Основная часть. 
Методика расчета вибрационного дозатора-смесителя камерного типа при консервировании фуражного зерна

Для обеспечения устойчивости процесса нанесения жидких растворов консервантов на зерно с гарантированным качеством получаемого продукта, эффективности подбора оборудования и его режимов работы необходимо иметь возможность определять параметры процесса на оптимальном или наиболее рациональном уровне в зависимости от производительности оборудования и вида зернового сырья.

С этой целью была разработана методика расчета предлагаемого рабочего органа, основанная на решении компромиссной задачи:

k_н.о= - 0,0463 — 0,771_об+1,536+55,895_M+ 0,0001²-0,124²+ 0,231_д²-0,085_обMд min.

(1).

Исходными данными при расчете являлись: вид зернового материала, агротехнические требования к консервированому зерну и производительность оборудования по конечному продукту Q_п (кг/с).

Вид зерна при моделировании изучаемого процесса характеризовался эквивалентным радиусом зерновки r_ч (м) и объемной массой зерна —_з.м (кг/м³), которые в свою очередь находились по стандартным методикам. На основании производительности оборудования по конечному продукту устанавливалась подача зернового материала и расчитывалась подача консерванта. Так как согласно агротехническим требованиям массовая доля консерванта в общем объеме конечного продукта незначительна и не превосходит 5-процентный уровень ошибки по подаче зернового материала, то можно принять Qз= Qп (кг/с). Тогда подача раствора консерванта расчитывается по формуле:

(2).

где Qк^y — удельный расход консерванта согласно рекомендациям производителя, (л/т).

Например, при производительности оборудования 8750 кг/ч секундная подача материала составляет 2,43 кг/с. Руководствуясь нормами расхода (согласно рекомендациям производителя), на основании формулы (2) определяем подачу консерванта. Так, при норме расхода раствора консерванта 10 л/т его подача должна составлять:

Подача зернового материала и рабочего раствора консерванта в камеру смешивания должна быть синхронизирована. Это обеспечивается системой автоматики, внедренной в предлагаемое оборудование. При этом необходимая подача раствора консерванта устанавливается дозатором дросельного типа с последующей проверкой мерным цилиндром в режиме «настройка».

Для синхронизации подачи зернового материала в базовом оборудовании, обеспечения качественного процесса смешивания рабочего раствора и зернового материала с учетом изменения основных технологических параметров в указанных диапазонах (угловой скорости [195; 257,5] c^-1, высоты поднятия обечайки hоб[0,01; 0,04] м, при использовании сменных дебалансов массы mд[0,02; 0,06] кг) была разработана номограмма, показанная на рис. 1. Под базовым понимается оборудование с диаметром обечайки Dоб=0,18 м, радиусом диска распределительного устройства rд=0,125 м, отверстиями радиуса rотв=0,01 м, диаметром камеры смешивания Dк.с.=0,5 м и коэффициентом перфорации kпер=0,47, массой рабочего органа Mр.о.=14 кг, подвеской колеблющейся части системы, располагающейся от центра масс на расстоянии хцм=0,085, а от дебаланса на расстоянии zд=0,12 м. Данная номограмма наглядно показывает наиболее рациональные режимы обработки зерна. Из ее анализа видно, что наиболее эффективная обработка зернового материала осуществляется с производительностью от 12 000 кг/ч до 15 000 кг/ч (рис. 1). При этом коэффициент неравномерности обработки kн.о будет варьировать от 0,045 до 0,08.

Из номограммы видно, что для обеспечения, например, производительности 14 000 кг/ч при неравномерности обработки конечного продукта до 6% необходимо зафиксировать угловую скорость вращения вала на уровне 214 с^-1, высоту поднятия обечайки 0,04 м и массу дебаланса 0,038 кг.

Рис. 1. Номограмма постановки оборудования на заданный режим обработки.

Для создания аналогов оборудования с более широким диапазоном варьирования производительности и заведомо прогнозируемым качеством обработки нами предлагаются номограммы определения безразмерных параметров (рис. 2), выступающих в изучаемом процессе в качестве параметров подобия. Данные номограммы составлены на основании решения задачи (1), а их адекватность проверена экспериментально.

