ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Смешение сыпучих материалов остается, пожалуй, самым неизученным физическим процессом. Это объясняется тем, что твердое состояние вещества является значительно более трудным предметом для научного исследования, чем жидкое или газообразное его состояние.

Сложность процесса смешения зависит в первую очередь от агрегатного состояния смешиваемых продуктов. К числу наиболее неудоб­ных для смешения продуктов следует отнести сыпучие материалы. Это объяс­няется не только тем, что для составления из них однородных композиций требуется сложные и энергоемкие устройства, но и тем, что анализ свойств сыпучих материалов и качества составленных композиций, а в особенности описание процесса смесеобразования весьма специфичны и сложны.

Твердые сыпучие материалы смешивают для получения однородных масс как в процессе производства (например, керамических изделий), так и при ко­нечной обработке продукта (например, красителей, пищевых продуктов и др.) .

При смешивании твердых сыпучих материалов с небольшим количеством жидкости широкое применение получили машины с вращающимися барабанами и скребками для очистки стенок. Некоторые типы машин имеют неподвижный корпус, снабженный механическими мешалками, которые не только смешивают массу, но и очищают стенки. Их применяют чаще всего в цемент­ной, стекольной и пищевой промышленности. Для вмешивания небольших количеств (доли процента) жидкости в твердую смесь пригоден плужный сме­ситель. Острые плуги, во-первых, очищают стенки, а во-вторых, дробят обра­зующиеся комки. Надо отметить, что в данном типе смесителей используется так называемая "теория плуга".

В сельском хозяйстве рабочие органы почвообрабатывающих машин имеют форму клина. Это объясняется тем, что в пространстве трех измерений клин - наиболее простая геометрическая фигура. Так, всякую поверхность можно разделить на ряд бесконечно малых плоских элементов аbс (рисунок 1), составляющих клин.

Ребра клина аb,bс и са представляют собой прямые линии - наикратчай­шее расстояние между двумя точками на плоскости. Поэтому клин - самая общая элементарная форма орудия.

При разрушении материала клином можно с помощью сравнительно не­большого усилия Р, направленного вдоль клина получить большие нормаль­ные силы n, разрывающие материал на части. При расклинивании материал изгибается, одни его слои сжимаются, другие - растягиваются. В результате материал разрушается от того вида напряжения, которому он податливее. Для разрушения почвы растяжением требуется сила, примерно в 10 раз меньшая, чем для разрушения сжатием. Клин деформирует почву растяжением, а по­этому считается экономически выгодным орудием. Здесь также следует учи­тывать, что почвы имеют связную структуру в отличии от сыпучего материала. Поэтому плужные смесители имеют достаточно высокие показатели сме­сеобразования при минимальных энергозатратах. Более подробно кинетика процесса смешивания в зависимости от параметров смесителя, разработка ме­тодики расчета мощности, потребляемой смесителем, определение влияния параметров смесителя и физико-механических свойств сыпучего материала на сопротивление движению в нем рабочих органов рассматривались в ряде на­учных трудов.

Весьма интересными и перспективными являются также лопастные смесители. Данный тип смесителей можно использовать как при смешивании сухих сыпучих материалов, так и при смешивании твердых сыпучих материалов с небольшим количеством жидкости.

После проведенных экспериментов на моделях наиболее широко применяемых смесителей периодического действия сделан вывод, что наибо­лее стабильные характеристики смесеобразования имеют ленточный и лопа­стной смесители. Следует отметить, что применение лопастных смесителей в промышленности ограничено в связи с недостаточной изученностью возмож­ностей и отсутствием обоснованной методики расчета. Следовательно, созда­ние методики расчета лопастных смесителей является актуальной задачей, решение которой будет способствовать расширению области их применения.

В рамках данной задачи была изготовлена специально сконструированная лабораторная установка, представленная на рисунке 2. Данная установка позволяет определить механизм движения частиц сыпучего материала под воз­действием лопатки прямоугольной формы. По сути, это есть плоская модель движения лопатки в слое сыпучего материала лопастного смесителя.

При проведении эксперимента, в емкость прямоугольной формы 1 засыпа­лось два компонента со строгой прямой линией разделения 2: пшено (светлый компонент А) и люцерна (темный компонент Б). В компонент Б помещалась лопатка 3, причем расстояние от верхней границы слоя материала до грани лопатки равнялось половине высоты лопаткиb, а от нижней границы (от дна емкости) до нижней грани лопатки было незначительно и составляло 2-3 мм. Лопатка имела возможность поворота вокруг собственной оси вращения, т.е. изменение угла поворота лопатки ос относительно направления движения и возможность перемещения вдоль емкости по направлению движения, посред­ством четырех роликовых колес 4 движущихся по направляющим 5. При дви­жении лопатки через границу раздела двух компонентов 2 наблюдалось сле­дующее расположение компонентов, представленное на рисунке 3.

Результаты были получены путем послойного снятия материала вокруг лопатки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При малых углах пово­рота лопатки а на лопатке в горизонтальной плоскости наблюдалась непод­вижная зона Д (рис 3а). При увеличении угла в пределах от ( _ст до _тр.п. ( _ст -угол трения материала по стали, _тр.п. - угол трения покоя) наблюдается слож­ное движение: по границе зоны Д и внутри нее (рис Зб). Увеличивая далее угол а отчетливо наблюдается лишь движение по лопатке (рис Зв).

В результате мы имеем три основных вида движения частиц сыпучего ма­териала под воздействием лопатки прямоугольной формы:

1.Обтекание зоны Д полусферической формы в двух направлениях;

2.Сложное движение: по поверхности лопатки(т.к. > _ст) и обтекание зо­ны Д

неопределенной формы в двух направлениях;

3. Проскальзывание по лопатке.

Движение частиц в вертикальной плоскости для первого и второго случая представлено на рисунке 3г. Обтекание зоны Д происходит лишь в одном на­правлении и зависит лишь от параметров зоны Д. Второй случай является самым интересным и перспективным с научной точки зрения. Решение вопроса о характере движения частиц в данном случае явля­ется приоритетным направлением наших дальнейших научных исследований. Это решение поможет лучше понять процессы протекающие в лопастном сме­сителе. Также такой подход к движению частиц материала под действием лопатки прямоугольной формы является основой принципиально новой математической модели смешения сыпучих материалов в лопастном смесителе. Детальное рассмотрение данного вопроса позволит создать рабочие органы оптимальной формы и размеров, конструктивно отличающиеся от известных и в настоящее время применяемых.

i- на расстоянии 50 мм от границы раздела компонентов

ii- на расстоянии 210 мм от границы раздела компонентов

Рис. 3. Схема расположения компонентов

а) 0 <>_ст б) _ст <>_тр.п в) _тр.п < 90="">⁰

1- лопатка, 2- линия тока