Экспериментальные исследования процесса смешивания сыпучих кормов

УДК 631.363.7

А.Н. Яцунов, У.К. Сабиев, А.В. Черняков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

СЫПУЧИХ КОРМОВ

Сельскохозяйственным животным и птице рекомендуется скармливать зернофураж в виде кормовых смесей, сбалансированных по составу. Смешивание компонентов выполняют в кормосмесителях, которые не всегда обеспечивают установленное зоотехническими требованиями качество кормосмеси. Предлагается для получения высокооднородной кормосмеси применить вибрационный смеситель. В статье описано устройство и принцип работы лабораторно-экспериментального вибрационного смесителя сыпучих кормов. Приведена обзорная и аналитическая информация по нескольким видам его экспериментальных рабочих органов - рассмотрены конические поверхности виброконтакта, их сочетание с полусферами одинакового радиуса, плоские перемешивающие элементы с треугольными отверстиями. Объектом исследований является процесс смешивания сыпучих кормов в вибрационном смесителе с коническими поверхностями виброконтакта. Методика лабораторных исследований включает в себя отсеивающий эксперимент, метод крутого восхождения и многофакторный эксперимент. В ходе отсеивающего эксперимента определены параметры смесителя, влияющие на однородность получаемой кормосмеси. С учетом результатов метода крутого восхождения поставлен многофакторный эксперимент и получена математическая модель, адекватно описывающая процесс смешивания сыпучих кормов. По результатам экспериментальных исследований определены рациональные параметры смесителя: амплитуда колебаний желоба 11-12 мм, частота колебаний желоба 5,5-6 Гц, количество перемешивающих элементов 6 штук, угол наклона желоба к горизонтали 7-9 градусов. При этом однородность смеси составит около 94-95%. Вибрационный смеситель сыпучих кормов успешно прошел производственную проверку в технологической линии приготовления простых сыпучих кормосмесей для крупного рогатого скота в одной из организаций агропромышленного комплекса Омской области и рекомендован для дальнейшего применения по назначению.

Ключевые слова: вибрационный смеситель, перемешивающие элементы, однородность смеси, рациональные параметры.

Введение

Научными исследованиями и практикой доказано, что скармливание дает большой эффект. При этом важно, чтобы все предусмотренные рационом компоненты были введены в требуемом количестве и равномерно распределены во всем объеме смеси.

Смешивание компонентов выполняют в кормосмесителях, которые должны обеспечивать высокую однородность смеси для получения одинаковой питательной ценности корма во всех частях его объема. Серийные смесители сыпучих кормов не всегда обеспечивают установленное зоотехническими требованиями качество смеси.

Для получения кормосмеси высокого качества можно применять аэродинамические [1], спиральные [2] и шнеколопастные [3] смесители.

Исследованиями [4] доказано, что целесообразно применять также и вибрационные смесители. Вместе с тем, их технологический процесс изучен недостаточно, поэтому необходимо выявить и обосновать их конструктивные, технологические и кинематические параметры, влияющие на качество получаемой смеси.

Материалы и методы

В ФГБОУ ВО Омский ГАУ разработан и изготовлен лабораторно -экспериментальный образец вибрационного смесителя сыпучих кормов (рис. 1). Работает он следующим образом. Желоб 1 с установленными внутри него перемешивающими элемен-

© Яцунов А.Н., Сабиев У.К., Черняков А.В., 2016

тами 2 получает вибрационные импульсы от эксцентрикового привода 5. В результате этого желоб начинает совершать колебания определенной амплитуды и частоты на рессорах 3 относительно рамы 4. Смешиваемые компоненты подаются из дозаторов в заданном соотношении в загрузочную (верхнюю) часть желоба и попадают на первый перемешивающий элемент, где под действием вибрации начинается их разрыхление и смешивание. Далее масса ссыпается с зубчатой кромки перемешивающего элемента на днище желоба и попадает на второй и последующий перемешивающие элементы. По мере движения сыпучей массы по перемешивающим элементам происходит процесс смешивания компонентов между собой и повышается степень однородности приготавливаемой кормосмеси. При достижении разгрузочной (нижней) части желоба готовая кормосмесь ссыпается в накопительную емкость.

Высокую однородность кормосмеси можно получить в результате интенсификации процесса смешивания, как правило, за счет разности скоростей относительного перемещения слоев сыпучей массы и усложнения траектории движения ее частиц. Немаловажную роль здесь играет форма рабочей поверхности перемешивающих элементов.

Вибросмеситель может быть укомплектован перемешивающими элементами с коническими поверхностями виброконтакта (рис. 2, а). При этом образующие конусов могут иметь одинаковые [5] или разные [6] значения по длине.

