Механико-технологические основы создания кормоприготовительных машин с вибрируемым зернистым слоем

В четвертой главе представлен общий алгоритм расчета вибрационных машин на основе изложенных в предыдущей главе теоретических положений. В соответствии с общим алгоритмом расчета представлены методики расчета дозатора, смесителя и очистителя для сыпучих кормовых материалов.

При проектировании новой машины ее конструктивные параметры и геометрические размеры рабочих органов, влияющие на динамическое состояние обрабатываемого зернистого материала, разрабатываются с «нуля». Для того, чтобы расчеты были последовательными, не упускали различных «мелочей» при проектировании, необходима методика, в соответствии с которой и производится разработка вибрационной машины.

Общий алгоритм расчета новой машины с вибрируемым зернистым слоем представлен на рисунке 11.

Дадим пояснения к рисунку 11 и представим основные шаги при разработке новой вибрационной машины.

Исходя из назначения вибрационной машины, задают, какой тип динамического состояние вибрируемого зернистого слоя необходимо получить (уплотнение, регулярные циркуляции, хаотическое движение). Поскольку разработка ведется согласно гидродинамической теории, сведенной к уравнениям Лоренца (20), то динамическое состояние вибрируемого слоя является функцией многих переменных, от которых зависят параметры модели Лоренца , где – высота слоя материала. Поэтому в зависимости от необходимой производительности и требований к размерам вибрационной машины задаются предварительными значениями величин , , , , .
Для нахождения величины параметра модели Лоренца необходимо знать величину эффективной кинематической вязкости вибрируемого зернистого слоя , которая входит в выражение для (27). Поэтому были проведены экспериментальные исследования по определению вязкости некоторых кормовых зернистых материалов, подвергаемых вибрационной обработке, о которых будет сказано ниже. По уравнениям регрессии, полученным в результате эксперимента, определяют эффективную кинематическую вязкость вибрируемого зернистого слоя.

Рисунок 11  Блок-схема для расчета машин с вибрируемым зернистым слоем

По выражениям (27) определяют параметры модели Лоренца , , и .
Решая систему уравнений (20), что предпочтительно, либо при помощи коэффициентов Ляпунова, находят режим движения вибрируемого зернистого слоя. Если режим движения виброожиженного материала соответствует заданному в пункте 1, то исходные данные , , , , принимаются для дальнейшего расчета вибрационной машины. В противном случае величина исходных данных изменяется с определенным шагом в установленных пределах, а после каждого изменения происходит перерасчет характеристик движения материала до тех пор, пока не будет получен требуемый режим движения. Приоритет в выборе любой из переменных , , , , определяется проектировщиком машины, исходя из того, какую из переменных в каждом конкретном случае проще изменить. В случае, если требуемый режим движения не получен ни при каких значениях исходных данных , , , , , необходимо изменить пределы их варьирования, либо изменить конструкцию вибрационной машины.
Составляется расчетная схема машины как колебательной системы.
Для полученной колебательной системы составляются дифференциальные уравнения движения самой машины и вибропривода.
Получение, путем решения дифференциальных уравнений, необходимой массы дебалансов , либо других параметров, зависящих от конструкции вибропривода, обеспечивающих заданную интенсивность вибрации и динамическое состояние обрабатываемого материала.

Для использования модели Лоренца при расчете вибрационных машин, необходимо знать величину эффективной кинематической вязкости обрабатываемого сыпучего материала, так как параметр , входящий в первое уравнение модели Лоренца зависит от вязкости (27).

В связи с вышесказанным возникла необходимость проведения экспериментальных исследований по определению эффективной кинематической вязкости. На кафедре механизации животноводства Алтайского ГАУ был разработан вискозиметр для измерения вязкости в вибрируемом зернистом слое, на конструкцию которого был получен патент РФ. Принципиальная схема вискозиметрической установки приведена на рисунке 12.

В качестве факторов были приняты: – высота слоя (м); – расстояние от дна контейнера до струны (м); – амплитуда колебаний (м); – частота колебаний (с^-1).

Эксперимент проводился для различных зерновых материалов: пшеница цельная, дерть пшеничная, горох, дерть гороховая, просо, для каждого из которых было получено соответствующее уравнение регрессии.

На основе общего алгоритма расчета (рисунок 11) представим методику расчета для конструкции многокомпонентного вибрационного дозатора, предложенной на кафедре механизации животноводства Алтайского ГАУ.

