Экспериментальные исследования смесителя кормов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 631.363.7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СМЕСИТЕЛЯ КОРМОВ

А. В. Чупшев, аспирант; В. В. Коновалов, доктор, техн. наук, профессор; С. В. Гусев, канд. техн. наук

ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8-412) 62-82-72

Даются описание и схема быстроходного смесителя концентрированных кормов пе риодического действия, влияние частоты вращения его рабочего органа и длины лопастей на неравномерность смешивания, потребляемую мощность, энергоемкость пере мешивания, температуру корма и измельчение частиц. Приводятся рациональные значе ния параметров смесителя.

Производство высококачественных комбикормов - одна из основных задач при повышении продуктивности животных для снижения затрат кормов на единицу продукции. Из-за низкого качества потребляемых кормов и недостаточного их количества генетический потенциал животных реализуется всего на 40...60 %. Генетический потенциал современных пород животных, высокая интенсивность физиологических и биохимических процессов требуют постоянного и стабильного поступления в организм питательных и биологически активных веществ. Полного набора этих веществ нет ни в одном виде корма, поэтому кормовые смеси приготавливаются из нескольких составляющих. Установлено, что скармливание полноценных комбикормов повышает продуктивность животных на 25...30 %. При этом сокращаются сроки откорма и на 15...20 % уменьшается расход кормов на единицу продукции [1.2].

В ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» изготовлен опытный смеситель концентрированных кормов (рис. 1), состоящий из емкости 1, установленной на раме 7, загруз-ного бункера 6 и привода. Внутри емкости размещается вертикальный вал 2, на котором у дна закреплена мешалка 3. Ее шесть лопастей выполнены из прутков диметром 7 мм и имеют Г-образную форму. Привод смесителя осуществляется от электродвигателя 8 мощностью 3 кВт посредством клиноременной передачи 9.

Работа смесителя проходит следующим образом: в смесительную емкость диметром 295 мм засыпается наполнитель, а затем поступают микрокомпоненты. Включается электродвигатель, и компоненты смеси перемешиваются за счет вращения мешалки 3, закрепленной на вертикальном валу 2. Наличие центробежных сил от воздействия на компоненты Г-образной лопасти способствует их перемещению по днищу от центра к периферии емкости, а затем вверх по ее стенкам. При определенной высоте насыпи происходит пересыпание корма вновь к центру емкости. При этом компоненты смеси активно участвуют и в круговом движении, обеспечивая турбулентный характер движения потока. По окончании времени смешивания открывается заслонка 4 выгрузного окна и готовая смесь отгружается по лотку 5.

В процессе исследований смесителя в качестве наполнителя применялась смесь из дерти пшеничной и ячменной (1:1), а контрольный компонент - семена клевера в количестве 1 % от смеси. Сменными шкивами изменяли частоту вращения, варьируя в пределах п=830...1500 мин-1, а заменой мешалок - длину лопастей смесителя Ь=132, 192, 252 мм. Длина лопастей ограничивается с одной стороны - образованием мертвой зоны в углах емкости при коротких лопастях, с другой - выходом концов длинных лопастей из кормовой массы. Интервал изменения частоты вращения

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 69

а б

Рис. 1. Смеситель концентрированных кормов: а - конструктивная схема: 1 - емкость смесителя; 2 - вал; 3 - мешалка; 4 - заслонка; 5 - лоток; 6 - загрузочный бункер; 7 - рама; 8 - электродвигатель; 9 - клиноременная передача; б - общий вид

определялся с одной стороны обеспечением быстроходного режима смешивания, с другой - предотвращением переизмельчения частиц корма. Перемешивание компонентов производилось в течение 15 минут. Определяли влияние указанных параметров на неравномерность смеси V (коэффициент вариации содержания контрольного компонента в 20 пробах смеси массой по 5 г, в соответствии с РД 10.19.2-90 [3], %), мощность Р (кВт); энергоемкость У (кДж/кг), температуру материала 1 (°С), коэффициент уменьшения модуля помола смеси кт.

Для обоснования рациональных параметров смесителя использовался конструктивный коэффициент длины лопастей кь который определяли как отношение длины лопасти к радиусу смесительной

емкости:

^ = 1

1" Т~ ■ (1)

^ем

где 1_ - длина лопасти мешалки, мм; Рем -радиус смесительной емкости, мм.

Частота вращения до 1000 мин-1, независимо от коэффициента длины лопасти, не оказывает существенного влияния на неравномерность смеси (рис. 2).

Дальнейшее увеличение частоты вращения повышает качество смеси. Рост коэффициента длины кь также снижает неравномерность смеси, улучшая смешивание. При частоте вращения п=1500 мин-1 и коэффициенте длины к|_=0,89...1,0 ко-

эффициент вариации V составляет 6,0...6,5 %, а при кь=1,7 - стремится к 2 %. Тем самым, рост частоты вращения и длины лопастей положительно влияет на качество смеси.

