Обоснование параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими элементами

УДК 631.363.7

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАцИОННОГО

смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими элементами

Н.С. СЕРГЕЕВ, доктор технических наук, зав. кафедрой

В.Н. НИКОЛАЕВ, кандидат технических наук, доцент

Э.Н. ГАЙНУЛЛИН, инженер

Челябинская ГАА, пр. Ленина, 75, г. Челябинск, 454080, Россия

E-mail: gen_demigod@mail.ru

Резюме. На сегодняшний день остро стоит задача производства качественных кормов непосредственно в хозяйствах. В ее решении немаловажную роль играет высокоэффективное смешивание кормовых компонентов. Мы разработали вибрационный смеситель, который состоит из цилиндрического контейнера, упруго установленного на раме, посредством пружинных опор. В корпусе контейнера имеются загрузочная горловина и выгрузной патрубок. Внутри контейнера расположен вал с закрепленными на нем перемешивающими элементами: лопатками и пружинами. Также на концах вала закреплены дебалансные вибровозбудители. Вал через упругую муфту соединен с электродвигателем. При работе контейнер совершает цилиндрические колебания, отчего материал, попадая внутрь, переходит в состояние виброкипения, что обусловливает снижение внутреннего трения между частицами перемешиваемого материала и, как следствие, быстрое получение качественной, однородной смеси. Цель представленной работы - определение основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими элементами. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых выявлены и обоснованы параметры вибрационного смесителя сыпучих кормов, в наибольшей степени влияющие на выходные характеристики его работы, в частности на однородность смеси. также установлены их рациональные значения: амплитуда колебаний желоба - 1 мм, угловая скорость вала - 80 с-1. Однородность получаемой смеси при указанных величинах находится в пределах от 91 до 93%, что в полной мере соответствует зоотехническим требованиям. Ключевые слова: животноводство, комбикорма, смесь, смешивание, вибрация, амплитуда, частота, эксперимент. Для цитирования: Сергеев Н.С., Николаев В.Н., Гайнуллин Э.Н. Обоснование параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими элементами// Достижения науки и техники АПК. 2014. Т.28. №12. С. 57-59.

Известно, что продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы на 50-60% зависит от качества потребляемого корма [1, 2]. Одно из наиболее перспективных направлений повышения эффективности животноводства - обеспечение сбалансированного питания на основе сыпучих кормовых смесей и комбикормов высокого качества, произведенных непосредственно в хозяйствах. Причем несбалансированные по основным биологически активным веществам рационы могут привести к нарушению обмена веществ животных и их заболеванию [3, 4]. Поэтому нужны новые высокоэффективные смесители.

На основе анализа конструкций существующего оборудования мы предложили новый вибрационный смеситель с активными перемешивающими элементами (рис. 1) [5, 6]. Он состоит из цилиндрического контейнера, упруго установленного на раме, посредством пружинных опор. В корпусе контейнера имеются загрузочная горловина и выгрузной патрубок. Внутри контейнера расположен вал, с закрепленными на нем перемешивающими элементами: лопатками и пружинами. Также на концах вала установлены дебалансные вибровозбудители. Вал через упругую муфту соединен с электродвигателем.

При работе контейнер совершает цилиндрические колебания, отчего материал, попадая внутрь, переходит в состояние виброкипения, что обусловливает снижение трения между частицами перемешиваемого материала и, как следствие, быстрое получение качественной однородной смеси.

Цель нашей работы - определение основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими элементами.

Условия, материалы и методы. К числу главных факторов, влияющих на качество получаемой смеси, относятся такие конструктивные особенности смесителя и режимы его работы, как диаметр цилиндрического контейнера, длина активных перемешивающих элементов, скорость и характер циркуляции материала.

В механических смесителях (лопастных, шнековых) диаметр контейнера D рекомендуется выбирать в пределах от 80 до 250 мм [7, 8].

Расстояние между ближайшими перемешивающими элементами Э, чередующимися в продольной плоскости контейнера, определяется условием исключения их взаимного зацепления при отклонении пружин под действием сыпучей среды.

