Повышение качества смешивания комбикормов оптимизацией конструктивно-технологических параметров горизонтального смесителя c ленточным шнеком

Во введении обоснована актуальность темы и степень ее разработанности,
сформулирована цель работы, обозначены задачи исследований, изложена на- учная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и обзор работ по исследуемой теме» в результате анализа работ по изучению рабочего процесса смешивания комби- кормов выявлено, что основной проблемой при получении комбикормов явля- ется неравномерность распределения в объеме смеси различных компонентов. В результате анализа научно- технической и патентной литературы обоснованы пути совершенствования рабочего процесса смешивания и оптимизации конст- руктивно – технологических параметров горизонтального ленточного смесите- ля и поставлены задачи научных исследований.
Во второй главе «Теоретические исследования рабочего процесса гори- зонтального смесителя с ленточным шнеком» выполнен расчет рабочего органа смесителя в виде трех ленточных шнеков разного диаметра и шага. Ленты шне- ков располагаются на валу таким образом, чтобы внешний и внутренний шнеки перемещали материал к центру смесителя, а средний – к торцам камеры смеши- вания (рис. 1). Благодаря конструкции комбинированного ленточного шнека обеспечивается послойное движение материала внутри камеры смешивания (рис. 1 б), что позволяет повысить эффективность перемешивания компонен- тов, снижает энергозатраты на рабочий процесс и способствует полной выгруз- ке готового продукта из смесителя.
S3
S1
S2
2 3
а)
Рисунок 1 – а) схема к расчету шнека; б) схема направления движения по-
токов материала в камере смешивания вдоль оси вала: 1 – направления движе- ния смешиваемых компонентов; 2 – ось вала шнека смесителя; 3 – корпус сме- сителя
При смешивании компонентов комбикорма общей массой до 1 тонны не- обходимо обеспечить оптимальное соотношение длины и ширины камеры смешивания, для этого зададим диаметр внешнего шнека смесителя, равный D1 = 1 м, и длину камеры смешивания 1,8 м. Диаметры среднего D2 и внутрен- него D3 шнеков принимаем из условия равномерного перемещения материала внутри камеры смешивания: D2 = 0,75 м; D3 = 0,4 м (рис. 1 а). Для обеспечения эффективного перемешивания компонентов комбикормов принимаем ширину ленты каждого шнека равной 0,05 м. Количество циклов, необходимых для по-
б)
3
6
лучения качественной смеси, зададим равным N = 3 (под циклом понимают пе- ремещение одним ленточным шнеком всего количества находящегося в камере смешивания материала, т.е. в нашем случае мы принимаем, что для получения соответствующей зоотехническим требованиям смеси нам достаточно трижды переместить весь объем смеси либо одним средним шнеком, либо внешним и внутренним в сумме). Время смешивания приняли t = 5 минут. Исходя из этих условий, определили шаг каждого шнека и требуемую мощность двигателя, не- обходимую на привод рабочих органов
(1)
где Q – количество перемещаемого материала одним ленточным шнеком за один рабочий цикл, т/ч; – количество циклов перемещения материала шнеком за один рабочий цикл; – время смешивания (один рабочий цикл), мин;
– коэффициент загрузки смесителя.
Определили скорость осевого перемещения материала , м/с
(2)
где d – диаметр внутренней кромки шнека, м; – коэффициент заполне- ния межвиткового пространства; с0 – коэффициент, учитывающий просачива- ние материала между корпусом, материалом и винтовой поверхностью.
Рассчитали шаг винта шнека S, м
(3)
При работе смесителя мощность, необходимая на привод рабочих орга- нов, затрачивается на: преодоление сил инерции, возникающих при изменении скорости движения материала (в момент загрузки) от 0 до м/с; преодоление силы трения материала о внутреннюю поверхность камеры смешивания и о винтовую поверхность шнека; перемещение материала вдоль оси винта.
Определили мощность на преодоление сил инерции, возникающих при изменении скорости материала от 0 до м/с
(4)
где – ускорение свободного падения, м/с.
Мощность на преодоление трения материала о внутреннюю поверхность камеры смешивания нашли по формуле
(5)
где – сила трения материала о внутреннюю поверхность стенок смеси- теля, Н.
