новая папка 1 / 516596

Рис. 2. Общий вид лабораторной установки:

1 – дозатор; 2 – блок управления; 3 – лабораторные весы

Рис. 3. Установка для определения производительности:

1 – дозатор; 2 – транспортёр; 3 – приёмная ёмкость

11

Общие сведения о методе планирования эксперимента

Пусть в процессе исследования какого-либо объекта интересующее нас качество или признак этого объекта Y зависит от нескольких величин – Х1, Х2…, Хn и мы хотим выяснить характер этой зависимости.

Иными словами существует функция нескольких переменных:

Y=F(X1, Х2,….Хi,…Хn),

(15)

о которой мы имеем лишь самые общие представления, а хотим знать возможно больше.

Если Y зависит от одной переменной Х, то задача достаточно проста: при определенном значении Х в опыте получаем Y. Задаваясь несколькими значениями Х, в соответствующем опыте, получая значения Y, можно получить график Y=F(X), и цель будет достигнута.

При двух независимых переменных задача усложняется не сильно: потребуется построить семейство кривых Y=F(X1) при Х2=сonst, для ряда значений Х2.

Если независимых переменных 3, 4 или больше, то информация о функции (15), полученная в виде семейств графиков, практически бесполезна: трудно извлекать нужные сведения из мног о- численных, сложно связанных между собой кривых.

Для исследования таких функций разработана теория планирования эксперимента. Согласно этой теории при проведении опытов независимые переменные Хi изменяются (настраиваются) по определенному плану, причем каждый раз, переходя от опыта к очередному опыту, изменяются все переменные Хi. В результате значительно сокращается количество опытов.

Величину Y будем называть функцией цели, а Х1 и Х2 – факторами. В исследовании вместо натуральных переменных (факторов) Хi пользуются кодированными переменными хi, определяемыми по формуле

хi		X i X icр		,		(16)
		X i m ax X icр
где Хicp
X			Xi min Xi max		.	(17)
	icp
		2

12

При подстановке в (16) Хimaxи Хimin соответственно получаем

xi = +1 и xi = -1.

Натуральные переменные представляют собой размерные величины, каждая из них обозначается именованным числом, то есть числом с указанием единицы измерения. В различных исследованиях могут быть различными как единицы измерения, так и интервалы их изменения.

Кодированные переменные – безразмерные, изменяются на интервале [1; +1], так что результаты теории (формулы, таблицы и т.д.) могут быть использованы в различных областях знаний.

Эксперимент проводится в соответствии с планом, который называется полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 2n. Рассмотрим простой случай, когда n=2.

Характерной особенностью плана является то, что в каждом эксперименте изменяют все изменяемые параметры хi по определенной системе. Для облегчения расчетов дополнительно вводят фиктивную переменную хо=1. План показан в таблице 1 в выделенной рамке.

Функция (16) представляется в виде:
Y=В0+В1х1+В2х2+В3Х3.			(18)
Коэффициенты Вi определяются по методу наименьших квад-
ратов по формуле:
	N
	xiuYu
B	u 1	,	(19)
i	N

где Yu – значение величины Y, полученное в u-ом опыте; xiu – значение i-ой переменной в u-ом опыте;

N – количество опытов, N= 4.

Функция цели Yi определяется из опытов.

В графе Y таблицы 1 записываются значения Yu, полученные в u-ом опыте. В данной работе в результате опытов мы получаем подачу дозатора Qu, так что Yu=Qu.

В графе ˆ записывают значения Q, вычисленные по получен-

Y

ному уравнению (19).

13

							Таблица 1
			Расчетная таблица
			хi					ˆ
u	хo	х1		х2	хз=х1х2	Y		Y
1	+1	-1		-1	+1
2	+1	+1		-1	-1
3	+1	-1		+1	-1
4	+1	+1		+1	+1
5	+1	0		0	0

Если до опыта известно (по экспертным оценкам или другим исследованиям), что Y линейно зависит от f(хi), то вводят новую переменную ξi=f(хi) и используют ее вместо хi.

Для проверки адекватности полученной функции (20) исследуемому объекту проводят эксперимент в нулевой точке (пятая

строка) и находят невязку.
ˆ	(20)
Y Y Y .
Для оценки адекватности в теории планирования эксперимен-
та используют различные критерии (Фишера, Кохрена	и др.).

В работе это опускаем, Y оцениваем визуально.

Функция Y представляет собой поверхность, которую называют иногда поверхностью отклика.

Плоскость Y=const параллельная плоскости Х1ОХ2, пересекает эту поверхность, получается двумерное сечение поверхности отклика. Серия таких сечений несет определенную практическую информацию об исследуемом объекте.

Содержание отчета

1. Заполненные таблицы с результатами измерений и расчётов. 2. Построить график двумерных сечений функции (20) (поверх-

ности отклика).

