CC BY
15
УДК 631.363.7 DOI 10.51794/27132064-2021-3-66
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СМЕСИТЕЛЯ С ЛЕНТОЧНЫМ ШНЕКОМ
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор Н.В. Турубанов, кандидат технических наук, доцент А.Ю. Исупов, кандидат технических наук Д.А. Зырянов, младший научный сотрудник
ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого» E-mail: niish-sv@mail.ru
Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований горизонтального смесителя с ленточным шнеком, позволяющие получить уравнения регрессии и определить по величине коэффициентов степень влияния факторов на показатели работы смесителя. По полученным математическим моделям, отражающим процессы, происходящие при смешивании компонентов комбикормов, построены двумерные сечения поверхностей отклика и определены оптимальные параметры работы смесителя с учетом различных конструктивных и технологических факторов. Экспериментальные исследования проведены на производственной базе ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока сотрудниками лаборатории механизации животноводства. Исследования направлены на повышение качества смешивания компонентов комбикормов в горизонтальных смесителях с ленточными шнеками. По результатам исследований максимальное значение коэффициента однородности готового продукта v = 89,9% достигается при величине загрузки смесителя 50,34%, частоте вращения вала ленточного шнека 17,26 мин-1, времени смешивания 13 минут; при этом величина удельных энергозатрат составляет q = 3,8 кВтч/т и пропускная способность равна Q = 2,1 т/ч. По результатам экспериментальных исследований можно сказать, что для оптимальной работы смесителя и получения максимального значения коэффициента однородности смеси частота вращения вала ленточного шнека должна находиться в пределах 15-20 мин-1, время смешивания компонентов должно составлять 13 минут, загрузка горизонтального смесителя с ленточным шнеком должна находиться в пределах 50-60% от максимальной.
Ключевые слова: смеситель, комбикорма, экспериментальные исследования, уравнение регрессии, двумерные сечения поверхности отклика, компоненты смеси, приготовление кормов.
Введение. При кормлении животных и птиц необходимо использовать комбикорма. Качество используемого комбикорма влияет на эффективность работы животноводческих и птицеводческих комплексов. В основе сбалансированного по питательной ценности корма лежит наличие в каждой единице объема одинакового количества всех питательных веществ. Качество используемого комбикорма зависит от процесса смешивания входящих в него компонентов. Использование горизонтальных смесителей периодического действия с рабочим органом в виде ленточного шнека позволяет получать корма с более высоким качеством за счет интенсивного перемешивания материала в камере смешивания. Определение оптимальных
конструктивных и технологических параметров горизонтального смесителя по результатам экспериментальных исследований является актуальной задачей.
Целью проводимой работы является определение оптимальных параметров горизонтального смесителя с ленточным шнеком.
Методика. Для проведения экспериментальных исследований изготовлена линия смешивания кормов (рис. 1). Линия работает следующим образом. По шнекам 7 и 8 из бункеров 5 и 6 основной и контрольный компоненты поступают в смеситель 1. В смесителе компоненты перемешиваются, производится отбор проб (рис. 2). По шнеку 9 смесь подается на машину для разделения смеси 2, где происходит отделение контрольного
компонента от основы. Далее компоненты по нориям 3 и 4 подаются обратно в накопительные бункеры 5 и 6 [1].
Движение смешанного материала
------> Движение основного компонента
------у Движение контрольного компонента
Рис. 1. Схема лабораторной линии смешивания:
1 - смеситель; 2 - машина для разделения смеси; 3, 4 - нории, 5, 6 - накопительные бункеры; 7, 8, 9 - шнеки
I
II
III
A
B-
C
а)
б)
Рис. 2. Схема отбора проб в смесителе:
а) в горизонтальной плоскости; б) в вертикальной плоскости
Экспериментальная база. Экспериментальные исследования проведены на базе ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока сотрудниками лаборатории механизации животноводства. Исследования направлены на повышение качества смешивания компонентов комбикормов в горизонтальных смесителях с ленточными шнеками.
Ход исследования. Для установления оптимальных и наиболее значимых конструктивных и технологических параметров смесителя после реализации однофакторных экспериментов проведены исследования с использованием методики планирования многофакторного эксперимента [2, 3]. В качестве исследуемых факторов по результатам однофакторных экспериментов выбраны следующие: Х1 - величина загрузки камеры смешивания, %; Х2 - частота вращения вала смесителя, мин-1; хз - время смешивания. В качестве критериев оптимизации выбраны показатели: - коэффициент однородности смеси V, %; _у2 - удельные энергозатраты, кВт-ч/т; _уз - пропускная способность, 0, т/ч.
