CC BY
1УДК 636.087; 631.363.7
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВ ИЗ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ КРАХМАЛОПАТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УТОЛИН Владимир Валентинович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технические системы в АПК», 6451985@mail.ru
ХРИПИН Владимир Александрович, канд. техн. наук, соискатель кафедры «Технические системы в АПК», khripin@mail.ru
ЛУЗГИН Николай Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «Технические системы в АПК», nikolay.luzgin@mail.ru
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
Целью исследований являлась практическая проверка работоспособности экспериментального смесителя для приготовления кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства и выявление его оптимальных конструктивно-режимных параметров. Смеситель состоит из корпуса с размещенным в нем шнеком-смесителем, который имеет полый вал с последовательно расположенными шнековой навивкой и полыми лопастями. На корпусе смесителя смонтирован приемный бункер для загрузки смешиваемых материалов. В торце смесителя со стороны приемного бункера расположено устройство подачи экстракта. Оно содержит камеру экстракта с мембраной и опорой для крепления вала шнека-смесителя. В камере установлена пружина, одним концом закрепленная на корпусе установки, а другим - на опоре. В статье представлены результаты проведения трехуровневого трехфакторного эксперимента по нахождению оптимальных параметров работы смесителя. По представленным результатам экспериментальных данных многофакторного эксперимента построены поверхности отклика и линии равного уровня, характеризующие степень однородности смеси и зависимость удельного расхода энергии от амплитуды колебаний мембраны и диаметра отверстия лопастей при частоте вращения рабочего органа 100 мин-1- В результате эксперимента установлены оптимальные конструктивно-режимные параметры смесителя для приготовления кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства. Предложенная конструкция смесителя работоспособна и позволяет готовить различные смеси с высокой степенью однородности.
Ключевые слова: смеситель, побочные продукты крахмалопаточного производства, корма, многофакторный эксперимент, конструктивно-режимные параметры.
Введение вала 3 шнека-смесителя 2. Внутри камеры 8 уста-
Известны различные способы приготовления новлена пружина 11 таким образом, что один ее кормов из побочных продуктов крахмалопаточно- конец закреплен на неподвижном корпусе 1, а втого производства, заключающиеся в смешивании рой на опоре 10. Камера 8 соединена с емкостью отжатой кукурузной мезги и сгущенного экстракта 12 для временного хранения экстракта трубопро-[1-7]. водом с обратным клапаном 13. Смеситель смон-
Отжатая мезга и сгущенный экстракт являются тирован на сварной раме 14 совместно с электро-
трудносмешиваемыми продуктами, приготовить приводом 15 шнека-смесителя 2. из них смесь, отвечающую установленным зоо- Смеситель работает следующим образом. Кор-
техническим требованиям, с применением суще- пус 1 смесителя заполняется из бункера 7 и горло-
ствующих смесителей весьма затруднительно. вины 6 отжатой мезгой примерно на 50%. Отжатая
Поэтому нами был разработан смеситель для при- мезга подается к рабочему органу - шнеку-смеси-
готовления корма из побочных продуктов крахма- телю 2, который транспортирует её в зону смеши-
лопаточного производства, позволяющий готовить вания. При этом под действием осевой силы он
различные смеси с высокой степенью однородно- стремится переместиться в направлении, обрат-
сти за счет подачи экстракта непосредственно в ном перемещению отжатой мезги (т.е. в сторону
зону смешивания [8, 9]. камеры 8), преодолевая усилие пружины 11. При
Конструкция и принцип действия сжатии пружины мембрана 9 выгибается, объём
разработанного смесителя в камере 8 уменьшается, а давление в ней повы-
Смеситель имеет следующую конструкцию. В шается. Клапан 13 закрывается, а сгущенный экс-
корпусе 1 (рис. 1) установлен шнек-смеситель 2, тракт через полости вала 3 и лопастей 5 подается
который состоит из полого вала 3 с последова- в зону смешивания. При выходе конца шнековой
тельно расположенными шнековой навивкой 4 и навивки 4 из транспортируемого материала сила
полыми лопастями 5, установленными по винто- воздействия на шнек-смеситель 2 уменьшается,
вой линии. Корпус 1 смесителя имеет горловину 6 и за счет действия пружины он перемещается по
с бункером 7 для приема отжатой мезги. В торце направлению к выгрузной горловине. При этом в
корпуса, со стороны входной горловины, располо- камере 8 происходит понижение давления, клапан
жено устройство подачи экстракта. Оно содержит 13 открывается и в нее из емкости 12 поступает
камеру 8 экстракта с мембраной 9 на опоре 10 сгущенный экстракт. Далее, при вращении вала 3
© Утолин В. В., Хрипин В. А., Лузгин Н. Е., 2017г.
