CC BY
8
УДК 631.363.7
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ МНОГОЦЕЛЕВОГО ШНЕКОВОГО СМЕСИТЕЛЯ-ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ ВИТАМИННО-КОРМОВОЙ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ САПРОПЕЛЯ
Валерий Геннадьевич Игнатенков, канд. техн. наук, доцент Евгений Александрович Иванов, аспирант Максим Александрович Фомичев, аспирант Алексей Владимирович Корабухин, магистрант Спартак Васильевич Гудыно, магистрант
ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки
В Северо-Западной зоне Российской Федерации для увеличения выпуска продукции животноводства и экономии следует обратить пристальное внимание на использование местных органических ресурсов сырья для производства кормовых добавок. Одним из таких источников минеральных веществ и витаминов в Псковской области является сапропель -донные отложения пресноводных водоёмов, запасы которого весьма значительны, а затраты на добычу и доставку, а также переработку окупаемы.
Одной из перспективных технологий производства кормовых добавок на основе сапропеля является проращивание на сапропеле культур зерновых (пшеница, ячмень, овёс), особенно в зимний период, когда наблюдается нехватка у животных витаминов и минеральных веществ. Зеленый корм, выращенный на сапропеле, богат каротином и витамином С, имеет вкусовые качества, улучшающие поедаемость. Такой корм является добавкой к основному рациону питания, скармливается животным полностью безотходно.
В ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА для переработки витаминно-кормовой добавки на основе сапропеля разработан и испытан многоцелевой смеситель-измельчитель, состоящий из шнека, лопаток, ножей и противорежущей решётки. В результате теоретических и экспериментальных изысканий был смоделирован и обоснован технологический процесс приготовления витаминно-кормовой добавки для скармливания животным в соответствии с предъявляемыми зоотехническими требованиями, условиями переработки и свойствами са-пропелерастительного материала.
В статье рассмотрено воздействие рабочих органов на витаминно-кормовую добавку с момента загрузки в смеситель-измельчитель до выхода после измельчения ножами из отверстий противорежущей решетки.
Проведённая научная работа позволила найти наиболее важные взаимосвязи между параметрами рабочих органов многоцелевого смесителя-измельчителя и такой характеристикой добавки, как плотность.
Ключевые слова: шнек, сапропель, смеситель-измельчитель, смешивание, сжатие, уплотнение.
Рассмотрим процесс взаимодействия шнека с компонентами витаминно-кормовой добавки (сапропель + зелёная масса, связанные между собой корне-
вой системой). На наш взгляд, целесообразно разделить шнек, размещённый в кожухе смесителя-измельчителя, на условные зоны или участки, определяемые выполняемыми на них задачами по подготовке витаминно-кормовой добавки к скармливанию (транспортирование, смешивание, уплотнение, сжатие, продав-ливание) [1, 2, 4, 7].
Схема шнекового многоцелевого смесителя-измельчителя витаминно-кормовой добавки представлена на рисунке 1.
1 - корпус; 2 - лопатки; 3 - шнек; 4 - рёбра; 5 - ножи; 6 - решётка Рисунок 1 - Схема шнекового смесителя-измельчителя
Зона I - зона загрузки и транспортирования.
Зона II - зона транспортирования и перемешивания компонентов добавки. За счёт зазора между кожухом и шнеком материал совершает кроме движения по витку ещё и разнонаправленное движение вдоль кожуха, происходит смещение компонентов друг относительно друга и в результате - гомогенизация сапропелерастительной смеси, что необходимо для эффективного резания материала ножами при измельчении на выходе из отверстий противорежущей решётки.
Зона III - зона транспортирования и уплотнения сапропелерастительного материала. Из-за уменьшения шага витков шнека, установки направляющих рёбер на корпусе наблюдается уменьшение объёма материала между витками и возрастание его плотности, увеличивается осевая сила, необходимая для перемещения сапропелерастительной массы по этой зоне (участку).