В ходе экспериментальных исследований реализована матрица плана Бокса-Бенкина (таблица).
Таблица. Интервалы и уровни варьирования
Уровни варьирования Величина загрузки камеры смешивания, % Частота вращения вала смесителя, мин-1 Время смешивания, мин.
Х1 Х2 хз
Верхний (+1) 75 21,5 13
Средний (0) 62,5 17,2 10
Нижний (-1) 50 12,9 7
В качестве контрольного компонента выбран горох, его содержание в составе смеси равно 12,5% (по массе) [4,5]. Для изменения частоты вращения вала смесителя использовали преобразователь частоты Ак^аг АТУ-312. Реализация многофакторного эксперимента позволила получить приближенные математические модели процесса, которые увязывают воедино все учтенные факторы. Экспериментальные исследования позволи-
ли определить численные значения коэффициентов уравнений регрессии, по величине которых можно оценить степень влияния соответствующих факторов [6].
Результаты экспериментальных исследований обработаны на компьютере. Получены следующие уравнения регрессии (незначимые факторы исключены): у1 = 85,50 - 3,31х1 + 3,43х2 + 4,16х3 -- 1,67x2 + 3,42х1 • х2 - 3,11x2 - 1,43ж| (1) у2 = 2,93 - 0,35х1 + 0,59х3 (2)
у3 = 2,84 + 0,58х1 - 0,64х3 - 0,13х1 • х3 + +0,14x2. (3)
Проверку значимости уравнений регрессии (1-3) проводили по критерию Фишера, который отражает, насколько хорошо эта модель объясняет общую дисперсию зависимой переменной. Для проверки значимости уравнений (1-3) вычисленное значение критерия Фишера сравнивали с табличным на выбранном уровне значимости 0,05. Если рассчитанный критерий Фишера выше, чем табличный, то объясненная дисперсия существенно больше, чем необъясненная, и модель является значимой [7]. Для уравнения регрессии (1) Fрасч = 327,10 > Fтабл = 3,03, для уравнения (2) Fрасч = 262,98 > Fтабл = 3,42, для уравнения (3) Fрасч = 26650,67 > Fтабл = 3,42. Таким образом, все полученные уравнения регрессии являются значимыми.
Проверку статистической значимости параметров регрессионного уравнения (1 -2) (коэффициентов регрессии) выполняли по ^ критерию Стьюдента. Рассчитанное значение критерия Стьюдента сравнивали с его табличным значением при выбранной доверительной вероятности 0,95. Если вычисленное значение критерия Стьюдента выше, чем табличное, то коэффициент регрессии является значимым с данной доверительной вероятностью. В противном случае есть основания для исключения соответствующей переменной из регрессионной модели [8].
Статистика R-Squared показывает, что полученная математическая модель (1) на 97,76% описывает изменение у\ в зависимости от величины входящих в уравнение факторов. Математическая модель (2) на 97,61% описывает изменение у2, модель (3) на
99,97% описывает изменение у3. Таким образом, можно сделать вывод, что все полученные уравнения регрессии достоверно описывают изменение коэффициента однородности смеси, удельных энергозатрат и пропускной способности в зависимости от варьирования факторов [9].
Результаты исследований. Анализ уравнений регрессии (на основании значимости коэффициентов уравнений регрессии) позволяет сделать вывод о том, что все рассматриваемые факторы (величина загрузки смесителя (Х1), число оборотов вала ленточного шнека (Х2) и время смешивания (хэ)) оказывают одинаковое влияние по величине на коэффициент однородности смеси у (у1). На удельные энергозатраты q (у2) и пропускную способность ( (уэ) изменение частоты вала ленточного шнека (х2) не оказывает влияния (фактор (Х2) в уравнения не входит); при этом величина загрузки смесителя (Х1) и время смешивания (х3) оказывают одинаковое влияние на оба критерия оптимизации.
Анализ уравнений регрессии и двумерных сечений поверхностей отклика (рис. 3) позволяет сделать следующие выводы.
