CC BY
29
12. ГОСТ 20915-75. Сельскохозяйственная техника. Методы определения условий испытания. Введен 19.06.1975. - М.: Изд-во стандартов, 1975. - 42 с.
13. Физико-механические свойства растений, почвы и удобрений. Методы исследований, приборы, характеристика. - М.: Колос, 1970. - 423 с.
14. Завалишин, Ф. С. Методы исследования по механизации сельскохозяйственного производства / Ф. С. Завалишин, М. Г. Мацнев. - М.: Колос, 1982. - 231 с.
15. Доспехов, В. А. Методика полевого опыта (с обоснованием статистической обработки результатов исследований) / В. А. Доспехов. - М.: Колос, 1979. - 416 с.
УДК 631.363.7
ОБОСНОВАНИЕ УГЛА УСТАНОВКИ ЕМКОСТИ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СУХИХ СМЕСЕЙ БАРАБАННЫМ СМЕСИТЕЛЕМ
В. В. Коновалов, доктор техн. наук, профессор; Н. В. Димитриев, аспирант; С. А. Кшникаткин, доктор с.-х. наук, профессор; А. В. Чупшев, канд. техн. наук, ст. преподаватель
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», г. Пенза, Россия, е-таП: [email protected]
Рассматриваются актуальные вопросы приготовления сухих кормов в зависимости от физико-механических свойств, технологических и кинематических факторов процесса перемешивания. Приведены данные лабораторных исследований процесса перемешивания сухих концентрированных кормов в смесителе периодического действия барабанного типа. Исследования проведены в соответствии с типовой методикой СТО АИСТ 10 19.2-2008 (Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Методы испытаний). На основании полученных данных представлен графический анализ влияния объема смесительной емкости и длительности перемешивания на качество смеси при различном угле наклона барабана. Выполнено сравнение двух серий опытов по определению рациональных параметров работы смесителя. Представлены соответствующие выводы согласно поставленной цели данной статьи.
Ключевые слова: концентрированный корм, барабанный смеситель, качество смеси, неравномерность смеси, коэффициент вариации, длительность перемешивания.
Неудовлетворительная техническая оснащенность структуры кормопроизводства, недостаточная надежность и необоснованные конструктивные параметры устройств для приготовления сухих смесей являются одной из основных причин плохого качества производимых комбикормов [1-3]. В связи с этим целью нашей работы было обоснование рациональных конструктивных параметров смесителя сухих кормов барабанного типа. В соответствии с целью поставлены задачи исследований: провести сравнительное изучение барабанных смесителей General 63, Кратон 120, Кратон 180 в процессе приготовленияи комбинированных кормов; обосновать конструктивные и технологические параметры барабанного смесителя сухих кормов, определив их рациональные значения.
При производстве комбикормов недостаточно ввести в их состав ингредиенты в требуемых количествах. Необходимо, что-
бы все они были равномерно распределены во всем объеме комбикорма, т. е. последний должен быть однородным по составу [3-6].
Процесс смешивания можно характеризовать как пространственное распределение двух и более компонентов с целью получения однородной по составу, физико-механическим и другим свойствам среды, называемой смесью. Этот процесс носит случайный характер [7].
Для каждого вида кормовой смеси целесообразно использовать определенный тип смесителя, который работает наиболее эффективно. Кроме того, эффективность смешивания зависит от физико-механических свойств компонентов смеси, а также от технологических и кинематических факторов: соотношения компонентов, степени загрузки смесителя, угла наклона оси вращения емкости, скорости перемещения рабочих органов (лопастей), конструктив-
ных особенностей формы лопастей, их количества, угла установки и площади. В соответствии с этими особенностями процесса смешивания изготавливают различные типы смесителей [3, 5, 8, 9-14].
Смесительное оборудование по механизму перемешивания частиц можно условно разделить на три группы: смесители циркуляционного действия; смесители объемного действия и смесители диффузионного действия. Что касается смесителей с диффузионным механизмом смешивания материалов, то они применимы преимущественно для приготовления смесей частиц, которые характеризуются относительно однородными значениями квазидиффузионных скоростей. Вследствие этого такого рода смесители в общем случае являются малопригодными для смешивания материалов с высокой склонностью к сегрегации. Аппараты объемного действия обеспечивают явно выраженный стохастический характер движения частиц. В этом оборудовании принципиально возможно приготовить смесь хорошего качества даже из материалов с высокой склонностью к сегрегации [8, 9].