Зона IV - участок продавливания уплотнённого и сжатого сапропелерастительного материала через отверстия решётки. Материал перемещается под воздействием новых поступающих порций сапропеля и растительной массы, подаваемых шнеком. Режущая пара (нож - решётка) измельчает витаминно-кормовую добавку, при этом нож за счёт своей конструкции также направляет режущей кромкой сапропелерастительный материал к выходу.
Разберём технологические операции, связанные с изменением физико-механических характеристик сапропелерастительного материала под воздействием рабочих органов смесителя-измельчителя, в процессе приготовления витаминно-кормовой добавки.
При попадании сапропеля и зелёной растительной массы в загрузочную горловину лопатки, установленные на ступице шнека, разрушают «дёрн» (сапропель и зелёная масса связаны между собой корневой системой), после чего перемешивают компоненты; шнек направляет смесь в виде растительных включений и сапропеля в I зону (участок). Материал захватывается витками шнека и движется к зоне II. В целях упрощения полагаем, что плотность сапро-пелерастительной смеси постоянна, так как идёт в основном перемешивание и транспортирование сапропелерастительного материала. Постоянная винтовая поверхность, которая образована витками шнека, вращаясь, соприкасается с компонентами смеси и оказывает на них определённое давление, которое распространяется и через взаимодействие компонентов смеси между собой [5, 6, 8].
В зоне III первоначально возрастает степень связанности компонентов сапропелерастительного материала по мере их движения вперёд, объясняемая наличием сил трения. В первую очередь заполняется свободный межвитковый объем шнека, после чего сапропелерастительный материал сжимается и уплотняется, в основном, за счёт уменьшения расстояния между частицами и вытеснения воздуха.
После уплотнения начинаются процессы пластической деформации са-пропелерастительной смеси, в результате которых происходит слипание частиц друг с другом. Через определённое время компоненты слипаются в непрерывный монолит, смесь перестает быть разнородным телом и оказывает сопротивление при движении по шнеку как целое упруго-вязко-пластичное тело.
Сапропелерастительная смесь из-за действия вращающейся винтовой поверхности шнека имеет два вида перемещения: поступательное, вдоль оси шнека, и вращательное, вокруг оси шнека (вместе с витками шнека). При перемещении сапропелерастительного материала поверхность образованного моноли-
та в результате слипания компонентов постоянно обновляется, сам сапропеле-растительный материал из-за постепенного сжатия изменяет свою плотность от начальной р0 до максимальной плотности р1 при постоянно возрастающем давлении, нарастание которого прекратится при выходе из фильеры решётки.
Давление прессования РП приводит к изменению свойств упруго-вязко-пластичной сапропелерастительной смеси, причем деформационные напряжения зависят от конструктивной и кинематической особенности шнека.
Следовательно, работа последней зоны IV (продавливания) полностью обусловлена поведением материала на предыдущем участке.
Основным показателем процесса уплотнения является максимально допустимая плотность сапропелерастительной смеси, зависящая от протяженности зоны III (длины шнека), шага шнека, скорости его вращения.
При этом р1 обуславливается не только градиентом давления ^ и длиной
зоны L3, а также скоростью роста давления и временем прохождения сапропе-лерастительного материала в зоне уплотнения III.
Запишем математическую зависимость в следующем виде:
A - параметр, который зависит от структурно-реологических свойств сапропелерастительной смеси;
T - период уплотнения, с.
Постепенно сжимаясь и уплотняясь, замедляя свое движение после перехода из зоны III, сапропелерастительная смесь заполняет зону IV, подпор са-пропелерастительного материала на участке IV происходит за счет последнего витка шнека, который поджимает смесь к режущему механизму (нож - решётка). Давление в этом случае поддерживается постоянным, за счёт продавлива-ния сапропелерастительного материала через отверстия противорежущей решетки, что возможно из-за непрерывного поступления новых порций смеси, подаваемых винтовой поверхностью шнека из зоны III.
