Исследование влияния конструктивно-технологических параметров смесителя - обогатителя концентрированных кормов на энергоемкость процесса смешивания

Введение. Одним из важнейших условий эффективного развития животноводства является укрепление кормовой базы. Комбинированные корма – основной источник питательных веществ, необходимых для развития организма животного и повышения его продуктивности.

Для приготовления высококачественных, сбалансированных кормов в различных условиях производства необходимо оборудование, в частности смесители, которые отвечают целому ряду современных требований [1–3]: смесители должны быть универсальными, обеспечивать возможность обогащения концентрированных кормов премиксами, не измельчать зерно, а также обеспечивать низкую удельную энергоемкость процесса смешивания и иметь высокую технологическую надежность. Нами предпринята попытка создания конструкции смесителя – обогатителя концентрированных кормов, отвечающей предъявленным требованиям, предназначенной для использования в условиях мелкого и среднего хозяйства [4].

Цель исследования: установление рациональных конструктивно-технологических параметров смесителя – обогатителя концентрированных кормов, обеспечивающих минимальную энергоемкость процесса смешивания.

Методы и результаты исследования. Для проведения экспериментальных исследований в соответствии с конструктивной схемой, представленной на рисунке 1, был изготовлен опытный образец смесителя – обогатителя концентрированных кормов (рис. 2).

Рис. 1. Схема смесителя – обогатителя концентрированных кормов

Рис. 2. Внешний вид производственного образца смесителя – обогатителя концентрированных кормов во время проведения экспериментов

Смеситель состоит из рамы 1 , на которой установлена смесительная камера 2 , снабженная выгрузным окном 3 , закрываемая посредством шиберной заслонки 4 . Внутри смесительной камеры находится шнек 5 , размещенный в трубе 6 . Труба 6 снабжена окнами: загрузочным 7 и выгрузным 8 , а также перепускным окном, расположенным в средней части трубы 9 . Окно 9 имеет возможность частично или полностью перекрываться заслонкой 10 , приводимой в действие посредствам ручки 11 , фиксируемой устройством 12 . В верхней части смесительной камеры расположен электромеханический активатор 13 , приводимый в действие от электродвигателя 14 через редуктор 15 . Установка снабжена мотор-редуктором 16, приводящим в действие шнек 5, и загрузочной горловиной 17 .

Работа смесителя осуществляется следующим образом: различные виды концентрированных кормов через горловину 17 засыпаются в рабочую камеру 2 таким образом, чтобы было закрыто окно 9. Далее в работу включается шнек 5 и электродвигатель 14. Шнек забирает концентрированные корма из нижней части корпуса 2 и транспортирует к верхнему окну 8, через которое происходит выгрузка зерна. Зерно поступает на наклонные лопасти электромеханического активатора 13, при этом струйность движения концентрированного корма нарушается, что значительно ускоряет процесс смешивания. После 3–4 циклов циркуляции концентрированного корма смесь приобретает однородные свойства и выгружается через окно 3 при открытии шиберной заслонки 4. При необходи- мости смешивания измельченных видов зерна и обогащении их сыпучими кормовыми добавками используют заслонку 10, которая частично приоткрывается. При этом открывается среднее окно 9, через которое часть зерна из шнека 5 выходит в бункер 2. Таким образом достигаются дополнительные условия смешивания, обеспечивающие высокую однородность компонентов с относительно мелким гранулометрическим составом.

Из априорной информации известно, что на исследовательский процесс наиболее значимое влияние оказывают следующие факторы [5–8]:

• –    частота вращения шнека-смесителя (Х 1 ), об/мин;

• –    угол отклонения шнека от вертикального положения (Х 2 ), град.;

• –    величина открытия перепускного окна (Х 3 ), град.

Критерием оптимизации рабочего процесса смесителя-обогатителя являлась энергоемкость, КВт/ч, которую определяли по следующей формуле: E= N/Q, где Q – производительность смесителя-обогатителя, т/ч; N – мощность, потребляемая электродвигателем, приводящим смесительный шнек, кВт.

Исследования проводили в соответствии с трехуровневым трехфакторным планом проведения опытов второго порядка [9], предусматривающим проведение 27 опытов. Уровни варьирования факторов в процессе исследования выбирали, основываясь на результатах предварительно проведенных опытов, их числовые значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Уровень	Частота Х 1 , мин-1	Угол отклонения шнека Х 2 , град.	Угол раскрытия заслонки Х 3 , град.
Высш. ур. (+1)	70	9	90
Ср. ур. (0)	50	4,5	45
Низ. ур. (-1)	30	0	0

Факторы и уровни их варьирования

Опыты проводились с трехкратной повторностью в каждой точке.

В рабочую камеру смесителя засыпали зерно трех видов (рожь, пшеница, овес) в равном по массе количестве, после чего смеситель приводили в действие. После того как качество приготавливаемой смеси достигало требуемых показателей, из выгрузного окна смесительного шнека отбирали пробу объемом 5 л, при этом замеряли время наполнения емкости приготовленной смесью. Одновременно измеряли мощность, потребляемую электродвигателем смесителя, посредством прибора К-50. Полученные экспериментальные данные подвергали статистической обработке, после чего была построена математическая модель, описывающая исследуемый процесс:

E (X!, X ₂, X ₃) = 2,73 - 0,0413 • X - 0,3206 ■ X ₂ + 0,0023 • X ₃ + 0,0018 ■ X • X ₂ -

- 0,0004 ■ X ₂ ■ X ₃ + 0,0002 • X ,² + 0,0153 ■ X ₂ ² + 0,000003 ■ X ₃ ²

Все факторы оказались значимыми. В среде была проведена оптимизация полученной математической модели, в результате чего установлено, что критерий оптимизации достигает минимума, равного 0,166 (кВт∙ч)/т, внутри области факторного пространства при следующим сочетании факторов (X1 = 70 об/мин; X2 = 7,42°; X3 = 76,3°).

На рисунках 3–5 представлены установленные зависимости критерия оптимизации из двух исследуемых факторов, третий фактор зафиксирован.

Рис. 3. Зависимость энергоемкости процесса E, кВт∙ч/т, от частоты X 1 , об/мин, и угла X 2 , град., при фиксированном значении угла отклонения заслонки X 3 , град., на оптимальном уровне

Рис. 4. Зависимость энергоемкости процесса E, кВт∙ч/т, от угла X 2 , град., и угла отклонения заслонки X 3 , град., при фиксированном значении частоты X 1 , об/мин, на оптимальном уровне

Рис. 5. Зависимость энергоемкости процесса E, кВт∙ч/т, от частоты X 1 , об/мин, и угла отклонения заслонки X 3 , град., при фиксированном значении угла X 2 , град., на оптимальном уровне

Вывод. Анализ полученных зависимостей показывает, что все исследуемые факторы значимо влияют на энергоемкость рабочего процесса смесителя-обогатителя. Наиболее значимое влияние оказывает величина угла отклонения шнека от вертикального положения, о чем свидетельствует максимальное значение величины коэффициента в математической модели. Точное выполнение концепции смесителя-обогатителя в соответствии с результатами эксперимента позволило довести энергоемкость технологического процесса до 0,166 (кВт∙ч)/т.