Дозатор (рисунок 13а) содержит бункер 10, разделенный вертикальными перегородками на четыре равных отсека (по числу компонентов). Система возбуждения, включающая тросовые подвески 1 и вибровозбудитель 4, приводит в движение виброднище 3 с побудительным конусом 2.

Т
Рисунок 12  Принципиальная схема вискозиметрической установки:

1 – рама; 2 – контейнер; 3 – сфера; 4 – струна; 5 – эксцентриковый привод; 6 – электродвигатель; 7 – датчик; 8 – редуктор

ехнологический процесс вибрационного дозатора протекает следующим образом (рисунок 13а). Исходные компоненты загружаются в отсеки бункера 10. При включении вибровозбудителя 4 дебалансы генерируют вынуждающую силу, которая вызывает колебания побудительного конуса 2 и виброднища 3. Побудительный конус 2 (рисунок 13б) и прикрепленные к нему лопатки 6 служат для создания требуемого динамического состояния сыпучей среды, отделяемой от общей ее массы находящимися в бункере отражающими козырьками 7, предотвращающими распространение вибраций в верхние слои материала.

Конструктивно все секции дозатора, предназначенные для компонентов с различными физико-механическими свойствами, имеют одинаковую частоту и амплитуду колебаний. Поэтому высота лопаток 6, и расстояние между ними, в каждом отсеке дозатора различны и служат для создания особого динамического состояния среды – эффекта, при котором материалы с разными свойствами приводятся к единому состоянию с требуемой вязкостью и текучестью. Геометрические характеристики лопаток 6 для каждой секции подбираются при помощи модели Лоренца.

Рисунок 13  Многокомпонентный вибрационный дозатор

Под действием эффекта псевдоожижения зернистые материалы легко истекают через зазор вниз равномерным слоем и попадают на виброднище 3, транспортируются по нему и выводятся из дозатора. Заданная подача каждой секции устанавливается при помощи заслонок 5 вращением регулировочных винтов 11.

Методику расчета дозатора составляем согласно алгоритму расчета (рисунок 11).

Назначаем исходные данные.

Конструктивно-технологическими параметрами дозатора, влияющими на качество его работы, являются: расстояние между побудительными пластинами, высота пластин , разница между максимально возможной высотой слоя материала над виброднищем в районе выгрузного окна и высотой пластин, частота колебаний , амплитуда колебаний .

Расстояние мм и максимальная высота слоя материала равная мм приняты конструктивно. Частота вращения асинхронного двигателя привода, а значит и частота колебаний с^-1. Конструкция дозатора допускала возможность изменения высоты побудительных лопаток в пределах от 25 до 75 мм и амплитуды колебаний в пределах от 0 до 1,8 мм. Наилучшим режимом движения материала для протекания процесса дозирования является режим циркуляционных движений.

Определяем эффективную кинематическую вязкость материала.

Определение эффективной кинематической вязкости материала производится по экспериментально полученным уравнениям регрессии, в которые входят следующие факторы: высота слоя материала, высота над вибрируемой поверхностью (на которой определяется величина вязкости), частота и амплитуда колебаний.

За высоту слоя материала примем величину из пункта 1.

Поскольку нам необходимо знать вязкость материала непосредственно в месте его истечения, то высоту над вибрируемой поверхностью примем равной нулю, то есть будем определять величину вязкости на поверхности виброднища.

Частота колебаний назначена в пункте 1.

Амплитуду колебаний найдем из следующих соображений. Режим движения материала должен быть циркуляционным. Согласно гидродинамической теории зарождение циркуляций происходит при величине коэффициента перегрузки . Согласно же экспериментальным данным циркуляции могут начать образовываться при условии . Поэтому для того, чтобы в дозаторе гарантированно началось образование циркуляционного режима движения, без чего невозможен процесс дозирования, примем значение . Зная значение частоты колебаний и величину параметра , исходя из выражения (27) найдем значение амплитуды колебаний:

м.

Определяем значения параметров модели Лоренца.

Значение параметра , принято в пункте 2. Для определения параметра необходимо знать характерные размеры сосуда, в котором происходит движение материала. В дозаторе материал переходит в виброожиженное состояние между возбуждающими пластинами, поэтому за характерную ширину сосуда примем расстояние между пластинами мм. Для вычисления параметров и необходимо знать высоту слоя материала в сосуде. За высоту слоя материала в сосуде примем высоту пластин , считая такой «сосуд», образованный пластинами, заполненным материалом доверху.