Рассчитали мощность, расходуемую на перемещение материала вдоль оси шнека и на преодоление трения материала о винтовую поверхность,

(6)
где – движущая сила, касательная к окружности, проходящей через центр давления материала, Н; – окружная сила на наружной кромке винта шнека, Н; – угловая скорость вращения оси вала шнеков, с-1; – угловая скорость вращения материала вокруг оси вала шнеков с-1.
Мощность на валу для каждого шнека определили по формуле
(7)
где – коэффициент, учитывающий защемление и дробление груза; – к.п.д. подшипников вала шнека.
Рассчитали общую мощность на валу шнека
(8)
где , , – мощность, необходимая на привод каждого шнека. Мощность, потребляемая электродвигателем, определили по формуле
(9)
(10) где – к.п.д. привода; – к.п.д. ременной передачи; – к.п.д. ре-
дуктора;
– к.п.д. цепной передачи.
Рисунок 2 – Общий вид шнека
На основании проведенных расчетов по формулам (1)…(10) и ус- ловий эффективного смешивания компонентов комбикормов приняли величину шага: внешнего шнека S1 = 0,3 м; среднего шнека S2 = 0,4 м; внутреннего шнека S3=0,75м. Для привода вала комбинированного лен- точного шнека необходимо устано- вить двигатель мощностью
= 11,5 кВт. Общий вид шнека приведен на рисунке 2.
На основании проведенных предварительных экспериментальных иссле- дований (страница 15 автореферата) для интенсификации процесса смешивания материала в области оси вала комбинированного ленточного шнека провели перерасчет шага внутреннего шнека 3 (рис. 3). Рассчитали максимальную вели- чину шага витка шнека исходя из величины коэффициента трения покоя для муки по стали f = 1,08 – 1,13. Для расчета воспользуемся рисунком 4.
Величину тангенса угла определили из выражения
тогда угол о.
(11)

1 2 3
Рисунок 3 – Схема комбинированного лен- точного шнека: 1 – внешний шнек;
2 – средний шнек; 3 – внутренний шнек


Для вычисления максимальной величины шага шнека определили угол
Рассчитали максимальную величину шага витка ленточного шнека
То есть, для гарантированного движения смешиваемого материала вдоль оси шнека из состояния покоя, величина шага внутреннего шнека S3 должна со- ставлять не более 0,37 м. Исходя из конструктивных возможностей выполнения внутреннего шнека приняли величину его шага S3, равную 0,24 м, и высоту лен- ты шнека 0,07 м. Уменьшение шага внутреннего шнека и увеличение высоты его ленты позволяет перемещать материал вдоль оси вала без образования за- стойных зон внутри смешиваемого материала. Общий вид комбинированного шнека до изменения величины шага и после представлен на рисунке 5.
3 2
1 S3
3 2
8
D
S
Рисунок 4 – Схема к расчету
а)
Рисунок 5 – Схема комбинированного ленточного шнека: а) до модерни-
зации; б) после изменения величины шага внутреннего шнека; 1 – внешний шнек, 2 – средний шнек, 3 – внутренний шнек
Используя формулы 1, 2 и 3, выполнили расчет количества материала, перемещаемого каждым шнеком в отдельности, с учетом выполнения условия
S 3
б)

После вычислений получили:
т/ч, т/ч, т/ч.
Тогда
Таким образом, количество перемещаемого материала внешним и внутренним шнеками больше, чем средним . Выполнение этого условия позволяет гарантировать полную и своевременную выгрузку материала из бун- кера смесителя, так как в центре смесителя располагается выгрузной патрубок и, соответственно, готовая смесь комбинированным ленточным шнеком также должна перемещаться в центр камеры смешивания, а не к её торцевым стенкам. Изменение конструкции внутреннего шнека смесителя позволяет перемещать материал вдоль оси вала без образования застойных зон.
В разделе «Теоретические исследования взаимодействия винтовой по- верхности шнека смесителя с материалом» рассмотрели вращение винтовой по- верхности вокруг её оси в смесителе, используя теорему об изменении кинети- ческого момента
(12)
где – момент инерции винтовой поверхности и перемещаемым в пере- носном движении материалом; – угловая скорость вала, – вращающий момент со стороны привода, приложенный к валу; – нормальная реакция материала, действующая на элементарную площадку винтовой поверхности в проекции на направление её движения, то есть на цилиндрическую ось ;
– сила трения материала, приложенная к элементарной площадке винтовой по- верхности в проекции на ось ; – радиус в цилиндрических координатах эле- ментарной площадки поверхности, который является плечом составляющих сил
вдоль направления
(рис. 6).
grad(f)
N
r

F en TR
NB
а)
Рисунок 6 – Схема к расчету: а) оси координат и силы; б) элементарная
площадка
На рисунке 6 а представлена схема, показывающая расположение осей
координат, направления сил и положение рассматриваемой элементарной пло- щадки. На рисунке 6 б представлена элементарная площадка с действующими силами и направлениями векторов скоростей.
