CC BY
26
УДК 631.363.7+621.867
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДАЧИ СПИРАЛЬНО-ВИНТОВОГО СМЕСИТЕЛЯ-КОНВЕЙЕРА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ КОРМОВ
В.В. Коновалов,
A.В. Чупшев,
B.П. Терюшков, А.С. Фомин
Приведены результаты исследований рабочего процесса перемешивания сухих компонентов винтовым смесителем конвейером непрерывного действия. Получены выражения, позволяющие установить оптимальные параметры диаметра прутка и шага спирали по двумерным поверхностям отклика производительности смесителя-конвейера.
Ключевые слова: смеситель-конвейер, винтовой шнек, спираль, рабочий орган, смесь, мощность, конструктивные параметры, подача, концентрированный корм.
В перспективе около 54% производимого в стране фуражного зерна будет перерабатываться комбикормовой промышленностью, а оставшаяся часть - использоваться для производства комбикормов непосредственно в хозяйствах или на межхозяйственных предприятиях [1-3]. В связи с этим потребность в смесителях кормов, способных приготавливать качественные смеси, неизбежно растет [3, 4].
В существующих кормоприготовительных установках и агрегатах смесители являются отдельными устройствами, осуществляющими смешивание компонентов, а расположенные после них конвейеры перемещают приготовленную смесь к последующей машине. Использование смесителей-конвейеров позволит совместить операции по смешиванию и транспортировке компонентов и смеси, что позволит уменьшить стоимость агрегата за счет устранения освободившегося привода и снизить энергоемкость выполнения указанных операций [6].
Увеличение сферы животноводства требует повышенного внимания к полноценному, сбалансированному кормлению животных. Корм должен готовиться строго по рецепту и быть питательным, полезным, вкусным, хорошо усваиваться и не содержать примесей и веществ, вредных для здоровья животных [1-3]. Получение однородной смеси в результате процесса перемешивания различных компонентов широко используется для приготовления сыпучих кормов. Применяемые конструкции смесителей сыпучих кормов не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к качеству приготавливаемых смесей, в связи с многообразием факторов, влияющих на смешивание сыпучих компонентов.
В ФГБОУ ВПО «Пензенской ГСХА» разработан смеситель-конвейер сухих концентрированных кормов непрерывного действия (рис. 1).
Рис. 1. Винтовой смеситель-конвейер концентрированных кормов:
а) общий вид; б) схема: загрузочная воронка; 2 - кожух; 3 - вал; 4 - прутковая спираль; 5 - радиальная поддерживающая лопасть; 6 - выгрузной лоток; 7 - электродвигатель
1
5
1
Смеситель представляет собой спирально-винтовой шнек (конвейер), состоящий из кожуха 2, загрузочной воронки 1, выгрузного лотка 6, электродвигателя 7, прутковой спирали 4 рабочего органа. Внутри кожуха на подшипниках установлен рабочий орган, представляющий собой вал 3 с крепящейся к нему на радиальных поддерживающих лопастях 5 винтовой спиралью 4 из металлического прутка. Диаметр прутка спирали соответствует 5,0; 6,5 и 8,0 мм при шаге спирали 50, 120 и 175 мм. Диаметр кожуха 100 мм. Частота вращения рабочего органа изменяется от 190 до 440 мин-1. Длина кожуха лабораторного смесителя-конвейера составляет 2,3 метра [5, 6].
Компоненты смеси поступают в загрузочную воронку 1 смесителя-конвейера непрерывного действия. Поступающий материал (компоненты смеси) захватывается прутковой спиралью 4 однозаходного шнека и разгоняется в направлении выгрузного лотка 6. В процессе транспортировки материала перемешиваются компоненты смеси за счет воздействия на них прутковой спирали 4. При поступлении смеси в зону выгрузного лотка 6 осуществляется ее самопроизвольная выгрузка под действием гравитации.
Основными параметрами нормированной подачи корма являются [7]:
- объемная подача Q0 = Б0 • $ср (1)
- массовая подача Qм = Б0 • $ср • р, (2) где 8о - площадь сечения определяющего отверстия, м2; иср - средняя скорость движения потока корма, м/с; р - плотность корма, кг/м .
Теоретический объем материала на длине 1-го шага шнека определяется: V = = ^(Б2-а2)• б, (3)
где О - наружный диаметр шнека, м; й - диаметр вала шнека, м; б - шаг шнека, м.
