CC BY
18УДК 636.085.5
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ КОРМОВ
ПОЛЯКОВА Анастасия Анатольевна, ст. преподаватель кафедры ЭиФ, Рязанский государственный агротехнологический университет П.А. Костычева, [email protected]
Животноводство - важнейшая отрасль сельского хозяйства. Именно она обеспечивает население диетическими и высокобелковыми продуктами питания, а промышленность - сырьем. Для анализа состояния и перспектив развития животноводства используется система статистических показателей, которые характеризуют материальные условия, а также характер производства: состояние кормовой базы и использование кормов.Из всего многообразия факторов, определяющих развитие животноводства, можно выделить один из важнейших - состояние и развитие кормовой базы. Кормовая база - это качество, состав, а также количество кормовых ресурсов. Основная задача кормопроизводства заключается в обеспечении сельскохозяйственных животных полноценными и сбалансированными концентрированными кормами. Именно концентрированные корма представляют собой ценную часть рациона. Использовать концентрированные корма следует в виде зерносмесей или же в виде комбикормов, именно это позволяет повысить продуктивность корма почти на 25% в сравнении со скармливанием в виде одноименной дерти.Сбалансированный рацион животных обеспечивается смешиванием концентрированных кормов, так как в процессе смешивания приготавливаются высококачественные корма со строго определенной рецептурой [14,15].В современных условиях к процессу смешивания предъявляется ряд требований. Смесители концентрированных кормов должны иметь невысокую энергоемкость, не травмировать и не измельчать зерно, иметь высокую техническую надежность и универсальность.Так как на процесс смешивания оказывает влияние целый ряд факторов, представляется весьма сложным аналитически рассчитать основные конструктивно-технологические параметры современных смесителей.Классифи-кации современных теорий, описывающих работу шнековых смесителей, посвящено проводимое нами исследование [6,7,8].
Ключевые слова: смешивание, концентрированные корма, животноводство, кормовая база.
Введение
Смешивание сыпучих компонентов - это сложный физический процесс получения однородной смеси из нескольких компонентов. Количественной характеристикой качества работы смесителя является степень однородности смеси. Процесс смешивания весьма сложный и до конца не изучен. Этому вопросу посвятили свои исследования многие ученые, такие как С.В. Мельников, В.В. Коновалов, Ю.М. Исаев, И.Г. Панин, Ю.М. Колпаков, А.В. Байдов, А.И. Завражнов, Г.М. Стукалкин, А.М. Григорьев, Г.М. Кукта, С.К. Филатов. Они разработали множество разнообразных теорий для определения степени однородности смеси при использовании различных смесителей. [6,7,8,14,15] Объект исследования Стукалкин Ф.Г. [13] предложил свою формулу зависимости степени однородности получаемой смеси от показателя кинематического режима, дисперсии и коэффициента наполнения
0 = Г(— --)
4 1 ^ д 'сГсГ
где
а
■ перегрузка (показатель кинематиче
ского режима процесса смешения);
5
а
относительная дисперсность системы;
h/d - величина, аналогичная коэффициенту наполнения.
А.И. Завражнов [1,2,3] предлагает степень однородности смеси 0, %, определять по выражению
<Тт
(2)
где ат - теоретическое среднеквадратичное отклонение;
S-опытное, среднеквадратическое отклонение:
(1)
© Полякова А.А. 2016 г.
_ гут (Х1 Р)2
=1 (т-1)
(3)
о
Вестник РГАТУ, № 3 (31), 2016
где х. - содержание контрольного компонента в .-ой пробе;
р-заданное расчетом содержание контрольного компонента.
(4)
где X - среднеарифметическое значение контрольного компонента во всех пробах; т - общее число проб.