При рассмотрении воздействия смешиваемого материала и поверхности шнека приняли следующее допущение: сила трения возникает между элемен-
grad(f) NM
 Fе
rТР 
z NB
y x
k
dS z
dS M e p
p
e

б)
тарным объемом материала и элементарной площадкой поверхности винта шнека, а между элементарными объемами материала силы трения малы.
Момент, необходимый для вращения вала смесителя с постоянной угло- вой скоростью ( ), без учета трения в подшипниках, с учетом выражения (12) можно определить по формуле
На оси цилиндрических координат сила ляющие:
где – неопределенный множитель Лагранжа.
(13) раскладывается на состав-
(14)
По закону Кулона сила трения пропорциональна силе нормального давления с коэффициентом .
Направление силы трения
тельной скорости в движении по винтовой поверхности .
Определив проекции сил, входящих в уравнение (13), запишем Множитель определим из соотношения
(17)
(18)
противоположно направлению относи- (16)
(15)
С целью определения величины рассмотрим силу , с которой эле- ментарная площадка винтовой поверхности воздействует на материал при ус- тановившемся движении. По третьему закону Ньютона эти силы равны по ве- личине и противоположны по направлению
териала 1, находящегося в контакте с элементарной площадкой поверхности винта и горизонтального слоя 2, в форме косого цилиндра с основанием
и высотой, равной шагу винта .
.
На рисунке 7 приведена схема взаимодействия потока разгоняемого ма-
(19)

11
Применив теорему об изменении количества движения к объему мате- риала, который взаимодействует с элементарной площадкой за некоторое
время
в проекции на вектор-градиент к поверхности (рис. 7), получим
y
x
k
h
dS
2 3
z
F
grad(f) NM
C
NC NB
Рисунок 7 – Схема взаимодействия ма- териала и винтовой поверхности:
1 – поток разгоняемого материала;
2 –горизонтальный слой; 3 – шнек
N NP C
(20)
где – количество движения, приобретаемое материалом в проек- ции на направление градиента; – начальное количество движения ма- териала в проекции на направление градиента, , так как матери- ал находился в покое.
В правой части уравнения (20)
импульс силы – в проекции на направление градиента к поверхно- сти.
Сила – сила давления верхних слоев материала на объем смеси, взаимодействующий с эле-
ментарной площадкой . Сила действует, как сила статического давления верхних слоев на нижние с допущением равенства по всем
направлениям аналогично закону Паскаля для жидкостей
(21) где аналог статического давления определяется через насыпную плотность материала , ускорение свободного падения и высоту , вышележащих слоев
над элементарной площадкой (рис. 8)
x
мая от оси винта Тогда
В выражении (20) сила
одолевающая силу трения
при горизонтальном перемещении материа- ла, заключенного между витками шнека, длиной, равной шагу винта ,
y
к1 
о  dS
(22) причем, – максимальный радиус внеш- него шнека смесителя; – высота по вер- тикали незаполненного объема смесителя , (рис. 8); – верти- кальная декартова координата, отсчитывае-
Рисунок 8 – Схема заполнения сме- сителя и толщина слоя материала до расположения элементарной
площадки винтовой поверхности
(вдоль оси z),
(23) – это сила, пре-
l lмах
D
lср

(24)
где – проекция площадки на плоскость ( );
– коэффициент трения между слоями материала.
Таким образом, вращающий момент равен сумме трех составляющих
(25)
Найдем вращающий момент , получаемый при воздействии на мате- риал при заданной угловой скорости (первое слагаемое в уравнении (25))
(26)
Аналогично, на основании второго слагаемого в выражении (25), запишем
(27)
(28)
Мощность, затрачиваемая на привод комбинированного ленточного шне- ка, определим из выражения
. (29)
Таким образом, полученные математические модели (26), (27) и (28) опи- сывают взаимодействие винтовой поверхности шнека смесителя с материалом и позволяют проводить теоретические исследования зависимости величины мощности (29), необходимой на привод комбинированного ленточного шнека, от конструктивных и технологических параметров. В результате теоретических исследований построены поверхности, представленные на рисунке 9. Характер изменения поверхностей и направление вектора величины мощности являются одинаковыми для всех трех шнеков смесителя, поэтому в качестве примера приведены поверхности, полученные для среднего шнека.