3. Выводы по результатам работы и расчёта.

Контрольные вопросы

1.Конструкция объемного дозатора.

2.Методика проведения экспериментальных исследований методом планирования эксперимента.

3.Как экспериментально определить производительность дозатора ?

14

Практическое занятие №4. Исследование работы смесителей кормов

Цель занятия: изучить процесс смешивания компонентов сыпучих ко р- мов и получить навыки по определению качества смешивания.

Задание 1. Изучить общие сведения о смешивании компонентов. Задание 2. Изучить устройство и работу смесителя.

Задание 3. Экспериментально определить качество смеси.

Смешиванием называется механический процесс равномерного распределения частиц отдельных компонентов во всем объеме смеси под действием внешних сил. Смешивание является обязательной операцией при производстве комбикормов и других кормосмесей. Смешивание применяют также для интенсификации процессов теплообмена и массообмена.

Для определения однородности смеси выделяют один основной (контрольный) компонент, а остальные объединяют в другой условный компонент. При этом полагают, что если основной компонент смеси распределен равномерно, то и все остальные компоненты также распределены удовлетворительно.

Количественной характеристикой качества процесса смешивания используется показатель λ, называемый степенью однородности.

Для определения степени однородности на основе анализа взятых проб применяют различные формулы, из которых более распространенной является формула А. А. Лапшина:

а) 1

1

Вi

, если Вi В0

,

n1

Во

(21)

б) 2

1

2B0 Bi

, если Bi B0 ,

n

2

B

0

где n1, n2 – количество проб соответственно для случая а) и б); Вi – доля контрольного компонента в i-той пробе;

Во – доля контрольного компонента в идеальной (расчетной) смеси.

В серии повторностей опытов обычно реализуется как случаи а), так и случаи б). Тогда степень однородности смеси определится по формуле, в которой объединены оба случая:

15

		1n1 2 n2		,
			n
или				(22)
	n1		n 2
	1i		2i
	i 1		i 1		,
			n

где n = n1+n2 – общее количество проб.

Другая формула, применяемая обычно в комбикормовой промышленности, учитывает вероятностный характер процесса смешивания. Об однородности в этом случае судят по коэффициенту вариации. Применительно к принятым выше обозначениям степень однородности определяется по формуле:

	1			,	(23)
		В

где σ – среднеквадратическое о тклонение исследуемого (контрольного) компонента;

В Вi / n – среднее арифметическое содержания контрольного компонента, найденное в опыте.

Среднеквадратическое отклонение определяется по формуле:

		n	B		2
				B
			i			.		(24)
			n 1
		i 1

При определении степени однородности для необходимой достоверности опытов в лабораторной работе следует брать не менее 7 проб.

Устройство и работа смесителя

Смеситель непрерывного действия (рис. 4) имеет цилиндрический корпус 1, в котором расположен вал 2 с лопатками 3, установленными под углом к вертикальной плоскости.

Со стороны одного конца вала корпус снабжен загрузочным бункером 4, а с другого конца выгрузным патрубком 5. Вал 2 через редуктор 6 и муфту 7 соединен с электродвигателем 8.

Работает смеситель следующим образом.

16

Подаваемые непрерывно компоненты корма подхватываются лопатками вала и перемещаются в сторону выгрузки, по пути к выгрузному патрубку происходит перемешивание компонентов.

В конце пути, в зоне выгрузки, получается готовая кормосмесь.

Рис. 4. Смеситель непрерывного действия:

1 – корпус; 2 – вал; 3 – лопатки; 4 – загрузочный бункер; 5 – выгрузной патрубок; 6 – редуктор; 7 – муфта; 8 – электродвигатель

Качество смеси зависит от конструктивно-режимных параметров смесителя: частоты вращения вала; угла наклона лопаток; размеров лопаток; длины пути от загрузочного бункера до выгрузного патрубка.

Смеситель периодического действия также имеет размещенную в корпусе вал-мешалку с приводом.

В корпус загружаются компоненты не непрерывно, а в определенном количестве. После загрузки компонентов включается привод вала-мешалки на определенное время.

Качество смеси зависит также от конструктивно-режимных параметров смесителя и, в частности, от времени смешивания.

Экспериментальное определение качества смеси

1)Отвешивают и засыпают в бункер смесителя компоненты смеси в соответствии с заданны рецептом, в кг, например:

-пшеница – 3;

-ячмень – 5;

-просо – 2.

2)Включают установку в работу.

17

3)Открывают задвижку бункера и смеситель выводят на установившийся режим работы через 15-20 с.

4)После выхода смесителя на установившийся режим отбирают последовательно с интервалом 10-15 с 7 проб массой 200-250 г.

5)Определяют массу каждой пробы с точностью ± 1 г. Результат заносят в таблицу 2.

