериментального дослідження потужності, що споживається, при переході зовнішнього ротора із накопичувального у нормальний режим роботи. Аналіз результатів досліджень виявив відповідність експериментальних даних аналітичним розрахункам. Отримане рівняння регресії дозволяє визначати максимальну потужність, що споживається при заданому режимі роботи: |
(26)
Рис. 12. Дослідження впливу параметрів системи керування на відсотковий склад суміші
поверхня – результати аналітичного дослідження; “¦” – результати експерименту | Рис.13. Дослідження потужності, що споживається автоматизованим змішувачем
“x” – дані, що отримані експериментально;
“-” – результати аналітичних розрахунків (22)
Різниця між результатами експерименту і даними, отриманими за рівнянням (26), в середньому становить 4,6 %, що дозволяє використовувати отримане рівняння для інженерних розрахунків. Виходячи з результатів досліджень, можна рекомендувати встановлювати мінімальне значення часу переходу зовнішнього ротора з накопичувального у нормальний режим роботи не менше 4 секунд, що відповідає підвищенню споживання потужності на 76,7%.
Четвертий розділ присвячено практичній реалізації результатів досліджень. Розглянуто конструкцію запропонованого автоматизованого відцентрового змішувача безперервної дії та вплив його параметрів на якість готової суміші. Представлено алгоритм керування змішувачем та опис системи керування його роботою. Запропоновано інженерний метод та алгоритм проектування автоматизованого ВЗБД з додатковою зоною змішування, в основі якого лежать математичні моделі, отримані в ході аналітичних та експериментальних досліджень.
Згідно запропонованого методу першим етапом проектування є визначення раціональних параметрів змішувача. Другий етап передбачає розрахунок параметрів внутрішнього ротора: радіуса основи, кута розтрубу, висоти, швидкості обертання. На третьому етапі виконується визначення параметрів корпусу та зовнішнього ротора. При цьому встановлюються найбільш раціональні габаритні розміри ротору (радіус основи, кут розтрубу, висота), кут нахилу кришки змішувача, швидкості обертання у накопичувальному та нормальному режимах роботи, максимальна тривалість накопичувального режиму роботи та мінімальний об’єм зовнішнього ротора.
Результати дисертаційної роботи впроваджено у виробництво на заводі кабельних бортових мереж для автомобілів ТОЗВ “Кромберг енд Шуберт Україна”. Застосування змішувача запропонованої конструкції дозволило зменшити витрати на виготовлення сумішей за рахунок підвищення продуктивності обладнання. Очікуваний річний економічний ефект становить 45620 грн.
ВИСНОВКИ
1. Проведено аналіз існуючих конструкцій змішувачів безперервної дії, принципів їх роботи та методів визначення параметрів суміші.
2. Створено математичні моделі процесу змішування, що дозволяють визначати вплив геометричних розмірів та швидкостей обертання роторів на згладжувальну здатність змішувача, довжину траєкторії частинок у ньому та прогнозувати підвищення продуктивності; визначати динамічні навантаження у приводі змішувача. Отримані математичні моделі дозволили встановити, що при внутрішньому роторі з радіусом основи R01 = 47 мм, висотою h1 = 145 мм, кутом розтрубу б1 = 300 забезпечення необхідних траєкторій руху частинок у змішувачі можливе, якщо розміри зовнішнього ротора становлять R02 = 125 мм, h2 = 164 мм, б2 = 400, при відстані між роторами не менше 15 мм та куті нахилу кришки змішувача не більше 750.
3. Аналітично та експериментально встановлено, що введення у змішувач додаткової зони змішування зменшує відхилення концентрації компонентів суміші від заданого на 55,6% при зменшенні коефіцієнта неоднорідності на 30,3%, що свідчить про підвищення згладжувальної здатності, та збільшує середній час перебування частинок суміші всередині змішувача на 20,4%, що дозволяє підвищити продуктивність також на 20,4% при збереженні якості змішування на заданому рівні.
4. Визначено діапазон кутів розтрубу додаткового ротора (400…550), що забезпечує мінімальні динамічні навантаження у приводі змішувача під час зміни кутової швидкості, та отримано залежність між тривалістю зміни режимів роботи робочого органу та потужністю, що споживається. Рекомендовано обирати тривалість зміни режимів роботи більше 4 с, що забезпечує підвищення витрат потужності не більше ніж на 76,7%.
5. Аналітично та експериментально визначено вплив параметрів системи керування змішувачем на відсотковий склад суміші.
6. Розроблено нову конструкцію відцентрового змішувача безперервної дії (Патент України на корисну модель № 18784, Бюл. №11, від 15.11.2006). Розроблено спосіб визначення параметрів суміші (деклараційний патент України № 66717 А, Бюл.№5, від 17.05.2004).
7. Розроблено інженерний метод та алгоритм проектування автоматизованого відцентрового змішувача безперервної дії з додатковою зоною змішування для сипких матеріалів легкої промисловості.
8. Результати дисертаційної роботи впроваджено у виробництво на заводі кабельних бортових мереж для автомобілів ТОЗВ “Кромберг енд Шуберт Україна”, з очікуваним річним економічним ефектом у розмірі 45620 грн.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Стаценко В.В., Біла Т.Я. Аналіз сучасних методів контролю якості процесу змішування багатокомпонентних середовищ // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2004. – №1. – С.80-84.
2. Стаценко В.В., Біла Т.Я. Комп’ютерне моделювання процесу керування якістю змішування сипких композицій // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2004. – №5. – С.65-68.
3. Стаценко В.В. Керування процесом змішування сипких композицій у відцентрових змішувачах безперервної дії // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2005. – №5. – С.79-82.
4. Біла Т.Я., Стаценко В.В. Застосування автоматичних систем керування процесом змішування сипких композицій // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну (спеціальний випуск). – 2005. – №5 – С.21-23.
5. Біла Т.Я., Стаценко В.В. Комп’ютерне моделювання системи автоматичного керування змішувачем безперервної дії // Вісник Східноукраїнського національного університету ім.В.Даля. – 2006. – №1. – С.9-12.
6. Біла Т.Я., Стаценко В.В. Автоматичні системи керування процесом змішування та режимами роботи змішувального обладнання // Вісник Хмельницького національного університету. – 2006. – №2. – С.46-48.
7. Біла Т.Я., Стаценко В.В. Аналітичне дослідження руху часток суміші у двороторному змішувачі безперервної дії // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2006. – №5. – С.30-34.
8. Пат. 66717 України МКИ 7G01N15/02. Спосіб визначення неоднорідності суміші сипучих компонентів; Кострицький В.В., Біла Т.Я., Стаценко В.В. - Заявл. 13.10.03; Опубл. 17.05.04; Бюл.№5, від 17.05.2004.
9. Пат. 18784 Україна, МПК B01F 7/26. Відцентровий змішувач безперервної дії; Біла Т.Я., Ковальов А.П., Стаценко В.В. Заявл.02.06.06; Опубл. 15.11.2006, Бюл. №11, 2006.
АНОТАЦІЯ
Стаценко В.В. Розробка автоматизованого відцентрового змішувача безперервної дії з додатковою зоною змішування для сипких матеріалів легкої промисловості. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.10 – машини легкої промисловості, Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2007.
Дисертація присвячена розробці автоматизованого відцентрового змішувача безперервної дії з додатковою зоною змішування для сипких матеріалів легкої промисловості. З метою дослідження впливу параметрів змішувача на процес змішування та якість суміші розроблено математичні моделі кінематики та динаміки руху частинок суміші всередині змішувача. На основі результатів аналітичного дослідження запропоновано конструкцію змішувача
