Тамбов, Тамбовская область, Россия
Саратов, Саратовская область, Россия
п.г.т. Усть-Кинельский, Самарская область, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
Цель исследования – совершенствование оборудования для смешивания сухих рассыпных кормов с обоснованием конструктивно-режимных параметров. Применение полнорационных кормовых смесей возможно только с использованием специального технологического оборудования – смесителей кормов, обеспечивающих заданную зоотехническими требованиями однородность смеси. Затраты на при-обретение, эксплуатацию и обслуживание смесителей влияют на себестоимость животноводческой продукции. Соответственно нужно стремиться к снижению этих затрат. Этого можно достичь снижением удельных затрат энергии на процесс смешивания, которые во многом зависят от конструкции смесителя, устройства его рабочих органов, эффективности процесса смешивания, и потребляемой на процесс смешивания мощности. Анализ теоретических исследований показал, что в настоящее время не существует методики расчета потребляемой мощности смесителями с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся по исполнению и назначению участками. Расходуемая мощность на процесс смешивания является одной из главных составляющих эксплуатационных затрат для смесительного оборудования, определяющая удельные затраты энергии на процесс смешивания – одну из важных характеристик любого смесителя. Методика исследований предусматривала теоретическое обоснование влияния взаимосвязи параметров смесителя по потребляемой мощности на процесс смешивания. Представлены выражения для определения потребления мощности на участках: шнековом, первом и втором перемешивающе-транспортирующих лопаток, перебрасывающих лопастей. Получены выражения для определения потребляемой мощности на процесс смешивания от угла установки перемешивающе-транспортирующих лопаток, коэффициента наполнения смесителя и частоты вращения рабочих органов. Полученные выражения позволяют определить значения мощности на процесс смешивания с погрешностью не более 5% при значениях исследуемых параметров смесителя в границах эксперимента.
смеситель, лопасть, лопатка, скорость, мощность, смешивание, шнеколопастной
Применение полнорационных кормовых смесей возможно только с использованием специального технологического оборудования – смесителей кормов, обеспечивающих заданную зоотехническими требованиями однородность смеси. Затраты на приобретение, эксплуатацию и обслуживание смесителей, в конечном счете, влияют на себестоимость животноводческой продукции. Соответственно нужно стремиться к снижению этих затрат, а этого можно достичь снижением удельных затрат энергии на процесс смешивания, которые во многом зависят от конструкции смесителя, устройства его рабочих органов, эффективности процесса смешивания и потребляемой на процесс смешивания мощности. Анализ теоретических исследований и существующих конструкций смесителей кормов показал, что перспективным направлением совершенствования рабочих органов смесителей кормов, с целью организации максимального упорядоченного перемещения компонентов корма, является применение комбинированных рабочих органов с чередующимися по конструктивному исполнению и функциональному назначению участками, но в настоящее время не существует выражений для расчета достоверных теоретических значений потребляемой такими смесителями мощности на процесс смешивания. Расходуемая мощность на процесс смешивания является одной из главных составляющих эксплуатационных затрат для смесительного оборудования, в конечном счете, определяющая удельные затраты энергии на процесс смешивания – одну из важных характеристик любого смесителя.
Цель исследования – совершенствование оборудования для смешивания сухих рассыпных кормов с обоснованием конструктивно-режимных параметров.
Задачи исследования – предложить выражения для расчета теоретических значений мощности, расходуемой на процесс смешивания в смесителе с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся по конструктивному исполнению и функциональному назначению рабочими органами; определить влияние конструктивно-технологических и технологических параметров смесителя на мощность, потребляемую им на процесс смешивания; провести экспериментальные исследования для определения фактических значений потребляемой мощности на процесс смешивания в смесителе с комбинированными рабочими органами, имеющими чередующиеся по конструктивному исполнению и функциональному назначению рабочими органами, сопоставить их с теоретическими значениями.
Материалы и методы исследований. В настоящее время существует большое разнообразие смесителей кормов (шнековые, лопастные, барабанные, гравитационные, вибрационные, планетарные, ленточные, комбинированные и другие), каждый из которых имеет конструктивные, режимные и технологические отличия. Для расчета значений потребляемой мощности на процесс смешивания предложен ряд зависимостей, которые позволяют определять их с большей или
меньшей точностью. Это относится к смесителям с хорошо изученными и не комбинированными рабочими органами – шнековым, лопастным, барабанными, теоретические вопросы работы которых хорошо изучены и экспериментально проверены многими исследователями. Применение таких выражений при расчете смесителей с комбинированными рабочим органами затруднено и дает большие погрешности, вызванные спецификой протекающих в них процессов, обусловленных конструкцией рабочих органов. Зависимости, полученные теоретическим путем и описывающие влияние режимно-конструктивных и технологических параметров смесителя, требуют экспериментального подтверждения и, при необходимости, корректировки поправочными коэффициентами.
