CC BY
7
УДК 631.3 DOI 10.51794/27132064-2021-4-58
ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ СМЕСИТЕЛЯ КОРМОВ
М.С. Симачкова, старший преподаватель
ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет» E-mail: marina_w@inbox.ru
Аннотация. Неконкурентоспособные сельскохозяйственные предприятия в кризисные периоды принимают решение о сокращении поголовья животных и повышении цен на продукцию в надежде на то, что трудный период будет преодолен. А в это время другие хозяйства преодолевают данные трудности. Одной из главных причин рентабельного функционирования предприятия является качественное производство кормов и, в частности, перемешивание его компонентов в однородную массу. Некачественное смешивание компонентов корма может иметь серьезные последствия: нарушение здоровья животных, снижение их продуктивности, значительный разброс по показателям, финансовые потери из-за недополучения готовой продукции. В этом случае ставятся под сомнение данные о безопасности и эффективности продукции. Нами проведен анализ существующих схем перемешивания компонентов корма, рассмотрены технологии смешивания, а также различные конструктивные особенности смесителей кормов. На основании анализа составлена схема функционирования наиболее распространенных установок для перемешивания кормосмеси. Проведен функционально-морфологический анализ. Построение функционально-морфологической схемы проводилось с использованием методов теории решения изобретательских задач на основании анализа технологий и технических средств смешивания кормов. Из анализа существующих технологий и конструкций машин для смешивания кормов выбраны главные факторы, влияющие на качество смешиваемых компонентов. Разработана морфологическая матрица и, в итоге, выбран наиболее рациональный вариант конструкционно-технологической схемы установки для перемешивания кормов. Ключевые слова: анализ, бункер-смеситель, кормоприготовление, конструкционные параметры, однородность, оптимизация, производительность, рабочие органы, смешивание, схема функционирования.
Введение. В настоящее время, в связи с увеличенной конкуренцией между производителями сельскохозяйственной продукции, главным критерием конкурентоспособности является сочетание цены/качества корма.
Во-первых, корма - это самые большие финансовые потоки в структуре себестоимости продукции животноводства и птицеводства, и управлять ими надо наиболее эффективно. Со стоимостью кормов (при правильно составленной их рецептуре и современном производстве) не сравнятся никакие другие затраты - ни электроэнергия, ни затраты на воду, тепло и пр. Во-вторых, от качества кормов зависит не только безопасность самих животных и птицы, но и безопасность людей, потребляющих животноводческую и птицеводческую продукцию. Поэтому сегодня усиливается не только контроль готовой животноводческой продукции, но и кормов, а также сырья, входящего в их состав. В-третьих, у производителя кормов должна быть твердая доказательная база качества
поставляемой им продукции, а для этого нужны быстрые и недорогие методы контроля качества дорогостоящего сырья, особенно премиксов, витаминов, аминокислот, энзимов, лекарственных препаратов, антиок-сидантов, адсорбентов и др. Таким образом, исследования по обоснованию и выбору рациональной схемы смесителя кормов являются актуальными [1].
Существует множество схем перемешивания компонентов корма, в соответствии с которыми смесительные устройства подразделяются на устройства непрерывного действия и периодического действия [2]. В смесителях периодического действия значительно проще получить высокое качество кормосмеси, обеспечить точность дозирования компонентов и равномерность распределения массы по всему объему. Смесители непрерывного действия, как правило, имеют большую удельную производительность. Качество приготавливаемой кормосмеси в них несколько хуже, так как ограничено время
взаимодействия компонентов смеси. Проведя анализ достоинств и недостатков смесителей непрерывного и периодического действия, можно сделать вывод, что для достижения наших целей, а именно - соблюдения высоких требований к качеству приготавливаемой кормосмеси, целесообразно применение смесителя кормов периодического действия [3]. Общая схема функционирования данной установки для перемешивания кормов представлена на рисунке 1.
Рисунок. Схема функционирования смесителя кормов
Факторов, оказывающих влияние на качество кормовой смеси, множество: учитываются параметры как самих компонентов будущей смеси, так и параметры смешивающего устройства. Наиболее значимые из них: размер и форма частиц смешиваемых компонентов, последовательность их добавления, плотность смешиваемых компонентов, избыточное или недостаточное наполнение смесителя, время перемешивания, точность дозирования, налипание смеси на рабочие органы.
