аспирант
, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
Пенза, Пензенская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Цель исследований – обоснование конструктивных параметров барабанного смесителя для улучшения распределения компонентов в объёме смеси с учетом энергозатрат. Получение смесей с за-данными параметрами как для агропромышленного комплекса, так и в строительстве актуально. Для эффективного использования кормов применяют смеси кормовых компонентов. Рассыпные смеси из сы-пучих компонентов – наиболее распространенные и используемые. Один из наименее энергозатратных видов смесителей – устройство с вращающейся емкостью – барабанный смеситель. Методика преду-сматривала проведение экспериментальных исследований и последующую статистическую обработку результатов с получением уравнений регрессии. Выявлены степенная и полиноминальная зависимости потребляемой мощности от высоты и количество лопастей, от углов установки нижнего и верхнего крыльев лопастей. Изменение потребляемой мощности незначительно, оно укладывается в зону ра-ботоспособности электродвигателя привода мощностью 1 кВт. Влияние высоты лопастей в интер-вале 0,125…0,175 м на затраты мощности несущественно. Более существенно влияние количества лопастей. По мере увеличения количества лопастей потребляемая мощность снижается на 18%. При количестве лопастей более шести потребляемая мощность не снижается. Изменение угла уста-новки нижнего крыла лопасти относительно касательной в интервале 30…40 градусов также несуще-ственно изменяет потребляемую мощность. Дальнейшее увеличение (до 55 градусов) этого угла не-значительно увеличивает ее значение (до 2%). Изменение угла установки верхнего крыла лопасти относительно касательной в интервале 0…45 градусов изменяет мощность менее, чем на 1%. Наибольшая потребляемая мощность соответствует углу установки верхнего крыла лопасти отно-сительно касательной = 10…20 градусов.
смеситель, лопасть, поверхность, привод, мощность
Получение смесей с заданными параметрами как для агропромышленного комплекса, так и в строительстве весьма актуально. В процессе ремонта и реконструкции сельскохозяйственных объектов имеется необходимость получения строительных смесей [1]. При высеве кормовых культур используют зерновые смеси [2]. Для эффективного использования кормов и получения животных высокой продуктивности также применяют смеси, но уже кормовых компонентов [3, 4, 5, 6]. Одним из наиболее распространенных и используемых видов смесей являются рассыпные смеси из сыпучих компонентов [4]. Одним из наименее энергозатратных видов смесителей являются устройства с вращающейся емкостью – барабанные смесители [5, 6]. С целью ускорения распределения компонентов во всем объеме смеси ученые и практики разрабатывают и исследуют различные конструкции рабочих органов [7, 8]. Одними из эффективных рабочих органов являются Г-образные лопасти, расположенные внутри емкости смесителя [8].
Цель исследований – обоснование конструктивных параметров барабанного смесителя для улучшения распределения компонентов в объёме смеси с учетом энергозатрат.
Задача исследований – изучить влияние конструктивных параметров лопастей барабанного смесителя на величину потребляемой мощности.
Материалы и методы исследований. Методика предусматривала проведение экспериментов и последующую статистическую обработку результатов с получением уравнения регрессии [9, 10]. Повторность измерения мощности – десятикратная. Среднее значение по замерам использовалось при моделировании. Замеры производили комплектом измерительным К505. При проведении исследований во вращающийся барабан смесителя загружали корм заданной массы, и по истечении 2 минут осуществляли замер мощности. Фиксации подлежала медиана интервала колебаний числовых значений. При проведении исследований изменяли: высоту лопасти, количество лопастей, углы установки крыльев Г-образной лопасти [7, 8]. Интервалы изменения факторов представлены на графиках исследований мощности. Внешний вид барабанного смесителя с модернизированными лопастями представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Исследуемый модернизированный барабанный смеситель с Г-образными лопастями
Результаты исследований. Априорно предполагалось для описания функции потребляемой мощности 
, кВт, использовать полиноминальную зависимость типа
, (1)
где 
– эмпирические коэффициенты уравнения регрессии, определяемые на ЭВМ методом минимизации средних квадратических отклонений;
h – высота лопасти, м;
Z – количество лопастей, шт.;
b – угол установки нижнего крыла лопасти относительно касательной в месте ее установки, град.;
g – угол установки верхнего крыла лопасти относительно касательной в месте ее установки, град.
В результате аппроксимации результатов получено уравнение регрессии для определения потребляемой мощности:
. (2)
Результаты расчетов (F-test = 0,748, корреляционное отношение Rо = 0,924) свидетельствуют о неадекватности модели. Это также подтверждают графики распределения величин ошибок (рис. 2) и соответствия расчетных значений полученным опытным данным (рис. 3).
Рис. 2. Распределение величин ошибок
Рис. 3. Соответствие расчетных значений опытным значениям
Поскольку указанная полиноминальная модель неадекватно описывает результаты замеров, сделана попытка получения степенной модели, учитывающей высоту лопастей и их количество. Для этого использована выборка из исходной матрицы.
В результате получена зависимость потребляемой мощности, кВт, от высоты и количества лопастей (рис. 4):
. (3)
Результаты расчетов (F-test = 0,965, коэффициент корреляции R = 0,987) свидетельствуют об адекватности модели. Поэтому данную модель используем в качестве основы для получения более сложной модели.
Рис. 4. Поверхность отклика мощности привода барабанного смесителя P, кВт,
от высоты лопастей h, м, и их количества Z, шт.
В результате повторной аппроксимации, теперь уже по всем данным матрицы результатов эксперимента, получена зависимость потребляемой мощности, кВт, от конструктивных параметров и количества лопастей:
(4)
.
