Оптимизация конструктивно-технологических параметров спирального смесителя-конвейера

Полный текст

Повысить продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы можно за счет выдачи в достаточном количестве качественных комбикормов, как полнорационных для свиней и птицы, так и концентратов для КРС. С целью повышения экономической эффективности использования комбикормов и снижения их стоимости, хозяйства стремятся использовать собственный фураж и покупные БВД, обладающие в составе комбикорма 10-20% массы. К сожалению, далеко не все смесители способны приготавливать смеси надлежащего качества [1]. Существует большое разнообразие указанных устройств, но далеко не все из них способны приготавливать качественную смесь в конкретных технологических условиях и определенного рецепта [2-10]. Другим недостатком существующего процесса смешивания является потребность в последующем транспортировании приготавливаемых смесей, осуществляемая конвейерами. Устранить данные недостатки можно за счет применения смесителей-конвейеров. Цель исследования - снижение энергоемкости приготовления смеси концентрированных кормов (комбикормов-концентратов) при соблюдении зоотехнических требований на качество смеси за счет применения смесителей-конвейеров. Задачи исследований: 1) установить функциональную зависимость между конструктивными и технологическими параметрами смесителя, и показателями технологического процесса; 2) выявить оптимальные либо рациональные значения параметров смесителя, обеспечивающих надлежащее качество смеси и минимальную энергоемкость смесеобразования. Авторами был разработан смеситель-конвейер сухих концентрированных кормов непрерывного действия (рис. 1), осуществляющий как приготовление смеси в непрерывном режиме, так и одновременную транспортировку к следующим технологическим машинам (рис. 1). Материалы и методы исследований. 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 м. 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. План проведения экспериментов предусматривал варьирование тремя факторами. Уровни варьирования факторов: производительность смесителя Q=3; 4; 6 кг/с; доля контрольного компонента dk=110; 230; 350%; длина зоны смешивания Lk=0,5, 1,1 и 1,7 м. Методика опытов предусматривала подачу контрольного компонента (зерна ячменя) в наполнитель, состоящий из дерти ячменной и пшеничной в пропорции (1:1), насыпной плотностью 710 кг/м3. Количество проб для определения качества смеси - 20 шт. Масса каждой пробы - 100 г. Рис. 1. Винтовой смеситель-конвейер концентрированных кормов: а) общий вид; б) схема; 1 - загрузочная воронка; 2 - кожух; 3 - вал; 4 - прутковая спираль; 5 - радиальная поддерживающая лопасть; 6 - выгрузной лоток; 7 - электродвигатель Результаты исследований. В результате обработки результатов экспериментов получено выражение неравномерности смеси (коэффициента вариации содержания контрольного компонента в пробах), %: n = 63,2567 - 89,9991∙Q + 45,6026∙Q2 - 0,7119∙dk + 2,539/dk+0,7262/Lk. (1) Коэффициент корреляции R=0,96896. F-тест=0,9565. Наиболее интенсивно улучшается качество на первом метре длины зоны смешивания (рис. 2), а затем неравномерность смеси практически не изменяется. Наименьшая неравномерность смешивания обеспечивается при производительности около 1 кг/с (3,6 т/ч). Увеличение доли контрольного компонента улучшает качество смеси. Зоотехнические требования (менее 10%) обеспечиваются при доле контрольного компонента не менее 13%. В результате проведения эксперимента получено уравнение регрессии энергоемкости и определены коэффициент корреляции и данные F-теста. Уравнение регрессии энергоемкости (Дж/кг) запишется как Y = 236,5577 + 166,444/Lk + 177,6712∙Lk - 558,636∙Q + 3,740061× ×dk - 45,8538∙(1/Lk)2 - 40,6377∙(Lk)2 + 277,2512∙Q2 + 0,126055∙(dk)2 - 7,41507∙Q∙dk. (2) Коэффициент корреляции R=0,98993. F-тест=0,973831. а б в г Рис. 2. Двумерные поверхности отклика неравномерности смешивания (%): а, б) от производительности Q (кг/с) и доли контрольного компонента dk (%); в) от длины зоны смешивания Lk (м) и доли контрольного компонента dk (%); г) от производительности Q (т/ч) и длины зоны смешивания Lk (м) Графический анализ полученного выражения показал (рис. 3), что доля контрольного компонента практически не влияет (в пределах ошибки опыта) на значения энергоемкости. Видимо влияет изменение физико-механических свойств смеси (цельные зерна ячменя обладают большей текучестью, чем дерть). Увеличение производительности снижает энергоемкость. Минимум энергоемкости соответствует около 1 кг/с (3,5 т/ч) и соответствует 180-220 Дж/кг в зависимости от доли контрольного компонента. Учитывая, что в экспериментах изменялась не длина конвейера, а расположение выгрузного отверстия по длине кожуха конвейера, влияние длины конвейера на энергоемкость существенного влияния не имеет. Рис. 3. Двумерные поверхности отклика энергоемкости Y (Дж/кг) в зависимости от производительности устройства Q (кг/с) и доли контрольного компонента dk (%) при длине зоны смешивания L=0,55 и 1,7 м В результате проведения эксперимента рассчитаны значения корректированной энергоемкости, Дж/кг: (3) После статистической обработке полученных данных определено уравнение корректированной энергоемкости: Yk = 348,1739 + 253,0372/Lk + 263,287∙Lk - 893,059∙Q - 0,80497× ×dk - 39,0627∙(1/Lk)2 - 45,3764∙Lk2 + 340,2805∙Q2 + 0,032935∙dk2 - 4,90645∙Q∙dk. (4) Коэффициент корреляции R = 0,98150. F-тест = 0,951731. Рис. 4. Двумерные поверхности отклика корректированной энергоемкости Yk (Дж/кг) в зависимости от производительности Q (кг/с) и доли контрольного компонента dk (%) Наиболее значимо влияние производительности, снижающей скорректированную энергоемкость процесса. Увеличение длины конвейера повышает корректированную энергоемкость незначительно. Доля контрольного компонента влияет несущественно. Заключение. Таким образом, оптимальна производительность смесителя-конвейера около 1 кг/с (3,6 т/ч) при энергоемкости смесеобразования порядка 200 Дж/кг. Смеситель-конвейер обеспечивает соблюдение зоотехнических требований на качество смеси при доле контрольного компонента не менее 13%. Длина зоны смешивания смесителя-конвейера должна быть не менее 1 м, а мощность привода составлять около 200 Вт.

Об авторах

Владимир Викторович Коновалов

ФГБОУ ВПО Пензенский ГТУ

Email: konovalov-penza@rambler.ru
д-р техн. наук, проф. кафедры «Теоретическая и прикладная механика» 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30

Артем Сергеевич Фомин

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: as_fomin@bk.ru
аспирант кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Кордон Студеный, д. 25

Вячеслав Петрович Терюшков

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: tvp141@mail.ru
канд. техн. наук, доцент кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30

Алексей Владимирович Чупшев

ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА

Email: chupschevav@mail.ru
канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» 440014, Пензенская область, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30

Список литературы

Дополнительные файлы