Results of experimental studies of mixing process in a horizontal ribbon mixer

Full Text

Введение В настоящее время комбикормовая промышленность развивается по двум направлениям: 1) наращивание мощностей крупных комбикормовых предприятий; 2) разработка и совершенствование малогабаритных установок для приготовления комбикормов в условиях хозяйств из местного сырья с использованием покупных добавок [1]. Второе направление наиболее актуально и перспективно. При этом лучше сохраняются питательные свойства местного фуражного сырья и повышается качество производимых комбикормов, сокращаются объемы перевалочных внутрискладских операций, а также продолжительность хранения готовой продукции. Для реализации преимуществ приготовления комбикормов в условиях хозяйств необходимы надежные, простые в эксплуатации и сравнительно недорогие размольно-дозировочно-смесительные агрегаты и установки, которые позволяют не только производить концентрированные смеси из местного сырья и покупных добавок, но и обогащать комбикорма витаминами и добавками непосредственно перед скармливанием. Анализ смешивающих устройств, наиболее распространенных в России, показал, что наличие на рынке огромного количества этих агрегатов не позволяет отдать предпочтение одному из них. Все они имеют свои достоинства и недостатки. В связи с этим разработка смесителя компонентов для производства комбикормов с низкой энергоемкостью процесса и высоким качеством получаемой продукции - важная научно-техническая задача. Цель исследования Цель исследования - совершенствование технологического процесса приготовления кормовых смесей в горизонтальном ленточном смесителе за счет повышения качества смешивания и снижения энергоемкости рабочего процесса. Материалы и методы Экспериментальные исследования проведены с использованием компьютера, контрольно-измерительных устройств и приборов по ГОСТ 15.101-98 [2]. В НИИСХе Северо-Востока разработан горизонтальный ленточный смеситель (рис. 1, а). Он состоит из бункера с комбинированным шнеком внутри. Шнек представляет собой вал, на котором установлены ленточные шнеки: внешний диаметром D, средний диаметром 3/4D и внутренний диаметром 2/5D. Шаг ленточных шнеков также различается и выбран с учетом одинакового перемещения объема материала каждым шнеком в своем направлении (рис. 1, б) [3]. Способ приготовления сбалансированных комбикормов защищен патентом РФ № 2563689, а конструкционно-технологическая схема горизонтального ленточного смесителя - патентом РФ № 2488434 [4, 5]. Для исследования качества смешивания компонентов комбикорма и оценки энергоемкости рабочего процесса разработана лабораторная установка (рис. 2), состоящая из смесителя, решетного сепаратора, норий, накопительных бункеров и шнеков. Установка работает следующим образом. Основной компонент (зерно) из бункера 5 и контрольный компонент (горох) из бункера 6 поступают по шнекам 7 и 8 соответственно в горизонтальный ленточный смеситель 1, где происходит смешивание материала. Затем проводится отбор проб в 27 точках по всему объему смесителя (рис. 3). После отбора проб материал по шнеку 9 поступает на решетный сепаратор 2 и разделяется на две фракции - основной и контрольный компоненты, которые по нориям 4 и 3 поступают в накопительные бункеры 5 и 6 соответственно. Лабораторная установка позволяет изменять количество основного материала и контрольного компонента при каждом опыте, а также разделять смесь на фракции для проведения дальнейших исследований. На рис. 3 представлена схема отбора проб в горизонтальном ленточном смесителе. Отбор проб проводился по ГОСТ Р ИСО 6497-2011 [6], согласно которому для нештучной продукции количество отбираемых наугад точечных проб при массе партии до 2,5 т должно составлять не менее 7. В рассматриваемом случае для изучения процесса смешивания количество точек отбора проб равно 27. Отбор проб в различных точках смесителя позволяет оценить равномерность распределения ключевого компонента по всему объему смеси и эффективность работы каждого ленточного шнека. Также появляется возможность выявить застойные зоны в готовом продукте и принять меры для их устранения. При проведении исследований в качестве основы использована смесь, состоящая