По истечении времени смешивания (15 мин.) в контрольных точках делали замер температуры смеси и отбор проб для определения модуля помола частиц корма (рис. 3, 4). Увеличение температуры вызвано трением мешалки о корм и корма о стенки смесителя. Рост температуры негативно влияет как на эффективность использования энергии для смешивания, так и на сохранность питательных и лекарственных веществ в составе смеси. При температуре нагрева выше 70оС наблюдалось образование спекшихся комочков корма.

Влияние роста частоты вращения мешалки и длины ее лопастей негативно из-за роста температуры. Наиболее интенсивно влияет длина лопастей, нагревая корм свыше 90°С (при кь=1,7). Поэтому для улучшения качества смеси желательно увеличивать частоту вращения, оставляя минимально возможной длину лопастей. При кь=0,89 и п=1500 мин-1 температура достигает только 60°С.

Дополнительное доизмельчение корма в смесителе также нежелательно из-за повышения доли пылевидных частиц и увеличения потерь смеси от пыления. Наименьшее измельчение (кт=0,99) наблюдается при коэффициенте длины лопасти

v=-16,45+0,015*n+32,4*kl-0,000002*n*n-8,37*kl*kl-0,0115*n*kl

1,6

1,4

1,2

1,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

П

Рис. 2. Влияние частоты вращения п (мин-1) и коэффициента длины лопасти ^ на неравномерность смеси V (%)

К_=0,89 и частоте п=830 мин-1, т. е. при минимальном воздействии мешалки. Поэтому из-за дополнительного измельчения частиц увеличение частоты вращения и длины лопастей мешалки нежелательно. Как и в случае с температурой, наиболее интенсивно влияние длины лопастей. Коэффициент изменения модуля помола частиц ^ достигает наименьшего значения (^=0,90)

при коэффициенте длины лопасти не менее К_=1,3, то есть наличие вертикальной составляющей длины лопасти приводит к перегреву смеси и нежелательному доиз-мельчению частиц. Поэтому коэффициент длины должен составлять ^=0,89... 1,0. При увеличении частоты вращения до 1500 мин- коэффициент модуля помола ^ изменится незначительно (с 0,99 до 0,96).

1—92,52+0,024^+173,86*^-0,00001*^^-67,1*^*^+0,028*^^

1,6

1,4

12

1,2

1,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

п

Рис. 3. Влияние частоты вращения п (мин-1) и коэффициента длины лопасти ^ мешалки на температуру смеси t (^

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 71

к =1,356-0,0002*п-0,394*к1+8,4е-8*п*п+0,16*к1*к1-0,00007*п*к1

т ' ' ' ' ' '

1,6

1,4

ЗЕ

1,2

1,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

п

Рис. 4. Влияние частоты вращения п (мин-1) и коэффициента длины лопасти к1 мешалки на коэффициент изменения модуля помола смеси кт

В случае, если будет поставлена задача термообработки корма и дополнительного доизмельчения при смешивании компонентов, наиболее предпочтительные параметры - кь=1,4.1,6 при 1500 мин-1.

Исследуемые конструктивно-кинематические параметры существенно влияют на изменение затрачиваемой мощности при работе смесителя (рис. 5). При частоте вращения до 1000 мин-1 мощность минимальна и не превышает 1,4 кВт. С ростом частоты вращения мощность повышается.

При к_=0,89.1,0 и п=1500 мин-1 мощность составляет 1,9 кВт, а с увеличением кь дополнительно повышается к 3 кВт. В данном случае сказываются затраты энергии на рост трения, нагрев материала и его доиз-мельчение. Увеличение частоты вращения влияет на рост центробежных сил и повышение из-за этого сил трения. Увеличение длины лопастей более кь=1,0 способствует заклиниванию корма между лопастями и стенками емкости и росту из-за этого нагрева и измельчения корма.

Р=2,92-0,0086*п+3,457*к!+0,000003*п*п-1,95*к!*к1+0,002*п*к!

1,6

1,4

1,2

1,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

п

Рис. 5. Влияние частоты вращения п (мин-1) и коэффициента длины лопасти к1 мешалки на полную мощность Р (кВт)

Влияние конструктивно-кинематических параметров на качество смеси повлияло и на необходимую длительность перемешивания компонентов до получения неравномерности смеси v=10 % и 5 % (рис. 6 а, б) соответственно. С ростом частоты вращения длительность перемешивания в целом сокращается. Однако существует более сложное влияние длины лопастей. Его можно сформулировать следующим образом. Радиальные лопасти (^=0,89... 1,0) способствуют круговому турбулентному движению корма и не заклинивают массу в углах, что

положительно влияет на качество смеси и сокращает длительность перемешивания компонентов.

