Сравнительный анализ рабочих органов вибрационного смесителя сыпучих кормов

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Процесс смешивания сыпучих материалов широко используется во многих отраслях для получения различных по назначению и составу смесей. В сельском хозяйстве широкое применение получили сыпучие кормовые смеси. Они представляют собой сочетание частиц различных компонентов корма, внесенных в сыпучую среду в определенных пропорциях и равномерно распределенных во всем ее объеме. Завершающей операцией в процессе приготовления кормовой смеси является смешивание – совокупность процессов направленного формирования однородных по составу, плотности и физико-механическим свойствам систем из набора требуемых компонентов [1, 2].

Однородность смеси имеет большое значение, поскольку суточный рацион, а тем более разовая выдача комбикорма животным, а особенно птице, очень мала. В этом небольшом количестве должны содержаться все вещества, предусмотренные рецептурой комбикорма.

Существует ряд факторов и особенностей, от которых в значительной степени зависит однородность получаемой смеси, и то, насколько организованно будет протекать процесс смешивания в целом.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Повышение однородности сыпучей кормосмеси путем интенсификации процесса смешивания за счет применения лабораторно-экспериментального вибрационного смесителя непрерывного действия со сменными рабочими органами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Классическими отечественными исследованиями [3] доказано, что эффективность процесса смешивания значительно повышается при наложении вибрации, при этом сокращается время достижения максимальной однородности смеси и снижаются затраты энергии на перемешивание. При воздействии вибрации создаются условия для предельного или близкого к нему снижения вязкости смеси, ускорения процессов смешения и контактирования максимального количества частиц. При этом изменяются не только реологические свойства, но и сам характер процесса формирования структуры смесей [4].

В одних случаях вибрация может лишь интенсифицировать основной процесс, а в других – вызывать специфические вибрационные эффекты, которые используются для перемешивания. Процесс перемешивания также сопровождается обнажением дополнительных поверхностей, разрушением когуляционных структур и увеличением диспергирования твердых тел, то есть, по сути, активизацией состояния смеси [1]. Кроме того, особенностью вибрации, как одного из видов механических воздействий, является возможность передачи энергии системе большой удельной мощности при малой амплитуде ее смещения за период колебаний. Возможность регулирования частоты и амплитуды в широких пределах позволяет распространять ее действие, как на большие объемы перерабатываемой массы, так и на малые, вплоть до слоя в несколько микрон. По этим причинам вибрация может рассматриваться как универсальная форма механических воздействий на дисперсные системы [5].

Установлено, что отличительной особенностью работы вибрационных смесителей является то, что при поступательном движении источника колебаний по круговой или эллиптической траектории частицы смеси, непосредственно соприкасающиеся с источником колебаний, периодически получают ударный импульс, поглощая определенную долю подведенной энергии вибратора. B свою очередь, частицы граничного слоя в процессе движения передают импульс и энергию более отдаленным соседним слоям, благодаря чему при вибрации по смеси распространяются волны, источником которых является вибрирующая поверхность. Последнее вызывает интенсивные колебания частиц и их циркуляцию [4].

Изложенные выше рекомендации были учтены при изготовлении и исследованиях лабораторно-экспериментального вибрационного смесителя сыпучих кормов непрерывного действия.

Основными узлами смесителя [6] (рис. 1) являются: опорная рама, поворотная рама, виброжелоб с рабочими органами (перемешивающими элементами), рессоры и механизм привода.

Рис. 1. Схема вибрационного смесителя сыпучих кормов: 1 – задние стойки; 2 – клиноременная передача; 3 – продольные уголки; 4 – поворотная ось; 5 – средние стойки; 6 – нижние продольные балки; 7 – перемычки; 8 – косынки; 9 – рессоры; 10 – виброжелоб; 11 – перемешивающие элементы; 12 – скобы; 13 – электродвигатель; 14 – шатун; 15 – эксцентриковый механизм; 16 – опорная плита.

Опорная рама включает в себя нижние продольные балки 6 (рис. 1), жестко соединенные между собой поперечинами. На продольных балках установлены косынки – 8, средние стойки – 5 и задние стойки – 1.

Основой поворотной рамы служат продольные уголки – 3, к торцевой части которых жестко крепится опорная плита – 16 эксцентрикового механизма, а на перемычках – 7 при помощи болтовых соединений закреплены рессоры – 9. Положение поворотной рамы можно изменять, что позволяет устанавливать виброжелоб – 10 по отношению к горизонту под углами: 5°, 10°, 15°, 20°, 25° и 30°. При этом поворот виброжелоба осуществляется вокруг оси – 4.

