Производительность двухспирального смесителя концентрированных кормов

Введение. Стратегическая задача, стоящая перед сельским хозяйством – обеспечение продовольственной безопасности страны. Решение этой задачи невозможно без стабильного функционирования отрасли животноводства, обеспечивающей население в первую очередь мясом и молоком. Производство данной продукции в необходимом объёме требует обеспеченности животноводства качественными кормами, от которых зависит себестоимость производящей продукции, так как в структуре затрат корма занимают значительную долю. Наиболее дорогими являются зерновые концентрированные корма. Поэтому при наличии собственной зерновой кормовой базы целесообразнее их производить непосредственно в хозяйствах, чем закупать у сторонних организаций. Это дополнительно снизит транспортные издержки.

Сухие концентрированные корма готовят из смеси зерновых компонентов и добавок с помощью смесителей, которые разнообразны по конструкции. На практике широко используются шнековые и лопастные смесители [1, 2]. Однако подобные смесители имеют высокую энергоемкость процесса при значительных габаритных размерах, обеспечивающих достаточно хорошую смешивающую способность. Следует заметить, что от качества приготовления концентрированной смеси зависит как расход кормовых компонентов, так и продуктивность сельскохозяйственных животных.

Для приготовления сухих кормовых смесей на фермах находят также применение спирально-винтовые устройства [3, 4, 5, 6]. Различают одно- и двухспиральные смесители. Предпочтительнее последние, отличающиеся компактностью, простотой конструкции. Главное преимущество двухспиральных смесителей – относительно низкие энергетические затраты на приготовление сухих кормовых смесей.

Несмотря на значительное количество имеющихся смесителей, разработка и обоснование смесителя концентрированных кормов, обеспечивающего высокую производительность и однородность приготавливаемой смеси, является важным фактором дальнейшего развития животноводства.

Схема предлагаемого нами смесителя концентрированных кормов, отвечающая вышеуказанным требованиям, представлена на рисунке 1.

Смеситель включает бункер 1, закрепленный над входным окном 3 корпуса 2, который в противоположном конце снабжен выходным окном 4. Внутри бункера установлены в зависимости от количества компонентов концентрированного корма перегородки. Они служат для регулирования соотношения объемов секций в бункере.

На выходе из бункера 1 перед входным окном 3 установлена шиберная заслонка, изменяющая поперечное сечение горловины и соответственно производительность смесителя.

Внутри корпуса 2 размещены концентрич-но две винтовых спирали 5 и 6 большего и меньшего диаметров. Один конец внутренней спирали 6 неподвижно соединен со шлицевой втулкой 7. Она имеет возможность движения по шлицам приводного вала 8, установленного в корпусе смесителя внутри винтовой спирали 6 и полых кулачков 9 и 10. Основания у них с одной стороны выполнены прямыми, а с противоположной – скошенными. При этом своими прямыми основаниями кулачки 9 и 10 зафиксированы на торцах корпуса 1 и втулки шлицевой 7. Это позволяет под воздействием пружины 11, установленной между втулкой шлицевой и выступом на валу, скошенным основаниям кулачков контактировать друг с другом.

Винтовые спирали 5 и 6 смесителя имеют индивидуальные с противоположным направлением вращением приводы 12 и 13 с регулируемой частотой.

Техническая новизна конструкции предлагаемого смесителя концентрированных кормов защищена патентом РФ на изобретение [7].

Ингредиенты комбикорма (компоненты кормосмеси) Feed ingredients (feed mixture components)

Комбикорм (кормовая смесь) Compound feed (feed mixture)

1 – бункер; 2 – корпус смесителя; 3, 4 – входное и выходное окна; 5, 6 – винтовые спирали; 7 – втулка шлицевая; 8 – вал; 9, 10 – кулачки полые; 11 – пружина сжатия; 12, 13 – регулируемый привод

Рисунок 1 – Принципиальная схема двухспирального смесителя

• 1    – bunker; 2 – mixer body; 3, 4 – input and output windows; 5, 6 – helical spirals; 7 – slotted bushing; 8 – shaft;