При фиксированных значениях величин , и , принятых в предыдущих пунктах, определяем по модели Лоренца режим движения материала, варьируя высотой пластин в заданных пределах от от 25 до 75 мм с шагом в 2 мм, производя каждый раз пересчет значения эффективной кинематической вязкости, параметров , и режима движения материала.

В результате расчета выясняется, что режим движения при любом значении высоты пластин, изменяющейся в указанном диапазоне, согласно модели Лоренца получается циркуляционным. То есть процесс дозирования будет осуществляться при любом значении от 25 до 75 мм.

Для принятия окончательного решения о том какая высота пластин обеспечит наилучшее качество дозирования, необходимо проведение дополнительных экспериментальных исследований.

Составляем расчетную схему дозатора, как колебательной системы и определяем необходимую массу дебаланса.

Исходя из конструкции дозатора, описанной выше, была его составлена расчетная схема (рисунок 15).

Расчетная схема предполагает, что дозатор является двухмассовой вибрационной машиной, в которой вибровозбудитель 1 (рисунок 15), включающий дебаланс 7 на упругой подвеске 6, приводится во вращение при помощи электродвигателя (на рисунке не показан) с постоянной угловой скоростью . Колебательные движения дебаланса 7, имеющего массу , передаются дозатору 3, имеющему массу и закрепленному на тросовых подвесках 5, посредством шатуна 2. Упруго-вязкий элемент 4 моделирует восстанавливающую силу, возникающую при отклонении дозатора от положения равновесия, и силы вязкого сопротивления, возникающие внутри виброожиженного сыпучего материала.

Составляем уравнения Лагранжа второго рода, приняв за обобщенные координаты угол и перемещение дебаланса (рисунок 15):

, (31)

где - время; − кинетическая энергия системы; , − обобщенные силы.

Р
Рисунок 15  Расчетная схема

вибрационного дозатора

асписав составляющие систему (31) выражения и решив ее относительно массы дебаланса, получаем, что для осуществления колебаний с частотой с^-1 и амплитудой мм, при массе дозатора кг и длине тросовых подвесок мм, масса дебаланса составляет 0,4 кг. При массе дебаланса кг решение системы (31) относительно амплитуды движения дебаланса представлено на рисунке 16.

Рисунок 16  График зависимости

координаты U от времени

ак, согласно рисунку 16, наибольшая величина амплитуды дебаланса соответствует тому положению дебаланса, при котором угол равен 0 либо 180, а наименьшая амплитуда колебания дебаланса мм, совпадающая по величине с амплитудой колебаний дозатора, получается при угле равном 90 либо 270, что хорошо согласуется с экспериментальными данными (рисунок 17).

Согласно экспериментальным данным (рисунок 18) наименьший коэффициент вариации подачи цельной пшеницы, составляющий менее 3 % при подаче двумя секциями свыше 300 кг/ч, дозатором был достигнут при следующих параметрах: частота колебаний с^-1; амплитуда колебаний от до мм, параметр ; при массе дозатора кг.

В
Рисунок 17  Зависимость амплитуды

колебаний от массы дебаланса

озможность применения теоретических исследований к расчету смесителей показана на опытном образце вибрационного смесителя для сыпучих материалов, разработанного в Алтайском ГАУ (рисунок 19).

Рисунок 18  Зависимость коэффициента

вариации подачи от производительности

вибрационного дозатора
ибрационный смеситель (рисунок 19) представляет собой цилиндрическую камеру смешивания 2, прикрываемую сверху крышкой 1. Снизу камеры смешивания 2 установлено гибкое виброднище 3. Гибкое виброднище 3 соединено шатуном 4 с эксцентриковым виброприводом 5, который приводится электродвигателем 7. В гибком виброднище 3 имеется выгрузное отверстие 12, которое при помощи гофры 11 соединено с выгрузным патрубком 9, перекрываемым заслонкой 10. Вся конструкция смесителя установлена при помощи стоек 6 на основании 7.

Исходные компоненты для смешивания загружаются в камеру смешивания 2 сверху. После включения электродвигателя 8 виброднище 3 совершает прямолинейные вертикальные колебания. Колебательные движения передаются обрабатываемому материалу, который в зависимости от параметров вибрации может иметь различные динамические состояния. После завершения процесса смешивания открывается заслонка 10, и готовая смесь проходя через выгрузное отверстие 12, гофру 11 и патрубок 9 выгружается из смесителя.

Смеситель имеет возможность совершать колебания амплитудой равной 3, 5, 7 или 9 мм путем смены эксцентриков в вибровозбудителе 5 (рисунок 19). Частота колебаний неизменна и составляет 150 рад/с.

Анализ конструкции смесителя позволяет сказать, что обрабатываемый в нем материал будет представлять собой слой сплошной среды, поперечный размер которого будет равен внутреннему диаметру камеры смешивания, а высота будет равна расстоянию от виброднища до верхней свободной поверхности слоя.

Смешивание целесообразно производить при полной загрузке смесительной камеры, поэтому исходя из размеров смесителя, поперечный размер слоя составил 420 мм, а высота слоя материала 350 мм.

Расчеты по модели Лоренца, которые проводились при помощи математического пакета MATLAB для пшеничной дерти, показали, что при частоте колебаний рад/с, поперечном размере слоя мм, высоте слоя мм и любом значении амплитуды колебаний или мм, отображающая точка в фазовом пространстве переменных , и рисовала предельный цикл. Это означает, что при указанных параметрах вибрации в исследуемом материале будет наблюдаться циркуляционный режим движения, который вполне подходит для осуществления процесса смешивания.

Д
Рисунок 19 – Вибрационный

смеситель

ля выбора наиболее подходящего значения амплитуды колебаний, при которой будет наблюдаться наибольшая однородность смеси, были проведены экспериментальные исследования, которые показали, что процесс смешивания происходит наиболее интенсивно при мм.

При помощи модели Лоренца можно определить не только характер движения обрабатываемого материала, но и энергетические характеристики процесса смешивания. Поскольку переменная системы (20) характеризует скорость циркуляции материала в ячейках Бенара, то, зная значение и массу материала для конкретного режима обработки, можно определить такой энергетический показатель процесса смешивания как аналог кинетической энергии, которой обладает обрабатываемый материал:

, (32)

где  масса движущегося материала.

Используя интегральные уравнения типа свертки можно связать энергетические показатели процесса смешивания с однородностью кормосмеси:

, (33)

где  модуль смешивания, показывающий какая работа совершается при увеличении однородности 1 кг кормосмеси на 1 %, 1/(кг мин %);  характерное время релаксации, в течение которого релаксирующая часть однородности кормосмеси уменьшается в раза, мин;  время смешивания, мин.

На основе уравнения (33) возможно определение следующих важнейших показателей процесса смешивания:

Определение оптимального времени смешивания:

. (34)

Определение максимальной однородности смеси:

. (35)

Определение однородности смеси при неограниченном увеличении времени смешивания:

. (36)

Для определения значений и в вибрационном смесителе смешивали пшеничную дерть с семенами ячменя, которые служили контрольным компонентом. При проведении эксперимента интенсивность вибрации и наполнение смесителя было неизменным ( рад/с, мм, мм), изменялось только время смешивания, при котором снимались значения однородности смеси. Получив экспериментальные значения однородности смеси, их аппроксимировали кривой вида (33), получив при этом следующую зависимость:

. (37)

Коэффициент корреляции между зависимостью (37) и экспериментальными точками составляет 0,82 (рисунок 20), а статистические расчеты показывают, что модель (37) адекватна.

Согласно модели Лоренца значение аналога кинетической энергии при проведении эксперимента кг. Тогда модуль смешивания составит 1/(кг мин %).

Таким образом, нам известны значения и для данного смесителя и кормовой смеси. Используя их в выражениях (34) – (36), мы можем получить:

оптимальное время смешивания мин;
максимальную однородность смеси ;
однородность смеси при неограниченном времени смешивания, то есть при .

В качестве примера расчета зерноочистительной машины проведем подбор конструктивно-технологических параметров для вновь проектируемого очистителя фуражного зерна, конструкция которого разработана на кафедре механизации животноводства АГАУ.

Принципиальная схема зерноочистителя показана на рисунке 21.

У
Рисунок 20  Кривая смешивания для

вибрационного смесителя

стройство состоит из рамы 1, к которой жестко закреплено установленное с наклоном неподвижное решето 2. Над верхним концом 3 решета 2 установлен бункер исходного материала 4. Над решетом 2 установлен очиститель решета 5, выполненный в виде набора соединенных между собой параллельных планок 6, направление которых совпадает с наклоном решета 2. Очиститель решета 5 соединен шатуном 7 с виброприводом 8 и выполнен с возможностью изменения положения в поперечной плоскости. Под решетом 2 установлен сборник фракций 9.