из 80% ячменя и 20% ржи, с удельной плотностью 0,742 т/м3, в качестве контрольного компонента - горох с удельной плотностью 0,812 т/м3. Экспериментально установлено, что если какой-то компонент распределен в смеси равномерно, то и другие компоненты распределены равномерно. О гомогенности многокомпонентной смеси можно судить по равномерности распределения в ней одного-двух ключевых компонентов [7]. Эффективность смешивания определяют на основе статистических характеристик смеси. Такой характеристикой служит коэффициент однородности вариации распределения ключевого компонента в смеси, физический смысл которого заключается в том, что он измеряет среднее квадратическое отклонение доли контрольного компонента в единице среднего значения случайной величины [7]: где - текущее значение наблюдаемой величины; - среднее арифметическое значение наблюдаемой величины; - число проб. Результаты и их обсуждение Для установления оптимальных конструкционных параметров смесителя после реализации однофакторных экспериментов проведены исследования с использованием методики планирования многофакторного эксперимента. В качестве исследуемых факторов по результатам однофакторных экспериментов выбраны: х1 - количество основного компонента, кг; х2 - количество контрольного компонента, кг; х3 - время смешивания, мин. В качестве критериев оптимизации выбраны показатели: y1 - коэффициент однородности смеси n, %; y2 - затраченная на опыт мощность W, Вт; y3 - пропускная способность Q, т/ч; y4 - удельные энергозатраты, кВт·ч/т. При испытаниях реализована матрица плана Бокса-Бенкина (см. таблицу). Матрица плана Бокса-Бенкина, интервалы и уровни варьирования факторов Параметры Факторы Количество основы х1, кг Количество контрольного компонента х2, кг Время смешивания х3, мин Верхний уровень (+) 900 150 8 Основной уровень (0) 750 100 6 Нижний уровень (-) 600 50 4 В качестве контрольного компонента выбран горох. Его содержание в комбикормах и кормовых смесях рационов составляет для крупного рогатого скота: коровы и откорм - до 15%, телята до 6 месяцев - до 6%, молодняк - до 10-15%, быки-производители - до 5%; для свиней: взрослые - до 15-20%, поросята до 2 месяцев - до 5%, поросята от 2 до 4 месяцев - до 10%, при откорме - до 20%; для овец: взрослые - до 10%, ягнята - до 5%; для лошадей - до 10%; для птицы: взрослые куры, утки, гуси, индейки - до 12%, молодняк - до 10% (по массе) [8]. На основании этих данных выбраны уровни варьирования контрольного компонента в общем объеме смешиваемого материала от 50 до 150 кг, что для разных видов и групп животных и птицы составляет от 5 до 15% от общего количества материала, находящегося в бункере смесителя при проведении исследований. Реализация многофакторного эксперимента позволяет получить приближенные математические модели процесса, которые увязывают воедино все учтенные факторы. Экспериментальные исследования позволяют определить численные значения коэффициентов уравнений регрессии, по величине которых можно оценить степень влияния соответствующих факторов. Результаты экспериментальных исследований обработаны на компьютере, и получены следующие уравнения регрессии (незначимые факторы исключены): y1 = 79,76 - 11,87x1 - 2,42x3 - 8,08x12 + 2,12x1 x3 - 2,14x32; (1) y2 = 885,22 + 53,71x1 + 30,79x2 + 300,88x3 + 18,91x12 - 6,12x1∙x2 + 21,17x1∙x3 + 13,7x2∙x3 ; (2) y3 = 5,1 + 0,91x1 + 0,3x2 - 1,06x3 - 0,18x1∙x3 - 0,06x2∙x3 + 0,2125x32 ; (3) y4 = 1,732 - 0,213x1 - 0,045x2 + 0,358x3 + 0,078x12 - 0,037x1x3 + 0,005x22 . (4) Проверку значимости уравнений регрессии (1)-(4) проводили по критерию Фишера, который отражает то, насколько хорошо эта модель объясняет общую дисперсию зависимой переменной. Для проверки значимости уравнений (1)-(4) вычисленное значение критерия Фишера сравнивали с табличным на выбранном уровне значимости 0,05. Если рассчитанный критерий Фишера выше табличного, то объясненная дисперсия существенно больше, чем необъясненная, и модель можно считать значимой [9]. Проверку статистической значимости параметров регрессионных уравнений (1)-(4) (коэффициентов регрессии) выполняли по t-критерию Стьюдента. Рассчитанное значение критерия Стьюдента сравнивали с его табличным значением при выбранной