Для достижения стохастического движения частиц перемешиваемого материала относительная высота слоя материала, вычисленная как отношение высоты наполнения смесителя h материалом к длине контейнера смесителя L, должна быть меньше единицы [8].

Минимальная длина контейнера L вибрационного смесителя определена из соотношения начальной высоты слоя материала и угла естественного откоса у при свободной засыпке.

Рис. 1. Вибрационный смеситель: 1 - рама; 2 - корпус контейнера; 3 - вал; 4 - вибровозбудители; 5 - загрузочная горловина; 6 - выгрузной патрубок; 7 - упругая муфта; 8 - электродвигатель; 9 - лопатки; 10 - пружины; 11 - опоры; 12 - подшипниковые узлы; 13 - подъёмное устройство.

Коэффициент перегрузки г=А  ю2/д > 1, где А - амплитуда вибрации, м; ю - угловая скорость вращения вала, с-1; д - ускорение свободного падения, м/с2.

Величина амплитуды для применяемых в представленной конструкции инерционных (дебалансных) вибровозбудителей равна 1-3 мм, задавшись указанными значениями, можно выразить угловую скорость вращения вала - один из основных параметров, обеспечивающий высокую однородность смеси, - следующим образом:

ы =,

Скорость прохождения материала по длине контейнера сильно отличается в различных его зонах, поэтому при определении величины этого показателя необходимо учитывать следующие коэффициенты [8]: кпс - коэффициент передачи скорости; ктс - коэффициент, учитывающий толщину слоя материала; к - коэффициент, учитывающий угол наклона контейнера к горизонту.

Коэффициент передачи скорости зависит от размера перемещаемых частиц, для сыпучих кормов его рекомендовано принимать в пределах 0,85-0,7. Коэффициент толщины слоя зависит от диаметра и коэффициента заполнения контейнера, для нашей конструкции он принят равным 0,9. В предлагаемом смесителе используются лопатки, способствующие продвижению компонентов корма вдоль контейнера, поэтому угол его наклона к горизонту достаточен в пределах до 8о, значение коэффициента в этом случае равно 0,8. При эллиптических колебаниях угол вибрации равен

Для подтверждения теоретических исследований по обоснованию наиболее важных параметров вибрационного смесителя мы спланировали многофакторный эксперимент. На основании априорной информации и результатов теоретических исследований наиболее существенными факторами были признаны амплитуда колебаний корпуса А, скорость вращения вала ю, число перемешивающих элементов N и коэффициент заполнения контейнера у [9].

Геометрические параметры контейнера приняты следующими: длина - 0,7 м, диаметр - 0,25 м.

В качестве исследуемого сыпучего корма использовали пшено (основной компонент) и зерно пшеницы (контрольный компонент).

Для реализации эксперимента был принят близкий к D-оптимальному план типа В4, построенный на гиперкубе, содержащий относительно небольшое число опытов N = 2к+2к = 24. Основное преимущество таких планов - возможность минимизации обобщенной дисперсии оценок параметров, а также варьирования факторов только на трех уровнях вместо пяти, как у ротатабельных или ортогональных. Это позволяет сократить время проведения экспериментов, упрощает и удешевляет конструкцию, а также позволяет повысить точность результатов [10].

Математической моделью функции отклика был принят полином второго порядка:

У = ь0+ £ь,.х,. + £ь5х,.х,. + £ьйх,2,

/ /< у /

где Ь0, Ь,, Ь,, Ь|7 - коэффициенты полинома; х, х, х, - значения приведенных факторов в кодированном виде (см. табл.).

Таблица. Факторы, интервалы и уровни варьирования

Обозначение Наименование Уровень варьирования Шаг варьирования Формула перехода

кодированное натуральное верхний -1 оптимальный 0 нижний +1

Х1 А, м амплитуда колебаний желоба 0,0005 0,001 0,0015 0,0005 А=0,0005Х1+0,001

Х2 ю, с-1 скорость вращения вала 80,634 85,87 91,106 5,236 ю=5,236Х2+85,87

Хз N число перемешивающих элементов 12 15 18 3 N=3X3+15

Х4 ¥ коэффициент заполнения 0,3 0,5 0,7 0,2 ф=0,2Х4+0,5

нулю. Скорость транспортирования сыпучего корма изменяется пропорционально коэффициенту снижения внутреннего трения КЭ, который для различных кормов находится в пределах от 1,4 до 1,8.