Результаты исследований. Одной из важных характеристик любого смесителя является потребляемая им на процесс смешивания мощность. Для определения теоретических значений мощности, потребляемой шнеколопастным смесителем, и выявления влияния на нее конструктивно-режимных и технологических параметров смесителя, были произведены теоретические исследования. С учетом конструктивных особенностей смесителя [3], схемы перемещения компонентов корма в смесителе [5] и того, что на каждом рабочем органе смесителя имеются участки шнековой навивки, перемешивающе-транспортирующих лопаток и лопастей, суммарная мощность на привод смесителя будет определяться по формуле:
, Вт, (1)
где 2 – количество рабочих органов, шт.;
– мощность, расходуемая на шнековом участке, Вт;
– мощность, расходуемая на первом участке перемешивающе-транспортирующих лопастей, Вт;
– мощность, расходуемая на втором участке перемешивающе-транспортирующих лопастей, Вт;
– мощность, расходуемая на участке перебрасывающих лопаток, Вт.
Мощность, расходуемую на шнековом участке, определим с учетом конструктивных параметров смесителя по известной методике [6]:
, (2)
где – мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения смеси о виток шнека, Вт;
– мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения смеси о кожух шнека, Вт;
k0 – коэффициент, учитывающий перемешивание и дробление смешиваемых компонентов.
, Вт, (3)
где Р0 – окружная сила, действующая со стороны винтовой поверхности, Н;
vвп. – средняя окружная скорость винтовой поверхности, м/с.
, м/с, (4)
(5)
где Мш – масса корма, находящегося на шнековом участке, кг;
αц – угол подъема винтовой линии, проходящей через центр тяжести продукта, град;
φ – угол трения корма о винтовую поверхность, град;
(6)
где Lш – длина шнекового участка, м;
– площадь поперечного сечения смесителя при коэффициенте наполнения, равном единице, м2.
град, (7)
где Rц =(0,7 ... 0,8) Rш;
t – шаг винтовой поверхности, м;
Rш – радиус наружной кромки винтовой поверхности, м;
rш – радиус вала винта, м;
Вт, (8)
где – средняя окружная скорость продукта, м/с;
– реакция кожуха шнека, Н [6]:
(9)
где – средняя окружная скорость продукта, м/с [6]:
, (10)
где f – коэффициент трения корма о материал винта;
nш – частота вращения винта, с-1;
– часть шага винтовой поверхности шнека, приходящаяся на один радиан поворота образующей, м;
– коэффициент;
– угол отклонения вектора абсолютной скорости от нормали к винтовой поверхности (для горизонтальных шнеков угол
принимается равным углу трения корма о винтовую поверхность φ).
Мощность, потребляемую на i-ом участке перемешивающе-транспортирующих лопаток, определим как сумму мощностей:
, Вт, (11)
где – мощность, расходуемая на преодоление сопротивления среды движущейся лопатки на i-ом участке, Вт;
– мощность, расходуемая на преодоление динамического напора смеси на i-ом участке, Вт;
– мощность, затрачиваемая на транспортирование смеси на i-ом участке, Вт.
Мощность, расходуемую на преодоление сопротивления среды движущейся лопатки на i-ом участке, найдем по выражению:
Вт, (12)
где – число одновременно погруженных лопаток на i-ом участке, шт.;
– удельное сопротивление перемещению лопатки на i-ом участке, Па;
– площадь перемешивающе-транспортирующей лопатки на i-ом участке, м2;
– угол установки лопатки на i-ом участке;
– скорость движения перемешивающе-транспортирующей лопатки на i-ом участке, м/с.
Скорость движения перемешивающе-транспортирующей лопатки на i-ом участке определим по выражению:
, м/с (13)
где – радиус приложения силы сопротивления на i-ом участке, м.