Поверхность 1 (рис. 9), построенная по первому слагаемому выражения (25) (математическая модель (26)), учитывает затрачиваемую мощность на при- дание материалу скорости от ноля до номинального значения. Поверхность 2 (рис. 9), построенная по второму слагаемому выражения (25) (математическая модель (27)), учитывает силу трения материала о шнек с учетом высоты загруз- ки камеры смешивания. Поверхность 3 (рис. 9), построенная по третьему сла- гаемому выражения (25) (математическая модель (28)), учитывает силу трения слоев материала друг о друга с учетом высоты загрузки камеры смешивания.
Также определим вклад во вращающий момент третьего слагаемого в выражении (25)

Поверхность 4 (рис. 9), построенная как результат суммы значений (выраже- ние 25), полученных в результате расчета по всем трем математическим моде- лям (26), (27) и (28), показывает суммарное влияние рассматриваемых факторов
по трем слагаемым на величину мощности.
W, Вт 2500
2000
1500
1000
1800 1500
W, Вт
1400
W, Вт 1200 1000
600
4 400 4
1200 900 600
1 0,2
0,2
TR
11 1,05
3 300 2 200 2 233
0,3 0,5 0,5
0,5 0,8 kс
0,8kТR 1,1 1,1
200400 ,
0,8
1,1 1000 1,3
, 600
2,62
 рад/с
4 2
1,4 1,3
800
k
400 кг/м3
кг/м3
8001000
4,19
а) б) в)
1400 W,Вт 1200 1000 800 600
600 1500 W,Вт500
1200 W, Вт
400 300
4 423
31
1 300
0,2
h,м 0,4
2,62
3 0
60 kмм 90
0 , 40 , 30 , 2 0,5 h,м
4,85
2 , 6 3,2 о,
3,8 рад 7,4 4,4
0,3
рад/с
г) д) е)
0,5 0,6 4,19
120 0,6
к, рад
6,2
6,8
1 1,05 0 2
Рисунок 9 – Зависимость величины мощности, необходимой на привод комбинированного ленточного шнека, от: а) величины коэффициента трения материала о сталь kТР и материала о материал kC; б) величины коэффициента
трения материала о сталь kТР и плотности материала γ; в) частоты вращения вала смесителя ω и плотности материала γ; г) частоты вращения вала смесителя ω и шага витка ленты шнека h для среднего шнека; д) ширины ленты шнека (ρk-ρ0) и его шага h для среднего шнека; е) количества материала в каме- ре смешивания. 1, 2, 3 – поверхности, построенные в результате расчета по пер- вому, второму и третьему слагаемым; 4 – поверхность, представляющая изме- нение суммарной величины мощности по всем трем слагаемым
На основании проведенных теоретических исследований можно сделать вывод о том, что наибольшее количество энергии затрачивается на преодоление силы трения материала о шнек с учетом высоты загрузки камеры смешивания (второе слагаемое в выражении (25) (математическая модель (27))). Наимень- шее количество энергии затрачивается на придание материалу номинальной скорости из состояния покоя (первое слагаемое в выражении (25) (математиче- ская модель (26))). По результатам теоретических расчетов количество энергии,
5,6
необходимое для преодоления силы трения материала о материал с учетом вы- соты загрузки камеры смешивания (третье слагаемое в выражении (25) (мате- матическая модель (28))), занимает промежуточное положение между результа- тами расчетов, полученными по первой и второй математическим моделям (слагаемым).