С учетом изложенного формула средней скорости транспортирования сыпучей кормосмеси при которой обеспечивается ее высокая однородность принимает следующий вид:

V = /г • /г к^К,- Аы,

пс тс ун э '

О = к

к __ * к,„,

тс ун

л - О2 КэАшр•—

где Q - производительность смесителя, т/ч, р - насыпная плотность перемешиваемого материала, кг/м3; у - коэффициент заполнения контейнера.

Качество процесса смешивания считается удовлетворительным, если коэффициент вариации W для смеси, содержащей 1% и более конкретного компонента, не превышает 10% [3].

Интервалы и уровни варьирования факторов выбраны по результатам теоретических исследований и предварительных экспериментов [6].

Опыты выполняли в трехкратной повторности.

Уравнение регрессии в кодированном виде имеет вид:

0,1546Х1 + 1,7589Х2 - 0,7217Х3 -

Производительность вибрационного смесителя зависит от его конструктивных параметров, скорости транспортирования сыпучих кормов, насыпной плотности материала и коэффициента заполнения контейнера у, который следует принимать равным 0,5-0,7 [7, 8]. С учетом выражения (2) ее можно определить по формуле:

Y = 92,4099

- 1,36Х1Х2 - 0,2371Х1Х3 - 0,0017Х1Х^

- 0,1762Х2Х3

- 2,0849Х12 -

0,0892Х2Х4 - 0,2279ХХ4 -2,435Х22 - 2,7416Х23 - 2,7433Х2.

После определения коэффициентов регрессии уравнение (5) в раскодированном виде будет выглядеть следующим образом:

М = 43205,7А - 1240AN - 98,2Аю - 17Ау -8339600А2 - 0,27054N - 0,0Шю + 0,149Nу + (6) + 10,808N - 0,1 ю2 - 0,218юу + 16,992ю -- 68,5825у2 + 84,6у - 741,668

Проверка гипотезы об адекватности модели была подтверждена с использованием критерия Фишера. Вычисленное значение Р-критерия 1,0262 оказалось меньше табличного [10].

результаты и обсуждение. С использованием уравнения (6) была построена поверхность отклика

рис. 2. Зависимость степени однородности (М, %) от амплитуды колебаний (А, мм) и скорости вращения вала (ю, с-1).

(рис. 2), анализ которой показал, что выбранные факторы существенно влияют на качество получаемой смеси - степень ее однородности в диапазоне изменения параметров установленном планом меняется в значительных пределах.

Например, при малых значениях амплитуды А и скорости вращения вала ю степень однородности смеси остается низкой, поскольку такой режим не позволяет создать интенсивную циркуляцию частиц. При сообщении корпусу амплитуды А=1 мм и валу скорости ю=80 с-1

компоненты переходят в состояние «виброкипения», что облегчает их взаимное перемешивание и увеличивает степень однородности. Дальнейшее повышение значений факторов способствует началу процесса сегрегации частиц по плотности и размерам, как следствие, степень однородности уменьшается.

Кроме того, при малой загрузке вибрационного смесителя (у=0,3) степень однородности остается низкой, с увеличением загрузки (у=0,5) она повышается, так как масса компонентов, находящихся в зоне активного воздействия смесителя, становится достаточной для образования потоков интенсивной циркуляции частиц. Дальнейшее увеличение загрузки (у=0,7) препятствует достижению состояния «виброкипения», что приводит к уменьшению степени однородности.

В результате теоретических и экспериментальных исследований были определены рациональные значения основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов А=0,0009-0,0011 м, ю=78-82 с-1, при которых степень однородности смеси М находится в пределах от 91 до 93% (коэффициент вариации Ш=7-9%), что соответствует зоотехническим требованиям.