Исходя из теории подобия, создание идентичных условий протекания процесса при изменении конструктивных параметров может быть обеспечено лишь подобием конструкции, которая определяется соответствующими параметрами. В предлагаемой конструкции модуля дозирования-смешивания такими параметрами выступали: =rотв/rч, д=zд/xц.м., M=mд/Mр.o, об=hоб/Doб, сущность которых описана выше.

Анализ решения задачи (1) показал, что для обеспечения производительности от 7500 до 10 250 кг/ч и неравномерности обработки от 10 до 17% (наилучшие качественные показатели, которые могут быть достигнуты) значения угловой скорости вращения вала и параметров д, M могут быть зафиксированы =237 c^-1, д=1,41, M=0,0014 вследствие незначительного влияния на количественно-качественные показатели изучаемого процесса. Для определения же рациональных параметров об и необходимо воспользоваться номограммой (рис. 2a). Например, при производительности 8750 кг/ч соотношение высоты поднятия обечайки к ее диаметру должно быть равно об=0,145, а радиус отверстий перфорированной части распределительной поверхности в соотношении с эквивалентным радиусом обрабатываемого материала — =5,45. При этом неравномерность обработки составит 13,2%.

В случае изменения подачи от 10 250 до 12 750 кг/ч целесообразно зафиксировать параметр об на уровне об=0,222, а д, M оставить равными соответственно 1,41 и 0,0014. Выбор значений параметров и при определении качественных показателей процесса осуществляется на основании номограммы (рис. 2б). Так, для обеспечения производительности оборудования 11 250 кг/ч с неравномерностью обработки до 8,1% необходимо установить угловую скорость вращения вала 227 с^-1 и обеспечить соотношение радиусов отверстий перфорированной части распределительной поверхности к эквивалентному радиусу частицы материала 5,99.

Повышение производительности с 12 750 до 15 250 может быть обеспечено варьированием и М согласно номограмме (рис. 2в), при фиксированных параметрах об=0,222, =6,7, д=1,41. Такие режимы обработки обеспечат изменение неравномерности обработки в пределах от 3,2 до 10%.

Рис. 2. Номограммы определения параметров процесса при изменении производительности оборудования:

а) от 7500 до10 250 кг/ч; б) от 10 500 до12 500 кг/ч; в) от 12 750 до 15 250 кг/ч.

Переход к фактическим величинам на основании безразмерных комплексов может быть осуществлен по формулам:

h_об=_об•D_об (высота поднятия обечайки); (3).

r_отв = • r_ч (радиус отверстий); (4).

mд= M •Mр.o (масса дебаланса); (5).

z_д =д •xц.м. (расстояние от дебаланса до подвески). (6).

В этом случае диаметр обечайки определяется подбором бункера накопителя. Он должен соответствовать диаметру выгрузного отверстия бункера накопителя, быть минимальным, но обеспечивать максимальную подачу с учетом предполагаемой производительности.

Расположение дебаланса от центра масс системы x_ц.м. целесообразно выбирать исходя из конструктивных особенностей оборудования. Рекомендуемое значени величины x_ц.м. = 0,085 м.

Масса колеблющейся части рабочего органа определяется программным путем в автоматизированных системах проектирования после определения геометрических параметров ее составных частей и материалов, из которых они будут изготовлены. Конструкция проектируемого оборудования должна позволять замену распределительных поверхностей с различными коэффициентами перфорации и смену массы дебаланса вибратора.

Размеры составных частей колеблющейся части рабочего органа определяются на основании зависимостей и соотношений, приведенных ниже.

Радиус диска определяется по формуле:

(7).

где — максимальный угол (при основании конуса, образованного сыпучим материалом на диске), позволяющий обеспечить удержание материала на диске (рекомендуемое значение =48,6є найдено опытным путем), град;- высота максимального подъема обечайки (рекомендуемое значением, при диаметре обечайки D_об = 0,18 м), м.

Подбор диаметра тарельчатого распылителя осуществляется исходя из соотношения.

(8).

где k[1,05; 1,2] - коэффициент, учитывающий смещение траектории падения частицы при сепарации в сторону центра симметрии установки (получен опытным путем).

