CC BY
16
УДК 628-111.1
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕШАЛКИ СМЕСИТЕЛЯ
НА КАЧЕСТВО СМЕСИ
1 1 М. В. Фомина , аспирант, А. В. Чупшев , канд. техн. наук, доцент;
В. П. Терюшков1 канд. техн. наук, доцент; В. В. Коновалов2 доктор техн. наук, профессор
1ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ, (8412) 628-542, chupshev.a.v@pgau.ru; 2ФГБОУ ВО ПензГТУ, (8412) 690-320, konovalov-penza@rambler.ru
Приготовление качественных смесей необходимо для получения высоких показателей продукции животноводства при кормлении скота молочного направления. Представлено описание конструкции лопастного смесителя кормов и принцип его работы. Графические результаты экспериментальных исследований по влиянию длины лопаток и частоты вращения мешалки на качество приготавливаемой смеси отражают сущность исследований конструктивных и режимных параметров мешалки смесителя. Установлены показательные функции качества смеси и эмпирических коэффициентов, учитывающих длину лопаток и частоту вращения мешалки. Увеличение длины лопаток и частоты вращения повышает качество смеси. Рекомендуемая длина лопаток вне лопастей составляет 60 мм. С ростом частоты вращения и длины лопаток числовые величины эмпирического коэффициента, учитывающего влияние длины лопаток, снижаются, постепенно замедляясь. Даны соответствующие выводы по применению исследуемых конструктивных и режимных параметров при работе лопастного смесителя.
Ключевые слова: смеситель, качество смеси, эмпирический коэффициент, интенсивность смешивания, количество лопастей мешалки, частота вращения мешалки.
Введение
Развитие животноводства требует улучшения кормовой базы, в том числе используя качество приготавливаемой смеси [1]. Одним из важнейших условий повышения продуктивности скота молочного направления является организация полноценного кормления. Отечественными и зарубежными учеными доказано, что уровень молочной продуктивности, состав и свойство молока, а также пригодность его для переработки на молочные продукты определяется количеством, качеством и соотношением отельных кормов в рационе животного. При интенсификации молочного животноводства и переводе его на промышленную основу при кормлении дойного стада перспективно использование кормо-смесей [2, 3]. Равномерность распределения компонентов смеси определяется работой смесителей [2, 3]. Согласно зоотехническим требованиям, для сухих смесей равномерность (однородность) распределения компонентов должна быть не менее 90 % [4]. Использование смесителей с активным рабочим органом позволяет снизить затраты на приготовление полнорационных смесей, риск получения некачественного продукта, увеличить производительность устройства. Поэтому на рынке по производству смесителей значительную долю занимают смесители периодического принципа действия.
Методы и материалы
Одним из эффективных типов существующих смесителей, качественно перемешивающих ингредиенты смесей, являются лопастные смесители периодического действия [2, 3, 5]. Разработанный лопастной смеситель изображен на рисунке 1 [6]. Он выполнен в виде вертикальной емкости 2 диаметром D, внутри корой на днище и крышке в подшипниковых опорах 6 установлен вращающийся вертикальный вал 1. У нижней опоры внутри емкости на валу крепится лопастная мешалка 6. Лопасти 5 расположены радиально под углом а относительно горизонтальной плоскости. На концах лопастей 5 крепятся накладки - лопатки 3. При вращении мешалки компоненты вовлекаются как в окружное горизонтальное движение, так и циркулируют в вертикально - радиальной плоскости: лопастями 5 мешалки откидываются от вала к стенкам емкости 2, далее лопатками 3 поднимаются вверх и скатываются вниз по образуемой воронке материала к нижней части вращающегося вала 1.
Методика исследований соответствовала требованиям: РД 10.19.2.-90, НТП-АПК 1.10.16.002.-03 [4, 8]. Качество смешивания кормов определяли по распределению контролируемого или контрольного компонента в 20 пробах, отобранных из всего объема смесительной емкости лабораторной установки соответствующим про-
Нива Поволжья № 4 (49) ноябрь 2018 175
боотборником. Масса пробы составляла 100 гр. При определении качества смеси контрольным компонентом были зерна ячменя с долей 1 % от массы смеси. Длительность перемешивания была 120 с. В качестве наполнителя применялась смесь пшеничной и ячменной дерти плотностью вороха 647 кг/м3.
