CC BY
23
УДК 631.365.22 DOI 10.22314/27132064-2023-1-65
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО СМЕШИВАНИЯ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ КОРМОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ СМЕСИТЕЛЕЙ
К.В. Кулаков, кандидат технических наук
С.В. Горюнов, кандидат технических наук, доцент
А.В. Ферябков, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО Российский государственный аграрный заочный университет E-mail: [email protected]
Реферат. Рассмотрены основные направления повышения производительности смесителей и измельчителей-смесителей кормов непрерывного и периодического действия на малых и средних животноводческих предприятиях АПК. Одним из направлений повышения производительности машин для измельчения и смешивания кормов является совершенствование конструкции рабочих органов, к которому относится оптимизация углов заточки режущих кромок рабочих органов, зазоров между рабочими органами, создание конструктивной возможности изменения углов наклона витков режущих рабочих органов в зависимости от сопротивления перемешиваемого материала. Другим направлением является совершенствование привода рабочих органов - оптимизация траектории и скоростей движения рабочих органов, применение в приводах конструкций полых валов. В качестве примеров реализации данных направлений представлены разработанные нами конструкции вертикального шнекового измельчителя-смесителя кормов с применением шнекового рабочего органа в качестве активного противорежущего элемента и планетарного шнекового смесителя с полым валом в приводе рабочих органов, являющимся одновременно корпусом конического редуктора. В результате совершенствования представленных машин повышается энергетическая эффективность и производительность смешивания за счет снижения потерь энергии на перемещение рабочих органов и на сопротивление перемешиваемого материала, а также снижения металлоемкости конструкций. При применении предлагаемых рабочих органов также улучшается качество кормовой смеси за счет повышения интенсивности и равномерности перемешивания материала. Ключевые слова: смеситель, планетарный смеситель, шнековый смеситель, измельчение кормов, рабочий орган, привод, измельчитель.
Для цитирования: Кулаков К.В., Горюнов С.В., Ферябков А.В. Повышение эффективности механического смешивания при приготовлении кормов путем совершенствования конструкции смесителей // Техника и технологии в животноводстве. 2023. № 1(49). С. 65-70. EDN TLYVVP
Введение. Смесители применяются для механического смешивания компонентов при приготовлении кормов на сельскохозяйственных животноводческих предприятиях. Результатом механического смешивания должно явиться перераспределение перемешиваемого материала таким образом, чтобы его компоненты были равномерно распределены по всему объему приготовленной кормовой смеси. Актуальной проблемой является повышение производительности смесителей, особенно смесителей непрерывного действия, работающих в составе поточных технологических линий приготовления кормов [4, 9, 10]. В отличие от смесителей периодического действия, значимым фактором
производительности которых является продолжительность операций загрузки, смешивания и выгрузки, производительность смесителей непрерывного действия будет зависеть от иных факторов, связанных главным образом с их конструктивными параметрами.
Для животноводческих предприятий, использующих собственное сырье для приготовления кормовых смесей, актуальным вопросом является совмещение в одном агрегате измельчающих и смешивающих рабочих органов. Использование для этого традиционного измельчителя-смесителя кормов барабанного типа с ножевыми рабочими органами является довольно энергоемким процессом, а используемые шнековые рабочие
органы предназначены для второй ступени измельчения материала, после ножевых рабочих органов. Поэтому для малых и средних сельскохозяйственных предприятий такие измельчители невыгодно использовать из-за их низкой энергетической эффективности [3, 4, 5, 9, 10]. Для решения данной проблемы нами разработана серия производительных шнековых смесителей для малых и средних предприятий агропромышленного комплекса [1, 2, 6, 7, 8], которые, в отличие от традиционных барабанных измельчителей с ножевыми рабочими органами, менее энергоемки и более универсальны.
Цель исследований - классифицировать и рассмотреть основные направления совершенствования конструкции смесителей и измельчителей-смесителей кормов непрерывного и периодического действия, по которым проводятся исследования на кафедре эксплуатации и технического сервиса машин ФГБОУ ВО РГАЗУ.
