CC BY
6
УДК 631.363.7 DOI 10.51794/27132064-2022-3-42
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СМЕСИТЕЛЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЕГО РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор Н.В. Турубанов, кандидат технических наук, доцент ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого E-mail: [email protected]
Аннотация. Для получения качественной животноводческой продукции необходимо использовать сбалансированные по пищевой ценности комбикорма. Горизонтальные смесители позволяют получать корма с высокой однородностью распределения компонентов, поэтому им необходимо отдавать предпочтение при приготовлении кормов непосредственно в хозяйствах. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния изменения параметров горизонтального смесителя с комбинированным рабочим органом на показатели его работы, позволяющие получить приближенные математические модели рабочего процесса. Полученные математические модели позволяют построить двумерные сечения поверхностей отклика, наглядно представляющие зависимость показателей работы смесителя от величины изменения факторов. Проведенные исследования позволяют повысить однородность комбикормов, получаемых в горизонтальных смесителях с ленточными шнеками, снизить энергозатраты приготовления смесей и увеличить их пропускную способность. По результатам экспериментальных исследований величина коэффициента однородности готового продукта достигает наибольшего значения 94,2% при загрузке камеры смешивания 50%, частоте вращения вала комбинированного шнека 12,9 мин-1, времени смешивания 18 мин.; при этом удельные энергозатраты равны 4,54 кВтч/т, пропускная способность составляет 1,45 т/ч. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что для получения смеси наилучшего качества частота вращения вала комбинированного шнека должна находиться в пределах 13...15 мин-1, время смешивания компонентов комбикормов - 18 мин., загрузка камеры смешивания горизонтального смесителя с ленточным шнеком должна составлять 50.60% от максимальной. Ключевые слова: смеситель, смешивание, комбикорм, экспериментальные исследования, поверхности отклика, математические модели.
Введение. Для получения качественной животноводческой продукции необходимо использовать сбалансированные по пищевой ценности комбикорма. Комбикорм можно приготовлять непосредственно в хозяйствах или закупать на комбикормовых заводах. Преимущество приготовления кормов в хозяйстве заключается в том, что учитывается местная кормовая база, сокращаются время и расходы на транспортировку и хранение как компонентов, так и готовой продукции. Для хозяйств с небольшим потреблением комбикорма наиболее актуальным будет самостоятельное их приготовление [1]. Однородность приготавливаемого корма напрямую зависит от качества смешивания компонентов, а соответственно, от правильного выбора смесителя. Горизонтальные смесители с ленточ-
ными шнеками позволяют получать корма с высокой однородностью распределения компонентов. В таких смесителях происходит интенсивное взаимодействие компонентов и их перемешивание, не возникает зависания материала, готовая кормосмесь выгружается полностью.
Получаемые по результатам экспериментальных исследований математические модели описывают процесс работы смесителя, позволяют определить его оптимальные технологические и конструктивные параметры. По полученным моделям можно построить поверхности отклика, которые наглядно показывают зависимость величины рассматриваемых критериев оптимизации от значений исследуемых факторов [2, 3]. Таким образом, исследование процесса смешивания в гори-
зонтальных ленточных смесителях на сегодняшний день остается актуальным.
Объектом исследований является технологический процесс смешивания компонентов комбикорма.
Цель исследования: определение влияния изменения параметров работы смесителя на показатели его работы.
Материалы и методы. Сотрудниками лаборатории механизации животноводства на базе ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» изготовлен горизонтальный смеситель с ленточным шнеком и проведены его экспериментальные исследования. Новизна конструкции подтверждена патентом на изобретение РФ № 2638978 [4]. Смеситель состоит из корпуса 1, камеры смешивания 2, ленточного шнека 3, загрузочного патрубка 4, выгрузного патрубка 5, двигателя 6, редуктора 7 (рис. 1, б).