Рис. 1 Схема смесителя: 1 - вал;
2 - емкость смесителя; 3 - лопатки;
4 - лопасть; 5 - мешалка;
6 - подшипниковая опора
В силу статистического непостоянства показателя неравномерности смеси коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах для одной и той же смеси может существенно изменяться при повторных замерах [7, 9, 10]. В качестве показателя качества смеси использовалась неравномерности смеси V, как коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах [7, 11]. Обработка данных осуществлялась программой Statistica.
Результаты
В работе нами были опубликованы результаты проведенных исследований, описанные полиноминальной функцией второго порядка [12]. При этом частота враще-
ния
мешалки соответствовала
-1
п =
500...1000 мин-', а длина лопаток, крепящихся на лопасти, была длиной L = 0.75 мм. Часть длины лопаток накладывалась на лопасть шириной и = D/60 = 15 мм. Поэтому увеличение площади контакта лопа-стно-лопаткового рабочего органа мешалки с материалом было пропорционально не полной длине L, а только дополнительной длине лопатки L - и, мм).
Уравнение регрессии неравномерности смеси V (рис. 2), % [13, 14]:
V = 153,9891 - 1,8906 L, - 0,18455 п + 0,003108 ОО2 + 5,34 Е-05 п2 + 0,001933^-п. (1)
Коэффициент корреляции расчетных и опытных значений соответствует R = 0,9203119.
Повышение частоты вращения мешалки и увеличение длины лопаток улучшает качество смеси. На рассматриваемом интервале лучшее качество смеси наблюдается при частоте вращения порядка 400 мин-1 при наибольшей длине лопаток L, ^ около 75 мм). Согласно графику полиноминальной модели, при такой частоте вращения незначительно (в пределах погрешности) снижается качество смеси.
80"
у* 1 \ \4
"ЗО-—___ г //"40--,. 35 \
ч 60 55 \\ 35
^5Ч8075 70 6560 55 50 45 40 35 30 |
л\\\\\\\\ \ 1
400
600
800
1000
Рис. 2 Двумерное сечение поверхности отклика неравномерности смеси V (%) в зависимости от частоты вращения п (мин1) и длины лопаток L' (мм)
Ряд авторов рекомендует использовать для описания качества смеси (равномерность смеси Vp, 0,01 %) не полиноминальную, а показательную функцию [16]:
V» = 1 -е-к(т.
(2)
где к - эмпирический коэффициент интенсивности смешения (рис. 3); Т - длительность перемешивания компонентов смеси
[16], с.
При этом показатель равномерность смеси [4] (как «относительная равномерность»
[17], 0,01 %) можно записать через коэффициент вариации V (0,01 %) содержания контрольного компонента в пробах [7]:
Vp=1-v. (3)
Коэффициент вариации (неравномерность смешивания) VnL (рис. 4. а), 0,01 %:
а б
Рис. 3. Двумерное сечение влияния частоты вращения мешалки п (мин ) и длины лопаток L' (м) на функцию степени: а - двумерное сечение поверхности отклика;
б - поверхность отклика
, п:. шения функции степени для переменных
м;;[.кг| 1 ') ) частоты вращения и угла установки лопа-
■ е , стей с обоснованными параметрами в
(4) функции степени показательной функции рассчитано выражение эмпирического коэффициента, учитывающего влияние длины лопаток и частоты вращения:
где L, - длина лопаток вне лопастей, м; п -частота вращения мешалки, мин-1.
При этом коэффициент корреляции составил R = 0,96709.