Во время движения по поверхности перемешивающего элемента под воздействием вибрации частицы в составе тонкого слоя сыпучей массы подымаются по коническим поверхностям, скатываются с них и скользят по плоскости. В результате такого сложного движения их траектории многократно пересекаются между собой и происходит интенсификация процесса смешивания. Кроме того, частицы корма ссыпаются с зубцов перемешивающего элемента навстречу друг другу, что также способствует повышению однородности смеси.

Рис. 1. Лабораторно-экспериментальный вибрационный смеситель сыпучих кормов: 1 - желоб; 2 - перемешивающие элементы; 3 - рессоры; 4 - рама; 5 - эксцентриковый привод

Перемешивающие элементы с конусами, образующие которых имеют одинаковые значения по длине, могут чередоваться с перемешивающими элементами, оснащенными полусферами одинакового радиуса [7]. Такое сочетание рабочих органов позволяет получить разные скорости движения сыпучей массы по виброповерхностям и способствует получению высокооднородной смеси.

Возможно применение плоских перемешивающих элементов, имеющих аналогичную зубчатую кромку, но вместо конических поверхностей и полусфер выполнены отверстия в форме равнобедренных треугольников (рис. 2, б), вершины которых направлены к днищу виброжелоба. Длина основания и высота равнобедренного треугольника равны соответственно 0,2-0,4 и 1,0-1,4 шага зубчатой кромки. Отверстия расположены в ряд по середине перемешивающего элемента [8; 9].

а б

Рис. 2. Перемешивающий элемент: а - с коническими поверхностями виброконтакта; б - с отверстиями в форме равнобедренных треугольников

Интенсификация процесса смешивания в данном случае достигается в основном за счет относительного смещения микрослоев массы в результате того, что траектории движения частиц значительно отличаются: частицы, которые идут «проходом» через отверстия, попадают на последующий перемешивающий элемент раньше частиц, идущих «сходом» по преремешивающему элементу [9].

Объектом исследований является процесс смешивания сыпучих кормов в вибрационном смесителе с перемешивающими элементами, имеющими конические поверхности виброконтакта с одинаковыми значениями длины образующих.

Методика исследований включает в себя отсеивающий эксперимент, метод крутого восхождения и многофакторный эксперимент. В качестве критерия оптимизации принята однородность в смеси.

Результаты и их обсуждение

В ходе отсеивающего эксперимента [4] выявлены факторы, оказывающие влияние на критерий оптимизации. Таковыми являются число п перемешивающих элементов, амплитуда А и частота а колебаний желоба, угол а наклона желоба к горизонтали.

Применение метода крутого восхождения [4] позволило получить почти стационарную область для критерия оптимизации с независимыми переменными А = 11 мм, а = 6 Гц, п = 6 шт., а = 10°, которая является основой для дальнейших исследований.

С учетом результатов метода крутого восхождения поставлен многофакторный эксперимент [4] и получена математическая модель, адекватно описывающая на 5%-ном уровне смешивание сыпучих кормов. После перевода коэффициентов из кодированных значений в натуральные уравнение регрессии принимает следующий вид:

0 = -641,45 + 65,34А + 20,31© + 90,33п + 2,12а-

- 0,54А© -1,62Ап - 0,2Аа- 0,99©п + 0,5©а +

+ 0,43па - 2,18А2 -1,07©2 - 5,39п2 - 0,23а2.

Рассматривая совокупность статистически значимых параметров, входящих в уравнение, их можно разделить на две группы - кинематические (амплитуда и частота колебаний желоба) и технологические (угол наклона желоба к горизонтали и количество перемешивающих элементов). При оценке их влияния на величину отклика целесообразно поочередно изменять параметры одной группы, фиксируя при этом параметры другой на определенных уровнях. Определение оптимальных значений кинематических и технологических параметров смесителя осуществляется путем анализа поверхностей отклика [4; 10].

а б

Рис. 3. Зависимость однородности в смеси: а - от амплитуды и частоты колебаний желоба при п = 6 шт., а = 7°; б - от числа перемешивающих элементов и угла наклона желоба к горизонтали при А = 11 мм, т = 6 Гц

На рис. 3, а показана графическая зависимость, отражающая изменение однородности смеси в зависимости от амплитуды А и частоты т колебаний желоба при п = 6 шт., а = 7°. Очевидно, что максимальная однородность 0 смеси (около 96%) достигается при А = 12 мм и т = 5,5 Гц.