Конструкция шнека позволяет послойно перемещать материал внутри камеры смешивания. Такое движение материала позволяет повысить качество готового продукта, уменьшить время смешивания. Ленточный шнек обеспечивает полную выгрузку смеси из камеры смешивания. При проведении экспериментальных исследований за основной компонент смеси выбрали измельченную рожь. Величина среднего размера частиц составила 0,8 мм. В качестве контрольного компонента приняли горох. Количество контрольного компонента в смеси при проведении исследований равно 12,5% [5]. Частоту вращения вала смесителя изменяли с помощью преобразователя частоты Ак^аг АТУ-312 [6, 7].
Основные технологические показатели процесса смешивания определили по следующим формулам.
Мощность на валу шнека смесителя рассчитали по следующему выражению:
^ш = Мэл • 1]р • ^ред • Vц, (1)
где Ыэл - мощность, потребляемая электродвигателем, кВт; ^р - КПД ременной передачи; ^ред - КПД редуктора; 1]ц - КПД цепной передачи.
Рис. 1. Горизонтальный смеситель: а) общий вид камеры смешивания; б) конструктивно-технологическая схема: 1 - корпус; 2 - камера смешивания; 3 - ленточный шнек; 4 - загрузочный патрубок; 5 - выгрузной патрубок, 6 - двигатель; 7 - редуктор
Удельные энергозатраты определили по формуле:
Яэл =
N4
(2)
(2
где ц эл - удельные энергозатраты, кВт-ч/т; Q - пропускная способность смесителя, т/ч.
Качество смешивания компонентов комбикорма определяют по статистическим характеристикам. Основной характеристикой служит коэффициент неоднородности распределения контрольного компонента в готовом продукте:
Vc =
п-1
100%,
(3)
где - текущее значение наблюдаемой величины; х - среднеарифметическое значение наблюдаемой величины х = п - чис-
п
ло проб.
Степень однородности готовой смеси вычисляли по формуле:
V = 100 - 7С. (4)
При проведении экспериментальных исследований после завершения процесса смешивания для оценки однородности полученной смеси производили отбор проб. Пробы отбирали из камеры смешивания по схеме, представленной на рисунке 2.
I
II
III
А
В-
С
а)
В
1 2 3
\
/
б)
Рис. 2. Схема отбора проб в смесителе:
а) в горизонтальной плоскости; б) в вертикальной плоскости
В качестве пробоотборника использовали устройство, приведенное на рисунке 3. Отбор проб производили по ГОСТ Р ИСО 64972011.
2
г
1/ 1 / х/\ /
/ ' \ —■ I ■■—■■
1 ы— —
контрольный компонент с помощью набора сит и на весах определяли их массу (рис. 4б).
Рис. 3. Пробоотборник: 1 - корпус; 2 - внутренняя
труба; 3 - окно для взятия проб; 4 - метки для определения глубины погружения пробоотборника
Отобранные пробы помещали в герметично закрывающиеся пакеты (рис. 4а) с указанием области взятия пробы согласно рисунку 2. Далее пробу разделяли на основу и
Рис. 4. Общий вид: а) проб в пакетах; б) контрольного компонента на весах
Результаты исследований. Для определения влияния изменения параметров работы смесителя на показатели его работы использовали методику планирования многофакторного эксперимента. По результатам проведенных однофакторных экспериментов определены наиболее значимые факторы и интервалы их варьирования [5, 6]. В качестве факторов, влияние которых исследовалось, выбраны следующие: Х1 - частота вращения вала смесителя, мин-1; Х2 - величина загрузки камеры смешивания, %; хэ - время смешивания, мин. В качестве показателей работы смесителя выбраны: у1 - коэффициент однородности смеси V, %; у2 - удельные энергозатраты, кВт-ч/т; уз - пропускная способность,
4
3
(, т/ч. При проведении экспериментальных исследований использовали матрицу плана Бокса-Бенкина. Интервалы и уровни варьирования факторов приведены в таблице.