Равномерность смешения Урпь 0,01 % (рис. 4. б):
|[1 ) 261775.(5люта1V]
(5)
В работах [6, 10, 18] были обоснованы параметры мешалки смесителя: п = 340
4^ = 1-0,01 ^
мин- и L, = 0,06 м. На основании соотно-
1542453
к ~ Кп " 0 -—а-
(6)
Проведены исследования усовершенствованной мешалки, при этом изменялись частота вращения мешалки п (мин-1) и количество лопастей Z (шт.) за 120 с. смешения.
006
0.04"
0.02"
Л \ 0.2 Л \ \ 0.1 Х
0.2 , \ 0 1-,
ко.50 1\\ \ \ 4 0.3 \ \ 0.2
500
1000
1500
0.06"
0.04"
0.02-
11 о-
Л \ 0.8 Л \ \ 0.9
|К \ 0.8 , \ 0.9^.
г\ 1\\\ \ \ 6 0.7 \ \ о.в
500
пЬ
УРпЪ
1000
1500
а б
Рис. 4. Влияние частоты вращения мешалки п (мин ) и длины лопаток L' (м) на: а - неравномерность смеси упЬ 0,01 %; б - равномерность смеси VpnL, 0,01 %
Нива Поволжья № 4 (49) ноябрь 2018 177
Рис. 5. Влияние частоты вращения мешалки п (мин1) и длины лопаток L' (м) на эмпирический коэффициент, учитывающий длину лопастей Кп_
В результате статистической обработки данных получили с корреляцией R = 0,86974369 уравнение регрессии второго порядка неравномерности смеси (рис. 6), %:
V = 19,85675+3,14050* - 0,00952 п -0,07988*2+0,00003 п2 - 0,00629*п. (7)
где V - коэффициент вариации содержания контрольного компонента в двадцати пробах массой по 100 г., %; Z - количество лопастей мешалки, шт.; п - частота вращения мешалки, мин-1.
Двумерное сечение поверхности отклика представлено на рисунке 6. Наиболее значимо влияет на величину неравномерности смеси частота вращения рабочего органа. С ростом частоты вращения качество смеси улучшается. При частотах от 300 до 450 мин-1 количество лопастей практически не оказывает влияния на качество смеси. Если частота вращения менее указанного интервала, то с увеличением числа лопастей качество смеси ухудшается. Это происходит из-за того, что при большом количестве лопастей слои материала перемещаются без их активного перемешивания из-за малой величины центробежных сил.
С увеличением частоты вращения центробежные силы возрастают, и под ло-
пасть засыпается материал из центральной части смесительной емкости. А материал, поднятый лопастью, вынужден не ссыпаться вдоль стенки емкости, а скатываться к валу, обеспечивая усиление циркуляции внутри емкости. Поэтому при больших частотах количество лопастей улучшает качество смеси.
300
400
500
Рис. 6. Двумерное сечение поверхности отклика коэффициента вариации V (%) в зависимости от частоты вращения п (мин1) и количества лопастей Z (шт.)
Заключение
Таким образом, увеличение длины лопаток и частоты вращения мешалки повышает качество смеси. С ростом длины лопатки улучшение качества смеси уменьшается. Рекомендуемая длина лопаток вне лопастей составляет 60 мм. С ростом частоты вращения и длины лопаток числовые величины эмпирического коэффициента, учитывающего влияние длины лопаток, снижаются, постепенно замедляясь.
С ростом частоты вращения усиливается циркуляция материала и, тем самым, улучшается качество смеси. До 300 мин-1 не целесообразно увеличивать количество лопастей более четырех штук, так как качество смеси от этого только ухудшается. При частотах 300.450 мин-1 количество лопастей не оказывает влияния на качество смеси. С ростом частоты выше 450 мин-1 увеличение числа лопастей повышает качество смеси.
Литература
1. Механизация и технология производства продукции животноводства / В. Г. Коба, и др. -Москва: Колос, 2000. - 526 с.
2. Сыроватка, В. И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах / В. И. Сыроватка // Техника и оборудование для села. - 2011. - № 6. - С. 22-25.
3. Завражнов, А. И. Механизация приготовления и хранения кормов / А. И. Завражнов, Д. И. Николаев. - Москва: Агропромиздат, 1990. - 336 с.
