Механико-технологические основы создания кормоприготовительных машин с вибрируемым зернистым слоем (16.01.2012)

Автор: Пирожков Дмитрий Николаевич

3. Обосновать возможность использования методов синергетики для исследования динамических режимов виброожиженного слоя зернистого материала. Объяснить на основе синергетических подходов существование различных экспериментально наблюдаемых типов динамического состояния вибрируемого зернистого слоя.

4. Разработать алгоритмы и методы расчета вибрационных кормоприготовительных машин на основе созданных математических моделей виброожиженного зернистого материала.

5. Оценить перспективы использования результатов исследования и их экономическую эффективность при создании кормоприготовительных машин с вибрируемым зернистым слоем.

Объектом исследования являются вибрационные технологические процессы обработки кормовых сыпучих материалов и вибрационные кормоприготовительные машины.

Предметом исследования являются математические модели виброожиженного слоя сыпучего материала.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы гидродинамики и термодинамики, методы синергетики, методы теоретической механики, методы теории подобия и математического моделирования, методы численного решения дифференциальных уравнений, методы исследования устойчивости динамических систем, методы планирования эксперимента и математической статистики.

Научная новизна. Разработана гидродинамическая модель виброожиженного слоя сыпучего материала, получены критерии подобия, представляющие собой вибрационные аналоги чисел Эйлера, Рейнольдса, Фруда, Релея, Прандтля, позволяющие использовать математический аппарат термо- гидродинамики для моделирования поведения виброожиженного слоя сыпучего материала.

Доказано, что вибрируемый зернистый слой является синергетической системой, то есть для моделирования его поведения применимы законы и методы синергетики.

На основе синергетического подхода выполнено сведение гидродинамической модели виброожиженного материала к модели Лоренца, позволяющей определять динамическое состояние вибрируемого зернистого слоя.

Разработан общий алгоритм расчета кормоприготовительных машин с вибрируемым зернистым слоем, на основе которого созданы методики расчета вибрационного дозатора, вибрационного смесителя и вибрационного очистителя для зернистых кормовых материалов.

Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработаны методы и алгоритмы расчета вибрационных кормоприготовительных машин, позволяющие качественно оценивать динамическое состояние обрабатываемого материала, что дает возможность анализировать работу существующего и создавать новое технологическое оборудование с рациональными эксплуатационными характеристиками. Указанные методы и алгоритмы расчета могут быть использованы в проектных организациях, занимающихся разработкой кормоприготовительного оборудования при разработке устройств очистки от примесей, дозирования, смешивания и выполнения других технологических операций с зернистыми кормовыми материалами.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы на предприятии ООО «Сибирский агропромышленный дом», а именно: внедрены методики расчета конструктивно-технологических параметров, эксплуатационных характеристик, а также качественных показателей технологических процессов вибрационных машин различного назначения (вибрационные дозаторы и вибрационные смесители). В ООО «Алтайские вибромашины» внедрены методики расчета конструктивно-технологических параметров, разработаны чертежи и изготовлено 20 шт. многокомпонентных вибрационных дозаторов и 5 шт. вибрационных смесителей сыпучих кормовых материалов. Научные разработки внедрены в учебный процесс Алтайского ГАУ и используются при чтении лекций, а также при подготовке аспирантов и выполнении студентами курсовых и дипломных работ на кафедрах «Механизация животноводства», «Сельскохозяйственные машины», «Тракторы и автомобили».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на XXXII Уральском семинаре по механике и процессам управления (г. Миасс, 2002), XLII научно-технической конференции (г. Челябинск, 2003), Юбилейной международной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве и растениеводстве» (г.Барнаул, 2003), II международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г. Тобольск, 2004), Международной научно-практической конференции «Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири» (п.Краснообск, 2008), II, III и VI Международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г.Барнаул, 2007, 2008, 2011 гг.)

На защиту выносятся:

- синергетический подход к рассмотрению динамики виброожиженного слоя зернистого материала, позволяющий применять методы синергетики к описанию динамического поведения виброожиженного зернистого слоя;

- гидродинамическая модель виброожиженного слоя зернистого материала, позволяющая адекватно описать динамику этого слоя и объяснить причины наблюдаемых явлений при воздействии вибрации на зернистый материал;

-общий алгоритм и частные методики расчета вибрационных машин на основе гидродинамической модели виброожиженного слоя зернистого материала;

- оценка экономической эффективности и применимость результатов работы в животноводстве и перерабатывающей промышленности.

Достоверность теоретических исследований обеспечивается математической корректностью постановки задач, соответствием полученных критериев подобия положениям термо- и гидродинамики, количественным и качественным совпадением результатов численных решений с экспериментальными данными.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 25 печатных работах, в том числе: 10 статей в изданиях из перечня ВАК РФ, 6 патентов РФ на изобретение, одна монография, 8 статей в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 210 наименований, восьми приложений. Общий объем работы составляет 292 страницы, в том числе 29 таблиц, 78 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы научная гипотеза и цель, поставлены задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе дается краткий обзор и анализ явлений и фактов, экспериментально наблюдаемых в вибрируемом зернистом слое, а также анализ существующих математических моделей для описания наблюдаемых явлений.

В наши дни машины вибрационного принципа действия получили большое распространение. На предприятиях сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности вибрации успешно применяются при обработке различных зернистых (по другой терминологии - сыпучих, дисперсных) материалов и продуктов: зерна, муки, сахара песка, крахмала, крупы, какао-бобов, мясных фаршей, сухих смесей и т.д. В процессе их просеивания, центрифугирования, сепарирования, транспортирования, смешивания, дозирования, измельчения, обжарки, сушки, резки, уплотнения вибрационные рабочие органы взаимодействуют с некоторой порцией этих материалов ( загрузкой машины. При этом сыпучий материал представлен в технологической машине в виде слоя той или иной толщины, обычно существенно меньшей, чем длина волны распространения вибрационных возмущений.

Применение виброметода в различных отраслях хозяйства стало возможным благодаря усилиям многих ученых, в числе которых крупнейшие советские и российские механики И.И. Артоболевский, В.В. Андронов, В.И. Бабицкий, И.И. Блехман, И.И. Быховский, Р.Ф. Ганиев, И.Ф. Гончаревич, Э.Э. Лавендел, Н.В. Михайлов, Р.Ф. Нагаев, Ю.И. Неймарк, Е.А. Непомнящий, П.Ф. Овчинников, Я.Г. Пановко, К.М. Рагульскис, П.А. Ребиндер, Н.Б. Урьев, К.В. Фролов, К.Ш. Ходжаев, В.Н. Челомей, В.А. Членов, С.Ф. Яцун.

Из зарубежных ученых своими трудами по данной проблеме выделяются Р. Бишоп, Д. Кумабэ, К. Магнус, П. Ребю, С.П. Тимошенко, Я. Ден Хартог.

Существенный вклад в разработку вибрационных машин и процессов агропромышленного комплекса внесли Н.А. Буренков, П.М. Василенко, В.П. Горячкин, В.В. Гортинский, А.А. Дубровский, П.М. Заика, П.Н. Лапшин, П.И. Леонтьев, Г.Е. Лимонов, Г.Е. Листопад, С.А. Мачихин, Ю.А. Мачихин, М.А. Талейсник, Г.Д. Терсков, В.М. Усаковский, И.М. Федоткин, И.Я. Федоренко, А.В. Фоминых, и другие ученые.

Экспериментально установлено, что при вибрационном воздействии в сыпучем материале изменяются механизмы взаимодействия между его частицами.

, характеризующихся интенсивным вибровоздействием, наступает стохастическое (турбулентное) движение зернистого материала и его интенсивное перемешивание по всему объему (рисунок 1 в).

Для объяснения наблюдаемых явлений и определения кинематических и динамических характеристик вибрируемого слоя различными авторами было разработано большое количество математических моделей, которые можно разделить на несколько основных групп.

1. Модели единичной частицы. Рассматривают движение одной частицы сыпучего материала на шероховатой вибрируемой поверхности.

2. Специальные модели. Предназначены для описания процессов, происходящих только в какой-то одной, узкоспециализированной группе вибрационных машин. К таким моделям можно отнести рассмотрение сыпучего материала как двухмассовой системы, снабженной системой вязких демпферов и упругих элементов; как систему тонких горизонтальных слоев, проскальзывающих друг относительно друга; модель в которой слой материала рассматривается как поршень с отверстием в центре, взаимодействующий при своем движении с прослойкой воздуха.

3. Модели сплошной среды. Рассматривают вибрируемый зернистый слой как сплошное тело, вязкую жидкость или идеальный газ.

К недостаткам первой группы моделей можно отнести то, что в них не учитываются силы взаимодействия частицы с другими, окружающими ее частицами, силы сопротивления воздушной среды и объемные силы, возникающие в сплошной среде (силы типа архимедовой). Подобные модели пригодны лишь для описания движения отдельных достаточно крупных тел, а также слоя, состоящего из крупных частиц, толщина которого не превышает 20-30-кратного среднего размера частиц. При рассмотрении слоя материала большей толщины модели единичной частицы являются непригодными.

Недостатками моделей второй группы является их сложность и узкоспециализированная направленность, объясняющая процессы, протекающие в материале, обрабатываемом только в отдельно взятых вибрационных машинах.

Наиболее правильным, на наш взгляд, подходом к описанию поведения вибрируемого зернистого слоя является его описание на основе моделей сплошной среды. В этих моделях учитывается взаимодействие частиц или элементарных объемов материала друг с другом и с воздушным потоком, присутствуют объемные силы, возникающие в сплошных средах. Но из всех существующих моделей подобного типа можно выделить лишь одну – модель на основе уравнений Лоренца, объясняющую все три экспериментально наблюдаемые типа поведения вибрируемого зернистого слоя, а именно: дрожание частиц с последующим уплотнением материала; циркуляционные движения; стохастическое поведение.

Во второй главе проводятся параллели между поведением нагреваемого снизу слоя вязкой жидкости и виброожиженным сыпучим материалом. Приводятся основные понятия из современной нелинейной динамики и синергетики и доказывается их применимость к описанию динамики вибрируемого зернистого слоя.

Краеугольным камнем синергетики является понятие о диссипативных структурах как пространственно-временных упорядоченных организациях в физических, механических, химических и биологических системах. Диссипативные структуры включают в себя все типы процессов самоорганизации: колебательные процессы, пространственную упорядоченность, пространственно-временное структурирование, хаотические состояния, что и наблюдается в процессах и аппаратах вибрационного типа.

Для возникновения диссипативных структур необходимы следующие условия, которые выполняются во многих технологических машинах и аппаратах:


загрузка...