Расчет перфорированной части рабочего органа ведется на основании следующих рекомендаций.

Исходя из анализа теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что ширина перфорированной части распределительной поверхности не должна превышать Н_реш = 0,125 м.

Для обеспечения прочности конструкции распределительной поверхности и однородности колеблющейся системы определение конструктивных параметров рекомендуется выполнять в следующей последовательности.

Учитывая, что распределительная поверхность находится под вибрацией, прочность ее перфорированной части можно обеспечить лишь в том случае, когда смежные друг с другом отверстия будут пробиваться на расстоянии (рис. 3). Согласно рекомендациям источника [6] применительно к листовому железу, расстояние между кромками отверстий рекомендуется определять по зависимости.

(9).

Рис. 3. Расположение отверстий на перфорированной поверхности распределительного устройства.

Равномерность сепарации материала при прохождении решета, находящегося под вибрацией, можно организовать, обеспечив однородность рассматриваемой системы по его площади относительно центра масс. Для этого центры отверстий должны располагаться в шахматном порядке на пересечении прямых, отстоящих друг от друга на расстоянии.

(10).

с направляющими векторами, расположенными под углом 30 друг к другу. При этом отверстия перфорированной части распределительного устройства располагаются по правильным шестиугольникам, образуя при этом «слои». В качестве 0-го слоя принимается воображаемое отверстие с центром по оси симметрии рабочего органа. Расстояния центров последующих «слоев» от оси симметрии рабочего органа определяются по алгоритму.

d_i=I • d_ц, (11).

где — нумерация «слоев».

Так как количество отверстий первого «слоя» равно 6, а начиная со второго — увеличивается на 6, то их общее количество может быть посчитано по формуле суммы арифметической прогрессии.

(12).

Однако «слои» отверстий будут делиться на «условные слои» (в пределах диска) и «фактические слои» (в пределах перфорированной части). Мнимыми границами, отделяющими один слой от другого можно принять окружности с центрами по оси симметрии рабочего органа и радиусами, равными.

(13).

Поэтому общее количество «слоев» отверстий определяется по формуле.

(14).

где — функция, которая возвращает округленный результат до соответствующего разряда.

Количество «условных слоев» вычисляется по аналогичной зависимости.

(15).

Число «условных» отверстий в рамках диска определяется как.

(16).

Тогда фактическое число отверстий перфорированной части распределительной поверхности будет равно.

(17).

а коэффициент перфорации можно найти по формуле.

(18).

Приведем пример расчета параметров рабочего органа оборудования консервирования зерна, рассчитанного на производительность 12 000 кг/ч. Для такой установки может быть использован стандартный бункер-накопитель, обеспечивающий соответствующую подачу. Выбор его однозначно определит диаметр выгрузного отверстия. Например, такая подача может быть обеспечена при диаметре выгрузного отверстия, равном 0,15 м. Тогда и диаметр обечайки принимаем равным D_об=0,15 м. Исходя из диаметра обечайки и зная рекомендуемое значение параметра _об=0,222, по формуле (3) определяем максимальное значение высоты поднятия обечайки:

h_об=_об• D_об=0,222•0,15=0,033 м.

Тогда радиус диска распределительной поверхности, рассчитанный по формуле (7), будет равен.

а диаметр камеры смешивания соответственно ;

D_к.с.= 2•(0,125+0,104)=0,458 м.

Далее на основании фактической величины эквивалентного радиуса обрабатываемого материала, например r_ч=0,0012, и рекомендуемого значения параметра =6,65 (исходя из номограммы рис. 2б) по формуле (4) определяем радиус отверстий перфорированной части распределительной поверхности:

r_отв=•r_ч=6,65•0,0012=0,008 м.

Расстояния между кромками и центрами отверстий, исходя из зависимостей (9) и (10), будут равны соответственно:

=2•0,008+0,0036=0,0196 м.

При определении общего количества «слоев» и количества «условных слоев» отверстий воспользуемся формулами (14) и (15). В результате получим=11, =5. Затем по формулам (12), (16) и (17) рассчитываем фактическое количество отверстий перфорированной части распределительной поверхности:

Обобщая результаты расчетов, по формуле (18) определяем коэффициент перфорации распределительного кольца: