Статья: Теоретическое и экспериментальное определение мощности привода барабана перемешивающе-дозирующего устройства

Статья по теме:

Теоретическое и экспериментальное определение мощности привода барабана перемешивающе-дозирующего устройства

Мохов А.А., Иванов А.Г., Костин А.В., Шакиров Р.Р., Спиридонов А.Б., Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Аннотация

Рассматривается перемешивающе-дозирующее устройство машины для приготовления компоста; предложена методика расчета рабочего угла поворота барабана и мощности привода барабана; проведены теоретические и экспериментальные исследования.

Ключевые слова: перемешивающе-дозирующее устройство, мощность, угол поворота, соломонавозная смесь

Основной задачей утилизации навоза является его быстрая переработка в компост методом буртового компостирования. Под данную технологию приготовления компоста разработана компоновочная схема машины (рис. 1) [1, 2, 3].

Машина состоит из рамы 1, накопительного устройства с тихоходным конвейером 2, перемешивающе-дозирующего устройства 3, быстроходного конвейера 4, гидравлической станции 5, электрошкафа 6, пульта дистанционного управления 7, блока управления 8, канала для введения термофильных бактерий 9.

Рама включает в себя передний ведущий мост и задний мост управления. Передние ведущие колеса приводятся в движение от мотор-редуктора, задние колеса управления связаны рулевой трапецией, и их управление осуществляется гидроцилиндром.

Тихоходный конвейер состоит из основной рамы, к которой закреплен мотор-редуктор, и транспортера. Мотор-редуктор передает вращающий момент приводному барабану транспортера, который охватывается конвейерной лентой. Натяжение конвейерной ленты осуществляется перемещением ведомого барабана конвейера при помощи винтового натяжного устройства [1, 4].

Рис. 1 - Компоновочная схема машины

Перемешивающе-дозирующее устройство располагается над тихоходным конвейером. Оно представляет собой вращающийся против хода транспортерного рабочего органа барабан, препятствующий движению соломонавозной смеси (ворох) по тихоходному конвейеру. Вращение на барабан передается от мотор-редуктора. Сваливание груза с ленты вниз позволяет ему интенсивно переворачиваться, обеспечивая высокую степень перемешивания компонентов вороха (навоз и солома).

Быстроходный конвейер включает в себя гидроцилиндры, регулирующие поворот конвейера в горизонтальной плоскости с углом ±28° и в вертикальной плоскости - с изменением угла в пределах -10…+17°.

Теоретические исследования по определению затрат мощности на привод барабана перемешивающе-дозирующего устройства [3, 5, 6]

В процессе взаимодействия планок барабана перемешивающе-дозирующего устройства с соломонавозной смесью (ворохом) происходит смятие, сдвиг и смешивание компонентов, при этом принимаем, что компостируемый материал поступает на барабан непрерывно; влажность и плотность субстрата принимаем постоянными, а его состав - однородным.

Рассмотрим указанный процесс и определим затраты мощности на привод барабана. Необходимая мощность привода складывается из затрат энергии на смятие компонентов при внедрении планок в подаваемый ворох, а также на сдвиг объема смеси (рис. 2):

(1)

где: z - число планок барабана;

Асм, Асд - работа сил смятия и сдвига вороха, соответственно, при воздействии одной планки, Дж;

Т - время полного оборота, с.

Рис. 2 - Расчетная схема к определению мощности

Таким образом, определяется средняя мощность за время одного цикла (оборота) барабана.

Ранее было выявлено [3], что при установке планок под углом ч (рис. 2) нормальная составляющая реакции со стороны планки на соломонавозную смесь вызывает начальное уплотнение смеси. Это происходит при входе планки в толщу смеси в начале фазы работ планки. Выясним величину угла поворота барабана p за время работы одной планки при величине зазора ? и высоте вороха y; получаем рабочий угол поворота барабана (рис. 3).

p=вх+вых (2)

Угол входа

. (3)

Угол выхода

(4)

В таблице 1 представлены результаты расчета угла в зависимости от зазора между барабаном и рабочим органом конвейера и высоты слоя соломонавозной смеси y по формулам (2-4).

Рис. 3 - Схема к определению рабочего угла поворота барабана

Таблица 1 - Значения угла в зависимости от зазора между барабаном и рабочим органом конвейера и высоты слоя соломонавозной смеси y

Предельные значения угла :

- при максимальном значении зазора = 0,06 м и минимальной высоте слоя вороха yо = 0,12 м - =70,48о;

- при минимальном значении зазора = 0,03 м и максимальной высоте слоя вороха yо = 0,25 м - =102,47о.

Следует учесть, что работа барабана перемешивающе-дозирующего устройства возможна в том случае, когда угловой шаг установки планок будет меньше . Таким образом, обеспечивается перекрытие: за время работы одной планки следующая успеет дойти и также начать внедряться в ворох. Если число планок z, то условие перекрытия будет выражено так:

Для барабана примем число планок z= 7.

Определим работу на смятие вороха (соломонавозной смеси) в момент входа одной планки барабана.

Процесс смятия происходит от момента касания вершины планки вороха смеси до момент полного его внедрения в толщину соломонавозной смеси (рис. 4).