Технические науки
<1
конец шнековой навивки 4 входит в новую порцию транспортируемой отжатой мезги. За один оборот шнек-смеситель совершает одно колебательное
движение. Смешивание компонентов с одновременным перемещением отжатой мезги и экстракта осуществляется за счет лопастей 5.
А
1 - корпус; 2 - шнек-смеситель; 3 - полый вал; 4 - шнековая навивка; 5 - полые лопасти; 6 - горловина; 7 - приемный бункер; 8 - камера; 9 - мембрана; 10 - опора; 11 - пружина; 12 - емкость для временного хранения экстракта; 13 - обратный клапан; 14 - рама; 15 - электропривод Рис. 1 - Смеситель для приготовления кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства: А - схема; Б - общий вид
речисленных значимых факторов на критерии оптимизации, может являться полином второго порядка следующего вида
Экспериментальная часть
Целью экспериментальных исследований смесителя для приготовления кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства являлось определение оптимальных конструктивно-режимных параметров, при которых в полной мере реализуется его работоспособность.
В связи с поставленной выше целью программа исследований предусматривала проведение многофакторного эксперимента с использованием плана-матрицы Бокса-Бенкина [10-12].
Анализ априорной информации и предварительные однофакторные эксперименты по изучению процесса приготовления кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства показали, что за критерии оптимизации, влияющие на работу установки, необходимо принять степень однородности смеси и удельный расход энергии. Наиболее значимыми факторами, влияющими на критерии оптимизации, являются частота вращения шнека, амплитуда колебаний мембраны, диаметр отверстия лопасти.
Функцией, аппроксимирующей экспериментальные данные по изучению влияния выше пе-
(1)
Где у - среднее значение отклика (критерий оптимизации);
Ъ0, Ъ1, Ь-, Ъ1 - коэффициенты уравнения регрессии;
, х^ — езависимые переменные (факторы);
к — число независимых переменных.
Для реализации эксперимента был выбран трехфакторный трехуровневый план Бокса-Бенки-на. Численные значения факторов были приняты на основании ранее проведенных исследований и по конструктивно-технологическим соображениям. Уровни и интервалы варьирования наиболее значимых факторов проведения эксперимента и полученные результаты приведены в таблице.
Исследования проводили на специально разработанной и изготовленной установке, оборудо-
Б
ванной контрольно-измерительной аппаратурой, по специально разработанной методике.
Обработка полученных данных производилась согласно приведенной методике на ПЭВМ в компьютерной программе «МаШетайка». Обработка результатов экспериментальных данных програм-
Таблица - Матрица плана и уровни варьирования факторов
мой «Mathematika» осуществляется с помощью оператора Fit [data, {базисные функции}, {переменные}]. Данный оператор осуществляет приближение методом наименьших квадратов функций, заданных таблично.