Обработанные на компьютере результаты экспериментальных исследований позволили получить следующие уравнения математических моделей, описывающие изменение показателей работы смесителя в зависимости от уровня варьирования факторов:
У1 = 90,92 - 0,95x2 - 0,36x3 + 0,58x^x2 -
- 0,39X1X3 - 0,62X2X3 + 1,11 Х32 (5)
У2 = 3,37 - 0,47x2 + 0,53x3 + 0,10х22 -
- 0,08 Х2Х3 (6)
У3 = 2,09 + 0,42x2 - 0,34x3 - 0,07X2X3 + + 0,06xз2 (7)
Критерий Фишера позволяет проверить значимость полученных математических моделей (5), (6) и (7). Полученное в результате вычислений значение критерия сравнивали с табличным. Если значение, полученное при расчетах, выше табличного, объясненная дисперсия имеет большее значение, чем не-объясненная, и в этом случае математическая модель является значимой [8]. Для уравнения (5) ^расч = 129,81 > Fтабл = 4,07, для уравнения (6) Fрасч = 2360,86 > Fтабл = 4,26, для уравнения (7) Fрасч = 74068,07,05 > Fтабл = 4,26; таким образом, все полученные математические модели являются значимыми.
Оценку значимости коэффициентов в уравнениях математических моделей (5), (6) и (7) проводили по ¿-критерию Стьюдента. Вычисленную величину значения критерия Стьюдента сравнивали с табличной. Если вычисленное значение критерия больше табличного, то коэффициент в уравнении математической модели является значимым [9].
Значение R-Squared показывает, как точно уравнение математической модели соответствует изменению критерия оптимизации. Согласно статистическим данным, полученная математическая модель (5) на 97,48% описывает изменение у1 в зависимости от значения входящих в уравнение факторов. Математическая модель (6) на 99,82% описывает изменение у2, модель (7) на 99,99% описывает изменение у3. Таким образом, можно сделать вывод, что все полученные уравнения регрессии достоверно описывают изменение коэффициента однородности смеси, удельных энергозатрат и пропускной способности в зависимости от варьирования факторов [10].
Численные значения в полученных уравнениях математических моделей позволили определить влияние исследуемых факторов на показатели работы смесителя. На основании величины коэффициентов, входящих в уравнения математических моделей (5), (6) и (7), можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на качество смешивания V (у\) оказывает степень заполнения бункера ^2), при этом частота вращения вала ленточного шнека ^1) не оказывает прямого влияния на изменение качества готового продукта, а только в сочетании с другими факторами.
На удельные энергозатраты # (у2) и пропускную способность ( (у3) изменение частоты вала ленточного шнека ^1) не оказывает влияния (фактор ^1) в уравнения не входит); при этом величина загрузки смесителя ^2) и время смешивания ^3) оказывают одинаковое влияние на оба критерия оптимизации. Анализ уравнений моделей (5), (6) и (7) и двумерных сечений поверхностей отклика, представленных на рисунке 5, позволяет сделать следующие выводы.
Из рисунка 5 а) видно, что при уменьшении количества материала в камере смешивания ^2) с 75% до 50% и снижении частоты вращения вала шнека смесителя Xl с 21,5 мин-1 до 12,9 мин-1 при смешивании компонентов в течение 18 минут происходит увеличение коэффициента однородности смеси V с 90,28% до 94,2 и удельных энергозатрат q с 3,44 кВт-ч/т до 4,54 кВт-ч/т.
Таблица. Интервалы и уровни варьирования _ факторов__
Частота Величина Время
Уровни варьирования вращения загрузки ка- смеши-
вала смесителя, мин-1 меры смешивания, % вания, мин.
Х1 Х2 Х3
Верхний(+1) 21,5 75 18
Средний(0) 17,2 62,5 15
Нижний (-1) 12,9 50 12
Хз=1,0
а)
^=1,0
б)
Рис. 5. Двумерные сечения поверхности отклика,
характеризующие влияние частоты вращения вала ленточного шнека смесителя (лп), величины
загрузки камеры смешивания (л2) и времени смешивания (лз) на: а) коэффициент однородности
готового продукта V (-- у1) и удельные
энергозатраты q (------------ уз); б) коэффициент
однородности готового продукта V,, (-- У1) и
пропускную способность смесителя ((----- уз)
Максимальное значение коэффициента однородности готового продукта V = 94,2% достигается при частоте вращения вала ленточного шнека Х1 = 12,9 мин-1, величине загрузки смесителя Х2 = 50% и времени смешивания хз = 18 мин., при этом величина удельных энергозатрат составляет д = 4,54 кВт-ч/т и пропускная способность равна (=1,45 т/ч.
