CC BY
16
УДК 631.363
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ
КОМБИКОРМОВ
С.Г. Карташов, кандидат технических наук Е.М. Клычев, кандидат технических наук ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» E-mail: [email protected]
Аннотация. Анализ современного отечественного и зарубежного опыта в создании инновационных технологий для приготовления комбикормов показал, что при производстве основного оборудования, в том числе смесителей, главным критерием является создание высокотехнологичных систем и устройств управления процессом смешивания. Предложено использовать серийные устройства с автоматизированными системами управления. Выявлены недостатки существующего способа смешивания - большие трудозатраты и повышенная энергоемкость и металлоемкость. Разработанная омегообразная конструкция корпуса инновационного смесителя укомплектована модулями: модуль загрузки, модуль поворота лопаток, модуль разгрузки. Для управления процессом и работой механизмов применены современные устройства и приборы, которые обеспечивают одновременный контроль и измерение параметров сыпучих компонентах /влаги, содержания белков, жиров, золы, крахмала, клетчатки или остаточного жира/ при их загрузке в смеситель. Предложен способ повышения точности смесеприготовления из сыпучих компонентов с использованием оперативного метода определения их объемной плотности с применением микроволновых технологий, установлен электронный блок для разворота лопаток. Использование модульной и инновационной конструкции сборочных узлов и механизмов обеспечивает повышение надежности комплектов сборочных узлов и однородности смешивания не менее 98%, снижается металлоемкость и энергоемкость всего процесса, соответственно, более чем на 25% и 35%. Ключевые слова: инновационные технические средства, модуль загрузки, модуль поворота лопаток, модуль разгрузки, способ повышения смесеприготовления, система автоматического управления процессом.
Введение. По результатам анализа современного отечественного и зарубежного опыта в получении полнорационных смесей комбикормов выявлены наиболее значимые технологии и оборудование для этих целей [1-3]. Предложено при разработке инновационного оборудования и способа повышения точности смесеприготовления использовать современные системы управления не только модульным оборудованием, но и всем процессом в целом. Смеситель спроектирован в модульном исполнении, используется модуль загрузки, модуль поворота лопастей на требуемый угол атаки, модуль разгрузки приготовленной заданной смеси полнорационных комбикормов, что позволяет сформировать рациональную компоновку конструкции инновационного смесителя из вновь созданных, менее энергоемких технических узлов и устройств, а также в целом увели-
чить производительность, снизить энергоемкость процесса и однородность смешивания. Предложенные модули взаимоувязаны и имеют единую автоматизированную меха-тронную систему управления [4-11].
Цель работы - разработать способ повышения точности смесеприготовления в производстве комбикормов и создать конструкцию инновационного смесителя с автоматизированной системой управления процессом.
Результаты работы. Ранее в ВИЭСХе был разработан горизонтальный двухшнеко-вый смеситель [5]. Анализ показал, что недостаток этой конструкции - отсутствие автоматизированных узлов и устройств управления и регулирования процесса смешивания в режиме реального времени, в зависимости от свойств смешиваемых сыпучих компонентов и угла поворота лопаток. Отсутствие таких узлов и устройств ведет к большим трудоза-
тратам, повышенной металлоемкости и энергоемкости процесса смешивания.
Сформулирована задача - автоматизация загрузки с одновременным непрерывным анализом, измерением и контролем в режиме реального времени влаги, содержания белков, жиров, золы, крахмала, клетчатки или остаточного жира в сыпучих компонентах, загружаемых в смеситель, а также осуществление обязательного контроля их плотности для регулирования угла атаки его лопастей и для повышения однородности смешивания, снижения металлоемкости, энергоемкости и эксплуатационных затрат на весь процесс приготовления полнорационных комбикормов различным видам животных.
Область применения. В результате проведенных НИР и ОКР предложено применение автоматизированного инновационного смесителя нового поколения с энергосберегающей конструкцией и использование нового способа повышения точности смесепри-готовления, а наличие автоматизированных устройств и узлов, выполненных в модульном исполнении, обеспечит энергосберегающее производство полнорационных комбикормов без присутствия человека.
Результаты и обсуждение. В результате проведенных исследований разработана и предложена омегообразная конструкция двухвального горизонтального смесителя с регулируемыми вертикальными лопатками.
В модуле автоматизированной загрузки для измерения и непрерывного контроля ключевых параметров (влаги, содержания белков, жиров, золы, крахмала, клетчатки или остаточного жира) загружаемых в смеситель сыпучих компонентов предложено [67] использовать прибор - промышленный анализатор BUCHI NIR-Online (рис. 1) .
Прибор NIR-Online нижним фланцем закрепляется на крышке бункера корпуса смесителя (монтируется в герметичном кожухе). Для оперативного метода контроля, измерения при определении объемной плотности сыпучих материалов, которые загружаются в смеситель, мы используем микроволновые технологии с современным [8-9] при-
бором Dens-M (разработка немецкой компании SWR engineering), а для восприятия электрического сигнала об измерении соответствующей объемной плотности смешиваемых компонентов используются датчики контроля линейного и углового положения с индикаторами их положения при работе векторных электродвигателей.
Рис. 1. Прибор ВДИ-ОпИпе для автоматизации непрерывного контроля загружаемых в смеситель сыпучих компонентов
Прибор Dens-M устанавливается внутри расходного бункера 24 и закрепляется на его стенке (рис. 2, 3). Прибор предназначен для измерения и контроля плотности сыпучих компонентов. Также прибор Dens-M укомплектован цифровым интеллектуальным преобразователем ТР290 с датчиком для измерения положения, т. е. датчик мы применяем для измерения линейного и углового перемещения регулируемых лопаток. При этом электронный преобразователь со стандартным токовым выходным сигналом обеспечивает передачу данных от датчика в операторскую, а также имеет ряд интересных встроенных функций, позволяющих сократить затраты на установку, эксплуатацию и обслуживание.
Рис. 2. Прибор Бепз-М для контроля и измерения плотности сыпучих компонентов комбикормов
Рис. 3. Один из примеров монтажа прибора Dens-M в расходном бункере
Датчик имеет встроенный дисплей (опционально), позволяющий считывать информацию о положении по месту эксплуатации.
Предлагаемый двухвальный горизонтальный смеситель (рис. 4) с регулируемыми лопатками содержит омегообразный корпус 1 смесителя с загрузочными патрубками 2 и цилиндрический конусный расходный бункер 24, в котором применяется модуль автоматизированной загрузки. При этом используется прибор 27 (ЫЖ-ОиНие) для непрерывного контроля влаги, содержания белков, жиров, золы, крахмала, клетчатки или остаточного жира в сыпучих компонентах, загружаемых в смеситель [6-7].
Прибор МЯ-ОиНие нижним фланцем закрепляется на крышке расходного бункера 24 корпуса 1 смесителя (монтируется в герметичном кожухе). Кроме того, в модуле используется прибор 26 (Беш-М), предназначенный для одновременного измерения и контроля плотности сыпучих компонентов, которые загружаются в смеситель [8-9]. Прибор Беш-М устанавливается внутри расходного бункера 24 и закрепляется на его стенке. В приборе 26 используется электрический датчик, который позволяет измерить объемную плотность сыпучих материалов (заданную по нормативным документам) в потоке в пределах 0,30, 0,55 и 0,75 т/м3, в процессе их загрузки в смеситель. Также в смесителе используется модуль поворота
лопастей на требуемый угол атаки. Для этого в омегообразном корпусе смесителя установлены два горизонтальных вала 4, которые изготовлены из квадратной металлической трубы 5, а на каждой из ее сторон закреплены сборочные узлы 6, в которых в подшипниках установлены вертикальные концевики. На верхних концах этих концевиков закреплены вертикальные лопатки 7, а на нижних их концах профрезированы эвольвентные зубья червяка 11.