Считается, что барабанные смесители обеспечивают приготовление качественной смеси с низкой энергоемкостью [8, 9]. В настоящее время барабанные смесители объемом до 300 л широко распространены в торговых сетях, при этом достаточно дешевы, однако предназначены для приготовления цементно-песчаных смесей.
С целью проверки применимости выпускаемых промышленностью барабанных смесителей для приготовления комбикормов в условиях животноводческих хозяйств были проведены лабораторные исследования.
Для проверки возможности применения устройства для приготовления концентрированных кормовых смесей и определения путей совершенствования его рабочих органов использовали смеситель периодического действия барабанного типа (рис. 1), который состоит из рабочей емкости 4, опорной рамы (в составе опор 2, 9 и перекладины 1) и привода 6. Снаружи рабочей емкости 4 закреплен зубчатый венец, на который передается вращающий момент от привода 6, состоящего из электродвигателя, ременной передачи и зубчатой шестерни. Штурвал 5 регулирует угол наклона оси вращения рабочей емкости (барабана) относительно горизонтали. Колеса 8 служат для перемещения смесителя к месту его использования.
Работа смесителя осуществляется следующим образом. Смеситель штурвалом 5
устанавливается на определенный угол наклона оси вращения барабана. После этого во вращающийся барабан смесителя засыпаются компоненты смеси. По истечении времени перемешивания ось вращения барабана направляется отверстием вниз до высыпания готовой смеси.
Рис. 1. Схема барабанного смесителя периодического действия: 1 - перекладина; 2, 9 - опоры; 3 - зубчатый венец; 4 - барабан; 5 - штурвал; 6 - привод;
7 - блок управления; 8 - колесо
Для исследования процесса перемешивания производили сравнительные исследования на трех смесителях барабанного типа различной емкости. При разработке методики проведения исследований учитывались рекомендации литературных источников [14-17]. В процессе опытов изменялись длительность смешивания и угол наклона оси вращения барабана от горизонтали. Частота вращения барабана и форма лопастей соответствовали технической характеристике смесителя (табл. 1).
Таблица 1 Техническая характеристика барабанных смесителей
Показатель Смеситель
Кратон 180 Кратон 120 Оепега! 63
Объем,л 180 120 63
Частота вращения барабана, мин-1 29 28 26
Мощность электродвигателя, Вт 650 440 220
Методика проведения экспериментов соответствовала СТО АИСТ 10 19.2-2008. В процессе исследований смесителя устанавливали необходимый (различный) угол наклона смесительной емкости и засыпали компоненты смеси, последним - контрольный ком-
Нива Поволжья № 1 (26) 2013 47
понент. В качестве ингредиентов смеси использовались дерти пшеничная и ячменная (1:1), контрольный компонент - зерно ячменя в количестве 1 % от массы приготавливаемой смеси [11]. Для взвешивания компонентов смеси использовали весы РН-10Ц13У. Время смешивания фиксировалось секундомером марки АГАТ. Во время ссыпания готовой смеси из смесителя равномерно из выгружаемого объема смеси отбирались пробы в количестве 20 штук. Масса пробы составляла 100±4 г. Пробы рассеивали, отбирая зерна ячменя и взвешивая их массу на весах ВТ-600. На основании полученных результатов определяли коэффициент вариации V (неравномерность содержания контрольного компонента во взятых пробах, %). Методика обработки полученных результатов соответствует рекомендациям [15-17]. Компьютерная обработка данных и построение графиков осуществлялись на ПЭВМ с применением программы 31а11Б11оа 6.0.
Результаты опытов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты лабораторных опытов
Коэффициент вариации v % при угле наклона 15 град
и ¿ии чии OUU °uu IUUU 25
100 300 500 700 900 —20
- 15
Т.с
а
Коэффициент вариации v. % при угле наклона 3G град
200
180 160 140 120 100 80 60
—100
40
200 400 600 800 1000 7о
300 500 700 900 — оо
- 50
т, с б
Коэффициент вариации v, % при угле наклона 45 град. 200
180
160
140
120
100
80
60
40
200 400 600 800 1000 iü
300 500 700 900 120
—110
т, с в
Рис. 2. Влияние емкости барабана V, л, и длительности перемешивания Т, с, на коэффициент вариации v, %, при угле наклона смесительной емкости: а - 15 град.; б - 30 град.; в - 45 град.
