g. Knyaginino, Russian Federation
Screw conveyors have found application in the food, processing and chemical industries. Depending on the characteristics of the transported raw materials, conveyors of various designs are used. Due to a number of advantages in the production of dry bulk feed mixtures for farm animals, it is rational to use horizontal screw dispensers of a closed type driven by asynchronous electric motors. To increase the life of asynchronous motors, their operating mode provides for smooth braking, which affects the accuracy of dosing feed components. In this regard, the purpose of the research was formulated – to determine the influence of the structural and technological parameters of screw dispensers on the amount of material to be moved during the braking of the screw. Calculations were performed for a standard DSh-60 auger using well-known laws of mechanics. When considering the calculation scheme, it was revealed that in the screw braking mode, the mass of the dosed materials is influenced by the material supply and the screw rotation frequency. The permissible ranges of the screw rotation frequency have been experimentally established when it changes in the braking mode, which are in the range from 94.8 min-1 to 18.7 min-1. As a result of the calculations carried out, it was revealed that as the screw rotation frequency increases in the specified range, the amount of material moved by it increases by 3.7 times. The lowest feed value for the screw in question is set, which is 0.8 kg/min (at = 18.7 min-1), and the minimum mass moved by the DSh-60 screw in braking mode is 19 g. Calculated values of the mass of the dosed component can be entered into the screw control program to adjust the dosing accuracy.
screw dispenser, bulk components, feed mixture, precise dosing, weight
По прогнозам ООН к середине XXI в. численность населения на планете превысит 9 млрд человек [1]. В связи с увеличением спроса на продукты питания сельское хозяйство будет испытывать серьезную нагрузку, так как служит основным поставщиком сырья для перерабатывающей и пищевой промышленности. Согласно Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия, утвержденной постановлением Правительства РФ от 14 июля 2012 г. № 717 (с изм. и доп. от 22 дек. 2023 г.) и Стратегии развития агропромышленного и рыбохозяйственного комплексов Российской Федерации на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 12 апреля 2020 г. № 993-р к ключевым ориентирам развития аграрного сектора относятся: развитие животноводства с освоением инновационных технологий; цифровизация и распространение технологий искусственного интеллекта в АПК.
Важный процесс в сельскохозяйственном производстве – кормление животных полнорационными и концентрированными сбалансированными по питательным веществам комбикормами. Их лучше готовить непосредственно перед скармливанием, так как при хранении изменяется химический состав и снижается питательная ценность кормов [2].
В процессе производства комбикормов для сельскохозяйственных животных важно соблюдать пропорции смешиваемых компонентов [3, 4, 5]. Для этого предназначены специальные дозаторы. В основном в сельском хозяйстве применяют весовое дозирование [6]. Однако ученые Алтайского ГАУ считают, что при хранении компонентов комбикорма в помещениях с меняющейся относительной влажностью воздуха целесообразно использовать объемное дозирование [7]. Основой комбикормов служит зерно злаковых культур, в общий объем которых добавляются необходимые микро- и макрокомпоненты [8]. В основном все компоненты обладают хорошей сыпучестью [9]. Для таких материалов в линиях производства комбикормов, на наш взгляд, рационально применять шнековые дозаторы [10].
На сегодняшний день время известны два вида шнеков: закрытые и открытые. Шнеки, имеющие открытую форму, удобны для транспортировки тяжелых, вязких материалов. Однако они не обеспечивают высокую скорость перемещения. Скорость транспортировки и, соответственно, производительность закрытых шнеков выше.
Несмотря на то, что существует достаточно много результатов изучения работы шнековых машин, исследования в этом направлении продолжаются до сих пор. В современных условиях при их проведении изучают параметры шнека, как по энергетическим и количественным характеристикам, так и по степени повреждения транспортируемого материала. Установлено, что оптимальная частота вращения шнека, при которой повреждение материала минимально, составляет 550…650 мин-1 [11]. Ученые Университета Ахмаду Белло определили оптимальный угол наклона шнека для транспортировки гранулированного материала с влажностью 13 %: для кукурузы – 0°, сорго – 30° [12]. В Сельчукском университете с использованием методов нечеткой логики на основе критериев производительности и энергопотребления установлены оптимальные параметры шнека (n = 450 мин-1, шаг шнека – 100 мм, угол наклона шнека – 15°) [13].