При анализе графической зависимости в = /(п, а) (рис. 3, б) видно, что максимальная однородность в смеси (около 97%) получена при п = 6 шт., а = 9°. Кинематические параметры зафиксированы на уровне А = 11 мм, т = 6 Гц.

Заключение

Таким образом, в ходе экспериментальных исследований процесса смешивания установлено, что в качестве рациональных параметров вибрационного смесителя можно рекомендовать: А = 11-12 мм, т = 5,5-6 Гц, п = 6 шт., а = 7-9°. При таком сочетании однородность смеси в составит около 94-95%.

Разработанный вибрационный смеситель сыпучих кормов успешно прошел производственную проверку в технологической линии приготовления простых сыпучих кормосмесей для крупного рогатого скота в одной из организаций агропромышленного комплекса Омской области и рекомендован для дальнейшего применения по назначению.

A.N. Yatsunov, U.K. Sabiev, A. V. Chernyakov

Experimental study of loose forages mixing

It is recommended to feed livestock and poultry with grain forage in the form of mixtures, balanced in composition. Mixing of the components is carried out in mixers, which do not always ensure the quality of feed mixtures established by zootechnical requirements. It is proposed to apply a vibrating mixer for high homogeneous feed mixture. The article describes a device and operation of laboratory and experimental vibration mixer of loose forages. The article provides an overview and analytical information on several types of its experimental working bodies, considers vibro-contact conical surfaces, their combination with the hemispheres of the same radius, the flat mixing elements with triangular holes. The object of research is the process of loose forages mixing in a vibrating mixer with conical surfaces of vibro-contact. Methods of laboratory tests include screening experiments, a steep ascent method and multivariate experiment. During the screening experiment identified options of a mixer affecting the homogeneity of the received feed mixture. Taking into account the results of the steep ascent method has been put multivariate experiment and got a mathematical model that adequately describes the loose feed mixing process. According to the results of experimental studies are identified rational parameters of the mixer: the amplitude of the trough fluctuations 11-12 mm, the frequency of the trough oscillation 5,5-6 Hz, the number of mixing elements 6, the angle of trough inclination to the horizontal 7-9 degrees. This homogeneity of the mixture will be about 94-95%. Vibrating mixer of loose forages has been successfully tested in industrial production line for preparation of simple loose feed mixtures for cattle in one of the organizations of agro-industrial complex of the Omsk region and is recommended for further use.

Keywords: vibrating mixer, mixing elements, the homogeneity of the mixture, rational parameters.

Список литературы

1. Аэродинамический смеситель для сыпучих кормов / Е.В. Зязев // Сельский механизатор. - 2016. - № 1. - С. 22-23.

2. Конструктивно-технологические параметры спирального смесителя / В.В. Утолин, Е.Е. Гришков, А.А. Полякова [и др.] // Сельский механизатор. - 2015. - № 7. - С. 28-29.

3. Шнеколопастной смеситель / С.М. Ве-дищев, Н.В. Хольшев, М.А. Гарина // Сельский механизатор. - 2015. - № 10. - С. 30-31.

4. Яцунов А.Н. Обоснование основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов с перемешивающими элементами конической формы : дис. ... канд. техн. наук / А.Н. Яцунов. - Новосибирск, 2008. - 158 с.

5. Пат. 74310 Российская Федерация, МКИ7 В 01 F 11/00. Вибрационный смеситель / У.К. Сабиев, А.Н. Яцунов, А.Д. Синцов (РФ) ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ом. гос. аграр. ун-т. - № 2008101707/22 ; заявлено 16.01.2008 ; опубл. 27.06.2008, Бюл. № 18. - 2 с.

6. Пат. 41644 Российская Федерация, МКИ7 В 01 F 11/00. Вибрационный смеситель / У.К. Сабиев, А.Н. Яцунов (РФ) ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ом. гос. аграр. ун-т. - № 2004118917/22 ; заявлено 22.06.2004 ; опубл. 10.11.2004, Бюл. № 31. - 2 с.

7. Пат. 162561 Российская Федерация, МПК В 01 F 11/00. Вибрационный смеситель / Сабиев У.К., Ляшенко В.С., Яцунов А.Н. (РФ) ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учре-

References

1. Aehrodinamicheskij smesitel' dlya sypuchih kormov / E.V. Zyazev // Sel'skij mekhanizator. -2016. - № 1. - S. 22-23.

2. Konstruktivno-tekhnologicheskie parametry spiral'nogo smesitelya / V.V. Utolin, E.E. Grishkov, A.A. Polyakova [i dr.] // Sel'skij mekhanizator. -2015. - № 7. - S. 28-29.