Сравнивая значения коэффициентов вариации (неравномерность смеси), можно утверждать, что лучшее качество приготовленной смеси наблюдается при угле наклона барабана около 15 град. от горизонтали. Однако при этом достаточно низки значения коэффициента заполнения емкости (0,28...0,48). Причем с уменьшением объема емкости возрастает степень заполнения емкости кормосмесью из-за увеличения сводообразования материала в ем-
Объем смесителя V, л Длительность перемешивания Т, с Угол наклона барабана а, град. Степень заполнения емкости ф, % и с § о м ID , о > Неравномерность смеси V, %
180 180 15 0,28 49,5 25,7
180 240 15 0,28 49,5 24,5
180 300 15 0,28 49,5 25,1
180 600 15 0,28 49,5 36,7
180 900 15 0,28 49,5 21,0
120 300 15 0,33 39,1 33,6
120 600 15 0,33 39,1 28,9
120 900 15 0,33 39,1 31,7
63 300 15 0,48 30,1 33,5
63 600 15 0,48 30,1 41,5
63 900 15 0,48 30,1 28,7
180 300 30 0,56 101,5 55,6
180 600 30 0,56 101,5 57,3
180 900 30 0,56 101,5 63,3
120 300 30 0,62 74,7 56,0
120 600 30 0,62 74,7 61,5
120 900 30 0,62 74,7 62,5
63 300 30 0,79 49,9 61,2
63 600 30 0,79 49,9 89,5
63 900 30 0,79 49,9 62,8
180 300 45 0,79 142,6 141,9
180 600 45 0,79 142,6 134,3
180 900 45 0,79 142,6 115,4
120 300 45 0,81 97,6 134,8
120 600 45 0,81 97,6 119,3
120 900 45 0,81 97,6 122,9
63 300 45 0,87 54,9 125,9
63 600 45 0,87 54,9 111,4
63 900 45 0,87 54,9 111,7
кости смесителя, что предотвращает ссы-пание корма в процессе вращения барабана. В результате объем смеси Ус в барабане при объеме емкости барабана V составляет: 30 л смеси при объеме барабана смесителя 63 л; 40 л - при 120 л; 50 л -при 180 л.
Графический анализ влияния объема смесителя и длительности перемешивания на качество смеси при различном наклоне барабана (рис. 2) показывает, что лучшее смешивание наблюдается при длительности перемешивания 200...400 с независимо от угла наклона оси вращения барабана.
Учитывая улучшение качественных показателей смеси при 15 град. наклона барабана от горизонтали (рис. 2) и потребность производства в увеличении производительности смесителя, дополнительно исследовали протекание кинетики смешивания на смесителе объемом 180 л, для чего провели дополнительную серию опытов, увеличив количество уровней варьирования времени смешивания при уменьшении шага варьирования (рис. 3).
Сравнивая результаты обеих серий опытов (рис. 2, 3) видим, что по истечении 180 - 400 с конвективное и диффузионное смешивания заканчиваются, что соответствует положениям кинетики смешивания [14]. Дальнейшее смешивание улучшает качество смеси только при наклоне барабана 45 град. ввиду незавершенности диффузионного смешивания. При продолжении смешивания наблюдается процесс сегрегации (расслоения) смеси [14] с характерными нестабильными и волнообразными колебаниями качества смеси, что и видно на
рис. 3. При наступлении этапа сегрегации процесс смешивания должен быть остановлен.
После 200 с перемешивания наблюдаются колебания (рис. 2, 3) качества смеси как при объеме емкости 63 л, так и 180 л. Лишь при объеме барабана 120 л существует относительная стабильность качества смеси. При этом независимо от объема барабана смесителя при доле контролируемого компонента около 1 % не обеспечиваются зоотехнические требования (\<10 %) к качеству (равномерности) смеси [3, 14].
Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать ряд выводов:
- угол установки оси вращения барабана от горизонтали 15 град. следует считать рациональным при приготовлении сухих смесей комбинированных кормов;
- достаточное время смешивания сухих кормосмесей в барабанных смесителях составляет 4 мин (180.300 с);
- качественные показатели смеси при разных объемах смесительных емкостей практически не изменяются, поэтому полученные данные могут использоваться независимо от емкости барабанного смесителя;
- использование барабанных смесителей (по типу бетономешалок) для приготовления комбикормов на основе покупных премиксов (при их доле в приготавливаемой смеси около 1.2 %) нецелесообразно по причине несоблюдения зоотехнических требований к качеству получаемой смеси (20.30 % > узоо=10 %). Приготовление комбикормов на основе БВД (их доля в смеси около 10 %) возможно, но требует дополнительной проверки;
Рис. 3. Влияние длительности перемешивания компонентов смеси при объеме емкости V=180 л и угле наклона оси вращения емкости от горизонтали а=15 град. на неравномерность смеси (коэффициент вариации) V, %
Нива Поволжья № 1 (26) 2013 49
- дальнейшие исследования по совершенствованию барабанных смесителей следует направить на изменение конструкции лопастей и угла их установки.
Литература
1. Александров, С. Н. Технология производства кормов / С. Н. Александров. -М.: ООО «Издательство ACT»; Донецк: Сталкер, 2003. - 235 с.
2. Коновалов, В. В. Устройство и технологический расчет оборудования для кормления свиней. В. В. Коновалов. - Пенза: ПГСХА, 1998. - 176 с.
3. Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства. Часть 4. Механизация животноводства / В. В. Коновалов, С. И. Щербаков, В. П. Терюшков, В. Ф. Дмитриев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - 136 с.
4. Егоров, Г. А. Технология переработки зерна / Г. А. Егоров. - 2-е изд. - М.: Колос, 1977. - 376 с.
5. Лабораторный практикум по механизации и технологии животноводства / Б. И. Вагин, А. И. Чугунов, Ю. А. Мирзоянц. - Вел. Луки, 2003. - 560 с.
6. Иванец, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств / В. Н. Иванец, И. А. Бакин, С. А. Ратников. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2004. - 180 с.
7. Жигжитов, А. В. Механизация процессов консервирования и приготовления кормов / А. В. Жигжитов. - Улан-Удэ: Издательство ФГОУ ВПО БГСХА им. В. Р. Филиппова, 2008. - 110 с.
8. Долгунин, В. Н. Процессы и оборудование для переработки зернистых материалов в управляемых сегрегированных потоках: монография / В. Н. Долгунин, О. О. Иванов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. - 120 с.
9. Кипарисов, С. С. Оборудование предприятий порошковой металлургии / С. С. Кипарисов, О. В. Падалко. - М.: Металлургия, 1988. - 448 с.
10. Коновалов, В. В. Влияние технологических параметров на показатели работы смесителя микродобавок / В. В. Коновалов,
A. В. Чупшев // Нива Поволжья. - 2009. -№ 2(11). - С. 76-81.
11. Обоснование параметров конического смесителя / В. П. Терюшков, В. В. Коновалов, И. А. Боровиков, В. Ф. Дмитриев // Вестник СГАУ им. Н. И. Вавилова. - 2006. -№ 6. - С.48-50.
12. Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей /
B. В. Коновалов, А. В. Чупшев, В. П. Терю-шков, Г. В. Шабурова // Вестник Ульяновской ГСХА. - 2012. - № 1 (17). - С.135-139.
13. Петрова, С. С. К вопросу определения качества смеси у барабанного смесителя / С. С. Петрова, С. А. Кшникаткин, Н. В. Димитриев // Известия Самарской ГСХА. - 2012. - № 3 - С. 67-72.
14. Коновалов, В. В. Обоснование технических средств приготовления и выдачи кормов в свиноводстве: монография / В. В. Коновалов. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. -314 с.
15. Гумаров, Г. С. Основы научного исследования и обработки опытных данных на компьютере / Г. С. Гумаров, В. В. Коновалов. - Уральск: Типография ТОО «Поли-графсервис», 2008. - 242 с.
16. Лянденбурский, В. В. Основы научных исследований / В. В. Лянденбурский, В. В. Коновалов, А. В. Баженов. - Пенза: ПГУАС, 2011. - 248 с.
17. Коновалов, В. В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ / В. В. Коновалов. -Пенза: ПГСХА, 2003 - 176 с.
