Влияние конструктивных и кинематических параметров на энергоёмкость процесса в наклонном шнековом смесителе

УДК 631.363.7                                             

Введение. Актуальной задачей при проектировании нового кормоприготовительного оборудования является обеспечение более низкой себестоимости приготовления кормов [1–3]. Для этого необходимо снизить энергоёмкость процессов при сохранении необходимого качества комбикорма. Качественное приготовление кормосмеси наиболее целесообразно выполнять смесителем периодического (порционного) действия [4, 5]. Среди них широкое распространение получили смесители с лопастными и шнековыми рабочими органами [6]. Это обусловлено тем, что состав комбикорма характерен наличием сухого измельчённого зерна (более 90%), не изменяющего своих свойств в процессе смешивания с добавками. То есть реологические свойства смеси можно считать неизменными в течение всего опыта [7].

Одной из перспективных моделей циркуляционных смесителей является модель с наклонным бункером, внутри которого установлены один или два шнековых рабочих органа. При этом снижение энергоемкости процесса достигается вследствие того, что принудительная подача смешиваемого материала на верхнем горизонтальном уровне заменяется гравитационным его осыпанием из верхней части бункера [8]. В отличии от горизонтальных смесителей, фактическое отсутствие «придавливающих» слоёв корма в верхней части шнека значительно улучшает диффузионное перемешивания продукта [9]. Интенсивное движение материала и выровненный гранулометрический состав сырья, при применении современных дробилок [10, 11], позволяет минимизировать возникающие при осыпании эффекты сегрегации [12].

Материалы и методы. Экспериментальные исследования проводили на наклонном одновальном шнековом смесителе кормов периодического действия АКМ-3, разработанном в АНЦ «Донской». Смеситель кормов АКМ-3 (рис. 1) вместимостью 2,5 м 3 предназначен для получения однородной смеси из сухих измельченных компонентов (зерновое, мучнистое, белково-минеральное сырье) при порционном (периодическом) режиме работы. Он состоит из рамы, корпуса со смесительной камерой, в которой размещен вал со спиральной ленточной противоточной навивкой (шнек), и лопастями в верхней части бункера. Предусмотрена возможность установки корпуса на тензометрические датчики.

Рис. 1. Общий вид наклонного одношнекового порционного смесителя

Машиностроение и машиноведение

В таком смесителе при вращении вала перемещение групп частиц материала из одного места в другое (конвективное смешивание) с наклонным бункером осуществляется в процессе транспортирования его шнеком в верхнюю часть наклонного бункера и гравитационного осыпания материала в нижнюю часть бункера. Поэтому основным преимуществом наклонного смесителя, по сравнению с вертикальными и горизонтальными, является отсутствие мёртвых зон между рабочими органами и стенками смесительной камеры [13].

В качестве критериев, характеризующих эффективность смешивания, были приняты неравномерность распределения контрольного ингредиента в смеси и удельная энергоемкость процесса. В качестве основного ингредиента (наполнителя) смеси в экспериментах использовали измельченную пшеницу влажностью не более 15% с насыпной плотностью 750 кг/м 3 . В результате приготовили двухкомпонентную смесь в составе: измельченная пшеница — 99%, измельченная поваренная соль — 1% (по массе).

В качестве контрольных ингредиентов для определения неравномерности смешивания использовали измельченную поваренную соль. Её распределение определяли, отбирая по 20 проб массой 50 г каждая из различных точек смесительной камеры, после завершения смешивания [14]. Отбор конкретной пробы производился по ГОСТ 13 496.0–80. Содержание сухого контрольного компонента (поваренной соли) в пробах определяли ионометрическим методом по ГОСТ 13 496.1–98. В качестве показателя неравномерности смешивания использовали коэффициент вариации фактического распределения контрольного компонента в пробах ν , % ( y ₁).

Удельную энергоемкость процесса смешивания N уд ( y 2 ) определяли как общую энергоемкость, отнесенную к массе кормосмеси, измеряемую посредством трехфазного электрического счетчика [15].

Частоту вращения вала смесителя изменяли частотным преобразователем DELTAVFd-075E путем изменения частоты тока асинхронного электродвигателя.

При проведении эксперимента был реализован трёхуровневый план второго порядка. Опыты при реализации плана проводили в трехкратной повторности [16,17]. План проведения экспериментов предусматривал варьирование четырьмя независимыми факторами, влияющими на процесс смешивания (таблица 1).

Установлено, что значимость показателя неравномерности смешивания значительно выше, чем у последнего фактора, который должен рассматриваться как вспомогательный.