доверительной вероятности 0,95. Если вычисленное значение критерия Стьюдента выше табличного, то коэффициент регрессии можно считать значимым с данной доверительной вероятностью. В противном случае есть основания для исключения соответствующей переменной из регрессионной модели [10]. Анализ уравнений регрессии на основании значимости коэффициентов регрессии позволяет сделать вывод о том, что количество контрольного компонента в смеси x2 незначительно влияет на рассматриваемые критерии оптимизации. На коэффициент однородности смеси n наибольшее влияние оказывает количество основы в смесителе x1. На затраченную на опыт мощность W, пропускную способность Q и удельные энергозатраты q наибольшее влияние оказывает время смешивания материала x3. Анализ уравнений регрессии (1)-(4) и двумерных сечений поверхностей отклика (рис. 4) позволяет сделать следующие выводы. Из рис. 4, а видно, что при уменьшении количества основы смеси x1 с 900 до 650 кг и времени смешивания x3 с 8 до 4 мин при содержании контрольного компонента x2 = 150 кг происходит увеличение однородности смеси n с 62 до 86,1% и снижение пропускной способности смесителя Q с 7,2 до 5,6 т/ч. Максимальное значение коэффициента однородности готового продукта n = 86,1% достигается при количестве основы x1 = 620 кг, контрольного компонента в смеси x2 = 146 кг, времени смешивания x3 = 4 мин, при этом пропускная способность составит Q = 5,6 т/ч. Анализ рис. 4, б показывает, что при уменьшении количества основы в смеси x1 с 900 до 650 кг и времени смешивания x3 с 8 до 4 мин при содержании контрольного компонента x2 = 150 кг происходит увеличение однородности смеси n с 62 до 86,1% и снижение удельных энергозатрат q с 1,9 до 1,6 кВт·ч/т. При максимальном значении коэффициента однородности готового продукта n = 86,1% величина удельных энергозатрат составляет q = 1,6 кВт·ч/т. Анализ рис. 4, в показывает, что при уменьшении количества основы в смеси x1 с 900 до 650 кг и контрольного компонента x2 со 150 до 50 кг при времени смешивания x3 =4 мин уменьшается затрачиваемая на опыт мощность W с 640 до 547,5 Вт и повышается однородность смеси n с 60 до 86,1%. По рис. 4, г можно сделать вывод о том, что при увеличении массы основы смеси x1 с 650 до 900 кг при времени смешивания x3 = 4 мин и массе контрольного компонента x2 = 50 кг увеличивается затрачиваемая на опыт мощность W с 547,5 до 640 Вт и снижаются удельные энергозатраты q с 1,64 до 1,24 кВт·ч/т. При увеличении массы контрольного компонента в смеси x2 с 50 до 150 кг при массе основы 600 кг и времени смешивания x3 = 4 мин снижаются удельные энергозатраты q с 1,64 до 1,58 кВт·ч/т. Несмотря на то, что при увеличении массы основы смеси происходит увеличение затрачиваемой на опыт мощности, при этом отмечается снижение удельных энергозатрат, поскольку величина изменения пропускной способности смесителя больше величины изменения затрачиваемой на опыт мощности. По зоотехническим требованиям однородность получаемого корма влажностью 13-15% должна составлять: для свиней - 85%; для птицы - 90%; для крупного рогатого скота - 80% (с вводом карбамида - 90%); комбикормов собственного производства - 90-95% [11]. Таким образом, качество корма, получаемого в горизонтальном ленточном смесителе, соответствует зоотехническим требованиям для кормления крупного рогатого скота и птицы. Выводы По результатам исследований, максимальное значение коэффициента однородности готового продукта составляет n = 86,1%, что соответствует зоотехническим требованиям для кормления крупного рогатого скота и птицы, и достигается при наличии в смеси 620 кг основы и 146 кг контрольного компонента. При этом время смешивания составляет 4 мин, а пропускная способность смесителя Q = 5,75 т/ч при удельных энергозатратах q = 1,55 кВт·ч/т.

About the authors

P. A Savinykh

N.V. Rudnitskiy Zonal Research Institute of Agriculture of the North-East

Email: peter.savinyh@mail.ru
DSc in Engineering Kirov, Russia

N. V Turubanov

N.V. Rudnitskiy Zonal Research Institute of Agriculture of the North-East

PhD in Engineering Kirov, Russia

D. A Zyryanov

N.V. Rudnitskiy Zonal Research Institute of Agriculture of the North-East

Engineer Kirov, Russia

References

Supplementary files