Устройство работает следующим образом.

В
Рисунок 21  Принципиальная схема вибрационного очистителя фуражного зерна
бункер 4 засыпается зерновой материал с различными инородными примесями. Просыпаясь через нижнее отверстие бункера 4, которое расположено почти по всей длине решетного стана 2, материал попадает на неподвижное решето 2, которое жестко связано с рамой 1 сепаратора. Зерновой материал с различными инородными примесями приводится в движение очистителем решета 5, представляющим собой набор соединенных между собой параллельных планок 6. Очиститель решета 5 приводятся в движение шатуном 7 вибропривода 8. Зерновой материал с различными инородными примесями совершает при этом движения по неподвижному решету 2 в направлении схода примесей. В результате этого очищенное зерно, которое просеялось через неподвижное решето 2, попадает в сборник фракций 9. Примеси и зерно, застрявшие в неподвижном решете 2, удаляются набором соединенных между собой параллельных планок 6. Примеси и инородный материал совершают движение по всему решету в направлении схода примесей.

При проектировании машины были определены ее конструктивные особенности. Для возможности применения машины на очистке любой зерновой культуры диаметр отверстий решета был принят равным 10 мм, живое сечение решета . Угол наклона решета . Исходя из рабочих режимов вибрационных машин сельскохозяйственного назначения параметры вибрации были выбраны в следующем диапазоне: амплитуда колебаний от 2 до 6 мм, частота колебаний от 50 до 150 с^-1. Ширина основания под решето мм, а длина мм. Минимальная высота пластин 6 мм обусловлена требованиями по прочности и жесткости к пластинам, максимальная величина высоты в 20 мм объясняется ограничениями в громоздкости и массе конструкции. Расстояние между пластинами 6 принимается в пределах от 10 до 30 мм. Минимальное значение расстояния обусловлено также требованиями к массе конструкции, а максимальное  возможностями пластин передавать колебания в обрабатываемый материал, так как при величине мм возможно сильное затухание колебаний в материале и ухудшение рабочего процесса.

Определим производительность проектируемой вибрационной зерноочистительной машины на основе разработанной гидродинамической модели и приведенных выше ограничений. В качестве обрабатываемого материала примем зерно пшеницы.

Очевидно, что наибольшая производительность зерноочистительной машины будет достигаться при таких параметрах вибрации, при которых вязкость виброожиженного сыпучего материала будет наименьшей. Анализ полученного экспериментальным путем уравнения регрессии для динамической вязкости пшеницы показывает, что минимальная вязкость виброожиженного зерна пшеницы достигается при амплитуде колебаний около 4 мм, частоте колебаний около 140 рад/с и высоте пластины мм.

Поскольку зерновой материал в процессе очистки виброожижается при помощи пластин 6 и между каждой парой смежных пластин динамическое состояние обрабатываемого материала одинаково, то ячейку, образованную смежными пластинами с размерами можно считать отдельным сосудом.

Анализ системы Лоренца (20) показывает, что для расстояния между пластинами мм величина имеет наибольшее значение. Большая величина переменной означает, что материал обладает большей скоростью, то есть является более подвижным, а это значит, что при большем значении переменной процесс очистки будет протекать более интенсивно. Исходя из вышесказанного, принимаем мм, мм. Для принятых параметров вибрации и конструктивных параметров зерноочистительной машины, влияющих на вязкость виброожиженного слоя, динамическая вязкость зерна пшеницы будет составлять 6873 Пас.

Согласно гидродинамической модели виброожиженного слоя зернистого материала процесс очистки зерна рассмотрим как протекание вязкой жидкости сквозь отверстия в решете, диаметр которых задан мм. Расход жидкости, вытекающей из отверстия, определяется по формуле:

, (38)

где  коэффициент расхода отверстия;  площадь отверстия;  напор.

С учетом сил сухого трения, возникающих между зерном и решетом при проходе материала через отверстия в решете, угла наклона решета и переменного напора вследствие изменения высоты столба материала по длине решета, выражение (38) примет вид:

, (39)

где  коэффициент живого сечения решета;  коэффициент трения;  ширина решета;  плотность обрабатываемого материала;  угол наклона решета;  угол естественного откоса обрабатываемого материала.

Подставляя исходные данные в выражение (39), получим производительность машины при очистке фуражного зерна пшеницы в т/ч.