Принципиально иным подходом отличаются работы С.К. Филатова в исследовании раздатчика-смесителя с горизонтальным шнековым рабочим органом - он предложил качество приготовляемой смеси оценивать показателем неравномерности смешивания V,
(5)
100 £[ct(t)-c(t)]2 С с(/)л/ N где с. (t) - текущая концентрация контрольного компонента в i-ой пробе, lut/m3;
c(t) - средняя концентрация контрольного компонента по зонам, lut/m3;
N - количество зон идеального смешивания и идеального вытеснения.
С.В. Мельников [11] в своих исследованиях возвращается к определению степени однородности смеси. В своем учебном пособии он излагает методику определения степени на основе анализа взятых проб и для этого применяет следующую формулу:
При Bt < в = 2 g) /п
При Bt < =
(6)
где п - число проб;
В( - доля меньшего компонента в пробе;
В0 - доля меньшего компонента в идеальной смеси.
В комбикормовой промышленности об однородности смеси судят по коэффициенту вариации. Применительно к обозначениям предыдущей формулы степень однородности 0 будет:
е _ 100 1ЖЪ-В0)2 (7)
вь Л/ П-1
Анализируя конструкции смесителей, описанные в других работах, делаем вывод, что для смешивания концентрированных сыпучих кормов целесообразнее использовать шнековый смеситель вертикального типа, который идеально подходит для малых животноводческих ферм. Именно такая конструкция смесителя обеспечит высокую однородность и минимизирует энергоемкость установки за счет большей площади смешивания [6,7,8].
В.В. Коноваловым [9,10] предложены формулы для расчетов параметров шнековых смесителей. Минимальная производительность Qm¡n, кг/с, ленточного шнека
Отт =0,25-3,14-(Я2 -с!1 у со- ,с (8)
где D - диаметр смешивающего рабочего органа, м;
d - внутренний диаметр рабочего органа, м; ы - угловая скорость рабочего органа, м/с, гс - средний радиус ленточного шнека, м; р - средняя плотность вороха компонентов смеси, кг/м3;
Ф - коэффициент заполнения ёмкости; ас - средний угол развертки винта, рад; f - коэффициент трения смеси по шнеку. Максимальная производительность Qmax, кг/с, ленточного шнека (9)
Qmœc =ЗД4.(^2 -сГ
п • S • р
где п - частота вращения шнека, с-1; S - шаг навивки, м.
Кратность циркуляции К за принятое время
смешивания
Кп = —
ч tib
(10)
где 1с - длительность смешивания компонентов смеси, 480...900 с.
11Ь - время однократного воздействия, с. Производительность Ост, кг/с, смесителя
<2ст = У -РШТ>
где V - объем бункера, м3. Мощность N , кВт, привода
0.25- t]
шах
L,
(11)
(12)
• р -v|/ ■ ■ sma.
- / • sina.
где п - КПД привода;
К - приведенный коэффициент сопротивления движению корма относительно ленты шнека;
L - длина смесителя, м
Производительность Q, кг/с, вертикального винтового транспортера Исаев Ю.М. предлагает определять по формуле [4, стр. 38]:
где S - шаг винта, м; п - рабочее число оборотов шнека, с-1; у - объемная масса материала, кг/м; Ф - коэффициент наполнения; R0 - радиус наружной кромки винта, м; г - радиус внутренней кромки винта (радиус вала), м; т = 1дф;
с - часть шага винтовой поверхности шнека, приходящаяся на один радиан поворота образующей (с =
¿л
В обзоре методов расчета винтовых конвейеров Исаев Ю.М. [4, стр. 57] предлагает определять производительность Q, т/ч, винтового конвейера по формуле:
д = 47£Л2 ■ </> -5 -п-у0- с <14)
Технические науки
где D - диаметр винта, м;
Ф - коэффициент наполнения желоба;
S - шаг винта, м;
п - число оборотов винта, об/мин;
у0- объемный вес, т/м;
с - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона оси шнека к горизонту на его производительность.
Мощность N кВт, привода спирального транспортера можно вычислить согласно выражению, изложенному в монографии Исаева Ю.М. [4, стр. 73].