В результате теоретических исследований при изменении конструкцион- ных (шаг винта и ширина ленты шнека) и технологических (частота вращения вала ленточных шнеков, количество материала в камере смешивания, степень измельчения и вид смешиваемых материалов) параметров получены рекомен- дуемые величины с учетом наименьшего энергопотребления: частота вращения вала смесителя не должна превышать 2,09 рад/с; компоненты смешиваемых ма- териалов не должны быть переизмельчены; шаг среднего шнека должен нахо- диться в диапазоне 0,4…0,6 м, при ширине ленты от 30 до 50 мм; для внешнего шнека шаг должен находиться в диапазоне 0,3…0,5 м при ширине ленты от 30 до 70 мм; для внутреннего шнека шаг должен составлять от 0,23 до 0,54 м при ширине ленты от 30 до 100 мм.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследова- ний» приведена программа испытаний, представлены приборы и измерительная аппаратура.
Экспериментальные исследования проведены в соответствии с дейст- вующими ГОСТами, общепринятыми и частными методиками испытаний тех- ники, обеспечивающими получение первичной информации в виде реализаций случайных процессов с последующей их обработкой на персональном компью- тере при помощи пакета программ Statgraphics, Microsoft Office и Corel.
Для проведения экспериментальных исследований по результатам теоре- тических исследований изготовлен опытный образец горизонтального ленточ- ного смесителя (рис. 10 а).
8 1
5 9
технологическая схема: 1 – корпус; 2 – камера смешивания; 3 – комбинирован- ный ленточный шнек; 4 – загрузочный патрубок; 5 – выгрузной патрубок;
6 – двигатель; 7 – редуктор; 8 – загрузочный шнек; 9 – выгрузной шнек
Смеситель состоит из корпуса 1, камеры смешивания 2, ленточного шне- ка 3, загрузочного патрубка 4, выгрузного патрубка 5, двигателя 6, редуктора 7 (рис. 10 б). Работает смеситель следующим образом. Через загрузочный патру-
2 3
7 6
а)
Рисунок 10 – Смеситель: а) общий вид; б) конструктивно-
б)
бок 4 компоненты поступают в камеру смешивания 2, где ленточным шнеком 3, приводимым во вращение двигателем 6 через редуктор 7, смешиваются и вы- гружаются через выгрузной патрубок 5.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследова- ний горизонтального ленточного смесителя и их анализ.
При проведении экспериментальных исследований использовали в качест- ве контрольного компонента горох (удельная плотность 0,812 т/м3) и основу (смесь из ячменя (80 %) и ржи (20 %) с удельной плотностью 0,742 т/м3).
Предварительные экспериментальные исследования, проведенные на смесителе с камерой смешивания чашеобразной формы (рис. 11), показали, что коэффициент однородности готового продукта составил 86,1 %, а, согласно техническому заданию, он должен составлять более 90%. Кроме того, в камере смешивания образовывались застойные зоны 6 (рис. 11 б) в верхней части ча- шеобразного бункера. В этих зонах наблюдалось недостаточное перемешивание материала из-за отсутствия воздействия на него ленточного шнека смесителя. Также в объеме смеси образовывались зоны 7 (рис. 11 б), состоящие из одного компонента смеси, которые совершали вращательные движения вокруг оси комбинированного шнека без их разрушения. К образованию зон 7 приводила большая величина шага внутреннего шнека (рис. 5 а), что не позволяло эффек- тивно перемещать материал вдоль оси вала ленточного шнека, поэтому провели модернизацию смесителя.
6
3
1 5
6 7 2
а)
б)
Рисунок 11 – Общий вид смесителя: 1 – чашеобразный бункер; 2 – рама; 3 – за- грузочный патрубок; 4 – выгрузной патрубок; 5 – комбинированный шнек;
6 – застойные зоны в верхней части бункера; 7 – застойные зоны в области вала шнека смесителя
Для повышения однородности готового продукта за счет ликвидации за- стойных зон 6 (рис. 11 б) в верхней части чашеобразного бункера и разрушения внутри смеси объемов материала 7 (рис. 11 б), состоящих из одного компонента смеси, проведены изменения конструкции чашеобразного бункера и ленточного шнека смесителя следующим образом: стенки чашеобразного бункера закруг- лены на угол 60 градусов с обеих сторон в верхней части камеры смешивания, что привело к уменьшению её объема на 12 % (рис. 12); на основании теорети- ческих расчетов и предварительных экспериментальных исследований умень-
шили величину шага внутреннего шнека S3 с 0,75 м (рис. 5 а) до 0,24 м
(рис. 5 б).