В пятой главе «Состояние внедрения и экономическая эффективность результатов исследования» приведены основные направления реализации результатов.

Результаты исследований и сформулированные на их основе предложения и новые технические решения использованы при создании экспериментальных и промышленных образцов вибрационных машин, а также их технической документации.

Краткая аннотация внедрения результатов исследования приведена на странице 6 автореферата.

Экономический эффект от использования результатов исследования, изложенных в данной работе может быть достигнут при использовании разработанной вибрационной техники в сфере кормоприготовления на сельскохозяйственных или перерабатывающих предприятиях. В нашем случае целесообразно применять сравнительную экономическую оценку новых разработок с существующими (базовыми) вариантами, в качестве которых выступают серийно выпускаемые машины подобного назначения.

Оценить экономическую эффективность использования вибрационных дозатора и смесителя, разрабатывавшихся для использования в составе малогабаритного комбикормового агрегата, отдельно от агрегата, как самостоятельных машин, представляется весьма проблематичным, так как трудно найти базовый вариант подобных машин для сравнения. Поэтому нами за базовый вариант принят малогабаритный комбикормовый агрегат АК, выпускаемый ОАО «ВНИИКОМЖ», а за новую машину - малогабаритный вибрационно-ударный комбикормовый агрегат ИТАИ-4, разработанный в АГАУ, а экономическая эффективность дозатора и смесителя оценивается долей экономической эффективности агрегата. Доля экономической эффективности дозатора и смесителя в общей экономической эффективности агрегата составляет 15%.

Годовой экономический эффект от применения малогабаритного вибрационно-ударного комбикормового агрегата ИТАИ-4, по сравнению с агрегатом АК производства ОАО «ВНИИКОМЖ» составил 445920 руб. Экономический эффект от использования агрегата за весь срок службы составил 1406687,7 руб. Для дозатора и смесителя, входящих в состав комбикормового агрегата ИТАИ-4, годовой экономический эффект составляет 66888 руб., а экономический эффект за весь срок службы 211003,16 руб.

Анализ экономических показателей указывает на то, что экономический эффект, достигнутый при использовании вибрационной техники, получен, в основном, за счет более высокой производительности и низкой энергоемкости нового агрегата в сравнении с базовым. Именно по этим параметрам вибрационные кормоприготовительные машины отличаются от основной массы машин, основанных на других принципах выполнения технологических операций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В диссертации на основе анализа современного состояния вопроса и проведенных теоретических и экспериментальных исследований динамического поведения вибрируемого зернистого слоя и технологических возможностей вибрационных кормоприготовительных машин можно сделать следующие выводы:

Экспериментально обнаруженное сходство в поведении подогреваемого снизу слоя вязкой жидкости и вибрируемого слоя зернистого материала указывает на то, что математический аппарат гидродинамики можно использовать для моделирования поведения виброожиженного сыпучего материала.
Анализ разработанной гидродинамической модели виброожиженного сыпучего материала позволил выявить критерии подобия аналогичные используемым в гидродинамике вязкой жидкости. Так, получены вибрационные аналоги известных в термо- и гидродинамике критериев подобия, таких как числа Эйлера , Рейнольдса , Фруда , Релея , Прандтля . Полученные критерии подобия позволяют использовать гидродинамическое программное обеспечение для моделирования поведения виброожиженного сыпучего материала.
Полученные при компьютерном моделировании картины движения виброожиженного сыпучего материала полностью совпадают с его экспериментально наблюдаемым поведением. Гидродинамическая модель способна описать все три экспериментально наблюдаемых типа динамического поведения вибрируемого зернистого слоя: уплотнение материала, регулярные циркуляции с образованием ячеек Бенара, стохастическое движение, что является доказательством ее адекватности.
Установлено, что вибрируемый зернистый слой является синергетической системой, так как отвечает всем требованиям, предъявляемым к таким системам: постоянный обмен веществом и энергией с окружающей средой, имеется регулирование по типу обратной связи, отклонение от равновесия превышают критические значения, то есть рассматриваются состояния, лежащие вне равновесной термодинамической ветви, для описания происходящих процессов используются нелинейные математические модели. Указанные факты позволяют использовать методы синергетики для анализа динамического состояния вибрируемого зернистого слоя.
На основе методов синергетики выполнено сведение гидродинамической модели виброожиженного сыпучего материала к модели Лоренца. Получены параметры модели Лоренца , и . Анализ указанных параметров позволил выявить, что переход системы из одного динамического состояния в другое возможен не только путем изменения интенсивности вибрации, но и в результате изменения соотношения между поперечным размером сосуда и высотой слоя материала. Это позволяет без изменения конструкции машины, варьируя только высотой слоя обрабатываемого материала, получать его требуемое динамическое поведение.
Разработан общий алгоритм расчета, на основе которого получены частные методики для расчета вибрационного дозатора, смесителя и очистителя кормовых зернистых материалов. При помощи указанных методик определены конструктивные параметры и технологические характеристики работы: вибрационного дозатора, при которых обеспечивается наилучшее качество дозирования с равномерностью подачи в 97% (частота колебаний с^-1, амплитуда колебаний мм, параметр модели Лоренца , масса дебаланса кг); опытного образца вибрационного смесителя с качеством смеси в 93 % (частота колебаний с^-1, поперечный размер слоя мм, высота слоя мм, амплитуда колебаний мм, оптимальное время смешивания мин); опытного образца вибрационного очистителя фуражного зерна с качеством очистки от грубых, соломистых и крупных примесей в 100% и производительностью т/ч (диаметр отверстий решета мм, угол наклона решета , размеры решета мм, высота пластин мм, расстояние между пластинами мм, амплитуда колебаний мм, частота колебаний с^-1).
На основе исследований сформулированы исходные требования на разработку вибрационных смесителей, дозаторов и очистителей фуражного зерна, утвержденные ГУСХ Алтайского края. Разработаны методики расчета вибрационных машин различного назначения, используемые в ООО «Сибирский агропромышленный дом» и ООО «Алтайские вибромашины». Изготовлены опытные образцы вибрационных кормоприготовительных машин. Результаты работы внедрены в учебный процесс Алтайского ГАУ.
Произведена оценка экономической эффективности результатов исследования, которая показывает, что экономический эффект при использовании вибрационной кормоприготовительной техники достигается за счет её более высокой производительности и низкой энергоемкости в сравнении с машинами, основанными на других принципах выполнения технологических операций. Так, годовой экономический эффект от использования вибрационных дозатора и смесителя в составе малогабаритного комбикормового агрегата ИТАИ-4 составил 67 тыс. руб., а экономический эффект за весь срок службы 211 тыс. руб.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ

Федоренко, И.Я. Динамика виброожиженного слоя сельскохозяйственного материала [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук.  2005.  № 6.  С. 13-15.
Федоренко, И.Я. Методы расчета вибрационных машин на основе гидродинамических моделей сыпучего материала [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, А.А. Гнездилов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки.  2007.  № 5.  С. 93-98.
Пирожков, Д.Н. Сведение гидродинамической модели виброожиженного сыпучего материала к системе Лоренца [Текст] / Д.Н. Пирожков // Вестник Алтайского государственного аграрного университета.  2008.  № 8.  С. 59-65.
Пирожков, Д.Н. Определение конструктивных параметров вибрационного дозатора [Текст] / Д.Н. Пирожков // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки.  2009.  № 7.  С. 77-83.
Пирожков, Д.Н. Расчет элементов вибрационного привода [Текст] / Д.Н. Пирожков // Вестник Алтайского государственного аграрного университета.  2009.  № 8.  С. 73-78.
Пирожков, Д.Н. Методика расчета вибрационного дозатора на основе гидродинамической модели сыпучего материала [Текст] / Д.Н. Пирожков // Хранение и переработка с/х сырья.  2010.  № 11.  С. 73-75.
Федоренко, И.Я. Использование модели Лоренца для описания процесса смешивания сыпучих кормовых материалов [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, Р.Н. Котов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета.  2011.  № 9.  С. 81-85.
Федоренко, И.Я. Обоснование конструктивно-технологических параметров зерноочистительной машины на основе гидродинамической модели виброожиженного слоя зернистого материала [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, А.С. Федоренко // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2012. № 1. С. 85-90.
Федоренко, И.Я. Оптимизация конструктивно-кинематических параметров вибрационного смесителя [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, Р.Н. Котов // Вестник Новосибирского государственного аграрного университета.  2011.  № 12. – С. 38-42.
Пирожков, Д.Н. Использование показателей Ляпунова для определения динамического состояния вибрируемого зернистого слоя [Текст] / Д.Н. Пирожков // Вестник Новосибирского государственного аграрного университета.  2011.  № 12. – С.42-47.