В состав механизма привода входят электродвигатель – 13, клиноременная передача – 2 и эксцентриковый механизм – 15. Передача вибрационных воздействий желобу осуществляется от эксцентрикового механизма через шатун – 14. Конструкцией вибросмесителя предусмотрена регулировка угла вибрации, частоты и амплитуды колебаний виброжелоба.

Процесс смешивания обеспечивается сменными перемешивающими элементами, которые могут иметь различную рабочую поверхность виброконтакта. Каждый перемешивающий элемент одной кромкой плотно прилегает к днищу желоба, двумя другими крепится к его боковым стенкам, а четвертая кромка, независимо от исполнения, имеет зубчатую форму [7]. Число и шаг перемешивающих элементов можно изменять, предварительно ослабив зажимы скоб – 12 (рис. 1).

Работает вибрационный смеситель следующим образом. Компоненты, подлежащие смешиванию, подаются в заданном соотношении из дозатора в приемную часть виброжелоба. Под действием вибрации они попадают на первый перемешивающий элемент и взаимодействуют с его рабочими поверхностями, в результате чего получают различные углы отражения, скорости и направления движения. После первого перемешивающего элемента происходит свободное падение кормовой массы на днище виброжелоба с последующим перемещением на второй перемешивающий элемент, где процессы взаимодействия с поверхностями виброконтакта повторяются и т.д. Таким образом, благодаря многократному пересечению траекторий движущихся частиц, происходит интенсификация процесса смешивания. В результате, образовавшаяся однородная кормосмесь сходит с разгрузочного (нижнего) конца виброжелоба [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнительный анализ рабочих органов вибросмесителя направлен на интенсификацию процесса смешивания путем исследования траекторий движения сыпучих частиц по различным поверхностям виброконтакта.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований [1, 8] установлено, что при определенных режимах работы частицы сыпучего материала интенсивно взаимодействуют между собой и с рабочими органами, имеющими сложные поверхности виброконтакта (конические и полусферические). Конические поверхности могут быть с одинаковыми (рис. 2а) [9] или различными [10] по длине образующими, а также могут чередоваться в определенной последовательности с полусферами (рис. 2b) [11].

Рис. 2. Перемешивающие элементы со сложными поверхностями виброконтакта: а – с коническими поверхностями; b – с полусферическими и коническими поверхностями.

Под воздействием вибрации частицы имеют различные углы и высоту подъема и проходят по рабочей поверхности различные расстояния, двигаются как по самим поверхностям виброконтакта, так и между ними. Все это способствует многократному пересечению их траекторий движения, и, соответственно, интенсификации процесса смешивания. В результате, обеспечивается достаточно высокое качество получаемой смеси (однородность порядка 90%), но производительность такого смесителя сравнительно низкая, так как конические и полусферические поверхности виброконтакта затормаживают продвижение частиц вдоль виброжелоба. Кроме того, рабочие органы сложны в изготовлении.

В целях увеличения производительности смесителя, при сохранении стабильно высокого качества процесса смешивания, разработаны и изготовлены плоские рабочие органы, у которых вместо конических и полусферических поверхностей виброконтакта выполнены отверстия в форме равнобедренных треугольников (рис. 3). Отверстия выполнены таким образом, что вершины треугольников направлены к днищу виброжелоба, а длина основания и высота равнобедренного треугольника равны соответственно 0,2–0,4 и 1,0–1,4 шага зубчатой кромки. Отверстия расположены в ряд, по середине перемешивающего элемента [12].

Рис. 3. Плоский перемешивающий элемент с треугольными отверстиями.

Интенсификация процесса смешивания при наличии отверстий на перемешивающих элементах достигается, в основном, за счет относительного смещения микрослоев массы в результате того, что траектории движения частиц значительно отличаются – частицы, которые идут «проходом» через отверстия, попадают на последующий перемешивающий элемент раньше частиц, идущих «сходом» по перемешивающему элементу.

Треугольная форма отверстий выбрана исходя из рационального использования полезной площади перемешивающих элементов. Движущиеся частицы корма ссыпаются с боковых сторон отверстия, во-первых, навстречу друг другу, а, во-вторых, не все сразу – оставшаяся на поверхности перемешивающего элемента часть смешиваемой массы продолжает движение, доходит до зубчатой кромки и только потом ссыпается на дно желоба. Так, например, в случае использования прямоугольных отверстий, частицы одновременно падают на дно виброжелоба и значительная часть площади перемешивающего элемента не участвует в работе [13].

Перемешивающие элементы с треугольными отверстиями, по сравнению с коническими поверхностями, выгодно отличаются простотой изготовления, невысокой себестоимостью, малой материалоемкостью и большей производительностью. В тоже время, при экспериментальных исследованиях выявлено, что на интенсивных режимах работы наблюдается снижение однородности получаемой смеси [14].