Выбирая тип смесителя, в первую очередь необходимо определить, какие корма и для каких целей требуется смешивать. В результате исследований существующих моделей бункерных смешивающих устройств были выявлены наиболее значимые их параметры, оказывающие решающее влияние на качество будущей кормосмеси [4-6].
Большое практическое применение для смешивания сыпучих кормов получили агрегаты с цилиндрической формой бункера [8-
12] и формой в виде конуса [7, 13] вследствие эффективного перемешивания компонентов смеси. Расположение бункера может быть трех типов:
- горизонтальным (подходит как для сухих, так и для влажных масс) [8-11];
- вертикальным (для гомогенизации сухой массы и обогащения ее сухими добавками. При добавлении жидких компонентов вертикальные смесители не могут дать однородности более 80%) [7, 13];
наклонным (эффективно действует, когда нужно перемешать порошкообразные массы и мелкие гранулированные частицы. Конструкция допускает добавление жидких ингредиентов) [12].
Наиболее типичными рабочими органами смесителей являются шне-ковые [7, 9, 13], лопастные [12] и комбинированные [8, 10, 11]. Их количество варьируется от одного до трех в одном смесительном устройстве [14]. Кроме количества рабочих органов различным может быть их движение. Проведя анализ рабочих органов существующих смесителей, можно сделать вывод, что движение может быть простым - когда рабочие органы вращаются на смешивающим валу [7, 8, 11], и сложным - когда кроме вращения самих рабочих органов вращается еще и он сам [9, 11, 12].
Также немаловажным параметром, влияющим на качество однородности смеси, является количество зон смешивания: чаще всего смесители имеют одну или две зоны. Такое разнообразие факторов, влияющих на однородность кормосмеси, усложняет процесс разработки кормосмесителей. Для облегчения разработки схем механизмов применяют различные изобретательские и научные методы.
Целью данной работы является разработка простой и эффективной схемы установки для смешивания кормов с применением теории решения изобретательских задач.
Материалы и методы исследования. Построение функционально-морфологической схемы проводилось с использованием
методов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) на основании анализа технологий и технических средств смешивания кормов [15-17].
Результаты исследований и обсуждение. Задачей исследования является разработка эффективной схемы смесителя кормов. Главными критериями оценивания конструкции являются простота в изготовлении, минимальная металлоемкость конструкции, наименьшие затраты энергоносителя, качество готового корма. Из анализа существующих технологий и конструкций машин для смешивания кормов выбраны главные факторы, влияющие на вышеуказанные критерии: форма бункера, его расположение, количество и вид рабочих органов, тип их движения, а также количество зон для смешивания компонентов корма. Обозначенные факторы и их свойства сведены в морфологический ящик (таблица 1). Исходя из данных морфологического ящика, построена морфологическая матрица, которая имеет вид: (а1 а2) (б1 б2 б3) (в1 в2 в3) (г1 г2 г3) (д1 д2) (е1 е2)
Развернутая морфологическая матрица представлена в таблице 2. В ней отражены 144 возможные комбинации.
Проведенный анализ конструктивных особенностей смесителей кормов приводит к следующим выводам:
1. С точки зрения экономической составляющей разработки смесителя кормов, то есть главным критерием является минимум затрат на производство агрегата, наиболее эффективными будут считаться смесители цилиндрической формы с горизонтальным или вертикальным способом расположения бункера. Такое исполнение смесителя кормов также позволит достичь простоты конструкции в изготовлении.
2. С точки зрения типа рабочих органов можно сделать вывод о том, что наиболее эффективными будут являться смесители с комбинированными рабочими органами. Конструкция рабочих органов должна обеспечивать качественное перемещение масс компонентов смеси, сопровождающееся их смешиванием. Такие конструкции смесителей позволяют получить максимально однородную по своему составу смесь с наибольшей равномерностью смешивания компонентов корма, а также сравнительно низкую энергоемкость процесса. Наиболее востребованы и популярны шнековые и лопастные модели, которые отличаются универсальностью в использовании (подходят для перемешивания кормов разного уровня влажности) [8, 10, 11].
3. Немаловажную роль для получения качественного корма играет тип движения рабочих органов. Смесь получится более однородной, если в процессе смешивания будет перемещаться не только рабочий орган, но и вал, на котором он расположен.