4. НТП АПК 1.10.16.001-02 Нормы технологического проектирования кормоцехов для животноводческих ферм и комплексов: Введ. 29.04.2002. - Москва, 2002. - 115 с.
5. Коновалов, В. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя сухих кормов с плоскими лопастями / В. В. Коновалов, В. Ф. Дмитриев, М. В. Коновалова // Научное обозрение. - 2011. - № 1. - С. 24-28.
6. Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей / В. В. Коновалов и др. // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - № 1. - С. 135.
7. Обоснование длины лопаток лопастного смесителя. / М. В. Фомина, и д. р. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2016. - № 5 (33). - С.47-52.
8. СТО АИСТ 19.2-2008 Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей: Введ. 10.12.2010 г. -Минск: Минсельзозпрод, 2010. - 48 с.
9. Стукалкин, Ф. Г. Исследование кормосмесителей непрерывного действия и методика их расчета: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ф. Г. Стукалкин. - Ленинград, 1965. - 21 с.
10. . Optimisation of process parameters in high energy mixing as a method of cohesive powder flow ability improvement/ K. Les, K. Kowalski, I. Opalinski, // Chemical and Process Engineering - In-zynieria Chemiczna i Procesowa. - 2015. - № 36(4). - С. 449 - 460.
11. Аналитическое обоснование длительности цикла работы смесителя периодического действия / В. В. Коновалов и д. р. // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 3. - С. 10-15.
12. Effect of stirring rate on microstructure and properties of microporous mullite ceramics / W. Li, et al // Journal of Materials Processing Technology. - 2018. - № 261. - С. 159-163.
13. Сравнительные исследования смесителя с круглыми и плоскими лопастями / С. С. Петрова, и д. р. // Известия самарской государственной сельскохозяйственной академии. -2011. - № 3. - С. 121-124.
14. Моделирование подачи материала при разгрузке вертикального смесителя / В. В. Коновалов и д. р. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. - 2014. - № 6 (22). - С. 67-74.
15. Оптимизация параметров барабанного смесителя / В. В. Коновалов, и д. р. // Нива Поволжья. - 2013. - № 4 (29). - С. 41-47.
16. Discrete element model of particle transport and premixing action in modified screw conveyors / M. Pezo, et al //Powder Technology. - 2018. - № 366. - С. 255-264.
17. Коновалов, В. В. Результаты теоретических исследований процесса перемешивания в смесителе периодического действия / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев // Нива Поволжья. - 2012. -№ 2 (23). - С. 51-55.
18. Коновалов, В. В. Моделирование изменения качества смеси лопастного смесителя на основе технологических параметров. / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, М. В. Фомина // Инновационная техника и технология. - 2016. - № 3 (08). - С. 56-66.
UDK 628-111.1
THE INFLUENCE OF CONSTRUCTIVE AND REGIME PARAMETERS OF THE STIRRER OF THE MIXER AT THE QUALITY OF THE MIXTURE
M. V. Fomina1, post graduate student, A. V. Chupshev1, candidate of technical sciences, associate professor; V. P. Terushkov1, candidate of technical sciences, associate professor; V. V. Konovalov2, doctor of technical sciences, professor
1FSBEE HE Penza SAU, Russia, t. (8412) 628-542, chupshev.a.v@pgau.ru;
2FSBEE HE Penza STU, Russia, t. (8412) 690-320, konovalov-penza@rambler.ru
Preparation of high-quality mixtures is necessary to obtain high rates of livestock products when feeding dairy cattle. The article deals with the description of a design of the blade forage mixer and the principle of its operation. Graphic results of experimental tests to study the influence of the blade length and the speed of the mixer on the quality of the prepared mixture show the essence of the research of the design and operating parameters of the mixer. The exponential functions of the mixture quality and the empirical coefficients taking into account the length of the stirrer and the speed of the stirrer are established by the authors. Increasing the length of the blades and the speed increases the quality of the mixture. The recommended length of the blades outside the vanes is 60 mm. With the increase in the speed and length of the blades, the numerical values of the empirical coefficient, taking into account the influence of the length of the blades, are reduced, gradually slowing down. The corresponding conclusions on the use of the studied design and operating parameters in the operation of the blade mixer are given.
