CC BY
11
Константинов Михаил Маерович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18 E-mail: miconsta@yandex.ru
Нуралин Бекет Нургалиевич, доктор технических наук, профессор Джапаров Раниль Рафхатович, кандидат технических наук Нуралин Асыланбек Жумамуратулы, инженер
НАО «<Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана» Республика Казахстан, 090009, г Уральск, ул. Жангир хана, 51 Е-mail: bnuralin @mail.ru; dhaparow @mail.ru; nuralin.76@mail.ru
Improvement of the working bodies of the ISK-3 feed-grinding mixer
Konstantinov Mikhail Maerovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Orenburg State Agrarian University 18 Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia E-mail: miconsta@yandex.ru
Nuralin Beket Nurgalievich, Doctor of Technical Sciences, Professor Dzhaparov Ranil Rafkhatovich, Candidate of Technical Sciences Nuralin Asylanbek, engineer
Zhangir Khan West Kazakhstan Agrarian-Technical University 51 Zhangir Khan St., Uralsk, 090009, Republic of Kazakhstan E-mail: bnuralin @ mail.ru; dhaparow @ mail.ru; nuralin.76@mail.ru
The best assimilation of animal feed nutrients occurs in dissolved form. The processing speed of the feed particles by gastric juice is directly proportional to their surface area. The largest surface is crushed feed, which at the same time saves energy on chewing, digesting and assimilation of feed. Based on the studies, a mixergrinder design is proposed, in which the knives are curved in the shape of a circular arc with teeth on the cutting edge, and the opposing plates have an annular shape and are located around the perimeter of the working chamber, and the cutting surface of the counter is made of a gear. The curvature of the knives provides a constant interaction of knives and counter plates with a toothed working surface, the constancy of the angle throughout the entire cutting process. Cutting the feed occurs with significant glide and less energy. The developed design of the grinder-mixer allows to reduce the energy consumption of the feed cutting process by 15...20 % while observing the zoological requirements for the cutting length. The novelty of the technical solution is protected by a patent of the Republic of Kazakhstan.
Key words: grinder-mixer, ISK-3, feed, grinding, anti-cutting plate, knife.
-Ф-
УДК 621.926.3
Совершенствование конструкции смесителя сыпучих компонентов центробежного действия
В.В. Матюшев, д-р техн. наук, профессор; А.В. Семёнов, канд. техн. наук;
И.А. Чаплыгина, канд. биол. наук; А.Н. Бочкарёв, аспирант
ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ
Целью исследования являлось повышение эффективности технологического процесса смешивания сыпучих кормов при минимальных энергозатратах. Проанализированы технические параметры и производственные показатели двух конструкций центробежных смесителей непрерывного действия. Первая конструкция представляет собой центробежный смеситель, состоящий из трёх секций смешивания, расположенных друг над другом, соединённых между собой смесепроводами. В каждой секции имеется загрузочный патрубок и вращающийся на общем приводном валу горизонтальный диск, над которым неподвижно установлен криволинейный рабочий орган с перепускными окнами и приливами, образующий рабочий канал. Компоненты, двигаясь по рабочим каналам под действием центробежных сил, взаимодействуют с приливами, изменяют своё направление движения, входя в перепускное окно, на выходе образуют однородную смесь. Вторая конструкция состоит из корпуса, в котором на приводном валу расположен вращающийся стол с рифлёной поверхностью, над которым неподвижно установлена наклонная от центра к периферии спираль в форме спирали Архимеда, с закреплёнными на рабочей стороне завихрителями потока, образующая рабочий канал. Смешиваемые компоненты через дозаторы, расположенные в верхней части смесителя, подаются в центр спирали, приводятся в круговое движение вращающимся столом с рифлёной поверхностью, а завихрители
потока способствуют турбулизации смеси и, как следствие, повышают качество смешивания. Проведённый анализ двух конструкций смесителей показал, что обе конструкции способны осуществлять смешивание кормовых компонентов различных как по гранулометрическому составу и массе, так и количественному соотношению от 1:1 до 1:25 в пределах зоотехнических норм. Вторая конструкция отличается от первой меньшей металлоёмкостью, простотой конструкции, позволяет снизить коэффициент неоднородности смеси Ус с 5 - 7 % до 3 % при энергозатратах 1,3 кВтч/т.
Ключевые слова: смеситель, стол, рифлёная поверхность, спираль, завихрители, однородность, энергоёмкость.