ИШ-Н
N = Лз ■ Пт--+-> (15)
13 17П 36? 367
где ып-эмпирический коэффициент сопротивления перемещению (5,5-18,0);
П3 - коэффициент запаса мощности при пуске спирали под нагрузкой (1,3- 2,2);
ПТ - коэффициент полезного действия передачи от двигателя до приводного вала;
L - длина транспортирования, м;
W - производительность транспортера, т/ч;
Н - высота подъема транспортируемого материала, м.
Производительность Q, т/ч, быстроходного спирально-винтового транспортера можно вычислить по формуле, изложенной в монографии Исаева Ю.М. [4, стр. 178]:
(? = 3600
Бтр
Бта! 30 Бт((>+<х)
где D - внутренний диаметр кожуха, м;
кп - коэффициент производительности, т.е. число равное или меньшее единицы, показывающее ту часть рабочей площади поперечного сечения кожуха, в которой условно перемещается весь материал со средней осевой скоростью
а2 а
кп = Ъ2'Ъ = 0,75 ~0,9'
где Ь - наружный диаметр пружины, м; д - диаметр проволоки, м; а - угол наклона винтовой линии (а — агсЬд где Б - шаг пружины, м); п - частота вращения транспортера, мин-1; R - радиус кожуха, м; в - угловой параметр; Y - объемный вес, кг/м3.
Для гибкого шнека Преображенский П.А. [12] рекомендует определять производительность Q, т/ч по формуле:
О = Ку,Рку2Смр (17)
где К^, - коэффициент производительности V - —
5 пй
2 '
'к
Ок - внутренний диаметр кожуха, м, с1 - наружный диаметр пружины, м;
Fk - площадь поперечного сечения кожуха, м2; vZCM - средняя осевая скорость транспортируе-
3
мой массы материала, м/с;
р - плотность транспортируемого материала, т/
м3.
Для случая транспортирования порошкообразных и мелкозернистых материалов Преображенский П.А. [12] рекомендует формулу определения производительности О, т/ч, гибкого шнека:
■31пак
соб
СОЗСр
(18)
где пв - частота вращения транспортирующей спирали, мин-1;
Ь - наружный диаметр спирали, м; Dk - диаметр гибкого кожуха, м; б - диаметр проволоки, м; в - угловой параметр;
а - угол наклона винтовой линии к оси пружины (а = агад— где Б - шаг винтовой линии,
пс1ср
м, с1ср - средний диаметр спирали, м, с1пп=с1-б);
ср
ак - рабочий угол наклона винтовой линии к оси кожуха ак — агс£д
Ф - угол трения скольжения транспортируемого материала по материалу спирали.
Производительность Q, т/ч, горизонтального гибкого шнека Преображенский П.А. [12] рекомендует определять из равенства:
П„(1
"У.(16)
(2 = 150
(19)
где пв - частота вращения транспортирующей спирали, мин-1;
Ь - наружный диаметр спирали, м;
DК - диаметр гибкого кожуха, м;
б - диаметр проволоки, м;
а - угол наклона винтовой линии к оси пружины
(а = агсЬд — , где Б - шаг винтовой линии, м,
7ГЙср
Ьср - средний диаметр спирали, м, Ьср=Ь-б);
ак - рабочий угол наклона винтовой линии к оси
К0ЖУХЭ = атсгд^
ф - угол трения скольжения транспортируемого материала по материалу спирали, р - плотность транспортируемого материала, т/м3.
Для определения производительности Q, т/ч, гибкого шнека в случае сложной пространственной трассы Преображенский П.А. [12] рекомендует выражение:
(? = 35 ■ с12 ■ Б-пв-р (20)
где пв - частота вращения транспортирующей спирали, мин-1;
Ь - наружный диаметр спирали, м;
S - шаг винта, м;
р - плотность транспортируемого материала, т/м3.
Исаев М.Ю. предлагает теорию расчета спирально винтового транспортера в цилиндрической системе координат [5, стр. 63].
