ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ (кафедра «Технический сервис машин»)
Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
Цель исследований – повышение качества приготавливаемой смеси и обоснование конструктивно-технологических параметров лопастного смесителя периодического действия. Задачами является установление функциональных зависимостей показателей качества приготавливаемой смеси и эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего длину лопаток, от числовых значений частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя, а также определение рациональной длины лопаток мешалки. Повышение качества смеси требует как внесения в объем приготавливаемой порции смеси всех потребных питательных элементов и кормовых компонентов, заложенных рецептом приготовляемой смеси, так и равномерного распределения компонентов по всему объему приготавливаемого корма. Равномерность распределения частиц компонентов смеси определяется конструкцией и работой смесителей. Одним из эффективных типов существующих смесителей, качественно перемешивающих ингредиенты смесей, являются лопастные смесители периодического действия. В статье представлена конструктивная схема лопастного смесителя. Определены показательные функции качества смеси и входящий в их состав эмпирический коэффициент интенсивности смешивания, учитывающий длину лопаток в зависимости от частоты вращения мешалки. Даны графические результаты экспериментальных исследований по влиянию длины лопаток и частоты вращения мешалки на качество приготавливаемой смеси. Увеличение длины лопаток и частоты вращения повышает качество смеси. Рекомендуемая длина лопаток составляет 75…80 мм. С ростом частоты вращения и длины лопаток абсолютная величина эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток, снижается, постепенно замедляясь. Это характерно для полученной гиперболической зависимости.
смесь, частота, вращение, мешалка, лопасти, смеситель, качество
Развитие животноводства требует улучшения кормовой базы, в том числе используя качество приготавливаемой смеси [1, 9]. Повышение качества смеси требует как внесения в объем приготавливаемой порции смеси всех потребных питательных элементов и кормовых компонентов, заложенных рецептом приготовляемой смеси, так и равномерного распределения компонентов по всему объему приготавливаемого корма. Равномерность распределения частиц компонентов смеси определяется конструкцией и работой смесителей [2, 3]. Согласно зоотехническим требованиям, для сухих смесей равномерность (однородность) распределения компонентов должна быть не менее 90 % (НТП АПК 1.10.16.001-02 Нормы технологического проектирования кормоцехов для животноводческих ферм и комплексов).
Цель исследований – повышение качества приготавливаемой смеси и обоснование конструктивно-технологических параметров лопастного смесителя периодического действия.
Задачи исследований – установление функциональных зависимостей качества приготавливаемой смеси и эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего длину лопаток, от числовых значений частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя, а также обоснование рациональной длины лопаток мешалки.
Материалы и методы исследований. Одним из эффективных типов существующих смесителей, качественно перемешивающих ингредиенты смесей, являются лопастные смесители периодического действия [2, 3, 4]. Разработанный лопастной смеситель изображен на рисунке 1 [5]. Он выполнен в виде вертикальной емкости 2 диаметром D, внутри которой на днище и в крышке, в установленных подшипниковых опорах 6 (на рисунке 1 показана одна опора), установлен вращающийся вертикальный вал 1. Внутри емкости у нижней опоры 6 на валу 1 крепится лопастная мешалка 5. Ее лопасти 4 расположены радиально и повернуты под углом a относительно горизонтальной плоскости. На концах лопастей 5 установлены накладки – лопатки 3. При вращении мешалки 5 компоненты смеси вовлекаются как во вращательное движение в горизонтальной плоскости, так и циркулируют в вертикально-радиальной плоскости: лопастями 4 мешалки частицы смеси откидываются от вала к стенкам емкости 2, далее лопатками 3 частицы поднимаются вверх и скатываются вниз по образуемой воронке материала к нижней части вращающегося вала 1. По завершении такта смешивания в результате циркуляции частиц материала, загруженного в емкость 2, образуется смесь.
Методика исследований соответствовала СТО АИСТ 19.2-2008 (СТО АИСТ 19.2-2008 Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей). При определении качества смеси контрольным компонентом были зерна ячменя с долей 1 % от массы смеси. Количество взятых проб – 20 шт., с массой пробы 100 г. Длительность смешивания компонентов смеси 120 с. В качестве критерия качества приготовленной смеси использовался показатель – неравномерность смеси n, как коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах [7]. Обработка данных результатов исследований осуществлялась компьютерной программой Statistica.
Результаты исследований. В работе [5] опубликованы результаты проведенных исследований, описанные полиноминальной функцией второго порядка. При этом изменение частоты вращения мешалки соответствовало интервалу n=500…1000 мин-1, а длина лопаток, крепящихся на лопасти, соответствовала размеру L=0…75 мм (0…0,075 м). Часть длины лопаток накладывается на лопасть шириной ls=D/60=15 мм. Поэтому увеличение площади контакта лопастно-лопаткового рабочего органа мешалки с материалом было пропорционально не полной длине L, а только дополнительной длине лопатки (L`=L–ls, мм).
Рис. 1. Принципиальная схема смесителя:
1 – вал; 2 – емкость; 3 – лопатки; 4 –– лопасть; 5 – мешалка; 6 – подшипниковая опора
Полиноминальное уравнение регрессии неравномерности смеси n , %, (рис. 2) описывалось выражением [5]:
n=153,9891-1,8906 L`-0,18455 n+0,003108 (L`)2+5,34 E-05 n2+0,001933×L`×n. (1)
Коэффициент корреляции расчетных и опытных значений соответствует R=0,9203119.