Из рисунка 3 (а) видно, что при уменьшении количества материала в камере смешивания (Х1) с 75% до 50% и увеличении времени смешивания (х3) с 7 минут до 13 минут при частоте вращения вала ленточного шнек а Х2 = 17,2 мин-1 происходит увеличение коэффициента однородности смеси у с 81% до 89% и увеличение удельных энергозатрат q с 2,0 до 3,8 кВт-ч/т. Максимальное значение коэффициента однородности готового продукта у = 89,9% достигается при величине загрузки смесителя Х1 = 50,34%, частоте вращения вала ленточного шнека Х2 = 17,26 мин-1, времени смешивания хэ = 13 минут, при этом величина удельных энергозатрат составляет q = 3,8 кВт-ч/т. Минимальное значение величины удельных энергозатрат q = 1,99 кВт-ч/т достигается при величине загрузки смесителя Х1 = 75%, времени смешивания х3 = 7 минут, при этом частота вращения шнека (х2) не влияет на величину удельных энергозатрат q, и величина коэффициента однородности готового продукта у= 81%.
1 P
*2= 0
-1
0
X= 0 r
.2J'/ / 89,0 2,4
1 а) -п
.87,0 ^
^.83,0^''
4,2-* ' *
-1 0 х1 1 б) Рис. 3. Двумерные сечения поверхности отклика,
характеризующие влияние величины загрузки камеры смешивания (лп), частоты вращения вала
ленточного шнека смесителя (яг) и времени смешивания (л3) на: а) коэффициент однородности готового продукта V (- у1) и удельные энергозатраты q (-----уз); б) коэффициент однородности готового продукта VI! (-уО
и пропускную способность смесителя ((----у3).
Анализ рисунка 3 б) показывает, что при уменьшении количества материала в камере смешивания (Х1) с 75% до 50% и увеличении времени смешивания (хз) с 7 минут до 13 минут при частоте вращения вала ленточного шнека Х2 = 17,2 мин-1 происходит уменьшение пропускной способности Q с 4,2 т/ч до 2,1 т/ч и увеличение коэффициента однородности готовой смеси V с 81% до 89%. При максимальном значении коэффициента однородности смеси v= 89,9% пропускная способность составит Q = 2,1 т/ч. Пропускная способность Q достигает максимального значения 4,33 т/ч при величине загрузки сме-
сителя Х1 = 75%, времени смешивания хз = 7 минут, при этом частота вращения шнека (х2) не влияет на величину пропускной способности, и величина коэффициента однородности готового продукта V составляет 81%.
По результатам исследований максимальное значение коэффициента однородности готового продукта v= 89,9% достигается при величине загрузки смесителя Х1 = 50,34%, частоте вращения вала ленточного шнека х2 = 17,26 мин-1, времени смешивания хз = 13 минут, при этом величина удельных энерго-з атрат с о ставля ет q = 3,8 кВт-ч/т и пропускная способность равна Q = 2,1 т/ч.
Выводы. Анализ уравнений регрессии (на основании значимости коэффициентов уравнений регрессии) позволяет сделать вывод о том, что все рассматриваемые факторы (величина загрузки смесителя (х1 ), число оборотов вала ленточного шнека (х2) и время смешивания (хз)) оказывают одинаковое влияние по величине на коэффициент однородности смеси V (у1). На удельные энергозатраты q (у2) и пропускную способность Q (уз) изменение частоты вала ленточного шнека (х2) не оказывает влияния (фактор (х2) в уравнения не входит), при этом величина загрузки смесителя (х1) и время смешивания (хз) оказывают одинаковое влияние на оба критерия оптимизации.
По результатам исследований максимальное значение коэффициента однородности готового продукта v= 89,9% достигается при величине загрузки смесителя х1 = 50,з4%, частоте вращения вала ленточного шнека х2 = 17,26 мин-1, времени смешивания хз = 1з минут, при этом величина удельных энергозатрат составляет q = 3,8 кВт-ч/т и пропускная способность равна Q = 2,1 т/ч.
По результатам экспериментальных исследований можно сказать, что для оптимальной работы смесителя и получения максимального значения коэффициента однородности смеси частота вращения вала ленточного шнека должна находиться в пределах 15-20 мин-1, время смешивания компонентов должно составлять 13 минут, загрузка горизонтального смесителя должна находиться в пределах 50-60% от максимальной.
1
0
Литература:
1. Investigation of impact of technological and structural parameters upon energy indicators of work of mixer / Sa-vinyh P. etc. // Engineering for rural development. Jelga-va, 2020. Vol. 19. P. 1338-1348.
2. Maintenance research of a horizontal ribbon mixer / Marczuk A. etc. // Maintenance and Reliability. 2017. № 19. Р. 121-125.
3. Improving efficiency of horizontal ribbon mixer by optimizing its constructional and operational parametrs / Marczuk A. etc. // Maintenance and Reliability 2019. № 21. P. 220-225.