Дифференциальные уравнения движения частицы в проекциях на оси координат
Вестник РГАТУ, № 3 (31), 2016
(при условии N2>0):
m(r - rtp) = mgcosy - N2 + N^inO m(2r<p — rq>) = N^inacosO + faN^osa --mgsinycosA - f2N2
(21)
y/z2+r2ip2 4
mz = N^osacosO - f^sina - mgsinysinA - f2N2
■Jz2 + r2q>2
где a = const - угол наклона винтовой линии спирального винта к плоскости поперечного сечения спирального винта;
m - масса частицы, кг;
r - внутренний радиус цилиндрического кожуха, м;
N1 - нормальная реакция поверхности проволочного витка спирального винта;
f1 N1 - сила трения частицы о поверхность проволочного витка спирального винта;
N2 - нормальная реакция поверхности трубы транспортера;
f2 N2 - сила трения частицы о поверхность трубы.
Y - угол наибольшего ската плоскости касательной к образующей трубы, проходящей через движущуюся точку;
Л - угол между направлением составляющей силы тяжести по линии наибольшего ската и направлением оси.
Ф - угол затягивания частицы по поверхности трубы в направлении, перпендикулярном к оси спирального винта.
В результате решения поставленной задачи автором были получены два дифференциальных уравнения, описывающих движение частицы материала по поверхности трубы спирально-винтового транспортера, которые не решаются аналитическим путем. При этом движение частицы материала не дает объективной картины движения транспортируемой массы. Если транспортер расположен горизонтально, т.е. угол наклона образующей трубы транспортера к горизонту 5=0, то выражение принимает вид:
Ф =
f^gcoscp+ra^B^^^-Aicp^j-gsinq)
(22)
Если вертикально, т.е
flra"
ф =
В((р)^-А(<р) ]-gsincp
(23)
У(<рУ
Вывод
Проанализировав выше теоретически описываемый процесс, можно заключить, что точность определения однородности при экспериментальном исследовании в значительной мере зависит от количества взятых проб. Производительность шнекового смесителя в значительной степени определяется конструктивно-технологическими параметрами шнека, а также физическими свой-
ствами компонентов, подлежащих смешиванию, в частности: \ - коэффициентом трения смеси; у
- объемной массой материала, кг/м; ф - коэффициентом заполнения ёмкости. При расчете производительности винтовых конвейеров помимо параметров, использованных для расчета шнековых смесителей, используется дополнительный коэффициент, учитывающий влияние угла наклона оси шнека на его производительность (с).
Список литературы
1. Завражнов, А. И. Влияние конструктивных параметров мобильного смесителя - раздатчика кормов на однородность смешивания [Текст] / А. И. Завражнов, С. Ю. Астапов // Достижения науки и техники АПК. - 2007. - № 6. - С. 25-27.
2. Завражнов, А. И. Механизация приготовления и хранения кормов [Текст] / А. И.Завражнов, Д. И. Николаев. - М.: Агропромиздат, 1990.
3. Завражнов, А. И. Снижение энергоемкости процесса смешивания в шнековом смесителе-раздатчике [Текст] / А. И. Завражнов, С. Ю. Астапов // Вестник Красноярского гос. аграрного университета. - Красноярск, 2007. - № 3. - С. 205 - 209.
4. Исаев, Ю.М. Длинномерные спирально-винтовые транспортирующие устройства. Монография [Текст]. ФГОУ ВПО «УГСХА» / Ю.М. Исаев.
- Ульяновск: 2006. - 433 с.
5. Исаев, Ю.М. Технология перемещения сыпучих и жидких сельскохозяйственных материалов спирально-винтовыми рабочими органами. [Текст]: дис... д-ра. тех. наук: 05.20.01 / Исаев Ю.М.
- Ульяновск, 2006. - 386 с.
6. Каширин, Д.Е. Исследование рабочего процесса шнековых миксеров для приготовления кормовых смесей/Д.Е Каширин, А.А. Полякова, М.А. Милютин// Вестник РГАТУ. -2014.
