Красноярский край, Россия
Россия
сотрудник с 01.01.2014 по настоящее время
Цель исследования – сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований разработанной и запатентованной конструкции лопастного смесителя в области применимости предложенной авторами теории смешивания сыпучих растительных компонентов. Задачи: выполнение экспериментальных исследований параметрической области применимости теории смешивания с оценкой расхождения теоретически предсказанных и фактических значений вариабельности и энергоемкости в окрестностях их оптимумов для адаптации модели к производственным условиям. Теоретические оценки результатных показателей и их сравнение с аналогичными экспериментально полученными значениями выполнены с использованием авторской компьютерной программы процесса смешивания сыпучих растительных компонентов. Для теоретического описания границ области использовалась система компьютерной математики Maple в диапазоне результатных показателей от минимума до максимума. Исследовательские проверки выполнены для определения результатных показателей функционирования лопастного смесителя: вариабельности и энергоемкости процесса смешивания сыпучих растительных компонентов при выборе оптимальных режимов в допустимой параметрической области, задаваемой угловой скоростью вращения вала, углом наклона лопаток и содержанием пшена в смеси. Качество процесса смешивания в условиях выбора наилучших режимов функционирования смесителя оценено величиной относительного отклонения фактического значения результатного показателя от аналогичного оптимального значения. Установлено, что при использованном формате вычислений указанное расхождение минимумов и максимумов не превышает 5 %: для вариабельности составляет соответственно 2,64832 и 0,36521 %, а для энергоемкости – 0,35019 и 1,34564 %.
смеситель, смесь, компонент, фактор, угловая скорость вала, угол наклона лопаток, содержание пшена в смеси, результатный показатель, вариабельность, энергоемкость, параметрическая область, окрестность оптимума, аргминимум, аргмаксимум.
Введение. Смесители сыпучих материалов используются при производстве продуктов питания, комбикормов, в фармацевтической, химической и других отраслях промышленности [1–3]. Основной задачей процесса смешивания сыпучих растительных компонентов является получение однородных смесей, в которых частицы каждого материала равномерно распределяются по всему объему вследствие их перемещения под воздействием рабочих органов смесителя. Решение задачи получения однородных смесей связано с требованиями к количественно-качественному составу готового продукта, энергоемкости процесса смешивания сыпучих растительных компонентов.
Анализ литературных источников свидетельствует, что в настоящее время выпускается широкий спектр новых конструкций смесителей [4].
В качестве недостатков используемых смесителей следует отметить сложность конструкции, высокие энергозатраты и нестабильное качество получаемой смеси.
Исследования предлагаемых конструкций смесителей сыпучих растительных компонентов подразумевают проведение теоретических и экспериментальных испытаний с оценкой адекватности полученных результатов [5–7].
Задачи: выполнить экспериментальные исследования параметрической области применимости теории смешивания в окрестностях предсказанных оптимумов; определить расхождение теоретически предсказанных и фактических значений вариабельности и энергоемкости в окрестностях оптимумов для адаптации модели к производственным условиям.
Материалы и методы. Испытания и контроль качества продукции выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ 16504-81 «Система государственных испытаний продукции». Экспериментальные исследования проводились для запатентованной конструкции лопастного смесителя [8].
Теоретические оценки результатных показателей и их сравнение с аналогичными экспериментально полученными значениями выполнены с использованием авторской компьютерной программы процесса смешивания сыпучих растительных компонентов. Для теоретического описания границ области использованы диапазоны результатных показателей от минимума до максимума, рассчитанных на компьютере. Вариабельность процесса смешивания F теоретически ограничена значениями min F=1,16904 %вар. и max F=8,88244 %вар., а его энергоемкость G ограничена теоретическими оценками min G=0,25341 кВт ч/т и max G=0,35123 кВт ч/т. Вблизи аргминимума и аргмаксимума результатных показателей выбраны следующие конструктивно допустимые значения параметров: угловая скорость вала: 40; 44; 51; 60 об/мин; угол наклона лопаток: 30; 41; 42; 44; 44 град.; содержание пшена в смеси: 10; 14,5; 16; 18; 20 %. Для вычислительного эксперимента использовалась система компьютерной математики Maple [9, 10].
Результаты и их обсуждение. В ходе лабораторных испытаний модифицированного смесителя сыпучих растительных компонентов выполнено экспериментальное определение качественных и количественных характеристик и свойств смесителя при его функционировании в различных режимах.
Исследовательские проверки выполнены для определения результатных показателей функционирования смесителя – вариабельности (F, %вар) и энергоемкости (G, кВт ч/т) процесса смешивания сыпучих растительных компонентов при выборе оптимальных режимов в допустимой параметрической области Ω, задаваемой угловой скоростью вращения вала (x1, об/мин), углом наклона лопаток (x2, град.), содержанием пшена в смеси (x3, %). Качество процесса смешивания в условиях выбора наилучших режимов функционирования смесителя оцениваем величиной относительного отклонения фактического значения результатного показателя от аналогичного оптимального значения. Опытным путем установлено, что снижение вариабельности процесса смешивания сыпучих растительных компонентов означает повышение устойчивости и, как следствие, качества технологического процесса, а повышение энергоемкости напрямую связано с ростом производительности звена модифицированного смесителя.
Поэтому в первом случае используем величины отклонения и относительного отклонения фактической вариабельности F1 процесса от его минимального значения Fmin
,
.
Отклонение вариабельности изменяется в диапазоне 0,03096 – 7,68096 %вар. Чем ближе рассчитанные значения к нулю, тем ближе процесс к минимуму вариабельности
=1,16904 % вар.
Во втором случае – величины отклонения и относительного отклонения фактической энергоемкости G1 процесса от его максимального значения G max
,
.