С горизонтальным расположением вала и сложным движением рабочих органов создаются условия для одновременного смешивания компонентов корма во всем пространстве бункера. Поэтому при рассмотрении возможных исполнений смесителя кормов можно предложить комбинацию а1б1 в2г3д1е2 (таблица 2): цилиндрическая форма бункера с горизонтальным расположением вала, смеситель оснащен двумя комбинированными рабочими органами, которые выполняют сложное движение.
Таблица 1. Морфологический ящик
Обозначение Фактор Свойства
1 2 3
а Форма бункера Цилиндр Конус -
б Расположение бункера Горизонтальный Вертикальный Наклонный
в Количество рабочих органов Один Два Три
г Вид рабочих органов Шнек Лопасти Комбинированные
д Количество зон смешивания Одна Две -
е Движение рабочего органа Простое Сложное -
Таблица 2. Морфологическая матрица
д1 Д2
е1 е2 е1 е2
г1 а161в1г1д1е1 а161в1г1д1е2 а161в1г1д2е1 а161в1г1д2е2
в1 г2 а161в1г2д1е1 а161в1г2д1е2 а161в1г2д2е1 а161в1г2д2е2
г3 а161в1г3д1е1 а161в1г3д1е2 а161в1г3д2е1 а161в1г3д2е2
г1 а161в2г1д1е1 а161в2г1д1е2 а161в2г1д2е1 а161в2г1д2е2
61 в2 г2 а161в2г2д1е1 а161в2г2д1е1 а161в2г2д1е1 а161в2г2д2е2
г3 а161в2г3д1е1 а161в2г3д1е2 а161в2г3д2е1 а161в2г3д2е2
г1 а161в3г1д1е1 а161в3г1д1е2 а161в3г1д2е1 а161в3г1д2е2
в3 г2 а161в3г2д1е1 а161в3г2д1е2 а161в3г2д2е1 а161в3г2д2е2
а1 г3 а161в3г3д1е1 а161в3г3д1е2 а161в3г3д2е1 а161в3г3д2е2
г1 а162в1г1д1е1 а162в1г1д1е2 а162в1г1д2е1 а162в1г1д2е2
в1 г2 а162в1г2д1е1 а162в1г2д1е2 а162в1г2д2е1 а162в1г2д2е2
г3 а162в1г3д1е1 а162в1г3д1е2 а162в1г3д2е1 а162в1г3д2е2
г1 а162в2г1д1е1 а162в2г1д1е2 а162в2г1д2е1 а162в2г1д2е2
62 в2 г2 а162в2г2д1е1 а162в2г2д1е2 а162в2г2д2е1 а162в2г2д2е2
г3 а162в2г3д1е1 а162в2г3д1е2 а162в2г3д2е1 а162в2г3д2е2
г1 а162в3г1д1е1 а162в3г1д1е2 а162в3г1д2е1 а162в3г1д2е2
в3 г2 а162в3г2д1е1 а162в3г2д1е2 а162в3г2д2е1 а162в3г2д2е2
г3 а162в3г3д1е1 а162в3г3д1е2 а162в3г3д2е1 а162в3г3д2е2
г1 а261в1г1д1е1 а261в1г1д1е2 а261в1г1д2е1 а261в1г1д2е2
в1 г2 а261в1г2д1е1 а261в1г2д1е2 а261в1г2д2е1 а261в1г2д2е2
г3 а261в1г3д1е1 а261в1г3д1е2 а261в1г3д2е1 а261в1г3д2е2
г1 а261в2г1д1е1 а261в2г1д1е2 а261в2г1д2е1 а261в2г1д2е2
61 в2 г2 а261в2г2д1е1 а261в2г2д1е1 а261в2г2д1е1 а261в2г2д2е2
г3 а261в2г3д1е1 а261в2г3д1е2 а261в2г3д2е1 а261в2г3д2е2
г1 а261в3г1д1е1 а261в3г1д1е2 а261в3г1д2е1 а261в3г1д2е2
в3 г2 а261в3г2д1е1 а261в3г2д1е2 а261в3г2д2е1 а261в3г2д2е2
а2 г3 а261в3г3д1е1 а261в3г3д1е2 а261в3г3д2е1 а261в3г3д2е2
г1 а262в1г1д1е1 а262в1г1д1е2 а262в1г1д2е1 а262в1г1д2е2
в1 г2 а262в1г2д1е1 а262в1г2д1е2 а262в1г2д2е1 а262в1г2д2е2
г3 а262в1г3д1е1 а262в1г3д1е2 а262в1г3д2е1 а262в1г3д2е2
г1 а262в2г1д1е1 а262в2г1д1е2 а262в2г1д2е1 а262в2г1д2е2
62 в2 г2 а262в2г2д1е1 а262в2г2д1е2 а262в2г2д2е1 а262в2г2д2е2
г3 а262в2г3д1е1 а262в2г3д1е2 а262в2г3д2е1 а262в2г3д2е2
г1 а262в3г1д1е1 а262в3г1д1е2 а262в3г1д2е1 а262в3г1д2е2
в3 г2 а262в3г2д1е1 а262в3г2д1е2 а262в3г2д2е1 а262в3г2д2е2
г3 а262в3г3д1е1 а262в3г3д1е2 а262в3г3д2е1 а262в3г3д2е2
Выводы. Таким образом, с использованием ТРИЗ и анализа существующих машин выполнен поиск оптимальной конструкции смесителя кормов.