Кроме того, внутри квадратных труб установлены цилиндрические валы, на которых закреплены цилиндрические шестерни с эвольвентными зубьями. При этом ось валов концевиков перекрещивается под углом 90о с осью горизонтальных цилиндрических валов. Вертикальные лопатки имеют ребра, заточенные под углом не менее чем 15о. Вращение квадратных валов смесителя осуществляется от электродвигателя 20 с редуктором 21 (рис. 5).
Для вращения круглых валов и разворота лопаток в вертикальной плоскости, соответственно, применяются и используются векторные электродвигатели 22,23, их привода и сборочные узлы 6 с датчиками контроля и индикаторами положения лопаток в вертикальной плоскости на 30о, 45о и 60о. В смесителе также имеется модуль разгрузки, в который входит выгрузной бомболюк 3 с двумя створками в нижней части его корпуса. Створки бомболюка открываются от двух регулируемых электродвигателей 25 по истечении трех минут смешивания.
Предлагаемый двухвальный горизонтальный смеситель (рис. 4) изготовлен в модульном исполнении с регулируемыми вертикальными лопатками и содержит омегооб-разный корпус 1 смесителя с загрузочными патрубками. Также имеется конусный цилиндрический расходный бункер 24, который имеет модуль автоматизированной загрузки. Последний содержит и использует прибор МЯ-ОиНие для непрерывного контроля влаги, содержания белков, жиров, золы, крахмала, клетчатки или остаточного жира в сыпучих компонентах, загружаемых в смеситель [6-7].
27
Рис. 4. Инновационная конструктивная схема двухвального горизонтального смесителя для приготовления полнорационных смесей комбикормов со снятой передней крышкой: 1 - корпус смесителя; 2 - загрузочный патрубок; 3 - выгрузной бомболюк; 4 - горизонтальный вал; 5 - квадратная металлическая труба; 6 - сборочный узел;
7 - регулируемые лопатки; 8 - крышка люка; 9 - концевик; 10 - кольцевая проточка; 11 - червяк с эвольвентным зубом; 12 - большая цилиндрическая шестерня с эвольвентным зубом; 26 - прибор БепБ-М;
27 - прибор МЯ-ОпИпе (показан также вырез крепления сборочного узла лопаток на горизонтальных квадратных валах, с регулируемыми вертикальными лопатками)
Прибор №Я-ОпНпе нижним фланцем закрепляется на крышке бункера корпуса смесителя (монтируется в герметичном кожухе). Кроме того, в модуле также используется прибор Dens-M, который предназначен для одновременного измерения и контроля плотности сыпучих компонентов, которые загружаются в смеситель [8-9]; при этом он имеет электрический датчик, который позволяет измерить объемную плотность сыпучих материалов в потоке в пределах 0,30; 0,55 и 0,75 т/м3 в процессе их загрузки в смеситель. Прибор Dens-M устанавливается уже внутри расходного бункера 24 и закрепляется на его стенке (см. рис. 3).
Также в приборе имеется цифровой интеллектуальный преобразователь ТР290 для измерения положения [10-11], то есть датчик можно применять для измерения углового
перемещения вертикальных лопаток 7 (см. рис. 4). Электронный преобразователь со стандартным токовым выходным сигналом обеспечивает передачу данных от датчика в операторскую, в центре корпуса 1 смесителя имеется выгрузной бомболюк со створками 3, которые открываются с использованием регулируемых электродвигателей 25 (см. рис. 1).