Современные методы изучения машин для приготовления кормовых смесей базируются на основе компьютерных технологий и искусственных нейронных сетей. Так, с использованием цифровых технологий ученые Китайского университета обосновали величину угла осевого наклона лопасти шнека с целью увеличения производительности машин [14].
Научный интерес к дозаторам такого типа обусловлен рядом преимуществ, к которым можно отнести минимальный риск загрязнения окружающей среды, универсальность использования в отношении транспортируемых материалов с различными физико-механическими свойствами, функциональную надежность, простоту установки, низкие инвестиционные затраты [10].
Одно из приоритетных направлений совершенствования процесса дозирования кормов – автоматизация. Автоматизированные системы управления позволяют сделать его эффективным и более комфортным для операторов. Зная конструктивные характеристики шнека, с использованием программы управления можно отрегулировать его работу для каждого режима.
Цель исследований – определение влияния конструкционных и технологических параметров шнековых дозаторов на количество перемещаемого материала при торможении шнека.
Условия, материалы и методы. Работу проводили на шнековых дозаторах, устройство и принцип работы которых описан ранее [15, 16]. Такой дозатор представляет собой шнек 3, установленный внутри цилиндрического корпуса 2, с одной стороны которого смонтирован загрузочный бункер 1, с другой ‒ выгрузной патрубок (рис. 1). Вращение шнека 3 осуществляет электродвигатель 5.
Рис. 1 ‒ Схема исследуемого дозатора: 1 ‒ загрузочный бункер; 2 ‒ корпус;
3 ‒ шнек; 4 ‒ выгрузной патрубок; 5 ‒ электродвигатель.
Ранее было показано, что исследуемые дозирующие устройства в автоматическом режиме могут работать по нескольким схемам [17]. В этой статье рассматривается общая схема работы установки (рис. 2), на основе которой можно получить частные случаи.
Рис. 2 – График работы шнекового дозатора:
– время режима разгона, мин.;
– время работы в номинальном режиме работы, мин.;
,
– время режима торможения, мин.;
– время досыпки, мин.;
– основное время дозирования, мин.;
– время дозирования в режиме досыпки, мин.
Шнек дозатора обладает пропускной способностью , которая обеспечивается в том числе благодаря его вращению с частотой
. Предположим, что дозируемый материал полностью выводится из межвиткового пространства шнека через выгрузное окно и падает на горизонтальную поверхность взвешивающей площадки. При достижении заданной массы
срабатывает датчик взвешивающей площадки, и частота вращения шнека дозатора снижается до
, переключая дозатор в так называемый режим досыпки, когда шнек вращается с меньшей частотой. При этом пропускная способность дозатора равна
. В режиме досыпки дозатор работает заданное с панели управления время
, по истечении которого останавливается. При проведении расчетов принимали во внимание следующие положения: дозируемый материал, который находится в дозаторе, образует неразрывный поток; обрушением слоя материала в межвитковом пространстве шнека при его остановке пренебрегаем; время реагирования датчика минимально, поэтому им так же пренебрегаем.
Общая масса материала, перемещенная дозатором в режиме его работы по схеме, приведенной на рис. 2, складывается из следующих компонентов:
(1)
где – масса материала, перемещенная дозатором в основное время дозирования, кг;
– масса материала, перемещенная дозатором за время дозирования в режиме досыпки, кг;
– масса материала, подаваемого при увеличении частоты вращения шнека дозатора от 0 мин-1 до
, кг;
– масса материала, подаваемого при номинальной частоте вращения n шнека дозатора, кг;
,
– масса материала, дозируемого при торможении шнека дозатора с частоты вращения от
до
и от
до 0 мин-1, кг;
– масса материала, подаваемого в режиме досыпки, кг.