Уровень и интервал варьирования Факторы Критерии
Частота вращения шнека n, мин-1 Амплитуда колебания мембраны А, мм Диаметр отверстия лопасти d, мм Степень однородности смеси q, % Удельный расход энергии N, кВт*ч/т
X1 X2 X, Y, Y2
Верхний уровень (+1) 120 60 6
Основной уровень (0) 100 55 4 - -
Нижний уровень (-1) 80 50 2 - -
Интервал варьирования 20 5 2 - -
План
1 + + 0 96 0,70
2 - - 0 91 0,57
3 + - 0 96 0,67
4 - + 0 92 0,65
5 + 0 + 94 0,76
6 - 0 - 85 0,68
7 + 0 - 87 0,71
8 - 0 + 84 0,72
9 0 + + 86 0,61
10 0 - - 89 0,62
11 0 + - 86 0,63
12 0 - + 91 0,60
13 0 0 0 95 0,58
14 0 0 0 96 0,58
15 0 0 0 94 0,58
Результаты исследований
По результатам проведенного многофакторного эксперимента и обработанным экспериментальным данным на ПЭВМ получены следующие математические модели:
- для определения степени однородности смеси:
П = -9 + 0,50625 п - 0,0021875 п2 + 1,925 А --0,0025 пА - 0,015 А2 + 11,5 d + 0,05 nd - 0,05 Ad
- 1,65625 d2 (2)
- для определения удельного расхода энергии: N = -0,19375 - 0,0345 п + 0,0002125 п2 +0,09275А-
- 0,000125 пА - 0,00007 А2 - 0,108125 d + 0,0000625 nd + +3,40931 х 10 -16 Ad +0,013125 d2
(3)
Полученные математические модели позволяют определить степень однородности смеси и удельный расход энергии смесителя в пределах выбранных интервалов варьирования уровней факторов эксперимента. Построены также поверхности отклика и линии равного уровня, характеризующие степень однородности смеси и удельный расход энергии смесителя при различных вариа-
циях взаимодействия наиболее значимых факторов, две из которых (вариации) представлены на рис. 2.
Анализ графических зависимостей показал, что при частоте вращения рабочего органа смесителя 100 мин-1 наибольшая степень однородности приготавливаемой смеси - 92-94% - достигается при диаметре отверстия 3,5-4,8мм и амплитуде колебания мембраны от 48 до 58 мм. При этом минимальный удельный расход энергии обеспечивается при амплитуде от 54 до 60 мм.
Исходя из результатов проведенных лабораторных исследований процесса смешивания следует, что полученная степень однородности смеси соответствует предъявляемым требованиям. Поэтому в дальнейшем оптимизацию факторов - частоты вращения рабочего органа, амплитуды его колебаний и диаметра отверстия смешивающих лопастей, проводили относительно удельного расхода энергии, затрачиваемой на процесс смешивания.
Определение численных значений факторов, при которых реализовано условие минимального удельного расхода энергии, проводили путём
Технические науки
43
шаговой обработки данных с учетом принятых ограничений. В результате анализа полученных графических зависимостей были установлены диапазоны изменения оптимальных факторов и шаг их изменения: частота вращения рабочего органа 95-105 мин-1, шаг 5 мин-1; амплитуда колебаний 5054 мм, шаг 2 мм; диаметр отверстия смешивающих лопастей 2-6 мм, шаг 1 мм.
■ Ы-
VS1
. я
«IT
■.и
А
в ю.»
в <ш
п
; I
■
ш
Рис. 2 - Поверхности отклика, характеризующие степень однородности смеси %) и удельный расход энергии (^ кВт*ч/т) как функции амплитуды колебаний мембраны и диаметра отверстия лопастей при частоте вращения рабочего органа 100 мин-1
В результате шаговой обработки были выявлены следующие числовые значения оптимальных факторов: при частоте вращения рабочего органа в диапазоне от 95 до 105 мин-1 амплитуда его колебаний 50 мм, диаметр отверстия лопастей 4мм.
Выводы
Из анализа полученных оптимальных значений факторов установлено, что минимальный расход энергии смесителем наблюдается при амплитуде колебаний рабочего органа 50мм и диаметре отверстий смешивающих лопастей 4мм. При этом с увеличением частоты оборотов рабочего органа
удельные затраты энергии возрастают с 0,54 до
0.56 кВт*ч/т.
Для конкретных условий производства приготовления кормов из побочных продуктов крах-малопаточного производства рациональным решением в нашем случае являются следующие численные значения факторов: частота вращения шнека-смесителя 105 мин-1, амплитуда его колебаний 50 мм, диаметр отверстия лопастей 4мм.
Список литературы
1. Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмало-паточного производства: пат. 2336722 Рос. Федерация. №2007115311/13 / Подобуев Г.А., Утолин В.В., Коньков М.А. : заявл. 23.04.2007; опубл. 27.10.2008, Бюл. №30. 5 с.
2. Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства: пат. 2396838 Рос. Федерация. №2010107648/13 / Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счаст-ливова Н.В. : заявл. 02.03.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл № 18. 6 с.
3. Способ приготовления корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства / В.М. Ульянов, В.В. Утолин, М.А. Коньков, Н.В. Счастли-вова // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - №
1. - С. 8-9.
4. Комбикормовый агрегат: пат. 2454273 Рос. Федерация. №2010116889/05 / Счастливова Н.В., Полункин А.А., Ульянов В.М., Утолин В.В., Коньков М.А. : заявл. 28.04.2010; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31. 4 с.
5. Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства: пат. 2422039 Рос. Федерация. №2010107648/13 / Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счастливова Н.В. : заявл. 02.03.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18. 7 с.
6. Способ выделения белковой массы из кукурузного экстракта / В.В. Утолин, М.А.Коньков, Н.В. Счастливова, А.А. Полункин // Актуальные проблемы и их инновационные решения в АПК : Сборник научных трудов. - Рязань, 2011. - С. 19-21.
7. Комбикормовый агрегат: пат. 2492776 Рос. Федерация. №2012114947/13 / Ульянов В.М., Утолин В.В., Гришков Е.Е. : заявл. 16.04.2012; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 26. 7 с.
8. Агрегат для приготовления кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства / Утолин В.В. // Инновационные направления и методы реализации научных исследований в АПК. Сборник научных работ студентов Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. - Рязань, 2012. - С. 115-118.
9. Утолин, В.В. Агрегат для приготовления кормов из вторичных продуктов крахмалопаточного производства / В.В. Утолин, А.А. Полункин // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы : сб. науч. тр. по мат. международ. практ. конф. - Саранск, 2012. - С. 249- 251.
10. Хрипин, В.А. Математическая обработка факторного эксперимента вида 33 в компьютерной программе «Mathematica» // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства: сб. науч. трудов ГНУ ВНИМС Россель-
хозакадемии. - Рязань, 2013. - С. 46-51. 12. Ахназарова, С.Л., Кафаров, В.В. Методы
11. Мельников, С. В. Планирование экспери- оптимизации эксперимента в химической техноло-
мента в исследованиях сельскохозяйственных гии: Учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов.
процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. - М. : Высш. шк., 1985. - 327 с. Рощин. - Л.: Колос, 1980. - 168 с.
OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF THE MIXER FOR PREPARATION OF FEED FROM BY-PRODUCTS OF STARCH PRODUCTION
Utolin Vladimir V., candidate. tech. Sciences, associate Professor of "Technical systems in agribusiness", 6451985@mail.ru
Khripin Vladimir A., Cand. tech. science, applicant of the Department "Technical systems in agribusiness", khripin@mail.ru
Luzgin Nikolai E., Cand. tech. Sciences, associate Professor of "Technical systems in agribusiness", nikolay.luzgin@mail.ru
Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev
The purpose of this study was the practical implementation of health pilot mixer for preparation of feed from by-products starch and syrup production and identify optimal design and operating parameters. The mixer consists of a housing with placed in it a screw-mixer, which has a hollow shaft with sequentially arranged on a screw-wound and hollow blades. On the body of the mixer is mounted a hopper for loading mixed materials. At the end of the mixer from the hopper there is a feeder of the extract. It contains the camera of the extract with a membrane and a support for holding the shaft of the screw mixer. The camera is mounted a spring, one end fixed to the unit casing and the other on the support. The article presents the results of the multivariate three-level three-factor experiment to find the optimal settings of the mixer. The results of the experimental data multi-factor experiment the constructed response surface and the lines of equal level, which characterizes the degree of homogeneity and specific energy consumption of the oscillation amplitude of the membrane and the hole diameter of the blades at frequency of rotation of the working body of 100 min-1. In the experiment established optimal design and operating parameters of the mixer for preparation of feed from by-products of starch production. The proposed design of the mixer is efficient and can cook a variety of mixtures with a high degree of uniformity.
Key words: mixer, by-products of starch production, feed, multiple-factor experiment, experimental research, constructive-regime parameters.