Методика. При проведении исследований использовали информационный анализ и патентный поиск.
Результаты исследований. Производительность и качество смешивания обусловлены его интенсивностью, то есть числом движений, совершаемых компонентами смесей в единицу времени, что зависит от конструкции и направления движения применяемых рабочих органов. Для повышения равномерности измельчения и интенсивности перемешивания материала необходимо оптимизировать траектории и скорости движения рабочих органов, углы наклона и заточки режущих кромок рабочих органов, а также зазоры между режущими кромками. Снижение энергетических затрат на смешивание материала достигается уменьшением потерь энергии на сопротивление перемешиваемого материала и перемещение рабочих органов.
Двумя основными направлениями повышения производительности смесителей кормов являются совершенствование конструкции их рабочих органов и совершенствование привода их рабочих органов. Эти направления учитывались нами при разработке планетарных шнековых смесителей кормов и шнековых измельчителей-смесителей кормов как с вертикальным, так и с горизонтальным расположением шнеков.
Увеличение производительности и качества получаемого продукта, а также снижение энергозатрат на измельчение материала в данной серии смесителей достигается применением шнекового рабочего органа в качестве активного противорежущего элемента [1], направление навивки и вращение которого противоположны направлениям навивки и вращения основного рабочего органа со сплошным винтом (рис. 1).
Рис. 1. Вертикальный шнековый измельчитель-смеситель кормов [1]: а) вертикальный разрез измельчителя-смесителя: 1 - загрузочное устройство; 2 - отогнутый виток ленточного шнекового рабочего органа; 3 - цилиндрический корпус;
4 - сплошной шнековый рабочий орган; 5 - ленточный шнековый рабочий орган; 6 - конический редуктор; 7 - приводной вал рабочего органа; 8 - ременная передача; 9 - приводной полый вал ленточного
шнекового рабочего органа; 10 - выгрузное окно; 11 - отогнутый виток сплошного шнекового рабочего органа; б) угол установки витка сплошного шнекового рабочего органа к центральной оси - 30°, что обеспечивает угол заточки режущей винтовой кромки 60°; в) угол установки витка ленточного рабочего органа к центральной оси - 50°, что обеспечивает угол заточки режущей винтовой кромки 40°
В вертикальном цилиндрическом корпусе 3 данного смесителя установлены два шне-ковых рабочих органа, один из которых, со сплошным винтом 4, монтируется внутри ленточного рабочего органа 5. Шнеки имеют противоположную навивку и вращаются в противоположных направлениях. В результате проведенных исследований по оптимизации параметров рабочих органов, в частности, углов их установки и зазора между их режущими кромками, мы добились необходимой производительности и качества получаемого продукта.
Информационный анализ и патентный поиск не выявили наличия конструкций измельчителей, действие режущих механизмов которых основано на использовании шнеков в качестве рабочих органов. Некоторую аналогию использования шнека как режущего элемента можно проследить в работе промышленных измельчителей мяса (волчках), где винт выступает прежде всего в качестве питателя ножевого режущего механизма. Здесь винт осуществляет отделение части материала от основной массы за счет взаимодействия вершин витков с краями входного отверстия корпуса рабочей камеры. Нередко внутренняя поверхность корпуса рабочей камеры выполнена с канавками, прямолинейными для перемещения материала в осевом направлении или винтовыми для предварительного измельчения продукта.
В случае с перекрестным наклоном витков шнеков (рис. 2) перерезание материала в зазоре между витками шнека происходит по принципу ножниц, резание является скользящим, процесс - постоянным во времени. Следовательно, потребляемая мощность будет равна сумме мощностей двух шнековых транспортеров при традиционном их использовании.
Анализируя все вышеизложенное, можно сделать следующий вывод: использование измельчающего механизма с перекрестным наклоном витков шнеков более предпочтительно по сравнению с использованием шнеков с односторонним наклоном. В этом случае работа механизма происходит более равномерно, уменьшаются динамические на-
грузки, требуется меньшая мощность на привод рабочих органов, происходит более равномерная подача материала в зону измельчения, что в конечном результате оказывает положительное влияние на производительность и качество получаемого продукта.