Результаты расчетов (F-test = 0,938, коэффициент корреляции R = 0,977) свидетельствуют об адекватности модели. Это подтверждают как графики распределения величин ошибок (рис. 5), так и соответствие расчетных значений полученным опытным данным (рис. 6).
Рис. 5. Распределение величин ошибок
Рис. 6. Соответствие расчетных значений опытным значениям
C использованием выражения (4) и программы MathCAD было осуществлено моделирование потребляемой барабанным смесителем мощности. Графический анализ изменения мощности представлен на рисунках 7 и 8.
Рис. 7. График линий равного выхода для модели мощности барабанного смесителя P (кВт)
от углов установки нижнего b и верхнего g крыльев лопасти относительно касательной, град.
Изменение угла b установки нижнего крыла лопасти относительно касательной в месте закрепления лопасти в интервале 30…40 градусов несущественно изменяет потребляемую мощность. Дальнейшее увеличение (до 55 градусов) этого угла незначительно увеличивает ее значение (до 2%). Изменение угла g установки верхнего крыла лопасти относительно касательной в месте закрепления лопасти в интервале 0…45 градусов еще меньше изменяет величину мощности (около 1%). Наибольшая мощность соответствует углу установки верхнего крыла лопасти относительно касательной в месте закрепления лопасти g = 10…20 градусов.
Влияние высоты лопастей в интервале 0,125…0,175 м на потребляемую мощность несущественно. С ростом высоты лопасти мощность повышается незначительно. Более существенно влияние количества лопастей. По мере увеличения количества лопастей потребляемая мощность снижается на 18%. При количестве лопастей более шести потребляемая мощность не снижается.
Рис. 8. Линии равного выхода для зависимости мощности барабанного смесителя P, кВт,
от высоты h, м, лопастей и их количества Z, шт.
Интервал изменения потребляемой мощности незначителен и укладывается в зону работоспособности электродвигателя привода мощностью 1,0 кВт.
Заключение. Интервал изменения потребляемой мощности незначителен и укладывается в зону работоспособности электродвигателя привода мощностью 1 кВт. Влияние высоты лопастей в интервале 0,125…0,175 м на потребляемую мощность несущественно. С ростом высоты лопасти мощность повышается незначительно. Более существенно влияние количества лопастей. По мере увеличения количества лопастей потребляемая мощность снижается на 18%. При количестве лопастей более шести потребляемая мощность не снижается. Изменение угла b установки нижнего крыла лопасти относительно касательной в месте закрепления лопасти в интервале 30…40 градусов несущественно изменяет потребляемую мощность. Дальнейшее увеличение угла b (до 55 градусов) увеличивает ее незначительно (до 2%). Изменение угла g установки верхнего крыла лопасти относительно касательной в месте закрепления лопасти в интервале 0…45 градусов еще меньше изменяет величину мощности (около 1%). Наибольшая мощность потребляется при угле установки верхнего крыла лопасти g = 10…20 град. относительно касательной в месте закрепления лопасти.
1. Бормотов, А. Н. Методика представления композиционного материала как объекта исследования и мо-делирования / А. В. Бормотов, Е. А. Колобова, Ю. В. Конопацкий // Региональная архитектура и строитель-ство. – 2012. – № 3. – С. 44-51.
2. Сыроватка, В. И. Система машин для приготовления комбикормов в хозяйствах / В. И. Сыроватка, Н. В. Жданова, А. Д. Обухов // Техника и технологии в животноводстве. – 2020. – № 1(37). – С. 24-31.
3. Сыроватка, В. И. Ретроспективный анализ и перспективы развития машинных технологий производ-ства комбикормов / В. И. Сыроватка // Механизация и автоматизация процессов в животноводстве : сбор-ник статей. – Москва : Российский НИИ информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению АПК, 2019. – С. 35-81.
4. Сыроватка, В. И. Научные основы ресурсосбережения при производстве комбикормов в хозяйствах / В. И. Сыроватка, Н. В. Обухова // Научные труды ГНУ ВНИИМЖ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ. – 2010. – № 3. – С. 3-12.
5. Булатов, С. Ю. Смеситель ферментер для кормов / С. Ю. Булатов, Н. В. Оболенский, А. И. Свистунов // Сельский механизатор. – 2014. – № 14. – С. 26-27.
6. Ведищев, С. М. Технология получения комбикормов в хозяйствах / С. М. Ведищев, А. В. Прохоров, А. С. Ткачев [и др.] // Инновационные подходы к разработке технологий производства, хранения и перера-ботки продукции растениеводческого кластера : сборник статей Всероссийской научно-практической кон-ференции. – Мичуринск, 2020. – С. 144-149.
7. Димитриев, Н. В. Моделирование рабочего процесса барабанного смесителя и теоретическое обосно-вание его параметров / Н. В Димитриев, В. В. Коновалов, В. П. Терюшков [и др.] // Известия Самарской госу-дарственной сельскохозяйственной академии. – 2017. – №1. – С. 42-49.
8. Терюшков, В. П. Функциональная модель барабанного смесителя / В. П. Терюшков, А. В. Чупшев, В. В. Коновалов, Ю. В. Родионов // Перспективы развития аграрных наук : сборник статей Международной научно-практической конференции. – Чебоксары, 2019. – С. 108-110.
9. Fudin, K. Study of drum mixer operation during feed mixture preparation / K. Fudin, V. Teruchcov, P. Savinykh [et al.] // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. – 2020. – 488. – 012016.
10. Fudin, K. Regression model of the influence of the height of drum mixer blades on the quality of mixture / K. Fudin, V. Konovalov, V. Zaitsev, V. Teryushkov // E3S Web of Conferences. – 2020. – 175. – 05047.