7. Каширин, Д.Е. Проведение теоретических исследований синхронизации движения кормораздатчиков/Д.Е Каширин, А.А. Полякова//11 Международная научно-практическая конференция. - Нижний Новгород. -2015. -С.110-118.
8. Каширин, Д.Е. Обзор современных технических средств для приготовления и раздачи кормов и пути их совершенствования/Д.Е Каширин, А.А. Полякова, М.А. Милютин//Международная научно-практическая конференция молодых ученых.
- Иркутск. -2015. -С.216-221.
9. Коновалов, В.В. Определение поправочных коэффициентов подачи вертикального шнека/ В.В. Коновалов, И.А. Боровиков, С.В. Гусев // Аграрный научный журнал. - 2007. - №3. С.59-61.
10. Коновалов, В.В. Смеситель концентрированных кормов непрерывного действия/ В.В. Коновалов, А.С. Кулиганов, В.П. Терюшков, А.В. Чуп-шев //Сельский механизатор. - 2011. - №8. С.30.
11. Мельников, С.В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов/ С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. - Л: Колос,1980. -168с.
12. Преображенский, П.А. Сравнительная оценка методов расчета производительности од-носпирального гибкого шнека. [Текст] / П.А. Преображенский, А.М. Григорьев // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1970. - № 3.
13. Стукалин, Ф. Г. Исследование кормосме-
Технические науки
сителей непрерывного действия и методика их расчета [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / Ф. Г. Стукалин. - Ленинград-Пушкин, 1965. - 21с.
14. Щербаков С.И. Механизация технологических процессов животноводства/
А.А Курокин. , В.Н Стригин, С.И Щербаков, В.В
-9
Коновалов// Программа для высших сельскохозяйственных учебных заведений.-Москва.-1988
15. Щербаков С.И. Механизация электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства/ В.В Коновалов, С.И Щербаков, В.П Терюшков, В.Ф Дмитриев//Пенза. -2008. -Том 4. Механизация животноводства
A THEORETICAL STUDY OF CONSTRUCTIVE-TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE SCREW
MIXERS OF CONCENTRATED FEED
Polyakova Anastasiya A., senior lecturer, [email protected] Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev
Livestock is the most important branch of agriculture. It provides population dietary and high protein food and industry - raw materials. To analyze the state and development of livestock used a system of statistical indicators, which characterize material conditions and the nature of production: the status of fodder and use feed. Of the variety of factors determining the development of animal husbandry, one of the most important values plays development, as well as fodder. Forage base is the quality, composition and quantity of food resources and an integral system of production. The main objective of forage production is in the provision of farm animals a complete and balanced concentrated feed. It concentrated feed are a valuable part of the diet. The use of concentrated feed should be in the form of mixtures of grains or in the form of feed, it allows to increase productivity of forage by almost 25% in comparison with feeding as the eponymous dirty. For a balanced animal diet is responsible for the mixing process of concentrated feed. As the mixing process is provided by manufacturing high quality feeds with a certain recipe. In modern conditions the process of mixing a number of requirements. Mixers of concentrated feed must have high energy, not to injure or crush the grain, to have a high technical reliability and versatility. Since the mixing process is influenced by a number of factors would be very complicated to calculate analytically based constructive-technological parameters of modern faucets. Classification of modern theories describing the operation of screw mixers is dedicated to our ongoing research.
Key words: mixing, concentrated feed, livestock, forage base.
Literatura
1. Zavrazhnov, A. I. Vliyanie konstruktivnyh parametrov mobil'nogo smesitelya - razdatchika kormov na odnorodnost' smeshivaniya [Tekst] /A. I. Zavrazhnov, S. YU. Astapov // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. -2007. - № 6. - S. 25-27.
2. Zavrazhnov, A. I. Mekhanizaciya prigotovleniya i hraneniya kormov [Tekst] / A. I.Zavrazhnov, D. I. Nikolaev. - M.: Agropromizdat, 1990.