На погрешность дозирования влияет масса материала, перемещенная за время . Для ее определения воспользуемся общеизвестной формулой для расчета производительности шнека:
, (2)
где – шаг витков шнека, м;
– площадь поперечного сечения дозатора, м2;
– доля заполнения сыпучим материалом поперечного сечения шнекового дозатора;
– насыпная плотность дозируемого материала, кг/м2;
– частота вращения шнека, мин.-1;
– поправочный коэффициент, учитывающий угол наклона шнека (для горизонтально расположенного шнека
= 1,0).
Тогда масса материала, подаваемого шнеком в режиме торможения, , может быть определена по выражению:
, (3)
где – закон изменения частоты вращения (при торможении) шнека, который в первом приближении можно представить в качестве уравнения вида
. Учитывая, что конечная частота вращения шнека
= 0, получим:
, (4)
где ,
– конечная и начальная частоты вращения, мин.-1;
– время торможения, мин.;
– текущее время, мин.
Тогда выражение (3) с учетом (4) примет вид:
. (5)
Полученные выражения справедливы для любых шнековых дозаторов. Как показали результаты наших экспериментов трудно дозируемые материалы с необходимой и достаточной точностью дозируются шнеком стандартных размеров с внутренним диаметром кожуха 60 мм, шагом витков 240 мм, наружным диаметром (по касательной спирали) 53 мм и высотой пера спирали 11 мм [15, 16, 17]. Это соответствует параметрам шнека ДШ-60, который использовали при расчете максимальной подачи.
Результаты и обсуждение. По формуле (5) была построена поверхность, описывающая влияние подачи шнека и его частоты вращения на величину массы дозируемого материала, которая будет перемещена шнеком во время его торможения с частоты вращения
до 0 мин-1 (рис. 3). Частота вращения шнека изменяется частотным преобразователем. Был рассмотрен максимально возможный ее диапазон. Наибольшая величина этого показателя (
= 94,8 мин-1) соответствовала 50 Гц, наименьшая (
= 18,7 мин-1) – 10 Гц. Экспериментально было установлено, что при значениях меньше 10 Гц вращение шнека отсутствовало, что связано с недостаточным крутящим моментом, необходимым для преодоления сопротивления при перемещении дозируемого материала. Взаимосвязь частоты тока и частоты вращения шнека также выявлена экспериментальным путем (рис. 4). Это необходимо для определения частоты вращения шнека при известной частоте тока, а также для проведения теоретических расчетов при определении массы навески в исследуемом диапазоне частоты вращения шнека. Указанная взаимосвязь носит прямолинейный характер и на 1 Гц частоты тока приходится 1,9 мин-1 частоты вращения шнека.
Рис. 3 – Влияние частоты вращения шнека и подачи материала на массу, перемещаемую шнеком в режиме торможения.
Рис. 4 – Зависимость частоты вращения шнека дозатора от частоты тока
В рассматриваемом диапазоне частоты вращения шнека при ее увеличении в 5 раз (с 18,7 до 94,8 мин-1) количество материала, перемещаемого шнеком, возрастает в 3,7 раза. Наименьшая величина подачи для рассматриваемого шнека составляет 0,8 кг/мин ( = 18,7 мин-1). Следовательно, минимальная масса, перемещаемая шнеком в режиме торможения, равна 19 г.
Выводы. Масса материала, перемещаемого шнеком в режиме торможения, прямо пропорциональна частоте вращения шнека и его подаче.
Теоретическая минимальная массы, которую перемещает рассматриваемый шнек ДШ-60 в режиме торможения, составляет 19 г.
Расчетные значения массы можно использовать в программе управления работой дозатором и дают возможность компенсировать погрешности дозирования.
1. Expert portal of the Higher School of Economics. [Internet]. [cited 2023, August 1]. Available from. https://lenta.ru/brief/2022/11/15/billions/.