• 9, 10 – hollow cams; 11 – compression spring; 12, 13 – variable drive

• Figure 1 – Schematic diagram of a double-spiral mixer

При приготовлении концентрированного корма ингредиенты загружают в секции бункера. В пропорции в зависимости от варианта установленных перегородок они через регулируемую щель и входное окно загружаются внутрь корпуса смесителя, и далее витками вращающихся винтовых спиралей движутся в сторону выходного окна с горловиной. При этом за один оборот вала втулка шлицевая совместно со спиралью внутренней совершит под воздействием скошенных оснований кулачков и пружины один осевой возвратно-поступательный ход. При одновременном вращательном и возвратно-поступательном движении спирали с малым диаметром внутри спирали большего диаметра обеспечивается дополнительный сдвиг слоев корма, что улучшает перемешивание компонентов в однородную кормовую смесь. Она далее поступает через выходное отверстие в горловину и выводится из смесителя.

В предлагаемом смесителе для исключения зацеплений и поломок коаксиально расположенных спиралей при совместном их вращении следует выполнять направления подъема винтовых линий внутренней и внешней спиралей противоположными.

При работе смесителя вращение внешней спирали большего диаметра обеспечивает транспортировку кормового материала от входного окна смесителя к выходному. Направление вращения спирали меньшего диаметра может быть любым и зависит от структуры компонентов смеси. Кинематический режим внутренней спирали влияет как на пропускную способность смесителя, так и на однородность приготавливаемой концентрированной смеси.

Методика исследований. Выполнен анализ рабочего процесса смесителя с двумя коаксиально расположенными по всей длине корпуса винтовыми спиралями и сделано теоретическое обоснование влияния на производительность смесителя внутренней спирали, совершающей вращательное и осевое возвратнопоступательное движения. При этом применялись закономерности математики, физики и теоретической механики.

Разрежем корпус перпендикулярным к его осевой сечением. Оно будет представлять две кольцевые площади, из которых, первая, ограниченная диаметрами D1 наружной и D2 внутренней спиралями, а вторая – диаметром внутренней спирали D2 и диаметром вала смесителя d. Соответственно наружная и внутренняя спирали перемещают слои корма или кормовые потоки с кольцевым поперечным сечением.

Формула для производительности смесителя Q будет в виде:

Q = ( Q 1 ± Q 2 ) ,         (1)

где Q₁ , Q ₂ - соответственно пропускная способность наружной и внутренней спиралей, м³/с.

Знак в скобках формулы (1) характеризует направления движения кормовых потоков, осуществляемых отдельными спиралями смесителя. Для эффективности процесса перемешивания компонентов кормовой смеси целесообразно иметь встречные потоки, то есть знак в скобках формулы будет минус. Для обеспечения максимальной производительности смесителя знак в скобках формулы соответственно будет плюс.

Производительности отдельных спиралей смесителя при транспортировании и смешивании кормовых ингредиентов будут:

Q i = Я 1

n ( D - D 2 1.           n ( D 2 - d ² 1

₄             2      z 2       ₄

где Я , Я ₂- средняя осевая скорость частиц при перемещении корма наружной и внутренней спиралями, м/с.

Для максимальной производительности кормовые потоки должны двигаться винтовыми спиралями в одном направлении с одинаковыми средними осевыми скоростями частиц, т.е. Я = Я. Учитывая конструктивную способность разрабатываемого смесителя, эффективность перемешивания будет обеспечиваться за счет осевого возвратно-поступательного пере- мещения с одновременным вращением внутренней винтовой спирали.

Для упрощения записи в последующем теоретическом обосновании параметров смесителя примем, что диаметр вала, расположенного во внутренней спирали, есть доля k от её диаметра, т.е. d = ^D2, а kD = —.

D 2

Определим соотношение производительностей наружной и внутренней спиралей:

= ^k 0 ^,

где k – коэффициент конструктивный, равный k 0 =

k D ²

- 1

1 - k d .

Тогда с учетом формулы (3) выражение (1) для производительности спирального смесителя будет:

Q = (1 + k 0 ) Q 2 .               (4)

При вращении шлицевой втулки с внутренней винтовой спиралью происходит одновременно её осевое перемещение от скошенного основания подвижного кулачка при контакте с неподвижным кулачком. Поэтому будет дополнительная составляющая осевой скорости, перемещающая кормовой материал. При осевом перемещении шлицевой втулки со спиралью происходит одновременное сжатие пружины.