а) б)
Рис. 2. Варианты измельчающих механизмов с перекрестным (а) и односторонним (б) наклоном витков шнековых режущих элементов
Производительность вертикального шнекового измельчителя-смесителя кормов зависит от поперечных размеров шнеков и частоты их вращения. При измельчении грубых и сочных длинностебельных кормов производительность - от 1 до 4 т/ч в зависимости от исполнения смесителя.
В ленточно-винтовых смесителях сложность привода вызвана необходимостью организации движения двух шнековых рабочих органов в разных направлениях вокруг общей оси вращения. В предложенной нами конструкции (см. рис. 1) рабочие органы приводятся в действие от электродвигателя (не показано) через ременную передачу 8 и конический редуктор 6. Конические колеса редуктора установлены так, чтобы обеспечить противоположное направление вращения валов шнековых рабочих органов.
Для смесителей кормов с планетарным движением рабочих органов характерно качественное перемешивание материала при минимальной продолжительности смешивания в результате увеличения воздействия рабочих органов на смешиваемый материал в единицу времени в сравнении с традиционными смесителями.
При проведении информационного анализа и патентного поиска выявлено, что большинство планетарных смесителей выполнены с вертикальным расположением валов, что является недостатком, так как в процессе смешивания корма происходит расслоение его компонентов различной плотности вследствие движения рабочих органов только в горизонтальной плоскости. В одноваль-ных и двухвальных смесителях кормов с горизонтальным расположением валов с неподвижными лопастями влияние фактора гравитационного расслоения смеси нивелируется тем, что кроме наличия встречных потоков смеси создается эффект ее подбрасывания вертикально вверх.
Преимуществами двухвальных смесителей являются возможность получения однородной смеси из компонентов различной плотности и высокая скорость разгрузки. Вместе с тем, двухвальные смесители имеют существенный недостаток, заключающийся в невысокой скорости смешивания в сравнении с планетарными смесителями. Отсюда и меньшая производительность, несколько худшее качество смешивания и, что немало-
важно, повышенная мощность привода. В традиционных планетарных смесителях зачастую используются отдельные приводы как для организации движения рабочих органов вокруг центральной оси смесителя, так и вокруг собственной оси. Это приводит к сложности конструкции, увеличению затрат как на изготовление, так и на эксплуатацию смесителей [3, 4, 9, 10]. Для решения данной проблемы нами предложено использование в приводах смесительного оборудования полых валов. Суть предлагаемых технических решений заключается в том, что в конструкциях смесителей используются два вала, имеющих одну общую ось вращения. Один из валов выполнен сплошным и расположен внутри второго полого вала [2].
В предлагаемой нами конструкции планетарного смесителя приводной вал является корпусом конических редукторов, конические колеса которых жестко закреплены на неподвижной оси, расположенной внутри полого приводного вала, а шестерни крепятся на концах выходных валов, другой конец которых через коническую передачу передает движение валам рабочих органов (рис. 3).
Рис. 3. Планетарный тисковый смеситель [2]: 1 - электродвигатель; 2 - неподвижная ось; 3 - цилиндрическая передача; 4 - полый приводной вал, одновременно являющийся корпусом конических редукторов; 5 - неподвижное коническое колесо; 6 - коническая шестерня; 7 - полая стойка; 8 - выходной вал; 9 - конический редуктор рабочего органа; 10 - загрузочное окно; 11 - цилиндрический горизонтальный корпус смесителя; 12 - периферийный, планетарно вращающийся шнек; 13 - центральный шнек; 14 - шлицевая втулка;
15 - поворотная стойка; 16 - выгрузное окно
Полый приводной вал с закрепленным на нем центральным шнеком 13 приводится в движение от электродвигателя 1 через цилиндрическую передачу. Кроме того, полый вал шнека является корпусом конического редуктора, внутри которого установлена неподвижная ось 2 с жестко закрепленным на ней коническим колесом 5. При вращении приводного вала конические шестерни 6, установленные на выходных валах 8, расположенных в полых стойках 7, вращаются вокруг неподвижного конического колеса. Периферийным шнековым рабочим органам 12 вращение передается от конических шестерен через конические редукторы 9. Для защиты смесителя от перегрузок предусмотрен автомат отключения электродвигателя (на схеме не показан), срабатывающий при увеличении нагрузки на рабочие органы смесителя. Производительность планетарного шнекового смесителя прямо пропорциональна объему рабочей камеры и обратно пропорциональна продолжительности смешивания, зависящей от физико-механических характеристик смешиваемых материалов. При приготовлении силосно-сенажно-комбикор-мовой смеси производительность машины с объемом камеры в 1 м3 составит 1,5...2 т/ч.