2. Ismatova ShN, Yuldasheva ShZh. [Changes in the chemical composition of mixed feed during storage]. Universum: tekhnicheskie nauki. 2019; 5 (62). 49-52 p.
3. Bulatov SYu. [Improving the working process of feed preparation machines by substantiating their design and operating parameters]. Vestnik NGIEI. 2017; 2 (69). 45-53 p.
4. Kirsanov VV, Pavkin DYu, Nikitin EA. [Application of technical vision systems for diagnosing the quality of cattle feed]. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2021; Vol.22. 5. 770-776 p.
5. Agaev VT. [Dosing of flour from plant residues during the preparation of a complete feed mixture]. Agrarnaya nauka. 2010; 6. 30-32 p.
6. Zhuzhin MS, Mansurov AP. [Development of a device for adding powdered preservatives to feed and its effectiveness]. Vestnik Ul'yanovskoy gosudarstvennoy sel'skokhozyaystvennoy akademii. 2017; 2 (38). 174-177 p.
7. Akhmetova VV, Lyubin NA. [The influence of adding zeolite raw materials to cows’ diets on the composition of milk]. Vestnik Ul'yanovskoy gosudarstvennoy sel'skokhozyaystvennoy akademii. 2015; 1 (29). 41-44 p.
8. Sukhanova SF, Pozdnyakova NA, Uskov GE. [Influence and relationship of productive indicators in young beef cattle productivity that consumed the mineral feed additive RUSMD]. Vestnik Ul'yanovskoy gosudarstvennoy sel'skokhozyaystvennoy akademii. 2019; 4 (48). 181-185 p.
9. Seidova IA. [Physical and mechanical properties of compound feed and its main components]. Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; 1 (45). 139-146 p.
10. Nikitin EA. [Laboratory study of a dosing device for feed additives]. Agroinzheneriya. 2023; Vol.25. 1. 40-44 p.
11. Hevko R, Rohatynskyi R, Hevko M. Investigation of sectional operating elements for conveying agricultural materials. [Internet]. Research in Agricultural Engineering. 2020; Vol.66. 1. 18-26 p. [cited 2023, August 1]. Available from: https://rae.agriculturejournals.cz/artkey/rae-202001-0003_investigation-of-sectional-operating-elements-for-conveying-agricultural-materials.php. doi:https://doi.org/10.17221/25/2019-RAE
12. Ozbek O. Fuzzy modeling of volumetric efficiency and specific energy consumption in agricultural screw conveyors. [Internet]. Rural Engineering. 2020; Vol.50. 5. [cited 2023, August 1]. Available from: https://www.scielo.br/j/cr/a/YcR6RVhyTZsJcCVQmrZKbpR/?lang=en. doi:https://doi.org/10.1590/0103-8478cr20190764.
13. Pezo M, Pezo L, Jovanovic AP. Discrete element model of particle and premixing action in modified screw conveyors. Powder Technology. 2018; Vol.336. 255-264 p. doi:https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.06.009.
14. Sun L, Zhang X, Zeng Q. Application of a screw conveyor with axial tilt blades on a shearer drum and investigation of conveying performance based on DEM. [Internet]. Particuology. 2022; Vol.6. 91-102 p. doi:https://doi.org/10.1016/j.partic.2021.06.001.
15. Bulatov SYu, Nechaev VN, Sergeev AG. [Study of the process of dosing feed components with an auger DSh-100]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2021; 10 (292). 36-40 p.
16. Bulatov SYu, Nechaev VN, Sergeev AG. [Results of studies of weight dosing of compound feed ingredients]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2021; 1 (283). 20-24 p.
17. Bulatov S, Nechaev V, Zykin A. Investigation of kinematic characteristics of screw dispensers for sustainable agrarian-and-feed production. [Internet]. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 981. 2022; [cited 2023, August 1]. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/981/4/042028. doi:https://doi.org/10.1088/1755-1315/981/4/042028