3. Shnekolopastnoj smesitel' / S.M. Vedish-chev, N.V. Hol'shev, M.A. Garina // Sel'skij mekhanizator. - 2015. - № 10. - S. 30-31.

4. Yacunov A.N. Obosnovanie osnovnyh par-ametrov vibracionnogo smesitelya sypuchih kormov s peremeshivayushchimi ehlementami konicheskoj formy : dis. ... kand. tekhn. Nauk / A.N. Yacunov. -Novosibirsk, 2008. - 158 s.

5. Pat. 74310 Rossijskaya Federaciya, MKI7

V 01 F 11/00. Vibracionnyj smesitel' / U.K. Sabiev, A.N. Yacunov, A.D. Sincov (RF) ; zayavitel' i paten-toobladatel' FGOU VPO Om. gos. agrar. un-t. -№ 2008101707/22 ; zayavleno 16.01.2008 ; opubl. 27.06.2008, Byul. № 18. - 2 s.

6. Pat. 41644 Rossijskaya Federaciya, MKI7

V 01 F 11/00. Vibracionnyj smesitel' / U.K. Sabiev, A.N. Yacunov (RF) ; zayavitel' i patentoobla-datel' FGOU VPO Om gos. agrar. un-t. -№ 2004118917/22 ; zayavleno 22.06.2004 ; opubl. 10.11.2004, Byul. № 31. - 2 s.

7. Pat. 162561 Rossijskaya Federaciya, MPK

V 01 F 11/00. Vibracionnyj smesitel' / Sabiev U.K., Lyashenko V.S., Yacunov A.N. (RF) ; zayavitel' i patentoobladatel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego

ждение высшего образования «Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина». - № 2015151552/05 ; заявлено 01.12.2015 ; опубл. 20.06.2016, Бюл. № 17.

8. Пат. 148602 Российская Федерация, МПК В 01 F 11/00. Вибрационный смеситель / А.Н. Яцунов, С.В. Усков, И.П. Жигалов (РФ) ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ом. гос. аграр. ун-т им. П.А. Столыпина. -№ 2014118277/05 ; заявлено 06.05.2014 ; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34. - 2 с.

9. Обоснование параметров и анализ рабочих органов смесителя кормов / У.К. Сабиев, А.Н. Яцунов, А.В. Черняков // Сельский механизатор. - 2016. - № 6. - С. 26-27.

10. Обоснование основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов / У.К. Сабиев, Л.С. Керученко, А.В. Черняков, А.Н. Яцунов // Техника в сельском хозяйстве. -2008. - № 7. - С. 34-36.

Яцунов Александр Николаевич, канд. техн. наук, доц., Тарский филиал Омского ГАУ, an.yatsunov@omgau.org; Сабиев Уахит Калижа-нович, д-р техн. наук, проф., Омский ГАУ; Черняков Алексей Витальевич, канд. техн. наук, доц., Тарский филиал Омского ГАУ.

obrazovaniya "Omskij gosudarstvennyj agrarnyj uni-versitet imeni P.A. Stolypina". - № 2015151552/05 ; zayavleno 01.12.2015 ; opubl. 20.06.2016, Byul. № 17.

8. Pat. 148602 Rossijskaya Federaciya, MPK V 01 F 11/00. Vibracionnyj smesitel' / A.N. Yacu-nov, S.V. Uskov, I.P. Zhigalov (RF) ; zayavitel'

1 patentoobladatel' FGBOU VPO Om. gos. agrar. un-t im. P.A. Stolypina. - № 2014118277/05 ; zayavleno 06.05.2014 ; opubl. 10.12.2014, Byul. № 34. -

2 s.

9. Obosnovanie parametrov i analiz rabochih organov smesitelya kormov / U.K. Sabiev, A.N. Ya-cunov, A.V. Chernyakov // Sel'skij mekhanizator. -2016. - № 6. - S. 26-27.

10. Obosnovanie osnovnyh parametrov vi-bracionnogo smesitelya sypuchih kormov / U.K. Sabiev, L.S. Keruchenko, A.V. Chernyakov, A.N. Yacu-nov // Tekhnika v sel'skom hozyajstve. - 2008. -№ 7. - S. 34-36.

Yatsunov Alexander Nikoliaevich, Cand. Tech. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU, an.yatsunov@omgau.org; Sabiev Uahit Kalizha-novich, Dr. Tech. Sci., Prof., Omsk SAU; Chernyakov Aleksey Vitalievich, Cand. Tech. Sci., Ass. Prof., Tara branch of Omsk SAU.