4. НТП-АПК 1.10.16.002-03 Нормы технологического проектирования сельскохозяйственных предприятий по производству комбикормов. М., 2003. 80 с.
5. Общая характеристика бобовых кормов. URL: http: //articles.agronationale.ru/feeding/2223-obschayaharakte-ristikabobovyhkormov/
6. Сысуев В.А., Алешкин А.В., Савиных П.А. Кормо-приготовительные машины. Киров, 2009. Т. 2. 496 с.
7. Использование критерия Фишера для проверки значимости регрессионной модели. URL: https://www. chem-astu.ru/science/reference/fischer.html
8. Использование критерия Стьюдента для проверки значимости параметров регрессионной модели. URL: http://www.chem-astu.ru/science/reference/student.html
9. Ершов Э.Б. Распространение коэффициента детерминации на общий случай линейной регрессии, оцениваемой с помощью различных версий метода наименьших квадратов // Экономика и математические методы. 2002. Т. 38, № 3. С. 107-120.
Literatura:
1. Investigation of impact of technological and structural parameters upon energy indicators of work of mixer / Sa-vinyh P. etc. // Engineering for rural development. Jelga-va, 2020. Vol. 19. P. 1338-1348.
2. Maintenance research of a horizontal ribbon mixer / Marczuk A. etc. // Maintenance and Reliability. 2017. № 19. R. 121-125.
3. Improving efficiency of horizontal ribbon mixer by optimizing its constructional and operational parametrs / Marczuk A. etc. // Maintenance and Reliability 2019. № 21. P. 220-225.
4. NTP-APK 1.10.16.002-03 Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya sel'skohozyajstvennyh predpriyatij po proizvodstvu kombikormov. M., 2003. 80 s.
5. Obshchaya harakteristika bobovyh kormov. URL: http: //articles.agronationale.ru/feeding/2223-obschayaharakte-ristikabobovyhkormov/
6. Sysuev V.A., Aleshkin A.V., Savinyh P.A. Kormopri-gotovitel'nye mashiny. Kirov, 2009. T. 2. 496 s.
7. Ispol'zovanie kriteriya Fishera dlya proverki znachimo-sti regressionnoj modeli. URL: https://www. chemastu.ru /science/reference/fischer.html
8. Ispol'zovanie kriteriya St'yudenta dlya proverki znachi-mosti parametrov regressionnoj modeli. URL: http:// www.chem-astu.ru/science/reference/student.html
9. Ershov E.B. Rasprostranenie koefficienta determinacii na obshchij sluchaj linejnoj regressii, ocenivaemoj s po-moshch'yu razlichnyh versij metoda naimen'shih kvadra-tov // Ekonomika i matematicheskie metody. 2002. T. 38, № 3. S. 107-120.
DETERMINATION OF OPTIMAL PARAMETERS OF HORIZONTAL MIXER WITH A BELT SCREW P.A. Savinykh, doctor of technical sciences, professor N.V. Turubanov, candidate of technical sciences, professor's associate A.Yu. Isupov, candidate of technical sciences D.A. Zyryanov, junior research worker
FGBNY "Federal agrarian scientific center of the North-East named after N.V. Rudnitsky"
Abstract. The results of horizontal mixer with a belt screw's experimental studies, that allow to obtain equations of regression and determine by the factors' degree influence them on the mixer's performance by the coefficients' magnitude are presented. Based on the obtained mathematical models reflecting these processes occurring during feed components' mixing, two-dimensional sections of the surfaces of response are constructed and the mixer operation's optimal parameters taking into account various design and technological factors are determined. The experimental studies on the FGBNYFANC of the North-and-East's industry base by the animal husbandry mechanization laboratory's research workers were carried out. The researches are aimed on feed components in horizontal mixers with belt screws' mixing quality improving. According to this research results, the finished product uniformity coeffi ci-ent's maximum value v = 89,9% is achieved at the mixer's loading is 50,34%, the belt screw shaft's rotation speed is 17,26 min-1, the mixing of time is 13 minutes; by that, the specific energy consumption's value is q = 3,8 kW*h/t and the throughput is Q = 2,1 t/h. According to the experimental studies' results, it can be said that for mixer's optimal operation and the maximum uniformity coefficient value of the mixture obtaining, the belt screw shaft's rotation speed should be within 15-20 min-1, the components' mixing time should be 13 minutes, horizontal mixer with a belt screw loading should be within 50-60% of the maximum.
Keywords: mixer, compound feed, experimental studies, equation of regression, two-dimensional sections of the response's surface, mixture's components, feed preparation.
