Развитие животноводства требует улучшения кормовой базы, в том числе используя качество приготавливаемой смеси [1, 9]. Повышение качества смеси требует как внесения в объем приготавливаемой порции смеси всех потребных питательных элементов и кормовых компонентов, заложенных рецептом приготовляемой смеси, так и равномерного распределения компонентов по всему объему приготавливаемого корма. Равномерность распределения частиц компонентов смеси определяется конструкцией и работой смесителей [2, 3]. Согласно зоотехническим требованиям, для сухих смесей равномерность (однородность) распределения компонентов должна быть не менее 90 % (НТП АПК 1.10.16.001-02 Нормы технологического проектирования кормоцехов для животноводческих ферм и комплексов).
Цель исследований – повышение качества приготавливаемой смеси и обоснование конструктивно-технологических параметров лопастного смесителя периодического действия.
Задачи исследований – установление функциональных зависимостей качества приготавливаемой смеси и эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего длину лопаток, от числовых значений частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя, а также обоснование рациональной длины лопаток мешалки.
Материалы и методы исследований. Одним из эффективных типов существующих смесителей, качественно перемешивающих ингредиенты смесей, являются лопастные смесители периодического действия [2, 3, 4]. Разработанный лопастной смеситель изображен на рисунке 1 [5]. Он выполнен в виде вертикальной емкости 2 диаметром D, внутри которой на днище и в крышке, в установленных подшипниковых опорах 6 (на рисунке 1 показана одна опора), установлен вращающийся вертикальный вал 1. Внутри емкости у нижней опоры 6 на валу 1 крепится лопастная мешалка 5. Ее лопасти 4 расположены радиально и повернуты под углом a относительно горизонтальной плоскости. На концах лопастей 5 установлены накладки – лопатки 3. При вращении мешалки 5 компоненты смеси вовлекаются как во вращательное движение в горизонтальной плоскости, так и циркулируют в вертикально-радиальной плоскости: лопастями 4 мешалки частицы смеси откидываются от вала к стенкам емкости 2, далее лопатками 3 частицы поднимаются вверх и скатываются вниз по образуемой воронке материала к нижней части вращающегося вала 1. По завершении такта смешивания в результате циркуляции частиц материала, загруженного в емкость 2, образуется смесь.
Методика исследований соответствовала СТО АИСТ 19.2-2008 (СТО АИСТ 19.2-2008 Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей). При определении качества смеси контрольным компонентом были зерна ячменя с долей 1 % от массы смеси. Количество взятых проб – 20 шт., с массой пробы 100 г. Длительность смешивания компонентов смеси 120 с. В качестве критерия качества приготовленной смеси использовался показатель – неравномерность смеси n, как коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах [7]. Обработка данных результатов исследований осуществлялась компьютерной программой Statistica.
Результаты исследований. В работе [5] опубликованы результаты проведенных исследований, описанные полиноминальной функцией второго порядка. При этом изменение частоты вращения мешалки соответствовало интервалу n=500…1000 мин-1, а длина лопаток, крепящихся на лопасти, соответствовала размеру L=0…75 мм (0…0,075 м). Часть длины лопаток накладывается на лопасть шириной ls=D/60=15 мм. Поэтому увеличение площади контакта лопастно-лопаткового рабочего органа мешалки с материалом было пропорционально не полной длине L, а только дополнительной длине лопатки (L`=L–ls, мм).
Рис. 1. Принципиальная схема смесителя:
1 – вал; 2 – емкость; 3 – лопатки; 4 –– лопасть; 5 – мешалка; 6 – подшипниковая опора
Полиноминальное уравнение регрессии неравномерности смеси n , %, (рис. 2) описывалось выражением [5]:
n=153,9891-1,8906 L`-0,18455 n+0,003108 (L`)2+5,34 E-05 n2+0,001933×L`×n. (1)
Коэффициент корреляции расчетных и опытных значений соответствует R=0,9203119.