Подача шнековых дозирующе-выгрузных устройств определится [7.. .12]: Q = 7 (Б2 -О2) • Б • ш • р • • кф • к^ • , (4)
4
где ю - угловая скорость, с-1; кк - безразмерный коэффициент, определяющий зависимость подачи корма от высоты корма в бункере; к„ - безразмерный коэффициент, определяющий зависимость подачи корма от влажности корма Ж; кр - коэффициент, учитывающий угол наклона шнековой лопасти; кф -коэффициент, учитывающий угол раствора выгрузного окна [7].
На основе указанной формулы получили подачу спирально-винтового конвейера, кг/с:
Q = (Б12-(Б±-, (5)
где п - частота вращения винта спирали, с-1; 01=0,92-в - наружный диаметр винта шнека, м; й - диаметр прутка шнека, м; кр - безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий зависимость подачи корма от существующих условий.
В результате проведения эксперимента получены опытные данные подачи, а после обработки результатов установлено уравнение регрессии максимальной подачи спирально-винтового смесителя-конвейера при свободном заполнении межвиткового пространства пшенично-ячменной дертью (/=710 кг/ м ) из накопительного бункера [6]:
£ = А0+А1-йл+А2-^л+А3-пл+А11-йл2+А22^л2+А33-пл2+
+А12^8^+А13^п^+А238^п^, (6)
где ^ - диаметр прутка спирали, мм; - шаг витка спирали, мм; П - частота вращения винта спирали, мин-1; А0, А1, А2, А3, Ап, А22, А33, А12, А13, А23 -коэффициенты уравнения регрессии.
Условия принудительной загрузки (подача различными метателями с начальной скоростью материала) не рассматривались. Количество повторностей замеров на выходе из двухметрового конвейера - 3 [13]. Время забора порции -20±0,1 с. Погрешность замеров ±5г. После подстановки числовых значений коэффициентов уравнение регрессии запишется:
д=-1,81089+0,598123 ^-0,00245^+0,0004018 п-0,052540,00002э"2+ +0,000000504п '2+0,001107^э+0,000219-йТ- п+0,00000851^пЛ (7)
Коэффициент корреляции R=0,96118844. Результаты расчета подачи по уравнению регрессии и их соответствие опытным значениям представлены на рис. 2.
Predicted vs. Observed Values Dependent variable: Q
1,8
1,6
1,4 » 1,2
Ф
I 1,0
-o
| 0,8
ф <л
S 0,6
0,4 0,2
0,0
Рис. 2. Результаты соответствия опытных и расчетных значений
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Predicted Values
1,2
1,4
1,6
Regression 95% confid.
С ростом частоты вращения увеличивается подача устройства. Для диаметра прутка спирали 8 мм наибольшая производительность соответствует шагу 150...175 мм. С ростом частоты вращения экстремум подачи смещается к большему шагу спирали.
Из двумерного сечения поверхности отклика подачи при шаге спирали 120 мм (рис. 3,б) видно, что наибольшая производительность конвейера соответствует диаметру прутка спирали 7.8 мм. По мере увеличения частоты вращения наблюдается дрейф оптимума подачи в сторону увеличения диаметра прутка. С ростом частоты вращения производительность увеличивается.
а) б)
Рис. 3. Двумерные поверхности отклика производительности: а) шага спирали 8 (мм) и частоты вращения п (мин-1) при диаметре прутка спирали d=8 мм; б) диаметра прутка
спирали d (мм) и частоты вращения п (мин-1) при шаге спирали 8=120 (мм)
Тем самым, с ростом диаметра прутка и шага витков увеличивается подача смесителя-конвейера.
Были определены значения поправочного коэффициента кр, а в результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии указанного коэффициента (рис.4):
кр=-8,03227+4,056996-^-0,064983^^+0,013842-П-0,261394-^2+0, 000163Б'2--0,000018-п'2-0,000047-с1'э'-0,000206-с1'-п'-0,0000021э'-п' (8)
Коэффициент корреляции Я=0,97839. Ф-тест - 0,916179.