При движении погруженной в материал лопасти сопротивления вдоль нее распределяются по закону треугольника и точка приложения равнодействующей силы находится в центре тяжести этого треугольника, то есть на расстоянии двух третей длины лопасти, погруженной в корм. При не полностью заполненной емкости и при вращении лопасти глубина ее погружения является величиной переменной [8]. С учетом этого радиус приложения силы сопротивления определится для i-го участка по формулам:
- при
(14)
- при
(15)
где – высота смеси на i-ом участке, м;
,
– соответственно наружный и внутренний радиусы лопатки на i-ом участке, м.
Удельное сопротивление перемещению можно определить по выражению:
, Па, (16)
где ρ – насыпная плотность корма, кг/м3;
φ0 – угол внутреннего трения корма, град;
– показатель степени для лопатки на i-ом участке.
Мощность, расходуемую на преодоление динамического напора смеси на i-ом участке, рассчитываем по формуле:
(17)
где – коэффициент обтекаемости лопатки на i-ом участке;
– угловая скорость лопатки, с-1.
Коэффициент обтекаемости лопатки на i-ом участке определяем по выражению [7]:
(18)
где – касательные напряжения среза смешиваемого материала, Па.
Мощность, затрачиваемую на транспортирование смеси на i-ом участке, определим по методике расчета винтовых конвейеров [1, 7]:
(19)
где – осевая подача лопаток на i-ом участке, кг/с;
w – коэффициент сопротивления движению.
Величина показателя степени может быть найдена по экспериментальным данным из выражения [2]:
(20)
где i – номер участка перемешивающе-транспортирующих лопаток;
– основание логарифма для i-го участка;
– экспериментальные значения удельного сопротивления перемещению лопаток на i-ом участке;
(21)
Число одновременно погруженных лопаток на i-ом участке определяли по выражению:
(22)
где – количество лопаток на i-ом участке, шт.;
– наружный радиус лопатки на i-ом участке, м;
– высота смеси на i-ом участке, м.
Высоту смеси в зависимости от коэффициента наполнения на участках перемешивающе-транспортирующих лопаток определяли по выражениям:
- при
(23)
- при
(24)
где – значение коэффициента наполнения на i-ом участке перемешивающе-транспортирующих лопаток.
Мощность, расходуемая на участке перебрасывающих лопастей:
Вт, (25)
где – мощность, расходуемая на преодоление сопротивления среды движущейся лопасти, Вт;
– мощность, расходуемая на преодоление динамического напора смеси, Вт;
– мощность, затрачиваемая на транспортирование смеси на лопастном участке, Вт.
Мощность, расходуемую на преодоление сопротивления среды движущейся лопасти, найдем по выражению:
Вт, (26)
где – число одновременно погруженных лопастей, шт.;
– удельное сопротивление перемещению лопасти, Па;
– площадь лопасти, м2;
– скорость движения лопасти, м/с.
Скорость движения лопасти определим по выражению:
(27)
где – радиус приложения силы сопротивления, м:
- при
м, (28)
- при
м, (29)
где – высота смеси на лопастном участке, м;
– наружный радиус лопасти, м.
Удельное сопротивление перемещению лопасти:
(30)
где – показатель степени для лопасти.
Величина показателя степени может быть найдена по экспериментальным данным из выражения [2]:
(31)
где – для лопастного участка,
где – экспериментальное значение удельного сопротивления перемещению лопасти.
Высоту смеси в зависимости от коэффициента наполнения на лопастном участке определяли по выражениям (23) и (24), которые с учетом обозначений приняли вид:
- при
(32)
- при
(33)
Число одновременно погруженных лопастей определяли по выражению:
(34)
где – количество лопастей, шт.
Мощность, расходуемую на преодоление динамического напора смеси на лопастном участке, рассчитывали по формуле [12]:
(35)
где – коэффициент обтекаемости лопасти;
– угловая скорость лопатки.
Коэффициент обтекаемости лопасти [10]:
(36)
Мощность на транспортирование смеси на участке лопастей:
(37)
где – величина поперечной подачи лопастей, кг/с;
– длина лопастного участка, м.
С учетом (2), (3), (11), (12), (17), (19), (25), (26), (35), (37) выражение (1) для расчета общей расходуемой мощности на процесс смешивания в шнеколопастном смесителе примет вид:
(38)
Для определения теоретических значений показателей работы шнеколопастного смесителя в соответствии с предложенной методикой была составлена программа в среде программирования «Delphi 7.0». Данная программа позволяет производить расчеты и оперативно определять теоретические значения при различных значениях режимных и конструктивных параметров.
Для проверки адекватности предложенных выражений сопоставили полученные теоретически значения с экспериментальными (рис. 1). Графики были построены при углах установки перемешивающе-транспортирующих лопаток 70˚ (рис. 1, а), 65˚ (рис. 1, б) и 60˚ (рис. 1, в).