В корпусе 1 смесителя расположены два горизонтальных квадратных вала, на каждой стороне которых закреплены сборочные узлы 6 с регулируемыми лопатками 7. Конструктивно сборочные узлы 6 включают лопатки 7, каждая из которых своими нижними торцами закреплена не менее чем двумя горизонтальными болтами в верхних прорезях каждого концевика 9, изготовленного из круглого металла. Лопатки 7 расположены диаметрально (см. рис. 5), шириной и толщиной соответственно не менее 80 и 10 мм, по всей длине валов в корпусе смесителя со смещением на величину ширины вертикальных лопаток. Кроме того, в середине каждого концевика 9 (см. рис. 4) выточена кольцевая проточка 10, предназначенная для фиксации концевиков в вертикальной плоскости крышкой 8, которая выполнена из двух половинок и закрепляется не менее чем четырьмя потайными винтами на поверхностях каждой из сторон по всей длине двух валов, изготовленных из квадратной трубы.
Также в манипуляторе 27 имеются сборочные узлы 6, а на нижнем конце каждого из концевиков 9 выточен и изготовлен червяк 11 с отфрезерованными эвольвентными зубьями. При этом концевики 9 сборочных узлов 6 установлены в цилиндрических корпусах с шариковыми закрытыми подшипниками и монтируются на каждой плоскости крышки 8 квадратной трубы 5, выполненной в виде двух горизонтальных валов 4.
При монтаже червяка 11 его зацепляют с аналогичными эвольвентными зубьями большой цилиндрической шестерни 12, которая изготовлена из металла и закреплена уже на двух горизонтальных цилиндрических валах 13, а последние устанавливаются внутри квадратных труб 5.
Рис. 5. Рабочие органы смесителя (вид А, рис. 4), увеличенный фрагмент установки углов лопаток:
13 - горизонтальный цилиндрический вал; 14 - хвостовик квадратного вала; 15-шариковый подшипник; 16,17 - левая передняя и задняя правая стенка смесителя; 18 - хвоставик цилиндрического вала; 19 - двухрядный подшипник; 20 - электро-дви-
гатель; 21 - прямозубый редуктор; 22,23 - векторные электродвигатели с герконовыми датчиками и частотным регулятором оборотов; 24 - загрузочный бункер; 25 -два электродвигателя на створках бомболюка.
Квадратные металлические трубы 5 имеют хвостовики 14, которые установлены в подшипниках 15 на наружных поверхностях левой передней 16 и правой задней 17 стенках корпуса 1 смесителя. Горизонтальные цилиндрические валы 13 монтируются внутри квадратных труб 5 и имеют также свои хвостовики 18, которые установлены в подшипниках 19 на внутренних стенках 16, 17 корпуса 1 смесителя; при этом правые хвостовики 14 квадратных труб 5 соединяются с электродвигателем 20 через редуктор 21, который имеет две цилиндрические прямозубые шестерни и частотный регулятор оборотов, а цилиндрические валы 13 уже своими левыми хвостовиками 18 соединяются с соответствующими векторными электродвигателями, и при этом ось концевиков 9 перекрещивается под углом 90о с осью горизонтальных цилиндрических валов 13.
Кроме того, для поворота лопаток 7 в вертикальной плоскости используется валы сборочных узлов 6, эвольвентная передача и
векторные электродвигатели 22 и 23 (рис. 5) с герко-новыми датчиками контроля и индикаторами положения лопаток в вертикальной плоскости на 30о, 45о и 60о, а в загрузочном бункере установлен манипулятор загрузки с прибором, в котором имеется электрический датчик по одновременному измерению и контролю объемной плотности сыпучих материалов, соответственно, 0,30; 0,55 и 0,75 т/м3, в процессе их загрузки в смеситель в потоке.