150-
50"
200
кр
7"
6~
" 3 - -- ___ г / \
4
--Ч
_______—3.5" —______ 7"
4-—__ _--Г
____4 4-
4
6" 3.5—-- --3.5-
5
—-5.5~ --- 11 -з—
300
400
кр
а)
б)
) \ 4
6.5 // / I /'
/ / 6 / / / 5 5/ / / / ; 4.5 4 3-5
У 4.5 А / у/ 5
Рис. 4. Двумерные поверхности отклика коэффициента к„:
а) частоты вращения п (мин ) и шага спирали 8 (мм) при d=6,5 мм;
б) частоты вращения п (мин-1) и диаметра прутка d (мм) при 8=120 мм;
в) шага спирали 8 (мм) и диаметра прутка d
(мм) при п=340 мин-1.
50 кр
100
150
в)
Наибольшие значения поправочного коэффициента кр соответствуют частоте вращения винта около 350 мин , диаметру прутка около 8 мм и шагу винта около 50 мм. Уменьшение шага винта способствует сводообразованию материала внутри винта, что увеличивает величину поправочного коэффициента. Увеличение диаметра прутка увеличивает поперечную площадь винта, что способствует лучшему проталкиванию материала вдоль смесителя-конвейера. Наличие экстремума значений поправочного коэффициента при частоте вращения около 350 мин-1 обуславливается, видимо, сочетанием сил тяжести материала и центробежных сил, что обеспечивает лучший контакт материала и поверхности винта, способствуя улучшению транспортировки материала.
Таким образом, имеется возможность определения подачи спирально-винтового смесителя-конвейера на основе формулы 5 с учетом поправочного коэффициента kp (формула 8). Расхождение опытных значений и результатов расчета не превышает 15%. Коэффициент корреляции R=0,97839. Результаты Ф-теста - 0,916179.
Литература:
1. Концепция развития механизации и автоматизации процессов в животноводстве на период до 2015 года. Подольск: ГНУ ВНИИМЖ, 2003. 102 с.
2. Основные направления развития кормопроизводства РФ на период до 2010 года. М., 2001.
3. Коновалов В.В. Механизация технологических процессов животноводства. Пенза, 2006.
4. Коновалов В.В. Обоснование технических средств приготовления и выдачи кормов в свиноводстве Пенза, 2005. 314 с.
5. Спирально-винтовой смеситель-конвейер / А.С. Фомин [и др]. // Сельский механизатор. 2012. №7. С. 7.
6. Фомин А.С., Коновалов В.В. Определение подачи спирально-винтового шнека // Сб. материалов науч.-практ. конф. Т. II / Пензенская ГСХА. Пенза, 2011. С. 128-130.
7. Крючкова Л.Г. Совершенствование процесса работы дозирующе-выгрузных устройств шнекового типа бункерного раздатчика-смесителя: автореф. дис. канд. техн. наук. Благовещенск, 2007. 19 с.
8. Коновалов В.В. Расчет оборудования и технологических линий приготовления кормов. Пенза, 2002. 206 с.
9. Артемьев В.Г., Исаев Ю.М. Элементы теории спирально-винтовых пружинных транспортеров. Ульяновск, 2006. 108 с.
10. Критическая частота вращения спирального винта при перемещении частицы материала / Ю.М. Исаев [и др.] // Вестник Ульяновской ГСХА. 2012. №1. С.132-135.
11. Определение поправочных коэффициентов подачи вертикального шнека / И.А. Боровиков [и др.] // Вестник Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова. 2007. №3. С. 43-44.
12. Определение подачи цилиндрического шнекового пресса / В.В. Новиков [и др.] // Нива Поволжья. 2010. №2. С. 51-56.
13. Основы научных исследований / В.В. Лянденбурский [и др.]. Пенза: ПГУАС, 2011. 248 с.
Коновалов Владимир Викторович, доктор технических наук, профессор Чупшев Алексей Владимирович, кандидат технических наук Терюшков Вячеслав Петрович, кандидат технических наук, доцент Фомин Артем Сергеевич, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»
Тел. 8(412) 628-272
E-mail: konovalov-penza@rambler.ru
The results of studies of the working process of mixing the dry ingredients screw conveyor continuous mixer. We obtain expressions for the optimal parameters bar diameter and pitch of the helix on two-dimensional surfaces response performance mixer conveyor.
Keywords: mixer, conveyor, screw auger, spiral, work organ, mix, power, design parameters, feed, concentratedfeed.