1
600 5
а)
Рисунок 12 – Усовершенствованный горизонтальный ленточный смеси-
тель: а – общий вид; б – вид сбоку: 1 – чашеобразный бункер; 2 – рама; 3 – за- грузочный патрубок; 4 – выгрузной патрубок; 5 – комбинированный шнек
Результаты экспериментальных исследований смесителя после модерни- зации показали, что равномерность распределения контрольного компонента в смеси значительно увеличилась, уменьшилось максимальное отклонение его величины от среднего значения в пробах с 19,4 г до 3 г, при этом коэффициент однородности смешивания увеличился незначительно (до 86,7 %), что обуслов- лено тем, что при проведении опытов использовали одинаковое количество смешиваемых компонентов в смесителе до и после модернизации (620 кг осно- вы и 146 кг контрольного компонента, время смешивания 4 минуты), при этом объем камеры смешивания после модернизации уменьшился на 12%.
 
60 40
  t3 – 0,871t2 + 11,246t + 34,704 R2 = 0,96
На рисунке 13, для при- мера,приведена зависимость однородности готового про- дукта от времени смешива- ния при заполнении камеры смешивания материалом на 75%. Анализ зависимости показывает, что в интервале от 1-й до 11-й минуты сме- шивания происходит увели- чение величины коэффици- ента однородности готового продукта до его максималь- ного значения 86,7 %, в дальнейшем качество
б)
0
0 5 t,мин 15
Рисунок 13 – Влияние времени смешивания на однородность готового продукта, при заполне- нии бункера на 75%
смешивания практически не изменяется, при этом пропускная способность сме- сителя составляет 2,2 т/ч и удельные энергозатраты равны 3,6 кВт·ч/т.
На следующем этапе исследований получили зависимость от количества материала в камере смешивания: 1 – потребляемой мощности, полученной при экспериментальных исследованиях; 2 – мощности, полученной при теоретиче- ских исследованиях; 3 – коэффициента однородности готового продукта (рис. 14). Анализ представленных зависимостей, показывает, что при увеличе-
нии заполнения камеры смешивания от 60 % до 95 % от объема значение коэф- фициента однородности готового продукта снижается до 68 %.
3000 100
W, Вт
2000 60
1500
1000 40 500 20
40 50 60 70 80 % 100
Рисунок 14 – Зависимость от количества материала в камере смешивания:
1 – потребляемой мощности, полученной при экспериментальных исследованиях; 2 – мощности, полученной при теорети- ческих исследованиях; 3 – коэффициента однородности готового продукта
Это обусловлено образованием зон, где перемещение материала происхо- дит не так интенсивно ввиду загру- женности шнека смесителя. Величина коэффициента однородности готового продукта достигает максимального значения при заполнении бункера на 55 % и составляет 90,5 %, а при за- полнении бункера менее 55% количе- ство материала недостаточно для его эффективного перемещения всеми тремя ленточными шнеками, поэтому наблюдается снижение качества сме- шивания.
Зависимости 1 и 2 (рис. 14) по- требляемой мощности (без учета
1
 
холостого хода) от величины заполнения камеры смешивания хорошо согласу- ются между собой. Коэффициент вариации, при оценке расчетных и экспери- ментальных значений мощности, равен 28 % при загрузке бункера на 55 % и 6,3 % при загрузке на 75 %, что позволяет говорить о сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Таким образом, исходя из анализа зависимостей, представленных на ри- сунке 14, с учетом качества готовой смеси, рекомендованной загрузки камеры смешивания и её эффективного использования, оптимальная загрузка смесите- ля должна составлять 55…75 % от объёма, при этом коэффициент однородно- сти готового продукта изменяется от 90,5 до 86,1 %, величина мощности, полу- ченная при теоретических расчетах изменяется от 1194 до 1835 Вт, а получен- ная при экспериментальных исследованиях от 517 до 1535 Вт.
Для установления оптимальных конструктивно-технологических пара- метров и более полного изучения рабочего процесса проведены исследования с использованием методики планирования многофакторного эксперимента. В ка- честве исследуемых факторов по результатам однофакторных экспериментов выбраны следующие: – время смешивания, мин; – направление вращения вала шнека смесителя; – количество материала в камере смешивания в про- центах от его возможной максимальной загрузки, %. В качестве критериев оп- тимизации выбраны показатели: – коэффициент однородности смеси , %;
– удельные энергозатраты , кВт·ч/т; – пропускная способность , т/ч. При испытаниях реализована матрица плана Бокса-Бенкина. Интервалы и уров- ни варьирования факторов отражены в таблице.