Патенты

Пат. 2119380 Российская Федерация, С1 В 01 F 7/08. Смеситель непрерывного действия [Текст] / В.И. Земсков, Д.Н. Пирожков; заявитель и патентообладатель АлтГТУ им. И.И. Ползунова.  Заявл. 14.07.97; опубл. 27.09.98, Бюл. № 27.
Пат. 2267770 Российская Федерация С 1 G 01 N 11/10. Установка для определения вязкости дисперсных материалов [Текст] / И.Я. Федоренко, А.А. Гнездилов, С.А. Сорокин, К.А. Пехтерев, Д.Н. Пирожков, В.И. Лобанов; заявитель и патентообладатель  Алтайский ГАУ.  Заявл. 05.05.2004; опубл. 10.01.2006, Бюл. № 01.
Пат. 2294096 Российская Федерация С 1 A01K 43/00. Линия для очистки поверхности скорлупы яиц от загрязнений [Текст] / И.Я. Федоренко, А.А. Гнездилов, Д.Н. Пирожков; заявитель и патентообладатель  Алтайский ГАУ.  Заявл. 28.07.2005; опубл. 27.02.2007, Бюл. № 6.
Пат. 2338284 Российская Федерация С 1 B01F 3/18. Устройство для смешивания сыпучих материалов [Текст] / И.Я. Федоренко, С.Н. Васильев, Д.Н. Пирожков, А.И. Сечевой; заявитель и патентообладатель  Алтайский ГАУ.  Заявл. 29.01.2007; опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32.
Пат. 2354446 Российская Федерация С 1 B01F 11/00, B06B 1/00. Привод вибрационной технологической машины [Текст] / И.Я. Федоренко, М.Г. Желтунов, С.Н. Васильев, Д.Н. Пирожков; заявитель и патентообладатель Федоренко И.Я.  Заявл. 03.12.2007; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.
Пат. 2421271 Российская Федерация С 1 B01F3/18, B01F11/00. Смеситель для сыпучих материалов [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков, Р.А. Котов; заявитель и патентообладатель Федоренко И.Я.  Заявл. 08.02.2010; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17.

Другие издания

Золотарев, С.В. Использование пакета программ MINITAB для исследования процесса смешивания [Текст] / С.В. Золотарев, Д.Н. Пирожков // Совершенствование технологий и технических средств в АПК. Материалы юбилейной научно-практической конференции.  Барнаул.  1999.  Ч.1.  С.15-21.
Пирожков, Д.Н. Исследование движения частицы при перемешивании сыпучего материала в смесителе непрерывного действия [Текст] / Д.Н. Пирожков // Сб. ст. Юб. науч.-практ. конф. Совершенствование технологий и технических средств в АПК.  Барнаул.  2001.  С.91-93.
Федоренко, И.Я. Движение частицы сыпучего материала под воздействием вибраций [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков // Тр. ХХХII Уральского семинара по механике и процессам управления.  Екатеринбург.  2002.  С. 212-214.
Федоренко, И.Я. Факторы, действующие на частицу в виброожиженном слое [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков // Материалы XLII науч.-техн. конф. ЧГАУ.  Челябинск.  2003.  Ч.3.  С. 155-159.
Пирожков, Д.Н. Виброкипящий слой: математические модели и использование в технологии [Текст] / Д.Н. Пирожков // Сб. ст. Юб. междунар. науч.-практ. конф. – Барнаул.  2003.  Ч. 1.  С. 144-147.
Федоренко, И.Я. Синергетические системы и поведение сыпучей среды под действием вибрации [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков // Тр. 2 междунар. науч.-техн. конф.  Тобольск.  2004.  Ч. 2.  С. 238-240.
Федоренко, И.Я. Критерии подобия гидродинамических моделей виброкипящего слоя сыпучего материала [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков // Вестник Алтайского государственного аграрного университета.  2005.  № 1.  С. 105-108.
Федоренко, И.Я. Вибрируемый зернистый слой в сельскохозяйственной технологии: монография [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков.  Барнаул: Изд-во АГАУ.  2006.  166 с.
Федоренко, И.Я. Направления совершенствования вибрационных машин в АПК. [Текст] / И.Я. Федоренко, Д.Н. Пирожков // Сб. ст. II междунар. науч.-практ. конф. Аграрная наука – сельскому хозяйству.  Барнаул.  2007. Кн. 2.  С. 279-281.

<< предыдущая страница