На обоих участках III и IV возникает противопоток сапропелераститель-ного материала к загрузочной горловине, что приводит к снижению производительности, в случае некорректно подобранной частоты вращения шнека.
Наиболее сложным для перемещения сапропелерастительной смеси является участок III, энергозатраты расходуются в основном на вращательно-поступательное движение сапропелерастительного монолита, полученного в результате слипания компонентов смеси и пластических деформаций от взаимодействия частиц материала с винтовой поверхностью шнека.
Таким образом, анализируя вышенаписанное, делаем выводы:
1. Рабочий орган в виде шнека в многоцелевом смесителе-измельчителе рационально использовать для транспортирования, перемешивания, сжатия, уплотнения, продавливания компонентов сапропелерастительного материала, что необходимо при выполнении условий по эффективному измельчению на выходе агрегата, режущей парой (р - необходимая плотность для резания материала).
2. Энергозатраты на работу шнека будут зависеть в основном от длины шнека. Кроме того, противопоток сапропелерастительного материала к загрузочной горловине также вызовет дополнительные затраты энергии, которые можно минимизировать при правильном подборе кинематического режима работы шнека, шага шнека, установки направляющих рёбер, причем только на участке III и IV для направленного перемещения, повышения скорости уплотнения и порционной подачи на участке IV сапропелерастительного материала к ножам и противорежущей решётке.
3. Последний виток шнека является подпором сапропелерастительной смеси на участке IV, это нужно для эффективной работы по измельчению режущим механизмом. Кроме того обосновано, что в зоне IV давление регулируется двумя основными факторами, скоростью подачи новых порций сапропеле-растительной смеси шнеком и размером отверстий противорежущей решётки, не занятых поверхностью ножей, плотность сапропелерастительной смеси линейно зависит от оказываемого на её компоненты давления, создаваемого винтовой поверхностью шнека, это необходимо учитывать при оценке условий продавливания материала через отверстия противорежущей решетки и резания ножами многоцелевого смесителя-измельчителя [3].
Библиографический список
1. Бабаян, И. В. Особенности развития сельского хозяйства / И. В. Бабаян, О. А. Васильева, Л. А. Волощук. - Текст: непосредственный // Вестник Алтайской академии экономики и права. - 2019. - №5. - С. 19-23. - ISSN 1818-4057.
2. Математическое моделирование технологического процесса производства витаминно-кормовой добавки на основе сапропеля, путём использования многоцелевого смесителя-измельчителя для транспортирования и перемешивания компонентов смеси при проращивании зерна / Е. А. Иванов, В. В. Морозов, В. Г. Игнатенков [и др.]. - Текст : непосредственный // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве : материалы XVI Международной научно-практической конференции молодых учёных, 08-09 апреля 2021 года. - Великие Луки: Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, 2021. - С. 109-120. - ISBN 978-5-8047-0101-8.
3. Машины и оборудование в животноводстве / В. Г. Мохнаткин, П. Н. Солонщиков, А. А. Рылов, Р. М. Горбунов. - Киров : ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2015. - 51 с. - Текст : непосредственный.
4. Повышение эффективности производства полнорационного комбикорма в условиях сельскохозяйственных предприятий путем создания комплексного механизированного пункта послеуборочной обработки и переработки фуражного зерна / И. Б. Зимин, О. Н. Александров, Е. А. Богатов, С. Г. Иванов. - Текст : непосредственный // Известия Великолукской
государственной сельскохозяйственной академии. - 2020. - №1. - С. 44-50. - ISSN 23088583.
5. Разработка и создание кормоприготовительного оборудования модульного типа с использованием методов математического и физического моделирования / В. Г. Мохнаткин, М. С. Поярков, Р. М. Горбунов, В. А. Якимов. - Текст : непосредственный // Пермский аграрный вестник. - 2021. - №1. - С. 14-25. - ISSN 2307-2873.