Для интенсификации роста, развития и получения запрограммированной продуктивности животных и птиц необходимо производить корма, максимально отвечающие физиологическим потребностям организма животных [1 - 3].
Одной из эффективных форм скармливания концентрированных кормов является комбикорм, полученный из смеси отдельных кормовых ингредиентов в соответствии с заданной рецептурой [4].
Применяемые в настоящее время смесители для смешивания сыпучих кормов имеют большую металлоёмкость и энергоёмкость [5 - 7].
Для решения данной проблемы актуальными являются исследования, направленные на разработку ресурсо- и энергосберегающих конструкций смесителей для получения качественного продукта.
Цель исследования - повышение эффективности технологического процесса смешивания сыпучих кормов при минимальных энергозатратах.
Материал и методы исследования. В качестве объектов исследования рассматриваются запатентованные конструкции смесителей сыпучих кормов центробежного действия.
За показатель оценки процесса смешивания был принят коэффициент неоднородности Ус. По данным Ю.И. Макарова, качество смешивания считается отличным, если Ус < 3 %, хорошим -Ус = 3 - 6 %, удовлетворительным - Ус = 7 - 15 %, неудовлетворительным - Ус > 15 % [8].
На рисунке 1 представлена схема центробежного смесителя непрерывного действия для приготовления смеси сыпучих материалов с возможностью добавления жидких компонентов [9].
Смеситель смонтирован на раме 2, на которой установлен цилиндрический корпус 1, закрытый крышкой 3. Для ввода подлежащих смешиванию компонентов имеются загрузочные патрубки 4, 5, 6. Разгрузка смесителя осуществляется в нижней части корпуса через выгрузной патрубок 7. Внутри корпуса на вертикальном валу 11, имеющем форму трубы, закреплённому в подшипниковых опорах 10, приводимому во вращение от электрического двигателя 18 через ремённую передачу 17, установлены три диска 12. Перемещения смеси с одного диска на другой происходит благодаря смесепроводам 8 и 9. Над дисками с зазором 2 мм неподвижно расположены рабочие органы в виде спирали Архимеда 13 с перепускными окнами 14 и приливами 15 (рис. 2).
Рабочий объём каждой из трёх секций ограничен идивидуальным кожухом цилиндрической формы 16, на внутренней поверхности которого имеются приливы 15.
Приведённый на рисунке 1 центробежный смеситель работает следующим образом.
В соответствии с рецептурой приготовляемой смеси компонент, подлежащий смачиванию, вместе с жидким ингредиентом подаётся в вертикальный загрузочный патрубок, где происходит предварительное его смачивание. Предварительно разбавленный жидкостью компонент поступает в центральную часть вращающегося диска 12. За счёт воздействия на компоненты смеси центробежных сил они двигаются по рабочему каналу от центра к периферии, взаимодействуя с приливами 15, приобретают вращательное движение (хаотичное). Часть смеси, проходя через
Рис. 1 - Центробежный смеситель:
1 - цилиндрический корпус; 2 - рама; 3 -крышка; 4, 5, 6 - загрузочный патрубок; 7 - выгрузной патрубок; 8, 9 - смесепровод; 10 - подшипниковый узел; 11 - вал; 12 -горизонтальный диск; 13 - криволинейный рабочий орган; 14 - перепускное окно; 15 -прилив; 16 - кожух; 17 - ремённая передача; 18 - электродвигатель
перепускные окна 14, поступает на следующий виток рабочего канала, что способствует дополнительному смешиванию. Достигнув окна 19 (рис. 2), смесь через смесепровод 9 поступает на следующую секцию смесителя, имеющую аналогичную первой конструкцию. Туда же через боковой загрузочный патрубок 5 поступает следующий, подлежащий смешиванию, компонент, технологический процесс повторяется. Через смесепровод 8 смесь направляется на нижнюю секцию смешивания, а через патрубок 6 поступает очередной компонент. Готовая смесь выводится из смесителя через выгрузной патрубок 7.
Исследование предлагаемой конструкции показало, что смеситель способен смешивать различные по структуре компоненты, как высоковязкие, так и высокодисперсные сыпучие материалы с качеством смешивания Ус = 5 - 10 %.
Вместе с тем сложность конструкции и частичная сегрегация смеси, вызванная неоднократным её перемещением по смесепроводам, вызвали необходимость разработки новой, модернизированной конструкции центробежного смесителя.
Конструкция смесителя сыпучих компонентов центробежного действия представлена на рисунке 3 [10].