Лопасти с вертикальным участком лопастей недостаточной длины (К_=1,1...1,6) способствуют заклиниванию материала в углах нижней части емкости, ухудшая перемешивание корма. Лопасти с вертикальным участком лопастей повышенной длины (К_=1,6...1,7) позволяют корму подниматься на дополнительную высоту вдоль стенок емкости, способствуя его пересыпанию к валу, улучшая тем самым перемешивание

T1o=29,69-0,04*n+17,4*kl+0,000005*n*n-15,11 *kl*kl+0,018*n*kl

1,6

1,4

1,2

1,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

а

T5=76,58-0,13*n+40,85*kl+0,00004*n*n-27,77*kl*kl+0,025*n*kl

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

n

n б

Рис. 6. Влияние частоты вращения n (мин-1) и коэффициента длины лопастей kL на длительность приготовления смеси: а -Т10 (кДж/кг) при n=10 %; б - Т5 (кДж/кг) при n=5 %

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 73

массы и сокращая длительность смешивания. Таким образом, имеются две зоны сокращения длительности смешивания: К_=1,7 и п=1 000.1250 мин-1, также К_=0,9 и п=1200. 1500 мин-1. Повышение требований к равномерности смешивания с v=10 % до v=5 % требует увеличения длительности смешивания с 4 до 16 минут, оставляя рациональными параметры: К_=0,9 и п= 1500 мин-1.

Результаты замеров энергоемкости смешивания, соответствующих неравномерности у=10 % и у=5 % (рис. 7. а, б), показывают ее седлообразное изменение. Наибольшая энергоемкость наблюдается при коэффициенте длины лопасти ^=1,2... 1,4 независимо от частоты вращения на ис-

следуемом интервале. Видимо, это связано с изменением характера движения компонентов в смесителе. При коэффициенте длины лопасти работа смесителя соответствует прямым радиальным лопастям. Более ^=1,5 - наличие вертикальных участков лопасти обеспечивает устойчивую циркуляцию корма за счет его подъема и ссыпания к центру. Промежуточный интервал - позволяет переместить корм к стенкам бункера, но отсутствует устойчивая вертикальная циркуляция материала. В результате корм уплотнятся в районе нижнего угла, увеличивая трение и ухудшая перемешивание. Полученные результаты позволяют найти только рациональные значения факторов. Для отыскания

У1 0=-48,81-0,767*П+1 041,9*И+0,0002*П*П-535,1 *kl*kl+0,33*n*kl

1,6

1,4

1,2

1,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

П

У =1028,4-3,53^+1845,6*^+0,0012^^-989,46*^*^+0,73^*^

1,2

1,0

272.7 .......

--327.7

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

П б

Рис. 7. Влияние частоты вращения п (мин-1) и коэффициента длины лопастей ^ на: а - энергоемкость приготовления смеси У10 (кДж/кг) при п=10 %; б - энергоемкость приготовления смеси У5 (кДж/кг) при п=5 %

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8

201.8

С:5 О

____„ 201.8----21

I 1 1 18 18 -------

И67.7 _

- — " С:9

150.7 ° 133.6

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

п

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8

417*

417

' / 579 471 525

_ _ 363-----^

- "* "" — 309----"" "" -

Сэ _----255 - -Сй ^

о* о ^

N

С

а

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

п

б

Рис. 8. Влияние частоты вращения п (мин-1) и коэффициента длины лопастей к1. на: а - энергоемкость приготовления смеси У10 (кДж/кг) при п=10 %; б - энергоемкость приготовления смеси У5 (кДж/кг) при п=5 %

С:4

оптимума потребовалось расширить план опыта (рис. 8) дополнительными уровнями длины лопастей (кь=0,75 и 2,0).

Наименьшая энергоемкость наблюдается на двух участках:

- для п=10 % - п=1500 мин-1 при кь=0,9 и п=800...1000 мин-1 при к_=1,7...1,8;

- для п=5 % - п=1000...1300 мин-1 при к_=0,9 и п=800...1000 мин-1 при к_=1,7...1,8.

Таким образом, потребное качество смеси (ее неравномерность) влияет на оптимальную частоту вращения рабочего органа. Для равномерности смеси 90 % (п=10 %) желательна по минимуму энергоемкости частота вращения п=1400.1500 мин-1; для равномерности 95 % (п=5 %) -п=1000.1300 мин-1, или же п=850...1000 мин-1. Длина лопасти должна составлять в первых двух случаях - 132 мм (кь=0,9), в последнем - 252 мм (кь=1,8). При рекомендуемых параметрах для п=10 % корм сме-

шивают 4 мин, для п=5 % - 16 мин, отсутствует перегрев материала и наблюдается незначительное доизмельчение. Затраты энергии соответственно 65 и 250 кДж/кг, т. е. с повышением равномерности смешивания корма увеличивается энергоемкость перемешивания в 4 раза.

Литература

1. Коба, В. Г. Механизация и технология производства продукции животноводства / В. Г Коба, Н Брагинец, Д. Мурусидзе, В. Некрашевич. - М.: Колос, 1999. - 528 с.

2. Сыроватка, В. И. Производство комбикормов в колхозах и совхозах / В. И. Сы-роватка. - Россельхозиздат, 1976. - 62 с.

3. Испытание сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Программа и методы испытаний. РД 10.19.2-90. - М., 1991 - 94 с.

Нива Поволжья № 2(7) май 2008 75