Рис. 4 - Схема к определению работы силы смятия: а - угол смятия; б - схема определения силы смятия

компост машина барабан привод

Для определения работы сил смятия используем реологическую характеристику навоза з0 - структурная вязкость (Па·с) [7, 8]. Так как площадь смятия по мере внедрения планки в толщину соломонавозной смеси увеличивается, то необходимо рассмотреть некоторое текущее положение планки, частично погруженной в толщину вороха (рис. 4, б). Равнодействующую распределенной нагрузки от действия планки на навоз заменим сосредоточенной силой, приложенной в центре давления площадки смятия. Также покажем вектор скорости центра давления и угол давления [3].

Сила смятия, приложенная на радиусе R, обеспечивает момент смятия:

, (5)

где: S - площадь зоны смятия шириной b, равной ширине планки, м2;

- угловая скорость барабана, рад/с;

,

Тогда, с учетом формулы (5), работа переменного момента смятия на дуге поворота см = вх равна:

.

После интегрирования с использованием формулы косинуса суммы двух углов, подстановки пределов получаем работу смятия соломонавозной смеси одной планкой:

, (6)

где .

При смятии планка вместе с барабаном повернется на угол см (рис. 4), численно равный углу входа см = вх, определяемому по выражению (3).

Затем происходит сдвиг объема вороха в области А, показанной на рис. 5, а.

Рис. 5 - Схема к определению работы силы смятия: а - угол смятия; б - схема определения силы смятия

Усилие сдвига определяется предельным напряжением сдвига ф0 (Па) и величиной сдвигаемой площади. Площадь сдвига пропорциональна длине дуги, описываемой вершиной планки, вращающейся вместе с барабаном в толще соломонавозной смеси (рис. 5, б).

Таким образом, усилие сдвига определяется выражением

, (7)

где сд - угол сдвига, численно равный углу выхода сд = вых, формула (4), рад.

Работа сил сдвига

. (8)

С учетом формулы (7) получаем

.

После вычисления интеграла с подстановкой пределов интегрирования получаем:

. (9)

Подставляем выражения (7) и (9) в формулу (1), учитывая время полного оборота Т = 2 / , получаем мощность привода барабана.

Значения з0 = 24 Па·с и ф0 = 850 Па приняты по рекомендациям Мельникова [8] для соломонавозных смесей при влажности 55…65 %.

Результаты расчета мощности на привод барабана при высоте слоя соломонавозной смеси y = 0,2 м, величине зазора ? = 0,03 м, угле установки планки ч= 60° в зависимости от частоты вращения барабана представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значение мощности привода барабана перемешивающе-дозирующего устройства в зависимости от частоты вращения

Экспериментальная проверка затрат мощности на привод барабана перемешивающе-дозирующего устройства [9].

С этой целью при работе машины подключался лабораторный стенд и снимались показатели мощности, затрачиваемой приводом при максимальной скорости тихоходного конвейера V = 0,6 м/с и минимальном зазоре между рабочей поверхностью конвейера и барабаном. Это обеспечивало самые неблагоприятные условия нагружения электрического двигателя в приводе барабана. Схема подключения стенда представлена на рис. 6. В качестве приводного двигателя использовался двигатель постоянного тока независимого возбуждения марки 2ПН90L. Данный тип двигателя позволяет регулировать частоту вращения вала якоря в широком диапазоне скоростей, при этом практически не снижая крутящий момент на валу. Паспортные характеристики электрического двигателя представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Паспортные характеристики электрического двигателя 2ПН90L

Данный тип двигателя заменил собой асинхронный тип электродвигателя в приводе барабана перемешивающе-дозирующего устройства машины для приготовления компоста. Такая замена обоснована тем, что полезную мощность на валу электрического двигателя постоянного тока можно косвенно измерить и посчитать по типовой методике с достаточной степенью точности. Мощность же на валу асинхронного электрического двигателя можно определить только приближенно, так как нельзя узнать к.п.д. и cos в текущий момент времени.

При работе барабана перемешивающе-дозирующего устройства на установившемся режиме работы согласно методике, изложенной в [10, 11], определялась мощность на валу двигателя, необходимая для привода исследуемой установки, по формуле:

, (10)

где: Р - мощность, необходимая для привода исследуемой установки, Вт;

Iя - ток, потребляемый якорем двигателя, А;

Rя - сопротивление цепи якоря электродвигателя, Ом;

Uя - напряжение на якоре, В;

Рщ - потери в щетках, Вт;

Рдоб - добавочные потери, Вт;

Р0 - потери холостого хода, Вт.

Добавочные потери находятся как Рдоб = 0,01·IяUя, а потери в щетках Рщ = IяU при U = 1 В [11].

Потери холостого хода определяли по тарированной кривой (рис. 7).

Матрица планирования однофакторного эксперимента и результаты показаны в таблице 4.

Рис. 6 - Электрическая схема управления электрическим двигателем 2ПН90L

Рис. 7 - Тарированная характеристика потерь холостого хода

Таблица 4 - Матрица планирования однофакторного эксперимента по определению затрат мощности на привод барабана перемешивающе-дозирующего устройства