В неподвижном корпусе цилиндрической формы 3 закрытый крышкой 4 на приводном валу 7 установлен вращающийся стол с рифлёной поверхностью 6. Над столом неподвижно установлена наклонная спираль в форме спирали Архимеда 5, на внутренней стороне которой навстречу движению компонентов смеси установлены имеющие форму элемента тора завихрители 9 (рис. 4, 5).
Рис. 2 - Схема распределения входного потока по поверхности диска относительно перепускных окон и приливов криволинейного рабочего органа приливов на внутренней поверхности кожуха: 19 - окно
Для дозирования и подачи компонентов смеси в зону смешивания над корпусом установлены дозаторы 1 с патрубками подачи компонентов 2.
Для выгрузки полученной смеси из корпуса смесителя предусмотрен патрубок 8.
Рис. 3 - Смеситель сыпучих компонентов центробежного действия:
1 - дозатор; 2 - патрубок подачи компонентов смеси; 3 - неподвижный корпус; 4 - крышка; 5 - неподвижная наклонная спираль; 6 -вращающийся стол с рифлёной поверхностью; 7 - приводной вал; 8 - выгрузной патрубок
Рис. 4 - Вид сверху смесителя сыпучих
компонентов:
9 - завихрители потока
Процесс получения смеси осуществляется следующим образом. В соответствии с заданным соотношением компонентов в смеси осуществляется их дозирование в дозаторах 1, откуда с помощью патрубков подачи компонентов 2 через отверстие в крышке 4 они поступают в корпус 3, в центр вращающегося стола с шероховатой поверхностью 6, приводимого в движение валом 7. Под действием центробежных сил частицы компонентов смеси с ускорением начинают двигаться по внутренней поверхности наклонной спирали 5, образующей рабочий канал, в результате чего происходит разделение потока. Основная часть смешиваемых компонентов, двигающихся по поверхности спирали, посту-
Рис. 5 - Вид сверху спирали с завихрителями потока
пает на внутреннюю поверхность завихрителей 9. В результате создаётся перекрёстный поток, способствующий дополнительной турбулизации смеси. Другая часть через верхнее основание спирали поступает на следующий виток рабочего канала, где происходит смешивание основного и опережающего потоков друг с другом. Полученная смесь выводится из корпуса смесителя через патрубок 8.
Результаты исследования. С целью определения влияния частоты вращения рабочего стола с рифлёной поверхностью и длины неподвижной наклонной спирали Ь на качество смеси, оцениваемое коэффициентом вариации Ус, были проведены однофакторные эксперименты. Угол наклона спирали составляет 45°.
Рабочий стол представлен в виде прямоугольных рифлей размером 8^5 мм, высотой Z, равной 1, 2 и 3 мм.
Кинетика процесса смешивания в смесителе с рабочими столами разной рифлёности Z показана на рисунке 6.
Анализ рисунка 6 показывает, что наилучший показатель коэффициента неоднородности смеси
Рис. 6 - Зависимость коэффициента
неоднородности смеси Ус от частоты вращения вращающегося стола п и рифлёности Z:
1 - гладкий стол; 2 - рифлёность стола 1 мм; 3 - рифлёность стола 2 мм; 4 - рифлёность стола 3 мм
Ус = 3 % получен с использованием вращающегося стола с рифлёностью Z = 2 мм при частоте вращения п = 400 об/мин.
Кроме того, увеличение частоты вращения стола приводит к созданию воздушного потока, способствующего разделению смешиваемых компонентов (сегрегации).
На рисунке 7 представлены зависимости коэффициента неоднородности смеси Ус от длины спирали Ь при различной рифлёности вращающегося стола с частотой вращения п = 400 об/мин.
Рис. 7 - Зависимость коэффициента неоднородности смеси Ус от длины спирали Ь
Анализируя зависимости, представленные на рисунке 7, можно сделать заключение, что увеличение длины неподвижной наклонной спирали более 6,5 м не оказывает существенного влияния на неоднородность смеси.
Усовершенствованная конструкция смесителя сыпучих компонентов центробежного действия позволяет обеспечить качество смешивания сыпучих материалов Ус = 3 % при энергоёмкости процесса, равной 1,3 кВтч/т.
Выводы. В соответствии с требованиями к качеству кормовой смеси разработана рациональная конструкция смесителя сыпучих компонентов центробежного действия. Определены оптимальные значения конструктивно-режимных параметров работы смесителя сыпучих компонентов: частота вращения рабочего стола п = 400
об/мин., рифлёность Z = 2 мм, длина наклонной спирали Ь = 6,5 м.