Key words: mixer, mixture quality, empirical coefficient, mixing intensity, the number of blades in the mixer, frequency of mixer rotation.
Нива Поволжья № 4 (49) ноябрь 2018 179
References:
1. Mechanization and technology of livestock production / V. G. Koba, et al. - Moscow: Kolos, 2000. - 526 p.
2. Syrovatka, V. I Resource saving in the production of combined fodders in farms / V. I. Syrovatka / / Machinery and equipment for the village. - 2011. - № 6. - P. 22-25.
3. Zavrazhnov, A. I. Mechanization of preparation and storage of feed / A. I. Zavrazhnov, D. I. Nikolayev. - Moscow: Agropromizdat, 1990. - 336 p.
4. NTP AIK 1.10.16.001-02 Norms of technological design of feed plants for livestock farms and complexes: Introd. 29.04.2002. - Moscow, 2002. - 115 p.
5. Konovalov, V. V. Reasoning constructive-regime parameters of the mixer of dry fodder with flat blades / V. V. Konovalov, V. F. Dmitriyev, M. V. Konovalova // Scientific review. - 2011. - № 1. -P. 24-28.
6. Analytical determination of parameters of blade mixers for turbulent mixing of dry mixtures / V. Konovalov et al. // Vestnik of the Ulyanovsk state agricultural academy. - 2012. - № 1. - 135 p.
7. Reasoning the length of the blades in paddle mixer. / M. V. Fomina et al. / / XXI century: results of the past and problems of the present plus. - 2016. - № 5 (33). - P. 47-52.
8. STO AIST 19.2-2008 Agricultural machinery and equipment. Machines and equipment for feed preparation. The procedure for determining the functional indicators: Introduction. 10.12.2010. -Minsk: Ministry of agriculture 2010,. - 48 p.
9. Stukalkin, F. G. Study of feed mixers of continuous operation and the method of their calculation: author. dis.... cand. of tech. sciences / F. G. Stukalkin. - Leningrad, 1965. - 21 p.
10. Optimization of mixing process parameters in high energy as a method of integral powder flow, possibility of improvement / K. Les, K. KoBa^bCKM, M. Opalinski, // Chemical and technological design. - Inzynieria Chemiczna a Procesowa. - 2015. - № 36(4). - P. 449-460.
11. Analytical reasoning of the cycle duration of the operation of the periodic mixer / V. V. Konovalov et al. // Proceedings of the Samara state agricultural academy. - 2015. - № 3. - P. 10-15.
12. Effect of stirring rate on microstructure and properties of microporous mullite ceramics / W. Li, et al // Journal of Materials Processing Technology. - 2018. - № 261. - P. 159-163.
13. Comparative studies of the mixer with round and flat blades / S. S. Petrova et al. // Proceedings of the Samara state agricultural academy. - 2011. - № 3. - P. 121-124.
14. Modeling of material supply during unloading vertical mixer / V. V. Konovalov et al. / / XXI century: results of the past and problems of the present plus. - 2014. - № 6 (22). - P. 67-74.
15. Optimization of parameters of the drum mixer / V. V. Konovalov et al. // Niva Povolzhya. -2013. - № 4 (29). - P. 41-47.
16. Discrete element model of particle transport and premixing action in modified screw conveyors / M. Pezo, et al //Powder Technology. - 2018. - № 366. - C. 255-264.
17. Konovalov, V. V. Results of theoretical studies of the mixing process in the mixer of periodic operation / V. V. Konovalov, A. V. Chupshev // Niva Povolzhya. - 2012. - № 2 (23). - P. 51-55.
18. Konovalov, V. V. Modeling of changes in mixture quality in the paddle mixer, based on the process parameters. / V. V. Konovalov, A. V. Chupshev, M. V. Fomina // Innovative technology. -2016. - № 3 (08). - P. 56-66.