Literatura
1. Sposob prigotovleniya syrogo korma iz pobochnykh produktov krakhmalo-patochnogo proizvodstva: pat. 2336722Ros. Federatsiya. №2007115311/13/PodobuyevG.A.. Utolin V.V.. KonkovM.A.:zayavl. 23.04.2007; opubl. 27.10.2008. Byul. №30. 5 s.
2. Sposob prigotovleniya syrogo korma iz pobochnykh produktov krakhmalopatochnogo proizvodstva: pat. 2396838 Ros. Federatsiya. №2010107648/13 /Utolin V.V.. Konkov M.A.. Polunkin A.A.. Schastlivova N.V. : zayavl. 02.03.2010; opubl. 27.06.2011. Byul № 18. 6 s.
3. Sposob prigotovleniya korma iz pobochnykh produktov krakhmalopatochnogo proizvodstva / V.M. Ulianov. V.V. Utolin. M.A. Konkov. N.V. Schastlivova //Tekhnika v selskom khozyaystve. - 2011. - № 1. - S. 8-9.
4. Kombikormovyy agregat: pat. 2454273 Ros. Federatsiya. №2010116889/05/Schastlivova N.V.. Polunkin A.A.. Ulianov V.M.. Utolin V. V.. Konkov M.A. : zayavl. 28.04.2010; opubl. 10.11.2011. Byul. № 31. 4 s.
5. Sposob prigotovleniya syrogo korma iz pobochnykh produktov krakhmalopatochnogo proizvodstva: pat. 2422039 Ros. Federatsiya. №2010107648/13 /Utolin V.V.. Konkov M.A.. Polunkin A.A.. Schastlivova N.V. : zayavl. 02.03.2010; opubl. 27.06.2011. Byul. № 18. 7 s.
6. Sposob vydeleniya belkovoy massy iz kukuruznogo ekstrakta / V.V. Utolin. M.A.Konkov. N.V. Schastlivova. A.A. Polunkin // Aktualnyye problemy i ikh innovatsionnyye resheniya v APK: Sbornik nauchnykh trudov. -Ryazan. 2011. - S. 19-21.
7. Kombikormovyy agregat: pat. 2492776 Ros. Federatsiya. №2012114947/13/Ulianov V.M.. Utolin V.V.. Grishkov E.E. : zayavl. 16.04.2012; opubl. 20.09.2013. Byul. № 26. 7 s.
8. Agregat dlya prigotovleniya kormov iz pobochnykh produktov krakhmalopatochnogo proizvodstva / Utolin V.V. // Innovatsionnyye napravleniya i metody realizatsii nauchnykh issledovaniy v APK. Sbornik nauchnykh rabot studentov Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta imeni P.A. Kostycheva. - Ryazan. 2012. S. 115-118.
9. Utolin. V.V. Agregat dlya prigotovleniya kormov iz vtorichnykh produktov krakhmalopatochnogo proizvodstva/V.V. Utolin. A.A. Polunkin//Energoeffektivnyye iresursosberegayushchiye tekhnologiiisistemy. Sb. nauch. tr. po mat. mezhdunarod. prakt. konf. - Saransk. 2012. - S. 249- 251.
10. Khripin. V.A. Matematicheskaya obrabotka faktornogo eksperimenta vida 33 vkompyuternoyprogramme «Mathematica» // Problemy mekhanizatsii agrokhimicheskogo obsluzhivaniya selskogo khozyaystva: sb. nauch. trudov GNU VNIMS Rosselkhozakademii. - Ryazan. 2013. s. 46-51. - 405 s.
11. Melnikov. S.V.. Aleshkin. V.R.. Roshchin. P.M. Planirovaniye eksperimenta v issledovaniyakh selskokhozyaystvennykh protsessov. - L.: Kolos. 1980. - 168 s.
12. Akhnazarova. S.L.. Kafarov. V.V. Metody optimizatsiieksperimenta vkhimicheskoy tekhnologii: Ucheb. posobiye dlya khim.-tekhnol. spets. vuzov. - M.: Vyssh. shk.. 1985. - 327 s.