Литература:
1. Методы повышения эффективности механизированных производственных процессов по условиям их функционирования в растениеводстве / Б.А. Арютов и др. М., 2010. 365 с.
2. Кукта Г.М. Применение кормораздатчиков-смесителей // Техника в сельском хозяйстве. 1985. № 8. С. 25-26.
3. Приготовление кормов в смесителях непрерывного действия / Г.М. Кукта и др. // Техника в сельском хозяйстве. 1985. № 3. С. 29-31.
4. Завражнов А.И. Влияние конструктивных параметров мобильного смесителя-раздатчика кормов на однородность смешивания // Достижения науки и техники АПК. 2007. № 6. С. 25-27.
5. Снижение энергоемкости процесса смешивания кормов в шнековом смесителе-раздатчике / А.И. Завражнов и др. // Вестник Красноярского ГАУ. 2007. № 3. С. 205-209.
6. Влияние конструктивных параметров мобильного смесителя-раздатчика кормов на однородность смешивания / А.И. Завражнов и др. // Достижения науки и техники АПК. 2007. № 6. С. 25-27.
7. Пат. 122560 РФ. Смеситель сыпучих кормов / Сергеев А.Г. и др. Заяв. 24.09.12; Опубл. 27.02.13.
8. Пат. 2129773 РФ. Раздатчик-смеситель кормов / Воронцов И.И. и др. Заяв. 15.02.96; Опубл. 10.05.99.
9. Пат. 2040165 РФ. Раздатчик-смеситель кормов / Терпиловский К.Ф. и др. Заяв. 12.02.91; Опубл. 25.07.95.
10. Пат. 2129780 РФ. Смеситель-раздатчик кормов / Тищенко М.А. и др. / Заяв. 07.05.98; Опубл. 10.05.99.
11. Пат. 2752931 РФ. Смеситель кормов / Липин В.Д. и др. Заяв. 03.11.20; Опубл. 11.08.21.
12. Пат. 2305472 РФ. Смеситель кормов / Никифоров В.М. и др. Заяв. 18.04.05; Опубл. 10.09.07.
13. Пат. 2311753 РФ. Способ приготовления кормо-смеси в бункерном смесителе и смеситель кормов / Стяжкин В.И. и др. Заяв. 15.11.05; Опубл. 10.12.07.
14. Федоренко И.Я. Технологические процессы и оборудование для приготовления кормов. Барнаул, 2004.
15. Теория решения изобретательских задач / Гин А.А. и др. Томск, 2017. 64 с.
16. Конопатов С.Н., Салиенко Н.В., Старожук Е.А. Решение нестандартных инженерно-экономических задач посредством ТРИЗ. М., 2019. 121 с.
17. Петров В.М. Теория решения изобретательских задач - ТРИЗ. М., 2017. 520 с.
Literatura:
1. Metody povysheniya effektivnosti mekhanizirovannyh proizvodstvennyh processov po usloviyam ih funkcioniro-vaniya v rastenievodstve / B.A. Aryutov i dr. M., 2010. 365 s.