Когда кулачок при вращении пройдет вершину скошенной поверхности кулачка, шлицевая втулка за счёт силы упругости сжатой пружины начнет движение в противоположную сторону в начальное положение. За время одного оборота вала с винтовой спиралью происходит полный цикл возвратно-поступательного движения втулки с внутренней спиралью. При этом перемещение винтовой спирали при её повороте будет складываться из перемещения за счет кулачков в сторону выгрузной горловины ^ и перемещение 5 2 за счет пружины обратно, т.е. 5 (t ) рабочего органа в осевом направлении при знакопеременном движении будет 5 ( t ) = 5 1 + 5 2 .

При возвратно-поступательном движении спирали будет перемещаться кормовой материал, расположенный в зоне контакта витков.

Суммарная средняя осевая скорость Sc (м3/с) перемещения кормового материала внут- ренней вращающейся винтовой спиралью определяется как производная от её перемещения по оси z:

S zc = Z ( t ) = f ^ S² 1 + 5 ( t ) = (^ S 1 1 + 5 ( t ) = ro S + 5 (t ) = S , n + 5 (t ) ,           (5)

V 2п у        V 2п у        2п где го, n - угловая скорость и частота вращения спирали, с-1; S2, 5 - соответственно шаг и осевое смещение винтовой спирали, м.

Так как поворот шлицевой втулки со спиралью вызывает её осевое перемещение вправо на рисунке 1, тогда скорость S1 = 5 (t) можно записать так:

( V A ⁵ i⁽ t ) = 1

V 2 п

у

' roAt I v 2п J

го А

= ^П 2 ^А ,  (6)

2п где A – перемещение шлицевой втулки (высота кулачка) с внутренней винтовой спиралью, м.

Если рассматривать осевое смещение спирали 5 ₂ в процессе её вращения за счет действия возвратной пружины, то оно вызывает колебания рабочего органа. Примем для упрощения исследования, что уравнение гармонических колебаний внутренней спирали от воздействия постоянной вынуждающей силы будет иметь вид

5 ( t ) = A cos ( v t + а ) - f^{2 (} m^{c +} m^K ) g ,  (7)

2                             к где A – смещение (амплитуда) внутренней спирали смесителя, м; v - частота колебаний спирали, с-1; t – продолжительность вращения спирали, с; а - начальная фаза колебаний, град; f – коэффициент трения корма по виткам спи- рали и корпуса; тс mк – масса спирали и кормового материала, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2; k – коэффициент жесткости пружины, Н/м.

Допускаем, что второе слагаемое в выражении (7) есть величина постоянная. Определим производную по времени 5 ₂ ( t ) , которая будет иметь вид

5₂ ( t ) = - A sin( v t + a)v . (8)

За оборот внутренней винтовой спирали кормовой материал переместится вдоль оси на величину, соответствующую шагу S 2 её навивки. Одновременно с этим за счет кулачков корм сместится дополнительно на расстояние А , а при осевом перемещении спирали под воздействием пружины в сторону входного окна кормовой материал вернется назад на величину амплитуды А , равную высоте выступа скоса втулки. Это означает, что за один оборот вала и соответственно внутренней спирали, кормовой материал переместится сначала на расстояние, равное A, а затем на то же расстояние обратно. То есть под воздействием силы упругости пружины спираль будет перемещаться из начальной фазы (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема к расчету

Figure 2 – Scheme for calculation

Из схемы, представленной на рисунке 2, с учетом перемещения материала на величину A A можно записать, что sm а = — . При этом неиз-с вестная величина С на основании теоремы Пифагора будет

С = r 2 2 + A ² = r ₂ 1 + -

V    к ^r 2 J

Используя формулу (9), запишем выра- жение для определения синуса в виде

A sm а = — с

откуда начальная фаза колебаний, фиксирующая положение смещения А , будет а = arcsin а = arcsin

A

r ₂

Совместное решение выражений (8) и (11) позволяет получить смещение корма при движении внутренней спирали за счет силы упругости пружины в виде