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

Фактор	Кодированное обозначение	Диапазон варьирования	Интервал варьирования
Частота вращения вала, мин– 1	x 1	20–40	10
Коэффициент заполнения камеры смесителя	x 2	0,4–0,6	0,1
Продолжительность (время) смешивания, мин	x 3	2–6	2
Угол наклона смесительной камеры, град	х 4	15–35	10

Результаты исследования. После обработки результатов экспериментов были получены уравнения регрессии в закодированном виде и определены соответствующие коэффициенты корреляции:

у1= 4,06 – 0,96х1 + 0,29х2 + 0,16х3 – 0,88х4 – 0,14х1х2 – 0,19х1х3 +0,54х1х4 + 0,28х2х3 – 0,39х2х4 – 0,20х3х4 + 0,56х21+ 0,27х22+ 0,34х23 + 0,64х23, коэффициент корреляции R1 = 0,9607;

у2= 2,26 + 0,99х1 + 0,42х2 – 0,07х3 – 0,28х4 + 0,22х1х2 – 0,15х1х3 +0,35х1х4 + 0,13х2х3 + 0,47х2х4 – 0,08х3х4 + 0,73х21+ +0,37х22 + 0,14х23 + 0,84х23, коэффициент корреляции R2 = 0,9781.

Адекватность модели оценивали по критерию Фишера. Табличное значение критерия Фишера с уровнем значимости Δ=0,05 равно F =2,8. Значение критерия Фишера в моделях: неоднородность смешивания

F =2,51; энергоемкость процесса смешивания F =2,65. Сравнение расчетных значений с табличными показало, что расчетные их значения меньше табличных. Следовательно, регрессионные модели адекватно описывают исследуемый процесс. Экспериментальные значения критерия Кохрена не превышают табличных. Дисперсии являются однородными.

Переходя от кодированных значений факторов ( Х 1 , Х 2 , Х 3 , Х 4 ,) к натуральным ( n , k , t ,φ), получили зависимости показателей неравномерности смешивания (δ, %) и энергоемкости процесса смешивания ( N , кВт·ч) от основных факторов в следующем виде:

– неравномер6ность смешивания:

δ = 3,76 + 11 n – 0,15 k – 1,02 t – 2,35φ + 16 nk – 21 nt – 59 n φ – 0,06 kt + 0,98 k φ + 2,35 t φ + 2,15 n² + 4,33 k ² + 3,65 t ² +0,75 I² ;

– энергоемкость процесса смешивания:

N = 2,19 + 23 n + 4,13 k + 6,25φ – 13 nk – 3,4 n φ – 5,23 k φ + 0,99 n² + 0,48 k ² + 0,39φ ² .

В результате обработки экспериментальных данных построены графические зависимости критериев оптимизации от уровня варьирования факторов, представляющие собой совмещенные двумерные сечения поверхностей отклика второго порядка.

На рис. 3 и 4 показаны некоторые двумерные поверхности отклика влияния факторов на процесс смешивания. В частности, показаны зависимости влияния частоты вращения вала и коэффициента заполнения смесительной камеры на неравномерность смешивания и энергоёмкость процесса.

Рис. 3. Влияние частоты вращения вала и коэффициента заполнения смесительной камеры на неравномерность смешивания

Рис. 4. Влияние частоты вращения вала и коэффициента заполнения смесительной камеры на энергоёмкость процесса смешивания

Машиностроение и машиноведение

В результате проведенных исследований определены рациональные значения параметров и режимов работы наклонного одновального порционного смесителя вместимостью 2,5 м 3 со шнековым рабочим органом при приготовлении кормосмесей, отвечающие зоотехническим требованиям по неравномерности смешивания при условии минимальной энергоемкости процесса. Рациональными значениями для достижения неравномерности смешивания не более 5% являются: частота вращения вала n = 27,5–36,5 мин -1 ; коэффициент заполнения смесительной камеры k = 0,43–0,51; продолжительность смешивания t = 3–4,2 мин; угол наклона смесительной камеры φ = 22–25°. При этом энергоёмкость процесса составила от 2,08 до 2,16 кВт·ч/т.

Помимо этого, в результате экспериментальных исследований установлена наименьшая неоднородность смешивания 3,2 % при следующих режимах и параметрах смесителя: частота вращения вала n=35 мин-1; коэффициент заполнения смесительной камеры k=0,5; продолжительность смешивания t=3 мин; угол наклона смесительной камеры φ=30°. При этом энергоёмкость процесса составляла 2,2 кВт·ч/т. Наименьшая энергоёмкость 2,1 кВт·ч/т при неоднородности смешивания 5% достигается при следующих значениях параметров и режимов работы смесителя: частота вращения вала n=30 мин-1; коэффициент заполнения смесительной камеры k=0,55; продолжительность смешивания t= 3 мин.; угол наклона смесительной камеры φ=25°.

Обсуждение и заключения. Зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований, позволили установить области рациональных конструктивных параметров и режимов наклонного одновального шнекового смесителя периодического действия. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технических средств для производства комбикормов, а также для модернизации существующих комбикормовых производств с целью увеличения их энергоэффективности.