выводы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования вибрационного смесителя сыпучих кормов с активными перемешивающими элементами позволяют обосновать его самые важные параметры и выявить пределы их значений, соответствующие наиболее эффективной работе. Рациональные значения основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов А=0,0009-0,0011 м, ю=78-82 с-1, в этом случае степень однородности смеси М находится в пределах от 91 до 93%.

Литература.

1. Neue Technologien Viehfutterung// Profi 2011. №3. С. 102-104.

2. Mischwagen aus Siloking Duo Avant// Profi 2009. №3. С. 58-60.

3. Сыроватка В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. М.: ГНУ ВНИИМЖ, 2010. 248 с.

4. Васильев С.Н., Сечевой А.И.. Обоснование энергосберегающей системы производства премиксов в условиях коллективных и фермерских хозяйств // Вестник АГАУ. 2007. №9. С. 52-54.

5. Патент РФ № 2417829. Вибрационный смеситель/ В.Н. Николаев, Э.Н. Гайнуллин, Е. В. Зязев. - Опубл. в Б.И. №13. 2011.

6. Сергеев Н. С., Николаев В.Н., Гайнуллин Э.Н. Устройство и теоретическое обоснование основных параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов //Достижения науки и техники АПК. 2013. №10. С 52-55.

7. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос. Ленинградское отделение, 1978. 560 с.

8. Николаев В.Н. Разработка и обоснование параметров вибрационного смесителя сыпучих кормов: дис. ...канд. техн. наук. Челябинск, 2004. 166 с.

9. Николаев В.Н., Гайнуллин Э.Н. Вибрационный смеситель сыпучих кормов с активными перемешивающими рабочими // Вестник ЧГАА. 2013. Т. 64. С. 49-52.

10. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных про -цессов / 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Колос. Ленингр. отд-е, 1980. 168 с.: ил.

justification of the main parameters of a vibrating mixer loose forages

with active mixing elements

N.S. Sergeev, V.N. Nikolaev, E.N. Gainullin

Chelyabinsk State Agroengineering Academy, Chelyabinsk region, Chelyabinsk, Lenin Avenue 75, 454080, Russia Summary. Currently the acute problem of obtaining quality feed directly in the farms. In solving this problem plays an important role highperformance mixing feed components. We have developed a vibratory mixer which consists of a cylindrical container, resiliently mounted on the frame by means of spring supports. In the body of the container are feeding tube and unloading pipe. Inside the container is a shaft with the fixed mixing elements therein, the blades and springs. Also mounted on the ends of the shaft unbalance exciters. The shaft is connected via a flexible coupling to the motor. When working cylindrical container commits hesitation, why stuff getting inside, goes into vibrokipeniya that causes reduction of internal friction between the particles and the mixing material as a consequence of the rapid acquisition of quality, uniform mixture. The aim of this work is to determine the main parameters of a vibrating mixer loose forages with active mixing elements. Were carried out theoretical and experimental studies, which resulted in the established and developed the basic parameters of vibrating mixer loose forages, the greatest influence on the output characteristics of his work, in particular on the homogeneity of the resulting mixture. Also prepared rational values of these parameters, namely the amplitude of oscillation of the trough of 1 mm, rotational speed of the shaft - 80 s-1. These values correspond to the most efficient operation of the vibrating mixer. The homogeneity of the mixture obtained at the indicated values in the range of 91 to 93%, which fully meets the requirements of animal science. Keywords: animal husbandry, feed, mix, mixing, vibration, amplitude, frequency, experiment

Author Details: Sergeev N.S., Dr. Techn. Sci., Head of Department Nikolaev V.N. Cand. Techn. Sci., Associate Prof. (e-mail: gen_ demigod@mail.ru), Gainullin E.N. Engineer.

For citation: Sergeev N.S., Nikolaev V.N., Gainullin E.N. Justification of the main parameters of a vibrating mixer loose forages with active mixing elements. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2014. T.28. №12. pp. 57-59