а)
б)
в)
Рис. 1. Экспериментальные и теоретические зависимости потребляемой мощности
на процесс смешивания от частоты вращения при разных коэффициентах
наполнения бункера и углах установки лопаток:
а) αпт.i= 70˚; б) αпт.i= 65˚; в) лопаток αпт.i= 60˚
По графикам видно, что достигнута хорошая сходимость теоретических и экспериментальных значений. При изменении частоты вращения от 37 мин-1 до 57 мин-1 ошибка не превышает 5%. Экспериментальные данные аппроксимируются линейными зависимостями с высокой точностью. Можно сделать вывод, что предложенная методика по расчету мощности, потребляемой шнеколопастным смесителем, применима в исследуемых пределах: частота вращения от 32 до 57 мин-1, коэффициент наполнения от 0,3 до 0,5, угол установки перемешивающе-транспортирующих лопаток от 60˚ до 70˚.
Заключение. В результате проведения исследований были получены следующие результаты: получены эмпирические выражения, позволяющие определить мощность на процесс смешивания в шнеколопастном смесителе с рабочими органами, имеющими чередующиеся по конструктивному исполнению и функциональному участки, в зависимости от физико-механических свойств кормов, конструктивно-режимных и технологических параметров; сопоставление расчетных значений мощности с экспериментальными показало сходимость. Предложенная методика по расчету мощности, потребляемой шнеколопастным смесителем, применима в исследуемых пределах: частота вращения от 32 до 57 мин-1, коэффициент наполнения от 0,3 до 0,5, угол установки лопаток от 60˚ до 70˚ и может быть в дальнейшем использована для определения теоретических значений удельных затрат энергии на процесс смешивания.
1. Ведищев, С. М. Методика и результаты определения удельного сопротивления перемещению лопатки и лопасти шнеколопастного смесителя / С. М. Ведищев, Н. В. Хольшев, А. В. Прохоров / Энергоэффектив-ные и ресурсосберегающие технологии и системы : сб. науч. тр. – Саранск : Изд-во Мордовского универси-тета, 2017. – С. 174-179.
2. Ведищев, С. М. Обоснование конструкции смесителя кормов / С. М. Ведищев, А. В. Прохоров, М. М. Сви-ридов, Н. В. Хольшев // Наука на рубеже тысячелетий : сборник материалов 5-й международной научно-практической конференции (26-27 октября 2008 г.). – Тамбов : Издательство Першина Р.В., 2008. – С.181-183.
3. Ведищев, С. М. Смеситель сухих рассыпных кормосмесей / С. М. Ведищев, А. В. Прохоров, Н. В. Холь-шев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. – 2012. – № 4(42). – С. 326-328.
4. Ведищев, С. М. Теоретическое исследование влияния конструктивно-режимных параметров шнеколо-пастного смесителя на его производительность / С. М. Ведищев, Н. В. Хольшев // Вестник мичуринского аг-рарного университета. – Мичуринск : Изд-во Мичуринского ГАУ. – 2011. – Ч. 2, №2. – С. 23-26.
5. Коба, В. Г. Машины для раздачи кормов. Теория и расчет / В. Г. Коба. – Саратов : Издательство Сара-товского СХИ, 1974. – 140 с.
6. Кулаковский, И. В. Машины и оборудование для приготовления кормов : справочник / И. В. Кулаковский. – М. : Россельхозиздат, 1987. – Ч. 1. – 285 с.
7. Скотников, Д. А. Совершенствование технологии и оптимизация субстрата при производстве биогуму-са : дис. ... канд. техн. наук : 05. 20. 01 ; 05. 20. 03 / Скотников Дмитрий Анатольевич. – Саратов, 2003. – 173 с.
8. Хольшев, Н. В. Компьютерная программа для расчета теоретических значений показателей работы шнеколопастного смесителя кормов / Н. В. Хольшев, С. М. Ведищев // Цифровизация агропромышленного комплекса : материалы I Международной научно-практической конференции (10-12 октября 2018 г.). – Там-бов : Издательский центр Тамбовского ГТУ. – Т. 2. – С. 69-71.
9. Коновалов, В. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров смесителя сухих кормов с плоски-ми лопастями / В. В. Коновалов, В. Ф. Дмитриев, М.В. Коновалова // Научное обозрение. – 2011. – №1. – С. 24-28.