Выводы.
1. Первым основным направлением совершенствования конструкции смесителей кормов является повышение интенсивности смешивания, в результате которого повышается качество получаемого продукта. Этого можно добиться увеличением количества перемещений компонентов кормосмеси в единицу времени с помощью совершенствования конструкции рабочих органов.
2. Вторым направлением совершенствования конструкции смесителей является снижение энергетических затрат на смешивание кормовой смеси, добиться которого можно совершенствованием конструкции рабочих органов и их привода.
3. Основные пути совершенствования конструкции привода рабочих органов -применение конструкций шнековых рабочих органов с противорезанием и полых валов. Совершенствование конструкции рабочих
органов заключается в оптимизации углов наклона их витков, углов заточки их режущих кромок, зазоров между ними, а также в возможности изменения углов наклона витков режущих органов в зависимости от сопротивления перемешиваемого материала.
Литература:
1. Пат. 26015982 RF. Шнековый измельчитель-смеситель кормов / Горюнов С.В. и др. Заяв. 23.03.15; Опубл. 10.11.16.
2. Пат. 1580161 RF. Планетарный шнековый смеситель / Горюнов С.В. и др. Заяв. 19.10.22; Опубл. 19.10.22.
3. Усов Д.В., Горюнов С.В. Использование полых валов в приводах смесителей непрерывного действия // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2016. № 20(25). С. 76-82.
4. Горюнов С.В. Энергосбережение и использование вторичных энергетических ресурсов при приготовлении кормовых смесей // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2015. № 19(24). С. 40-45.
5. Горюнов С.В., Спирин Н.Г. Исследование работы гребных винтов в качестве рабочих органов планетарных горизонтальных смесителей кормов // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2012. № 12(17). С. 62-67.
6. Пат. 1173161 RF. Планетарный смеситель / Кравченко И.Н. и др. Заяв. 24.02.12; Опубл. 27.06.12. 10 с.
7. Пат. 1164011 RF. Шнековый смеситель / Кравченко И.Н. и др. Заяв. 24.02.12; Опубл. 27.05.12. 10 с.
8. Пат. 24657642 RF. Вертикальный шнековый измельчитель-смеситель кормов / Горюнов С.В. Заяв. 12.11.10; Опубл. 10.11.12. 5 с.
9. Интенсификация процесса смешивания кормов путем организации планетарного и противоточного движения рабочих органов / С.В. Горюнов и др. // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2011. № 11(16). С. 79-86.
10. Горюнов С.В. Перспективы использования планетарных смесителей кормов в горизонтальном исполнении // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. 2010. № 9(14). С. 9094.
Literatura:
1. Pat. 26015982 RF. SHnekovyj izmel'chitel'-smesitel' kormov / Goryunov S.V i dr. Zayav. 23.03.15; Opubl. 10.11.16.
2. Pat. 1580161 RF. Planetarnyj shnekovyj smesitel' / Goryunov S.V. i dr. Zayav. 19.10.22; Opubl. 19.10.22.
3. Usov D.V, Goryunov S.V Ispol'zovanie polyh valov v privodah smesitelej nepreryvnogo dejstviya // Vestnik Rossijskogo gosudarstvennogo agrarnogo zaochnogo uni-versiteta. 2016. № 20(25). S. 76-82.