Минимальное значение величины удельных энергозатрат q = 2,54 кВт-ч/т достигается при величине загрузки смесителя Х2 = 75%, времени смешивания хз = 12 мин., при
этом частота вращения шнека (Х1) не влияет на величину удельных энергозатрат д, величина коэффициента однородности готового продукта составляет V = 92,06%.
Анализ рисунка 5б) показывает, что при увеличении количества материала в камере смешивания (Х2) с 50% до 75% и уменьшении времени смешивания (хз) с 18 мин. до 12 мин. при частоте вращения вала ленточного шнека Х1 = 21,5 мин-1 происходит увеличение пропускной способности ( с 1,45 т/ч до 2,98 т/ч и коэффициента однородности готовой смеси V с 92,28% до 9з,02%. При максимальном значении коэффициента однородности смеси V = 94,2% пропускная способность составит (= 1,45 т/ч. Пропускная способность ( достигает максимального значения 2,98 т/ч при величине загрузки смесителя Х1 = 75 %, времени смешивания Хз = 12 мин., при этом частота вращения шнека (Х2) не влияет на величину пропускной способности, величина коэффициента однородности готового продукта V составляет 9Э,02%.
Выводы. По результатам экспериментальных исследований получены математические модели рабочего процесса горизонтального смесителя с ленточным шнеком, позволившие определить оптимальные конструктивно-технологические параметры его работы, при которых величина коэффициента однородности готового продукта достигает наибольшего значения V = 94,2% при величине загрузки смесителя 50%, частоте вращения вала ленточного шнека 12,9 мин-1, времени смешивания 18 мин., при этом величина удельных энергозатрат составляет д = 4,54 кВт-ч/т и пропускная способность равна (= 1,45 т/ч. По результатам экспериментальных исследований можно сказать, что для оптимальной работы смесителя и получения максимального значения коэффициента однородности комбикорма частота вращения вала ленточного шнека должна находиться в пределах 1Э-15 мин-1, время смешивания компонентов должно составлять 18 мин., загрузка горизонтального смесителя должна находиться в пределах 50-60% от максимальной.
Литература:
1. Theoretical studies of the interaction between screw surface and material in the mixer / Marczuk A. etc. // Materials. 2021. № 14(4). P. 962.
2. Investigation of impact of technological and structural parameters upon energy indicators of work of mixer / Savinykh P. etc. // Engineering for rural development. Jelgava, 2020. Vol. 19. P. 1338-1348.
3. Improving efficiency of horizontal ribbon mixer by optimizing its constructional and operational parametrs / Marczuk A. etc. // Eksploatacja I Niezawodnosc - Maintenance and Reliability. 2019. № 21(2). P. 220-225.
4. Пат. 2638978 RU. Смеситель / Савиных П.А. и др. Заяв. 15.02.16; Опубл. 19.12.17.
5. НТП-АПК 1.10.16.002-03. Нормы технологического проектирования сельскохозяйственных предприятий по производству комбикормов. М., 2003.
6. Maintenance research of a horizontal ribbon mixer / Marczuk A. etc. // Eksploatacja I Niezawodnosc - Maintenance and Reliability. 2017. 19(1). Р. 121-125.
7. Определение оптимальных параметров горизонтального смесителя с ленточным шнеком / Савиных П.А. и др. // Техника и технологии в животноводстве. 2021. № 3(43). С. 66-70.