6. Савиных, П. А. Исследование технологического процесса приготовления кормовых смесей / П. А. Савиных, Н. В. Турубанов. - Текст : непосредственный // Энергосберегающие агротехнологии и техника для северного земледелия и животноводства : монография. - Киров : ООО «Кировская областная типография», 2018. - С. 283-288.
7. Повышение эффективности смешивания кормовых смесей / М. А. Фомичев, В. В. Морозов, В. Г. Игнатенков, Ю. В. Аржанкова. - Текст : непосредственный // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве : Сборник докладов XV Международной научно-практической конференции, 09-10 апреля 2020 года. - Великие Луки, 2020. - С. 149-154. - ISBN 978-58047-0089-9.
8. Electric regulator with solid filler and thermoelectric heat exchanger module to produce energy of water-ice phase transition / I. Ershova, A. Vasilyev, G. Samarin [et al.]. -WOS 000523189200016 // Revista Inclusiones. - 2019. - Volume 6, Num №44 Octubre - Diciembre. - P. 617-631. - ISSN 0719-4706. - Text : electronic // Revista Inclusiones : [website]. - URL: http://www.revistainclusiones.org/gallery/44%20vol%206%20num%204%20pernambucomundo20 19octubdiciemb19incl.pdf (date of access: 20.07.2021). - Access mode: free.
FUNCTIONAL DESCRIPTION OF THE MULTI-PURPOSE SCREW MIXER-CHOPPER FOR PREPARATION OF VITAMIN AND FEED ADDITIVES BASED ON SAPROPEL
Ignatenkov Valerii Ghennadievich, Candidate of Technologies, Associate-professor
Ivanov Eughenii Alexandrovich, post-graduate student
Fomichiov Maxim Alexandrovich, post-graduate student
Korabukhin Alexei Vladimirovich, master-course student
Gudyno Spartak Vasilievich, master-course student
State Agricultural Academy of Velikie Luki FGBOU VO, Velikie Luki, Russia
In the North-Western zone of the Russian Federation, in order to increase the output of livestock products and save money, close attention should be paid to the use of local organic resources of raw materials for the production of feed additives. One of such sources of minerals and vitamins in the Pskov region is sapropel-bottom sediments of freshwater reservoirs, the reserves of which are very significant, and the costs of extraction and delivery, as well as processing are recouped.
One of the promising technologies for the production of feed additives based on sapropel is the germination of grain crops (wheat, barley, oats) on sapropel, especially in winter, when there is a shortage of vitamins and minerals in animals. Green food grown on sapropel is rich in carotene and vitamin C, has taste qualities that improve palatability. This food is an additive to the main diet, it is fed to animals completely waste-free.
A multi-purpose mixer-chopper consisting of a screw, blades, knives and an anti-cutting grate has been developed and tested at the Velikie Luki State Agricultural Academy for the processing of a vitamin-feed additive based on sapropel. As a result of theoretical and experimental research, the technological process of preparing a vitamin-feed additive for feeding animals was modeled and justified in accordance with the zootechnical requirements, processing conditions and properties of sapropel-plant material.
The article considers the impact of the working bodies on the vitamin-feed additive from the moment of loading into the mixer-chopper to the exit after chopping with knives from the holes of the anti-cutting grid.
The conducted scientific work allowed us to find the most important relationships between the parameters of the working bodies of a multi-purpose mixer-shredder and such a characteristic of the additive as density.
Key-words: auger, sapropel, mixer-chopper, mixing, compression, compaction.
Bibliograficheskij spisok
1. Babayan, I. V. Osobennosti razvitiya sel'skogo xozyajstva / I. V. Babayan, O. A. Vasil'eva, L. A. Voloshhuk. - Tekst: neposredstvenny'j // Vestnik Altajskoj akademii e'konomiki i prava. - 2019. -№ 5. - S. 19-23. - ISSN 1818-4057.