Повышение частоты вращения мешалки и увеличение длины лопаток улучшает качество смеси. На рассматриваемом интервале значений факторов (частота вращения от 300 до 1000 мин-1, длина лопаток, накладываемых на лопасти, от 0 до 80 мм) лучшее качество смеси наблюдается при частоте вращения около 400 мин-1 и наибольшей исследованной длине лопаток L` (т. е. 75…80 мм). Согласно графику функции полиноминальной модели второго порядка (1) (рис. 2) при частоте вращения 1000 мин-1 и длине лопаток 70…80 мм незначительно (в пределах погрешности) снижается качество смеси.
Рис. 2. Двухмерное сечение поверхности отклика неравномерности смеси n (%)
в зависимости от частоты вращения n (мин-1) и длины лопаток L` (мм)
Ряд авторов рекомендует использовать для описания качества смеси не полиноминальную, а показательную функцию [6]. Тогда равномерность смеси Vp (0,01%) запишется:
(2)
где k – эмпирический коэффициент интенсивности смешивания (рис. 3); Т – длительность смешивания компонентов смеси, с [7].
При этом показатель равномерность смеси (как «относительная равномерность» [7], 0,01%) можно записать через коэффициент вариации n (0,01%) содержания контрольного компонента в пробах:
. (3)
Коэффициент вариации контрольного компонента в смеси (неравномерность смешивания) nnL (рис. 4, a), 0,01%:
, (4)
где L` – длина лопаток вне лопастей, м; n – частота вращения мешалки, мин-1.
Коэффициент корреляции расчетных и опытных значений неравномерности смешивания составил R=0,96709.
а
б
Рис. 3. Влияние частоты вращения мешалки n (мин-1) и длины лопаток L` (м)
на функцию показателя степени показательной функции качества смеси:
а – двухмерное сечение поверхности отклика; б – пространственное изображение поверхности отклика
а
б
Рис. 4. Влияние частоты вращения мешалки n (мин-1) и длины лопаток L` (м) вне лопастей:
а – на неравномерность смеси nnL, 0,01%; б – на равномерность смеси VpnL, 0,01%
Равномерность смеси VpnL (0,01%) описывается выражением (рис. 4, б):
. (5)
Увеличение частоты вращения наиболее интенсивно влияет на качество смеси. При частоте вращения менее 500 мин-1 качество смеси резко ухудшается. Наилучшее качество смеси (соответствует технологическим требованиям) при частоте вращения мешалки более 800 мин-1 и длине лопаток лопастей не менее 0,035 м. На исследуемом участке наилучшее качество при длине лопаток вне лопастей 0,06 м и частоте мешалки около 1500 мин-1. В работах [5, 8] были обоснованы параметры мешалки смесителя: n=340 мин-1 и L`=0,06 м. На основании соотношения функции степени для переменных частоты вращения и угла установки лопастей с обоснованными параметрами в функции степени показательной функции рассчитано выражение эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток и частоты вращения (рис. 5):
. (6)
Рис. 5. Влияние частоты вращения мешалки n (мин-1) и длины лопаток L` (м) вне лопастей
на эмпирический коэффициент, учитывающий длину лопаток KnL
Характер изменения значений эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток и частоты вращения, соответствует вышеуказанным тенденциям изменения качества смеси. С улучшением качества смеси числовые значения коэффициента снижаются.
Заключение. Качество приготавливаемой смеси описывается показательной функцией в зависимости от частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя. Увеличение длины лопаток и частоты вращения мешалки повышает качество смеси. С ростом длины лопатки уменьшается улучшение качества смеси. Рекомендуемая длина лопаток вне лопастей составляет 60 мм (75…80 мм с учетом ширины лопастей). Функциональная зависимость эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего длину лопаток, для показательной функции качества смеси имеет вид гиперболы от числовых значений частоты вращения мешалки и длины лопаток порционного смесителя. С ростом частоты вращения и длины лопаток абсолютные величины эмпирического коэффициента интенсивности смешивания, учитывающего влияние длины лопаток, снижаются, постепенно замедляясь.