5^ ( t ) = - A sin v t + arcsin — r 2^	A	V . (12)
	2 1 + 7 к r 2 J J

Как было ранее сказано, за один оборот внутренней винтовой спирали она выполняет также одно осевое возвратно-поступательное перемещение вдоль вала. Частота осевых колебаний ( v ) будет пропорциональна частоте вращения винтовой спирали. Поэтому v = kn ( k – коэффициент, учитывающий частоту колебаний за поворот спирали) . Конструкцию привода для осевого перемещения спирали можно выполнить по принципу кулачковой предохранительной муфты. Тогда число осевых ходов винтовой спирали будет зависеть от количества кулачков и может быть больше одного за один поворот вала спирали.

В нашем случае, с учетом сказанного выше, выражение (12) примет вид

5 _г ( t ) = - A sin

kn₂t + arcsin

A

r ₂

к

A к r2 J

^kn 2 .

J

С учётом того, что аргумент у синуса должен быть угловым, первое его слагаемое не отвечает этому требованию по размерности. К тому же осевое колебательное движение внутренней винтовой спирали является цикличным и зависит от частоты её вращения. Смеситель является машиной непрерывного действия, поэтому следует от времени колебания спирали перейти к частоте её вращения, ибо она задает, в том числе, колебательный режим работы ра- бочего органа смесителя. Примем, что t есть продолжительность одного оборота спирали

( t = —, c ), за который угол её поворота из- n ₂

менится от нуля до 2 п , что позволит выполнить требование об угловом аргументе синуса. С учетом вышесказанного уравнение (13) (в нашем случае при k=1) будет иметь вид

5 ₂ ( t ) = - A sin 2 п + arcsin

A

■A j

Ввиду того, что тригонометрическая функция синус периодичная, окончательно выражение (14) после упрощения примет вид

5 2 (t ) =

A ²

V r² + A A

ⁿ 2 ^.

Подставив значение скоростей из выражений (15) и (6) в формулу (5), получим среднюю осевую скорость (м/с) движения кормового материала за счет внутренней винтовой спира-

ли смесителя:

^zc

S 2 + A -I

A ²

v -)

n ₂

Как следует из выражения (16), осевая скорость движения частиц корма внутренней винтовой спиралью зависит как от её шага

навивки и радиуса, так и от величины осевого перемещения и частоты вращения.

Опыт эксплуатации спирально-винтовых смесителей показывает, что у различных материалов осевая скорость их перемещения по корпусу не должна превышать ^ zc =0,3-0,5 м/с [8, 9]. Поэтому при выборе шага навивки спирали и её частоты вращения следует учитывать эти рекомендации.

Заменяем радиус внутренней спирали через диаметр в выражении (16) и, подставляя в выражение (4) с учетом формулы (2), получаем общую производительность смесителя концентрированных кормов:

л

Q = S 2 + A

I

—

A ²

7( 0,5 D 2 ) 2 + A ² _v

( k D - k d ) ^!^ n

Представим графические зависимости изменения производительности смесителя от величины перемещения внутренней винтовой спирали, вращающейся с частотой 5 с-1, с уче- том конструктивного коэффициента для внут ренней винтовой спирали диаметром 0,06 и ша гом 0,08 м (рисунок 3).

design factor, k d

A=0,25S2      A=0,5S2      A=0      A=1,0S2

Рисунок 3 – Изменение пропускной способности Q смесителя от конструктивного коэффициента k D при k d = 0,5

Figure 3 – Change in the throughput Q of the mixer from the design factor k D at k d = 0,5

Из графиков следует, что с ростом конструктивного коэффициента kD производительность смесителя повышается, так как увеличивается диаметр внешней винтовой спирали. Следует заметить, что одновременно увеличивается и толщина слоя кормового материала, расположенного в зазоре между винтовыми спиралями. Это может сказаться отрицательно на характеристиках работы смесителя. Так, например, с увеличением диаметра внешней винтовой спирали увеличивается центробежная сила на транспортируемый материал и соответ- ственно его прижатие к внутренней поверхности корпуса смесителя, что ведет к повышению силы трения и энергоёмкости процесса.