Таблица – Интервалы и уровни варьирования факторов Факторы
Время смешивания t, мин
Направление вра- щения вала шнека смесителя
Наполняе- мость камеры смешивания G, %
Параметры
Верхний уровень (+) 13 Основной уровень (0) 10 Нижний уровень (-) 7
реверсивное 65 прямое 55 обратное 45
Результаты экспериментальных исследований обработаны и получены следующие уравнения регрессии (незначимые факторы исключены):
(30)
(31)
(32)
Анализ полученных математических моделей (30), (31) и (32) (на основа- нии значимости коэффициентов уравнений регрессии) позволяет сделать вывод о том, что направление вращения вала шнека смесителя ( ) незначительно влияет на рассматриваемые критерии оптимизации. На коэффициент однород- ности смеси , удельные энергозатраты и пропускную способность наи- большее влияние оказывает время смешивания ( ).
Анализ математических моделей (30)…(32) и двумерных сечений по- верхностей отклика (рис. 15) позволяет сделать следующие выводы.
Из рисунка 15 а видно, что при увеличении времени смешивания ( ) с 7 мин до 13 мин и уменьшении наполняемости бункера ( ) с 65 % до 45 % при вращении вала шнека смесителя в прямом направлении ( ) происходит увеличение однородности смеси  с 84,65 % до 92,9 % и удельных энергоза- трат с 2,54 кВт·ч/т до 4,55 кВт·ч/т. Максимальное значение коэффициента однородности готового продукта  94,4% достигается при времени смеши- вания 13 мин, при прямом направлении вращения вала шнека смесителя
= 0 и количестве материала 52,2 %, при этом удельные энергозатраты составляют 4,04 кВт·ч/т.
Анализ рисунка 15 б показывает, что при увеличении времени смешива- ния ( ) с 7 до 13 минут, заполнении камеры смешивания ( = 1) на 65 % от объёма, при вращении вала шнека смесителя в прямом направлении ( ) проис- ходит увеличение однородности смеси  с 84,65 % до 89,66 % и снижение про- пускной способности с 3,68 т/ч до 2,19 т/ч. При максимальном значении ко-
эффициента однородности готового продукта  94,4 % величина пропускной
способности составляет
Прямое направление вра- щения вала
1,77 т/ч.
Прямое направление Прямое направление
111
x3 x3 x3
0,2 -0,2 -0,6
0,2 0,2 -0,2 -0,2 -0,6 -0,6
85,0
2,8
3,04
3,28 3,52
87,3
89,6
91,9
94,2
3,76 4,0 4,24
-1 -1 -1 -1 -0,6 -0,2 0,2 x1 1 -1 -0,6 -0,2 0,2 x1 1
вращения вала
вращения вала
85,0
3,2
2,7
2,2
87,3
89,6
91,9
94,2
1,7
-1 -0,6 -0,2 0,2 x1 1 а) б) в)
Рисунок 15 – Двумерные сечения поверхности отклика, характеризующие влияние величины времени смешивания смеси ( ), направления вращения вала шнека смесителя ( ) и количества материала ( ) на: а) коэффициент однород-
ности смеси  ( – ) и удельные энергозатраты ( – ); б) коэффици- ент однородности смеси  ( – ) и пропускную способность
Q ( – ); в) удельные энергозатраты ( – ) и пропускную способ- ность ( – )
Анализ двумерных сечений поверхностей отклика (рис. 15 в) показывает, что при увеличении времени смешивания ( ) с 7 до 13 минут и количества ма- териала в камере смешивания ( ) с 45 % до 65 % при вращении вала шнека смесителя в прямом направлении ( ) происходит увеличение удельных энер- гозатрат с 3,5 кВт·ч/т до 3,59 кВт·ч/т и снижение пропускной способности с 2,56 до 2,19 т/ч.
По результатам экспериментальных исследований максимальное значе- ние коэффициента однородности готового продукта  94,4% достигается при времени смешивания 13 мин, при прямом направлении вращения вала шнека смесителя 0 и количестве материала в камере смешивания
52,2 %, при этом удельные энергозатраты равны 4,04 кВт·ч/т, а вели- чина пропускной способности составляет 1,77 т/ч.