Для выгрузки приготовленного корма корпус 1 (см. рис. 4) смесителя имеет выгрузной бомболюк со створками 3, которые открываются с использованием двух электродвигателей 25. Работает предлагаемое устройство следующим образом. Необходимое количество ранее взвешенных и отдози-рованных сыпучих измельченных компонентов для выполнения процесса смешивания поступает в конусный бункер 24 прибора 26 для определения в потоке объемной плотности сыпучих компонентов, далее они самотеком ссыпаются через загрузочные патрубки 2 в корпус 1 двухвального корытообразного смесителя и попадают в зону вращения двух горизонтальных валов 4, которые изготовлены из квадратной металлической трубы 5 с регулируемыми лопатками 7, которые разворачиваются с использованием эвольвентной передачи. Вертикальные лопатки 7 сборочных узлов 6 расположены диаметрально по всей длине валов в корпусе смесителя со смещением на величину их ширины, при этом ребра лопаток, заточенные по углом не менее чем 15о, установлены навстречу друг другу от торцевых стенок 16 и 17 (см. рис. 5) до центра корпуса 1 смесителя, что позволяет активизировать конвективное послойное перемешивание компонентов, ускорить процесс выгрузки приготовленного корма и обеспечить повышение надежности комплектов сборочных узлов.
Регулировка лопаток 7 на угол атаки 30о, 45о и 60о производится от валов сборочных узлов 9, которые вращаются в вертикальной плоскости с использованием эвольвентной передачи и приводом от двух векторных электродвигателей 22 и 23, в торцах валов которых со стороны крыльчаток установлены герконовые датчики контроля с индикаторами углового положения поворота лопаток 7 в вертикальной плоскости и с интеллектуальными преобразователями со стандартным токовым входом сигнала и регистрацией. При этом разворачивание валов сборочных узлов 9 с лопатками 7 на требуемый угол атаки осуществляется по результатам электрического сигнала, полученного в приборе с цифровым интеллектуальным преобразователем ТР290 для измерения положения, то есть датчик применяется для измерения углового перемещения вертикальных лопаток 7. Встроенный электронный преобразователь со стандартным токовым выходным сигналом обеспечивает передачу данных от датчика в операторскую при одновременном измерении и контроле в потоке объемной плотности сыпучих материалов, соответственно, 0,30, 0,55 и 0,75 т/м3, с применением микроволновых технологий в процессе загрузки их в смеситель. Привод двух горизонтальных квадратных валов 5 смесителя уже осуществляется от электродвигателя 20 через редуктор 21. Приготовленные кормосмеси выгружаются внизу смесителя через выгрузной бомболюк, створки 3 которого открываются с использованием двух регулируемых электродвигателей 25.
Выводы.
1. Анализ существующих конструкций смесителей в создании техники следующих поколений показал, что в производственном процессе приготовления полнорационных комбикормовых смесей животным необходимо применение автоматизированных технических средств с компьютерными системами управления.
2. Для управления процессом и работой механизмов применены современные приборы, которые обеспечивают одновременный контроль и измерение параметров сыпучих
компонентов (влаги, содержания белков, жиров, золы, крахмала, клетчатки или остаточного жира) при их загрузке в смеситель, а также предложен способ повышения качества смесеприготовления из сыпучих компонентов с одновременным учетом оперативного метода определения объемной плотности, на основе применения микроволновых технологий.
3. Использование модульной инновационной конструкции сборочных узлов и механизмов обеспечивает повышение надежности комплектов сборочных узлов и однородности смешивания не менее 98%; металлоемкость и энергоемкость всего процесса снижается, соответственно, более чем на 25% и 35%.
Литература:
1. Славин Р.М. Инновациционные основы автоматизации производства в животноводстве и птицеводстве. М., 1974. 464 с.
2. Текучев И.К., Иванов Ю.А., Кормановский Л.П. Проблемы реализации технологических новаций в животноводстве // АПК: Экономика, управление. 2017. № 5. С. 21-29.
3. Весоизмерительное оборудование. М., 1989. 126 с.
4. Карташов С.Г. Роль ВИЭСХ в развитии электромеханизации приготовления полнорационных высокопитательных комбикормов в хозяйствах // Вестник ВИЭСХ. 2015. № 1(18). С. 70-75.
5. Пат. 2655214 РФ. Двухвальный горизонтальный смеситель с вертикальными регулируемыми лопатками / Карташов С.Г. и др. Опубл. 21.05.18.