При данных показателях работы смесителя коэффициент неоднородности составляет Ус = 3 % и энергоёмкость процесса - 1,3 кВтч/т.
Литература
1. Справочник по кормопроизводству / М.А. Смурыгин, В.Г. Игло-виков, В.А. Тащилин [и др.] / под ред. М.А. Смурыгина. 2-е изд., перераб и доп. М.: Агропромиздат, 1985. 413 с.
2. Механизация и технология животноводства: учебник / В.В. Кирсанов, Д.И. Мурусидзе, В.Ф Некрашевич [и др.]. М.: ИНФРА-М, 2013. 585 с.
3. Комплексная механизация кормопроизводства / Г.Д. Белов, В.А. Дьяченко, И.А. Долгов [и др.] / под. ред. И.А. Долгова. М.: Агропромиздат, 1987. 351 с.
4. Демский А.Б., Веденьев В.Ф. Оборудование для производства муки, крупы и комбикормов. Справочник. М.: ДеЛи принт, 2005. 760 с.
5. Рощин П.М. Механизация в животноводстве: учебник. М.: Агропромиздат, 1988. 287 с.
6. Алешкин В.Р., Рощин П.М. Механизация животноводства: учебник / под ред. С.В. Мельникова. М.: Агропромиздат, 1985. 336 с.
7. Справочник по механизации животноводства / С.В. Мельников, В.В. Калюга, Е.Е. Хазанов [и др.] / под ред. С.В. Мельникова. Л.: Колос, 1983. 336 с.
8. Макаров Ю.И. Аппараты для смешивания сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. 215 с.
9. Пат. № 171696. Центробежный смеситель / Чаплыгина И.А., Матюшев В.В., Семёнов А.В., Шуранов В.В., Забабурин В.А. Зарег. 13.06.2017. Бюл. № 17.
10. Пат. № 189127. Смеситель сыпучих компонентов центробежного действия / Семёнов А.В., Чаплыгина И.А., Матюшев В.В., Бочкарев А.Н., Черепанов Ю.С. Зарег. 13.05.2019. Бюл. № 14.
Матюшев Василий Викторович, доктор технических наук, профессор Семёнов Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент Чаплыгина Ирина Александровна, кандидат биологических наук, доцент Бочкарев Александр Николаевич, аспирант
ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет»
Россия, 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.
E-mail: slap1c@yandex.ru; don.matyusheff2015@yandex.ru
Improvement of the design of the centrifugal mixer of bulk components
Matyushev Vasyl Viktorovich, Doctor of Technical Sciences, Professor
Semyonov Alexander Viktorovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Chaplygina Irina Alexandrovna, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor
Bockarev Alexander Nikolaevich, postgraduate
Krasnoyarsk State Agrarian University
90 World etc., Krasnoyarsk, 660049, Russia
E-mail: slap1c@yandex.ru; don.matyusheff2015@yandex.ru
The purpose of the study was to increase the efficiency of the process of mixing bulk feed with minimal energy consumption. Two designs of continuous centrifugal mixers have been developed in the engineering center of the Krasnoyarsk GAU. The first design is a centrifugal mixer consisting of three mixing sections located on top of each other, connected by mixing pipes. Each section has a loading branch pipe and a horizontal disk rotating on a common drive shaft, over which a curved working body with bypass Windows and tides is fixed, forming a working channel. Components moving through the working channels under the action of centrifugal forces interact with the tides, change their direction of movement entering the bypass window at the exit forms a homogeneous mixture. The second design consists of a housing in which a rotating table with a grooved surface is located on the drive shaft, above which a spiral inclined from the center to the periphery is fixed in the form of an «Archimedes» spiral with flow swirlers fixed on the working side, forming a working channel. The mixed components are fed through dispensers located in the upper part of the mixer to the center of the spiral, driven in a circular motion by a rotating table with a corrugated surface, and the flow swirlers contribute to turbulence of the mixture and as a result increase the quality of mixing. The analysis of the two mixer designs has shown that both designs are able to mix feed components of different granulometric composition and weight, as well as a quantitative ratio from 1:1 to 1: 25 within the limits of zootechnical norms. The second design differs from the first with a lower metal content and simplicity of construction. it allows reducing the coefficient of heterogeneity of the Vc mixture from 5 - 7 % to 3% at an energy consumption of 1.3 kWh/t.
Key words: mixer; table, corrugated surface, spiral, swirlers, homogeneity, energy intensity.
-Ф-