Отклонение энергоемкости изменяется в диапазоне 0,00084–0,02914 кВт ч/т. Чем ближе рассчитанные значения к нулю, тем ближе процесс к максимуму энергоемкости
=0,35123 кВтч/т.
Определительные проверки дают практический выбор различных комбинаций параметров x1, x2, x3, близких к теоретически обоснованным значениям угловой скорости вращения вала x1=60 об/мин, угла наклона лопаток x2=45 град., содержания пшена в смеси x3=20 %, на уровне вариации F, не превышающем U=1,85 %, позволяет сопоставить фактические значения энергоемкости процесса смешивания 0,35 кВт ч/т с оптимумом =0,35123 кВт ч/т.
Контрольные проверки выполнены для выявления проблем качества функционирования исследуемого смесителя сыпучих растительных компонентов. Каждый контролируемый результатный показатель при заданных комбинациях параметров x1, x2, x3 имеет два уровня: фактический – установленный измерениями в опыте, и теоретический, предсказанный по модели расчетным путем.
Поэтому в первом случае используем величины отклонения и относительного отклонения фактической вариабельности F1 процесса от его теоретического значения F0
,
.
Относительное отклонение по всем вариантам опытов не превосходит 2,626 % <5 %. Чем ближе рассчитанные значения к нулю, тем лучше поверхность отклика вариабельности сглаживает ее фактические значения.
Во втором случае – величины отклонения и относительного отклонения фактической энергоемкости G1 процесса от его теоретического значения G0:
,
.
Относительное отклонение в среднем по всем вариантам опытов не превосходит 5 % (имеется аномальный выброс 10,758 % > 5 %). Чем ближе рассчитанные значения к нулю, тем лучше поверхность отклика энергоемкости процесса смешивания сглаживает ее фактические значения.
Сравнительные проверки выполнены для выявления и сопоставления фактических экстремумов результатных показателей процесса смешивания, полученных в лабораторных условиях, с аналогичными значениями, полученными расчетным путем. Каждый результатный показатель изменяется в диапазоне от минимума до максимума.
Оказалось, что фактически измеренная вариабельность изменяется в диапазоне 1,20–8,85 % вар., а вычисленная вариабельность имеет более широкий диапазон 1,16904–8,88244 % вар.
Расхождение минимумов вариабельности составляет 2,64832 %, а расхождение максимумов – 0,36521 %, что меньше 5 %.
Фактически измеренная энергоемкость изменяется в диапазоне 0,25–0,35 кВт ч/т, а вычисленная энергоемкость имеет широкий диапазон 0,25341 – 0,35123 кВт ч/т.
Расхождение минимумов энергоемкости составляет 1,34564 %, а расхождение максимумов – 0,35019 %, что меньше 5 %.
1. Методом лабораторных испытаний выполнен практический выбор параметров x1, x2, x3, близких к теоретически обоснованным значениям угловой скорости вращения вала x1=60 об/мин, угла наклона лопаток x2=45 град., содержания пшена в смеси x3=20%, на уровне вариации F, не превышающем U=1,85 %, и позволяет сопоставить фактические значения энергоемкости процесса смешивания 0,35 кВт ч/т с оптимумом =0,351 кВт ч/т.
2. Установлено, что в пределах параметрической области фактические значения вариабельности и энергоемкости отклоняются от аналогичных теоретически предсказанных значений меньше чем на 5 %. При этом расхождение фактического и вычисленного минимумов вариабельности составляет 2,64832 %, а расхождение максимумов этого показателя – 0.36521 %; расхождение фактического и вычисленного минимумов энергоемкости составляет 1.34564 %, а расхождение максимумов – 0.35019 %, что также меньше 5 %.
1. Гучева Н.В. Экспериментальные исследования процесса смешивания сыпучих зерновых материалов //Вестник Донского государственного технического университета. 2014. № 14. С. 172–177.
2. Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф. и др. Расчет и проектирование циркуляционных смесителей сыпучих материалов без внутренних перемешивающих устройств. М.: Машиностроение-1, 2004. 120 с.
3. Матюшев В.В., Аветисян А.С., Чаплыгина И.А. и др. Аналитическая модель смешивания сыпучих растительных компонентов // Вестник КрасГАУ. 2023. № 4. С. 202–209.
4. Волков М.В. Метод расчета процесса смешивания сыпучих материалов в новом аппарате с открытой рабочей камерой: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.17.08. Ярославль, 2014. 16 с.
5. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981. 448 с.
6. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика для инженеров и научных работников. М.: Физматлит, 2012. 816 с.
7. Численные методы при моделировании технологических машин и оборудования: учеб. пособие / Г.В. Алексеев [и др.]. СПб.: ГИОРД, 2014. 200 с.
8. Пат. 192831 RU, МПКВ01F7/02 (2006.01), В28С 5/14 (2006.01). Лопастной смеситель /Матюшев В.В., Семенов А.В., Чаплыгина И.А., Аветисян А.С.; патентообладатель Красноярский государственный аграрный университет. № 2019122007; заявл. 09.07.2019; опубл. 02.10.2019.
9. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Экспертно-аналитическая модель получения хлебобулочных изделий с использованием текстурированной муки из растительных смесей на основе зерна /Чаплыгина И.А., Матюшев В.В., Беляков А.А. 2022660431, 03.06.2022. Заявка № 2022619750 от 25.05.2022.
10. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Экспертно-аналитическая модель получения энергонасыщенных экструдатов из питательных смесей на основе зерна /Чаплыгина И.А., Матюшев В.В., Семенов А.В., Беляков А.А. 2022613485. 14.03.2022. Заявка № 2022612862 от 02.03.2022.