6. Непрерывный контроль ключевых параметров. URL: http://www.novapdt.com
7. Культышева Е. Встроенный поточный анализатор высокого разрешения // Комбикорма. 2015. № 5. С. 86.
8. URL: htth://rusautomation.ru/stati/opredelenieob_ em-noy-plotnosti-syp-at
9. URL: htth://rusautomation.ru/stati/opredelenieob_ em-noy-plotnosti-syp-mat/
10. URL: htth://geektimes.ru/company/npf_vektor/blog/ с.269-486/
11. URL: https://sensor365.ru/datchiki-uglovyh-pereme-wenii-enkodery/datchiki-uglovyh-peremeshchenii/pmi360 dv-f130-iu-v15-215315 -datchik-uglovyh-peremewenij/
Literatura:
1. Slavin R.M. Innovacicionnye osnovy avtomatizacii proizvodstva v zhivotnovodstve i pticevodstve. M., 1974. 464 s.
2. Tekuchev I.K., Ivanov YU.A., Kormanovskij L.P. Pro-blemy realizacii tekhnologicheskih novacij v zhivotno-vodstve // APK: Ekonomika, upravlenie. 2017. № 5. S. 21-29.
3. Vesoizmeritel'noe oborudovanie. M., 1989. 126 s.
4. Kartashov S.G. Rol' VIESKH v razvitii elektromeha-nizacii prigotovleniya polnoracionnyh vysokopitatel'nyh kombikormov v hozyajstvah // Vestnik VIESKH. 2015. № 1(18). S. 70-75.
5. Pat. 2655214 RF. Dvuhval'nyj gorizontal'nyj smesitel' s vertikal'nymi reguliruemymi lopatkami / Kartashov S.G. i dr. Opubl. 21.05.18.
6. Nepreryvnyj kontrol' klyuchevyh parametrov. URL: http://www.novapdt.com
7. Kul'tysheva E. Vstroennyj potochnyj analizator vyso-kogo razresheniya // Kombikorma. 2015. № 5. S. 86.
8. URL: htth://rusautomation.ru/stati/opredelenieob_ em-noy-plotnosti-syp-at
9. URL: htth://rusautomation.ru/stati/opredelenieob_ em-noy-plotnosti-syp-mat/
10. URL: htth://geektimes.ru/company/npf_vektor/blog/ s.269-486/
11. URL: https://sensor365.ru/datchiki-uglovyh-pereme-wenij-enkodery/datchiki-uglovyh-peremeshchenij/pmi360 dv-f130-iu-v15-215315 -datchik-uglovyh-peremewenij/
A WAY OF COMBINED FEED PRODUCING AT MIXED FODDER ACCURACY IMPROVING S.G. Kartashov, candidate of technical sciences E.M. Klychev, candidate of technical sciences FGBNY "Federal research agroengineering center VIM"
Abstract. Analysis of modern domestic and foreign experience at the combined feed's preparation innovative technologies had showed that at the basic equipment producing, including mixers, the main criterion is the high-tech systems and devices for mixing process control creating. The serial devices with automated control systems using was proposed. The existing method of mixing's disadvantages - large labor costs and increased energy and metal consumption were revealed. Developed omego-like design of innovative mixer's corpus is equipped with modules: module - download, module - of blades rotation, module - unload. To control this process and the mechanisms' operation, modern devices and tools that provide of bulk components' parameters simultaneous monitoring and measurement /moisture, protein content, fat, ash, starch, fiber or residual fat/ at loading them into the mixer are used. A method for bulk components when mixing accuracy improving at operational method for bulk density determining with microwave technologies using is proposed, an electronic unit for blades' turning is installed. The assembly knots and mechanisms' modular and innovative design using is sets of subassemblies and uniformity mixing reliability at least in 98% improving, whole process's metal capacity and power consumption more than in 25% and 35% reducing.
Keywords: innovative technical means, loading module, blades' rotation module, unloading module, method of mixture preparation increasing, automatic process control's system.