2. Matematicheskoe modelirovanie texnologicheskogo processa proizvodstva vitaminno-kormovoj do-bavki na osnove sapropelya, putyom ispol'zovaniya mnogocelevogo smesitelya-izmel'chitelya dlya trans-portirovaniya i peremeshivaniya komponentov smesi pri prorashhivanii zerna / E. A. Ivanov, V. V. Morozov, V. G. Ignatenkov [i dr.]. - Tekst : neposredstvenny'j // Nauchno-texnicheskij progress v sel'skoxozyajstvennom proizvodstve : materialy' XVI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molody'x uchyony'x, 08-09 aprelya 2021 goda. - Velikie Luki: Velikolukskaya gosudarstvennaya sel' skoxozyaj stvennaya akademiya, 2021. - S. 109-120. - ISBN 978-5-8047-0101-8.
3. Mashiny' i oborudovanie v zhivotnovodstve / V. G. Moxnatkin, P. N. Solonshhikov, A. A. Ry'lov, R. M. Gorbunov. - Kirov : FGBOU VPO Vyatskaya GSXA, 2015. - 51 s. - Tekst : neposredstvenny'j.
4. Povy'shenie e'ffektivnosti proizvodstva polnoracionnogo kombikorma v usloviyax sel'skoxozyajstvenny'x predpriyatij putem sozdaniya kompleksnogo mexanizirovannogo punkta posleuborochnoj obrabotki i pererabotki furazhnogo zerna / I. B. Zimin, O. N. Aleksandrov, E. A. Bogatov,
5. G. Ivanov. - Tekst : neposredstvenny'j // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoxozyajstvennoj akademii. - 2020. - №1. - S. 44-50. - ISSN 2308-8583.
5. Razrabotka i sozdanie kormoprigotovitel'nogo oborudovaniya modul'nogo tipa s ispol'zovaniem metodov matematicheskogo i fizicheskogo modelirovaniya / V. G. Moxnatkin, M. S. Poyarkov, R. M. Gorbunov, V. A. Yakimov. - Tekst : neposredstvenny'j // Permskij agrarny'j vestnik. - 2021. - №1. -
5. 14-25. - ISSN 2307-2873.
6. Saviny'x, P. A. Issledovanie texnologicheskogo processa prigotovleniya kormovy'x smesej / P. A. Saviny'x, N. V. Turubanov. - Tekst : neposredstvenny'j // E'nergosberegayushhie agrotexnologii i texnika dlya severnogo zemledeliya i zhivotnovodstva : monografiya. - Ki-rov : OOO «Kirovskaya oblast-naya tipografiya», 2018. - S. 283-288.
7. Povy'shenie e'ffektivnosti smeshivaniya kormovy'x smesej / M. A. Fomichev, V. V. Morozov, V. G. Ignatenkov, Yu. V. Arzhankova. - Tekst : neposredstvenny'j // Nauchno-texnicheskij progress v sel'skoxozyajstvennom proizvodstve : Sbornik dokladov XV Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 09-10 aprelya 2020 goda. - Velikie Luki, 2020. - S. 149-154. - ISBN 978-58047-0089-9.
8. Electric regulator with solid filler and thermoelectric heat exchanger module to produce energy of water-ice phase transition / I. Ershova, A. Vasilyev, G. Samarin [et al.]. - WOS 000523189200016 // Revista Inclusiones. - 2019. - Volume 6, Num №44 Octubre - Diciembre. - P. 617-631. - ISSN 0719-4706. - Text : electronic // Revista Inclusiones : [website]. - URL: http://www.revistainclusiones.org/gallery/44%20vol%206%20num%204%20pernambucomundo2019octubd iciemb19incl.pdf (date of access: 20.07.2021). - Access mode: free.
E-mail: fomichev1995@yandex.ru
182112, Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА
Тел. +7 (81153) 7-16-22