Таблица 2

Журнал наблюдений

Режим	Частота					Время	№	М асса	М асса
			G,	Gк,					контрольного
работы	вращения,	К			В0	опыта,	опыта	пробы,		Вi
смесителя	мин-1		кг	кг		t, с		М i,г	компонента,
									М кi, г

6)Каждую пробу разделяют с помощью классификатора на составляющие компоненты и определяют массу контрольного компонента с точностью ±1 г. Результат заносят в таблицу 2.

За контрольный компонент обычно принимают тот, который в рецепте содержится в меньшем количестве. В рассматриваемом рецепте контрольным компонентом следует считать просо.

7)Смеситель с помощью вариатора переводят на другой режим работы и аналогично отбирают 6-7 проб смеси для анализа.

Обработку результатов эксперимента проводят в следующей последовательности:

1)определяют долю контрольного компонента в идеальной (расчетной) смеси

В	Gк	,	(25)
о	G

где Gк – масса контрольного компонента, засыпанного в смеситель, кг; G – масса всех компонентов в смесителе, кг;

2) определяют долю контрольного компонента в i-й пробе по соотношению:

В

М кi

,

(26)

i	М i

где Мкi – масса контрольного компонента в i-той пробе смеси, кг; Мi – масса i-й пробы смеси, кг;

3) для каждого опыта по формулам (21) определяют λ1 или λ2 и записывают в соответствующие графы таблицы 3;

4) определяют среднее арифметическое содержание контрольно-

18

го компонента по формуле

		Вi / n ;	(27)
	В

5) определяют среднеквадратическое отклонение содержания контрольного компонента в пробах (формула 24), результат заносят в таблицу 3;

6) по формуле (22) и (23) определяют степень однородности и заносят в таблицу 3;

Таблица 3 Результаты обработки экспериментальных данных

№

%

Вi

2Во Вi

,

, % по

В ,

1i

2i

Bi B

(B B )2

формуле

опыта

Bi,

%

Во

Во

i

%

14

15

1

п

Σ

7) проводят анализ результатов экспериментальных исследований, сравнивают степень однородности смеси.

Содержание отчета

1. Заполненные таблицы с результатами измерений и расчётов. 2. Выводы по результатам работы и расчёта.

Контрольные вопросы

1.Устройство и принцип работы смесителя непрерывного действия.

2.Как экспериментально определить качество смеси?

3.От чего зависит качество смеси?

4. Какова последовательность обработки результатов эксперимента?

Практическое занятие №5. Исследование работы пресс-экструдера

Цель занятия: изучение мето дики определения давления и температуры в шнеке пресс-экструдера

Задание 1. Изучить оборудование для определения давления и температуры в шнековой части пресс-экструдера.

Задание 2. Экспериментальным путем определить давление и температуру в шнековой части пресс-экструдера.

19

С целью разработки методики расчета пресс-экструдера и проверки ее достоверности, необходимо экспериментально определить давление и температуру экструдируемой смеси в зоне пластификации и гомогенизации пресс-экструдера.

Опыты проводились на пресс-экструдере КМЗ-2У. Измерение давления смеси в процессе экструзии проводились

с помощью аппаратуры, соединенной по блок-схеме (рис. 5). Датчики давления были установлены на среднем и выходном

корпусах цилиндра в трех точках, для чего были выполнены резьбовые отверстия в корпусе цилиндра.

Вкачестве датчиков давления были применены тензометрические датчики давления типа ЛХ-417. В связи с тем, что проходящая по мембране датчика смесь в процессе замеров может износить или разрушить мембрану, была проведена доработка датчика.

Кнему дополнительно была привернута насадка с мембраной.

Вэтом случае давление смеси действует на мембрану насадки, а ее колебания передаются через текстолитовый переходник на мембрану датчика. Тарировка датчиков проводилась на гидравлическом прессе по образцовому манометру с записью на осциллографе.

Температура в головке пресс-экструдера измерялась штатной термопарой ТХК-529 с указателем М-64. В остальных местах тем-

пература измерялась при помощи термопары «К» типа HYTP-010, и измерительного прибора типа токовые клещи MastechM 266c.

Координаты мест замера давления и температуры показаны на

(рис. 6).

В процессе проведения экспериментов геометрические размеры компрессионного затвора и шнека пресс-экструдера не менялись. Производительность пресс-экструдера была выбрана равной 0,24 т/ч. Влажность смеси брали для двух значений 15% и 25%. При проведении экспериментов производительность прессэкструдера и влажность смеси в каждом опыте поддерживались постоянными, а изменялась площадь сечения выходного отверстия головки для определения оптимального режима работы.

Опыты проводились по следующей схеме: готовилась смесь и определялась исходная влажность.

После запуска и выхода пресс-экструдера на режим при заданной производительности и стабилизации значений температу-

20