Для интенсификации процесса смешивания предлагается (рис. 4a) на плоских перемешивающих элементах – 1 разместить под треугольными отверстиями – 2 пластины – 3, имеющими форму аналогичных равнобедренных треугольников, вогнутых [15] (рис. 4b) или выгнутых [16] (рис. 4c) под углом от 170° до 178° и наклоненных относительно плоскости перемешивающего элемента на угол от 2° до 20°.

Рис. 4. Перемешивающие элементы с треугольными пластинами: 1 – плоский перемешивающий элемент; 2 – треугольное отверстие; 3 – треугольная пластина; a – общий вид; b – вогнутая пластина, c – выгнутая пластина.

В первом случае интенсификации процесса смешивания удается достичь за счет того, что, сыпучие частицы, попавшие на вогнутую пластину, движутся навстречу друг другу и получают сложные траектории движения, в результате чего смешиваются между собой.

На выгнутых пластинах частицы скатываются в разные стороны, дополнительно смешиваются с частицами с соседних пластин и движутся к следующему перемешивающему элементу, траектории их движения многократно пресекаются. Все это также способствует интенсификации процесса смешивания.

В результате экспериментальных исследований установлено, что заявленные углы вогнутости (выгнутости) и углы наклона пластин относительно плоскости перемешивающего элемента можно изменять в установленных пределах. При этом необходимо руководствоваться условиями недопустимости закупорки отверстий сыпучей массой и получения оптимальной скорости движения частиц для обеспечения многократного пересечения их траекторий движения, что позволит добиться технического результата – повышения степени однородности получаемой смеси.

Еще одним дополнительным способом интенсификации процесса смешивания, независимо от типа рабочих органов, является шарнирное крепление перемешивающих элементов, что позволяет им совершать дополнительные колебания с небольшой амплитудой в вертикальной плоскости [17]. Используя специальный механизм для группового регулирования, можно изменять угол наклона одновременно всех перемешивающих элементов в продольной вертикальной плоскости, изменяя тем самым скорость движения массы внутри виброжелоба и, соответственно, производительность всей установки в целом, а также интенсивность смешивания [18].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все типы перемешивающих элементов успешно апробированы на лабораторно-экспериментальном вибрационном смесителе сыпучих кормов. Установлено, что при высоких зоотехнических требованиях к качеству кормосмеси целесообразно применять перемешивающие элементы с коническими и полусферическими поверхностями виброконтакта. Достойной альтернативой им являются плоские перемешивающие элементы с треугольными пластинами.

Если повышенных требований к однородности смеси не предъявляется, то для повышенной производительности смесителя целесообразно использовать плоские перемешивающие элементы с треугольными отверстиями.

Лабораторно-экспериментальный вибрационный смеситель прошел производственную проверку в составе малогабаритного комбикормового агрегата [19, 20].

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.Н. Яцунов ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, создание изображений, утверждение финальной версии; У.К. Сабиев ― редактирование текста рукописи; экспертная оценка. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.N. Yatsunov ― search for publications, writing the text of the manuscript, creating images, approval of the final version; U.K. Sabiev ― manuscript editing, expert opinion. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Александр Николаевич Яцунов

Email: an.yatsunov@omgau.org
ORCID iD: 0000-0002-7777-9417
SPIN-код: 5313-7106

доцент, к.т.н., директор филиала, доцент кафедры агрономии и агроинженерии

Уахит Калижанович Сабиев

Автор, ответственный за переписку.
Email: uk.sabiev@omgau.org
ORCID iD: 0000-0001-7764-059X
SPIN-код: 2287-2515

профессор, д.т.н., профессор кафедры агроинженерии

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Схема вибрационного смесителя сыпучих кормов: 1 – задние стойки; 2 – клиноременная передача; 3 – продольные уголки; 4 – поворотная ось; 5 – средние стойки; 6 – нижние продольные балки; 7 – перемычки; 8 – косынки; 9 – рессоры; 10 – виброжелоб; 11 – перемешивающие элементы; 12 – скобы; 13 – электродвигатель; 14 – шатун; 15 – эксцентриковый механизм; 16 – опорная плита.

Скачать (93KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Перемешивающие элементы со сложными поверхностями виброконтакта: а – с коническими поверхностями; b – с полусферическими и коническими поверхностями.

Скачать (110KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Плоский перемешивающий элемент с треугольными отверстиями.

Скачать (64KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Перемешивающие элементы с треугольными пластинами: 1 – плоский перемешивающий элемент; 2 – треугольное отверстие; 3 – треугольная пластина; a – общий вид; b – вогнутая пластина, c – выгнутая пластина.

Скачать (95KB)

Метаданные