2. Kukta G.M. Primenenie kormorazdatchikov-smesitelej // Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 1985. № 8. S. 25-26.
3. Prigotovlenie kormov v smesitelyah nepreryvnogo dej-stviya / G.M. Kukta i dr. // Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 1985. № 3. S. 29-31.
4. Zavrazhnov A.I. Vliyanie konstruktivnyh parametrov mobil'nogo smesitelya-razdatchika kormov na odnorod-
nost' smeshivaniya // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2007. № 6. S. 25-27.
5. Snizhenie energoemkosti processa smeshivaniya kormov v shnekovom smesitele-razdatchike / A.I. Zavrazh-nov i dr. // Vestnik Krasnoyarskogo GAU. 2007. № 3. S. 205-209.
6. Vliyanie konstruktivnyh parametrov mobil'nogo smesi-telya-razdatchika kormov na odnorodnost' smeshivaniya / A.I. Zavrazhnov i dr. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2007. № 6. S. 25-27.
7. Pat. 122560 RF. Smesitel' sypuchih kormov / Sergeev A.G. i dr. Zayav. 24.09.12; Opubl. 27.02.13.
8. Pat. 2129773 RF. Razdatchik-smesitel' kormov / Vo-roncov I.I. i dr. Zayav. 15.02.96; Opubl. 10.05.99.
9. Pat. 2040165 RF. Razdatchik-smesitel' kormov / Terpi-lovskij K.F. i dr. Zayav. 12.02.91; Opubl. 25.07.95.
10. Pat. 2129780 RF. Smesitel'-razdatchik kormov / Tish-chenko M.A. i dr. / Zayav. 07.05.98; Opubl. 10.05.99.
11. Pat. 2752931 RF. Smesitel' kormov / Lipin V.D. i dr. Zayav. 03.11.20; Opubl. 11.08.21.
12. Pat. 2305472 RF. Smesitel' kormov / Nikiforov V.M. i dr. Zayav. 18.04.05; Opubl. 10.09.07.
13. Pat. 2311753 RF. Sposob prigotovleniya kormosmesi v bunkernom smesitele i smesitel' kormov / Styazhkin V.I. i dr. Zayav. 15.11.05; Opubl. 10.12.07.
14. Fedorenko I.YA. Tekhnologicheskie processy i oboru-dovanie dlya prigotovleniya kormov. Barnaul, 2004.
15. Teoriya resheniya izobretatel'skih zadach / Gin A.A. i dr. Tomsk, 2017. 64 s.
16. Konopatov S.N., Salienko N.V., Starozhuk E.A. Re-shenie nestandartnyh inzhenerno-ekonomicheskih zadach posredstvom TRIZ. M., 2019. 121 s.
17. Petrov V.M. Teoriya resheniya izobretatel'skih zadach - TRIZ. M., 2017. 520 s.
JUSTIFICATION OF THE FEED MIXER'S SCHEME M.S. Simachkova, senior lecturer
GBOU VO "Nizhny Novgorod state engineering-and-economics university"
Abstract. Uncompetitive agricultural enterprises in times of crisis decide the number of animals to reduce and products' prices to increase in the hope the difficult period overcoming. Meanwhile, at this time the other farms are overcoming these difficulties. One of the main reasons for the enterprise's profitable operation is the high-quality feed production and, in particular, its components into a homogeneous mass mixing. Low-quality feed components mixing can have serious consequences: animal health violating, their production reducing indicators' significant variation, financial losses due to finished products' shortage. In this case, the products' safety and effectiveness data are confusing. We've analyzed the feed components mixing existing schemes, mixing technologies, as well as various feed mixers features design are considered. Based on this analysis, the most common mixing feed mixtures' functioning installations scheme has been compiled. The functional-and-morphological analysis was carried out. This func-tional-and-morphological scheme's construction was carried out by inventive tasks solving theory methods based on the feed mixing technologies and technical means' analysis using. From the existing technologies and feed mixing machines' designs analysis, the main affecting factors of the mixed components quality are selected. A morphological matrix is developed and, as a result, the most rational, structural-and-technological variant of feed mixing installation's scheme has been selected.
Keywords: analysis, hopper-mixer, feed preparation, structural parameters, uniformity, optimization, productivity, working bodies, mixing, functioning scheme.