Изменение величины осевого перемещения внутренней винтовой спирали незначительно влияют на производительность смесителя. Она при этом несколько увеличивается. Связано это с тем, что при осевом перемещении винтовой спирали к входному окну спираль продолжает вращаться, перемещая корм в обратном направлении. Для практического применения можно порекомендовать величину перемещения A = 0,25 S. , при этом значении производительность смесителя будет максимальной.

При выборе диаметра внешней спирали не целесообразно применять диаметр спирали смесителя более 0,1 метра из-за больших градиентов скоростей [9, 10]. Принимая во внимание проведенные исследования, можно окончательно порекомендовать значения коэффициента конструктивного kD=1,5–2,0. При этих значениях диаметр внутренней спирали будет D2 = 0,05–0,06 м. Коэффициентkd , учитывающий долю вала от диаметра внутренней спира- ли, для большей производительности смесителя должен быть минимальным и выбирается из условия прочности, с учетом изгибающего и крутящего моментов, действующих на вал. Принимать данный показатель менее 0,5D2 не рекомендуется, так как возникнут сложности с размещением вала и полых кулачков.

Важным фактором, обеспечивающим работоспособность смесителя, является правильность выбора жесткости возвратной пружины. Для осевого перемещения внутренней винтовой спирали сила упругости пружины ( F ) должна преодолеть силы сопротивления, которыми являются силы трения между витками спирали и корма при её вращении и осевом перемещении, между слоями корма в межвитковом пространстве при сдвиге, а также силы трения в шлицевом соединении при перемещении втулки и в полых кулачках при осевом смещении винтовой спирали. Определить точно эти силы достаточно трудно, проще найти силы сопротивления, исходя из проведенных исследований. Используя производительность внутренней спирали, имеем

F c = Q 2 Y^ zc + ^fQ 2 Y^ zc sin ^в cos ^e + f 2 m c g =

( A ²

1 + k о к - J

1 +

к

fr A ' ( я т ₂)² + A ² J

⁺ f 2 m c g = ^{kA ,}

где ү- объёмная масса смешиваемого корма, кг/м3; f – коэффициент трения между поверхностями кулачков; в - угол наклона скошенного основания кулачков к осевой винтовой спирали, град.

Здесь осевое перемещение х=А . Находим из формулы (18) значение коэффициента жесткости пружины:

к =

е ү . 2. Г   а₌ )Г 1₊_ t ^M 1₊ f 2 m c g

• ^{1    + к} о к V r ² + A ² Jk A ^{( n r} 2 ) ⁺ A J A

  
  

Данная формула позволяет в зависимости от пропускной способности и величины осевого перемещения винтовой спирали определить жесткость возвратной пружины.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на лабораторное подтверждение результатов теоретических предпосылок по обоснованию параметров двухспирального смесителя концентрированных кормов.

Выводы. Предложена конструкция смесителя концентрированных кормов с двумя кон-центрично установленными вдоль корпуса винтовыми спиралями. Оригинальным решением является одновременное вращательное и осевое возвратно-поступательное движение внутренней винтовой спирали. Эта особенность позволяет активно сдвигать слои корма при их движении, что значительно повышает эффективность процесса смешивания.

Теоретически определено влияние внутренней винтовой спирали на общую производительность смесителя. Выявлено, что с увеличением коэффициента конструктивного kD, который обозначает отношение диаметров винтовых спиралей, производительность смесителя повышается. Диапазон изменения конструктив- ного коэффициента должен быть kD=1,5–2,0. При этом диаметр внешней спирали из-за значительного скоростного градиента не следует принимать более 0,1 метра. Влияние перемещения внутренней спирали А на производительность при этом незначительно. Рекомендуется высоту выступа скошенного основания кулачка, обеспечивающего осевое смещение внутренней винтовой спирали, принимать равным A= 0,25S2. При этом значении производительность смесителя максимальна.

Предложена формула для выбора коэффициента жесткости пружины, обеспечивающей работоспособность смесителя.

Применение предложенного смесителя позволит готовить концентрированные корма для животных, отвечающие зоотехническим требованиям по однородности.

Результаты теоретических исследований могут быть использованы при обосновании параметров смесителя с двумя коаксиально размещенными вдоль корпуса винтовыми спиралями.