Повышение частоты вращения мешалки и увеличение длины лопаток улучшает качество смеси. На рассматриваемом интервале значений факторов (частота вращения от 300 до 1000 мин-1, длина лопаток, накладываемых на лопасти, от 0 до 80 мм) лучшее качество смеси наблюдается при частоте вращения около 400 мин-1 и наибольшей исследованной длине лопаток L` (т. е. 75…80 мм). Согласно графику функции полиноминальной модели второго порядка (1) (рис. 2) при частоте вращения 1000 мин-1 и длине лопаток 70…80 мм незначительно (в пределах погрешности) снижается качество смеси.
Рис. 2. Двухмерное сечение поверхности отклика неравномерности смеси n (%)
в зависимости от частоты вращения n (мин-1) и длины лопаток L` (мм)
Ряд авторов рекомендует использовать для описания качества смеси не полиноминальную, а показательную функцию [6]. Тогда равномерность смеси Vp (0,01%) запишется:
(2)
где k – эмпирический коэффициент интенсивности смешивания (рис. 3); Т – длительность смешивания компонентов смеси, с [7].
При этом показатель равномерность смеси (как «относительная равномерность» [7], 0,01%) можно записать через коэффициент вариации n (0,01%) содержания контрольного компонента в пробах:
. (3)
Коэффициент вариации контрольного компонента в смеси (неравномерность смешивания) nnL (рис. 4, a), 0,01%:
, (4)
где L` – длина лопаток вне лопастей, м; n – частота вращения мешалки, мин-1.
Коэффициент корреляции расчетных и опытных значений неравномерности смешивания составил R=0,96709.
а
б
Рис. 3. Влияние частоты вращения мешалки n (мин-1) и длины лопаток L` (м)
на функцию показателя степени показательной функции качества смеси:
а – двухмерное сечение поверхности отклика; б – пространственное изображение поверхности отклика
а
б
Рис. 4. Влияние частоты вращения мешалки n (мин-1) и длины лопаток L` (м) вне лопастей:
а – на неравномерность смеси nnL, 0,01%; б – на равномерность смеси VpnL, 0,01%
Равномерность смеси VpnL (0,01%) описывается выражением (рис. 4, б):
. (5)
Увеличение частоты вращения наиболее интенсивно влияет на качество смеси. При частоте вращения менее 500 мин-1 качество смеси резко ухудшается. Наилучшее качество смеси (соответствует технологическим требованиям) при частоте вращения мешалки более 800 мин-1 и длине лопаток лопастей не менее 0,035 м. На исследуемом участке наилучшее качество при длине лопаток вне лопастей 0,06 м и частоте мешалки около 1500 мин-1. В работах [5, 8] были обоснованы параметры мешалки смесителя: n=340 мин-1 и L`=0,06 м. На основании соотношения функции степени для переменных частоты вращения и угла установки лопастей с обоснованными параметрами в функции степени показательной функции рассчитано выражение эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток и частоты вращения (рис. 5):
. (6)
Рис. 5. Влияние частоты вращения мешалки n (мин-1) и длины лопаток L` (м) вне лопастей
на эмпирический коэффициент, учитывающий длину лопаток KnL
Характер изменения значений эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток и частоты вращения, соответствует вышеуказанным тенденциям изменения качества смеси. С улучшением качества смеси числовые значения коэффициента снижаются.
Заключение. Качество приготавливаемой смеси описывается показательной функцией в зависимости от частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя. Увеличение длины лопаток и частоты вращения мешалки повышает качество смеси. С ростом длины лопатки уменьшается улучшение качества смеси. Рекомендуемая длина лопаток вне лопастей составляет 60 мм (75…80 мм с учетом ширины лопастей). Функциональная зависимость эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего длину лопаток, для показательной функции качества смеси имеет вид гиперболы от числовых значений частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя. С ростом частоты вращения и длины лопаток абсолютные величины эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток, снижаются, постепенно замедляясь.
1. Коба, В. Г. Механизация и технология производства продукции животноводства / В. Г. Коба, Н. В. Бра-гинец, Д. Н. Мурусидзе, В. Ф. Некрашевич. - М. : Колос, 2000. - 526 с.
2. Сыроватка, В. И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах // Техника и обору-дование для села. - 2011. - № 6. - С. 22-25.
3. Завражнов, А. И. Механизация приготовления и хранения кормов / А. И. Завражнов, Д. И. Николаев. - М. : Агропромиздат, 1990. - 336 с.
4. Коновалов, В. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя сухих кормов с плоски-ми лопастями / В. В. Коновалов, В. Ф. Дмитриев, М. В. Коновалова // Научное обозрение, 2011. - №1. - С. 24-28.
5. Фомина, М. В. Обоснование длины лопаток лопастного смесителя / М. В. Фомина, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков, А. В. Чупшев // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2016. - №5 (33). - С. 47-52.
6. Стукалкин, Ф. Г. Исследование кормосмесителей непрерывного действия и методика их расчета : авто-реф. дис. … канд. техн. наук / Стукалкин Ф. Г. - Л., 1965. - 21 с.
7. Прогрессивные технологии моделирования, оптимизации и интеллектуальной автоматизации этапов жизненного цикла авиационных двигателей : монография / А. Г. Богуслаев, Ал. А. Олейник, Ан. А. Олейник [и др.]. - Запорожье : ОАО «Мотор-Сич», 2009. - 468 с.
8. Коновалов, В. В. Моделирование изменения качества смеси лопастного смесителя на основе техноло-гических параметров / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, М. В. Фомина // Инновационная техника и технология. - 2016. - № 3 (08). - С. 56-66.
9. Петрова, С. С. К вопросу определения качества смеси у барабанного смесителя / С. С. Петрова, С. А. Кшникаткин, Н. В. Дмитриев // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 3. - С. 67-72.