В пятой главе «Технико-экономическая и энергетическая оценки гори- зонтального смесителя с ленточным шнеком» приведен расчет экономических и энергетических показателей, позволяющих оценить эффективность использо- вания разработанного смесителя СШЛ-3 в сравнении с выпускаемым СГЛ-1. Использование разработанного смесителя СШЛ-3 в сравнении с СГЛ-1 позво- ляет снизить: прямые эксплуатационные затраты на 15,2 %; капитальные вло- жения на 38,5 %; приведенные затраты на 23,4 %. Годовой экономический эф- фект по приведенным затратам от применения технического средства в сравне- нии с машиной (СГЛ-1) составил 111491 руб. Уровень интенсификации по пол- ным энергетическим затратам составил 9 %.
3,2
2,8
3,04
3,28
3,52
2,7
2,2
3,76
1,7 4,0 4,24
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. На основании проведенного обзора конструкций смесителей разрабо- тана схема горизонтального ленточного смесителя, состоящего из корпуса, ка- меры смешивания, комбинированного ленточного шнека, загрузочного и вы- грузного патрубков, двигателя, редуктора и позволяющего получать готовые смеси более высокого качества с наименьшими энергозатратами (патент РФ No2638978).
2. На основании проведенных расчетов по формулам (1)…(10) и условий эффективного смешивания компонентов комбикормов приняли: величину шага шнека: внешнего S1 = 0,3 м, среднего S2 = 0,4 м, внутреннего S3 = 0,24 м; высоту ленты шнека: внешнего и среднего 50 мм, внутреннего 70 мм; диаметр шнека по внешней кромке винтовой линии: внешнего 1 м, среднего 0,75 м, внутренне- го 0,4 м; частоту вращения вала шнека смесителя 21,5 мин-1.
3. Полученные математические модели взаимодействия винтовой поверх- ности шнека смесителя с материалом (26), (27) и (28) позволяют на стадии про- ектирования рассчитать величины конструктивных и технологических пара- метров комбинированного ленточного шнека с учетом наименьшего энергопо- требления: частота вращения вала смесителя не должна превышать 2,09 рад/с; компоненты смешиваемых материалов не должны быть переизмельчены, шаг среднего шнека должен находиться в диапазоне 0,4…0,6 м, при ширине ленты от 30 до 50 мм; для внешнего шнека шаг должен находиться в диапазоне 0,3…0,5 м при ширине ленты от 30 до 70 мм; для внутреннего шнека шаг дол- жен составлять от 0,23 до 0,54 м при ширине ленты от 30 до 100 мм. Все значе- ния величин, полученные в результате теоретических расчетов, полностью со- гласуются с конструктивными и технологическими параметрами комбиниро- ванного ленточного шнека.
4. На основании результатов экспериментальных исследований определе- ны численные значения коэффициентов уравнений регрессии, позволившие оценить величину влияния соответствующих факторов и определить оптималь- ные конструктивно-технологические параметры, при которых величина коэф- фициента однородности готового продукта достигает наибольшего значения 94,4 % при времени смешивания компонентов 13 мин, при прямом направлении вращения вала шнека смесителя и количестве материала, находящегося в каме- ре смешивания, 52,2 % от максимальной возможной загрузки, при этом удель- ные энергозатраты составляют 4,04 кВт‧ч/т, а величина пропускной способно- сти 1,77 т/ч.
5. Разработанный смеситель СШЛ-3 в сравнении с выпускаемым СГЛ-1 позволяет снизить: прямые эксплуатационные затраты на 15,2 %; капитальные вложения на 38,5 %; приведенные затраты на 23,4 %. Годовой экономический эффект по приведенным затратам от применения нового технического средства в сравнении с машиной (СГЛ-1) составил 111491 руб. Уровень интенсификации по полным энергетическим затратам составил 9 %.

Рекомендации производству и дальнейшему развитию темы
Практическая ценность работы заключается в возможности использова- ния результатов экспериментально-теоретических исследований на этапе про- ектирования смесителей для определения величины потребляемой мощности на привод рабочих органов с учетом конструктивных и технологических факто- ров. Использование разработанных математических моделей позволяет снизить расходы при проектировании, изготовлении и оптимизации смешивающих ма- шин с ленточными рабочими органами.
Исследования при дальнейшем развитии темы должны включить в себя определение зависимости качества смешивания от шага шнека, ширины ленты шнека, установки лопаток, конструктивного изменения комбинированного лен- точного шнека и его привода.