4. Goryunov S.V Energosberezhenie i ispol'zovanie vto-richnyh energeticheskih resursov pri prigotovlenii kormo-
vyh smesej // Vestnik Rossijskogo gosudarstvennogo ag-rarnogo zaochnogo universiteta. 2015. № 19(24). S. 4045.
5. Goryunov S.V., Spirin N.G. Issledovanie raboty greb-nyh vintov v kachestve rabochih organov planetarnyh go-rizontal'nyh smesitelej kormov // Vestnik Rossijskogo gosudarstvennogo agrarnogo zaochnogo universiteta. 2012. № 12(17). S. 62-67.
6. Pat. 1173161 RF. Planetarnyj smesitel' / Kravchenko I.N. i dr. Zayav. 24.02.12; Opubl. 27.06.12. 10 c.
7. Pat. 1164011 RF. SHnekovyj smesitel' / Kravchenko I.N. i dr. Zayav. 24.02.12; Opubl. 27.05.12. 10 c.
8. Pat. 24657642 RF. Vertikal'nyj shnekovyj izmel'chitel'-smesitel' kormov / Goryunov S.V. Zayav. 12.11.10; Opubl. 10.11.12. 5 c.
9. Intensifikaciya processa smeshivaniya kormov putem organizacii planetarnogo i protivotochnogo dvizheniya rabochih organov / S.V. Goryunov i dr. // Vestnik Rossijsko-go gosudarstvennogo agrarnogo zaochnogo universiteta. 2011. № 11(16). S. 79-86.
10. Goryunov S.V. Perspektivy ispol'zovaniya planetar-nyh smesitelej kormov v gorizontal'nom ispolnenii // Vestnik Rossijskogo gosudarstvennogo agrarnogo zaochnogo universiteta. 2010. № 9(14). S. 90-94.
THE MECHANICAL MIXING EFFICIENCY IMPROVING AT FEED PREPARATION BY MIXERS' DESIGN PROGRESS K.V. Kulakov, candidate of technical sciences S.V. Goryunov, candidate of technical sciences, docent A.V. Feryabkov, candidate of technical sciences, docent FGBOU VO Russian State Agrarian Correspondence University
Abstract. The main directions of mixers' productivity increasing and shredders-and-feed mixers of continuous and periodic action at small and medium-sized livestock enterprises of APK are considered. One of the ways of feed grinding and mixing's machines productivity increasing is the working bodies' design to improve, that includes the working bodies of sharpening angles' cutting edges so as the gaps between the working bodies optimizing, a constructive possibility of changing the angles at cutting working bodies' turns inclination creating in the depending on the mixed material resistance. Another direction is the working bodies drive's improvement -trajectory's optimization and working bodies' movement speeds, the hollow shaft's at drive designs using. As examples of these directions implementation, a vertical screw of shredder-and-mixer feeder designs with a screw working body as an active counter-cutting element and a planetary screw mixer with a hollow shaft at the working bodies' drive using, that is the conical gearbox's body simultaneously, are presented. As a result of the presented machines' impro vement, the energy efficiency and mixing performance by energy losses reducing at the working bodies movement and mixed material's resistance, as well as the structures' metal consumption reducing are increased. At the proposed working bodies using, feed mixture quality is also improved by the material mixing's intensity and uniformity increasing. Keywords: mixer, planetary mixer, screw mixer, feed chopping, working body, drive, chopper.
For citation: Kulakov K.V., Goryunov S.V., Feryabkov A.V. The mechanical mixing efficiency improving at feed preparation by mixers' design progress // Machinery and technology in livestock. 2023. No. 1(49). p. 65-70. EDN TLYVVP
Заявленный вклад авторов: К.В. Кулаков - написание черновика статьи и её подготовка; С.В. Горюнов - написание, проверка и редактирование; А.В. Ферябков - написание черновика статьи и её подготовка. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