3. Zavrazhnov, A. I. Snizhenie ehnergoemkostiprocessa smeshivaniya v shnekovom smesitele-razdatchike [Tekst]/A. I. Zavrazhnov, S. YU. Astapov// Vestnik Krasnoyarskogo gos. agrarnogo universiteta. - Krasnoyarsk, 2007. - № 3. - S. 205 - 209.
4. Isaev, YU.M. Dlinnomernye spiral'no-vintovye transportiruyushchie ustrojstva. Monografiya [Tekst]. FGOU VPO «UGSKHA» / YU.M. Isaev. - Ul'yanovsk: 2006. - 433 s.
5. Isaev, YU.M. Tekhnologiya peremeshcheniya sypuchih i zhidkih sel'skohozyajstvennyh materialov spiral'no-vintovymi rabochimi organami. [Tekst]: dis... d-ra. tekh. nauk: 05.20.01 /Isaev YU.M. - Ul'yanovsk, 2006. - 386 s.
6. Kashirin, D.E. Issledovanie rabochego processa shnekovyh mikserov dlya prigotovleniya kormovyh smesej/D. E Kashirin, A.A. Polyakova, M.A. Milyutin// Vestnik RGATU. -2014.
7. Kashirin, D.E. Provedenie teoreticheskih issledovanij sinhronizacii dvizheniya kormorazdatchikov/D.E Kashirin, A.A. Polyakova//ll Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya. - Nizhnij Novgorod. -2015. -S.110-118.
8. Kashirin, D.E. Obzor sovremennyh tekhnicheskih sredstv dlya prigotovleniya i razdachi kormov i puti ih sovershenstvovaniya/D. E Kashirin, A.A. Polyakova, M.A. Milyutin//Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya molodyh uchenyh. - Irkutsk. -2015. -S.216-221.
9. Konovalov, V.V. Opredelenie popravochnyh koehfficientovpodachivertikal'nogo shneka/V.V. Konovalov, I.A. Borovikov, S.V. Gusev //Agrarnyj nauchnyj zhurnal. - 2007. - №3. S.59-61.
10. Konovalov, V.V. Smesitel' koncentrirovannyh kormov nepreryvnogo dejstviya/ V.V. Konovalov, A.S. Kuliganov, V.P. Teryushkov, A.V. CHupshev//Sel'skijmekhanizator. - 2011. - №8. S.30.
11. Mel'nikov, S.V. Planirovanie ehksperimenta v issledovaniyah sel'skohozyajstvennyh processov/ S.V. Mel'nikov, V.R. Aleshkin, P.M. Roshchin. - L: Kolos,1980. -168s.
12. Preobrazhenskij, P.A. Sravnitel'naya ocenka metodov rascheta proizvoditel'nosti odnospiral'nogo gibkogo shneka. [Tekst]/P.A. Preobrazhenskij, A.M. Grigor'ev//Himicheskoe i neftyanoe mashinostroenie. -1970. - № 3.
13. Stukalin, F. G. Issledovanie kormosmesitelej nepreryvnogo dejstviya i metodika ih rascheta [Tekst]: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.20.01 /F. G. Stukalin. - Leningrad-Pushkin, 1965. - 21s.
14. Herbakov S.I. Mekhanizaciya tekhnologicheskih processov zhivotnovodstva/
A.A Kurokin., V.N Strigin, S.I SHCHerbakov, V.V Konovalov//Programma dlya vysshih sel'skohozyajstvennyh uchebnyh zavedenij.-Moskva.-1988
15. Herbakov S.I. Mekhanizaciya ehlektrifikaciya i avtomatizaciya sel'skohozyajstvennogo proizvodstva/ V.V Konovalov, S.I SHCHerbakov, V.P Teryushkov, V.F Dmitriev//Penza. -2008. -Tom 4. Mekhanizaciya zhivotnovodstva