8. Использование критерия Фишера для проверки значимости регрессионной модели. URL: https://www. chem-astu.ru/science/reference/fischer.html
9. Использование критерия Стьюдента для проверки значимости параметров регрессионной модели. URL: http://www.chem-astu.ru/science/reference/student.html
10. Ершов Э.Б. Распространение коэффициента детерминации на общий случай линейной регрессии, оцениваемой с помощью различных версий метода наименьших квадратов // Экономика и математические методы. 2002. Т. 38(3). С. 107-120.
Literatura:
1. Theoretical studies of the interaction between screw surface and material in the mixer / Marczuk A. etc. // Materials. 2021. № 14(4). P. 962.
2. Investigation of impact of technological and structural parameters upon energy indicators of work of mixer / Savinykh P. etc. // Engineering for rural development. Jelgava, 2020. Vol. 19. P. 1338-1348.
3. Improving efficiency of horizontal ribbon mixer by optimizing its constructional and operational parametrs / Marczuk A. etc. // Eksploatacja I Niezawodnosc - Maintenance and Reliability. 2019. № 21(2). P. 220-225.
4. Pat. 2638978 RU. Smesitel' / Savinyh P.A. i dr. Zayav. 15.02.16; Opubl. 19.12.17.
5. NTP-APK 1.10.16.002-03. Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya sel'skohozyajstvennyh predpriyatij po proizvodstvu kombikormov. M., 2003.
6. Maintenance research of a horizontal ribbon mixer / Marczuk A. etc. // Eksploatacja I Niezawodnosc - Maintenance and Reliability. 2017. 19(1). R. 121-125.
7. Opredelenie optimal'nyh parametrov gorizontal'nogo smesitelya s lentochnym shnekom / Savinyh P.A. i dr. // Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2021. № 3(43). S. 66-70.
8. Ispol'zovanie kriteriya Fishera dlya proverki znachimo-sti regressionnoj modeli. URL: https://www. chemastu.ru /science/reference/fischer.html
9. Ispol'zovanie kriteriya St'yudenta dlya proverki znachi-mosti parametrov regressionnoj modeli. URL: http:// www.chem-astu.ru/science/reference/student.html
10. Ershov E.B. Rasprostranenie koefficienta determina-cii na obshchij sluchaj linejnoj regressii, ocenivaemoj s pomoshch'yu razlichnyh versij metoda naimen'shih kvad-ratov // Ekonomika i matematicheskie metody. 2002. T. 38(3). S. 107-120.
RESEARCH OF HORIZONTAL MIXER'S DESIGN-AND-TECHNOLOGICAL PARAMETERS INFLUENCE
ON ITS WORKFLOW INDICATORS P.A. Savinykh, doctor of technical sciences, professor N.V. Turubanov, candidate of technical sciences, docent FGBNU FNAC of the North-East after N.V. Rudnitsky
Abstract. In order to obtain high-quality livestock products, it is necessary balanced in nutritional value compound feed using. Horizontal mixers allow to take feed with a high of the components' distribution uniformity, so they need to be preferred at feed preparing on farms directly. The horizontal mixer with a combined working body parameters' changes influence on its performance indicators' experimental studies results are presented, that allow of workflow's approximate mathematical models to obtain. The obtained mathematical models allow to construct the response surfaces' two-dimensional sections, that clearly represent the dependence of the mixer's performance on factors' changing magnitude. The conducted studies make it possible the compound feed uniformity obtained in ho -rizontal mixers with belt augers to increase, preparing mixtures energy consumption to reduce and their throughput to improve. According to the experimental studies results, the finished product coefficient of uniformity reaches the highest value in 94,2% at the mixing chamber in 50% is loaded, combined screw shaft rotation speed in 12,9 min-1, the mixing time in 18 min.; at the same time, the specific energy consumption is 4,54 kW*h/t, the throughput is 1,45 t/h. The conducted studies allow to conclude that in order to obtain the best quality mixture, the combined auger shaft rotation speed should be within 13 ...15 min-1, feed components mixing time is 18 min., the horizontal mixer with a belt auger's chamber of mixing loading should be 50...60% of the maximum. Keywords: mixer, mixing, compound feed, experimental studies, response surfaces, mathematical models.
