Совершенствование конструкции смесителя кормов и анализ его производительности

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Наукой и практикой доказано, что кормление полнорационными кормосмесями позволяет повысить продуктивность кормов на 5…9%, увеличить привес молодняка крупного рогатого скота на 11…20% в сравнении с раздельным скармливанием кормовых компонентов. При этом экономится до 10…15% кормов [1]. Наибольшее распространение получило приготовление рассыпных кормосмесей. Аналитический обзор научно-исследовательских работ в области техники и технологии приготовления полнорационных кормосмесей показал преимущество применения кормосмесителей периодического действия. Это связно с тем, что ввиду циркуляции в смесителе кормовых компонентов достигается высокое качество кормосмеси. Вместе с тем остается актуальным вопрос исследования и выбора рациональных параметров усовершенствованных идейных вариантов в направлении экономии энергоресурсных затрат.

ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служил разработанный нами усовершенствованный вариант вертикального смесителя (рис. 1).

Рис. 1. Шнековый смеситель: 1 – бункер цилиндроконической формы; 2 – вертикальный шнек; 3 – кожух, охватывающий шнек; 4 – привод; 5 – рассеиватель; 6 – приемник; 7 – горизонтальный шнек-транспортер; 8 – лопастной разрыхлитель; 9 – привод горизонтального шнека; 10 – выходное окно; 11 – часовой механизм.

Смеситель работает в следующем порядке. В начале процесса через приемник кормов – 6 в бункер – 1 загружается компонентами полнорационная кормосмесь. Часовой механизм – 11 регулируется на заранее экспериментально установленную оптимальную продолжительность смешивания. После этого включается привод – 4 вертикального шнека – 2. Шнек – 2, захватывая кадку компонентов кормосмеси в бункере – 1, поднимает их, одновременно смешивая, к верхнему торцу кожуха – 3, где компоненты кормосмеси по поверхности рассеивателя возвращаются в бункер – 1 и с помощью шнека – 2 циркулируются внутри бункера – 1. Циркуляция продолжается до полного смешивания кормовых компонентов, согласно заранее установленному на часовом механизме – 11 времени. Действием этого механизма при достижении заданного временного ограничения останавливается привод – 4 вертикального шнека – 2 и включается в работу привод – 9 горизонтального шнека-транспортера – 7. При этом лопастной рыхлитель – 8, вращаясь вместе с шнеком-транспортером – 7, исключает сводообразование в нижней конической части бункера – 1, благодаря чему создаются благоприятные условия без задержки вывода готовой смеси из смесителя.

При проектировании разработанной установки в методическом плане возникает необходимость осуществить расчет производительности и емкости смесителя. Целью данной работы было решение этой задачи.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Производительность смесителей разделяют на технологическую, цикловую и среднечасовую (фактическую) [2]. Технологическая производительность характеризует интенсивность процесса, цикловая – соответствие времени выполнения определенного объема работ зоотехническим требованиям.

Среднечасовая производительность рассчитывается по цикловой зависимости:

$Q=\frac{M}{t_{\text{з}}+t_{\text{с}}+t_{\text{в}}}\cdot \left[\sum _{i=1}^n{\eta }_i-\left(n-1\right)\right]$, (1)

где $\frac{M}{t_{\text{з}}+t_{\text{с}}+t_{\text{в}}}$ – цикловая производительность, т/ч; $\sum _{i=1}^n{\eta }_i-\left(n-1\right)$ – общий коэффициент внециклового времени; М – масса находящихся в смесителе кормов, т; $t_{\text{з}},t_{\text{с}},t_{\text{в}} -$время загрузки, смешивания и выгрузки кормов, ч; ${\eta }_i$ – частный коэффициент внециклового времени; $n$ – число частных коэффициентов внециклового времени.

Подставив в формулу (1) значения частных коэффициентов [3] и сделав соответствующие преобразования, получим

$Q=\frac{M}{t_{\text{з}}+t_{\text{с}}+t_{\text{в}}}\cdot \left(1-\frac{1}{T}\sum _{i=1}^n{t}_i\right)$, (2)

где $t_i$ – время выполнения i–й внецикловой операции, ч; Т – общее время работы смесителя, ч.

Выразить время отдельных операций смесителя можно через его основные параметры.

1. Время загрузки кормов $t_{\text{з}}$ и выгрузки готовой смеси $t_{\text{в}}$ с некоторым допущением найдем по формулам

$t_{\text{з}}=\frac{\psi V\mu }{A_{\text{з}}}$ , $t_{\text{в}}=\frac{\psi V\mu }{A_{\text{в}}}$, (3)

где ψ – коэффициент использования емкости смесителя; V – емкость смесителя, м³; μ – плотность смеси, т/м³; A_з, А_в, – производительность загрузки (ручной или механизированной) и выгрузки, т/ч.

Случай, когда загрузка смесителя происходит одновременно со смешиванием, не рассматривается.

2. Время t_с можно определить по кинетике процесса смешивания кормов. Зависимость безразмерного критерия качества смеси Е_t от времени смешивания представляется уравнением (4):

$E_t=E_{\text{тп}}\left\{1+\frac{1-E_{\text{тп}}}{E_{\text{тп}}}\cdot e^{-\alpha \left[t_{\text{с}}-\tau \left(1-e^{-\frac{{}_{t_{\text{с}}}}{\tau }}\right)\right]}\right\}$, (4)

где $E_{\text{тп}}$ – предельное значение критерия $E_{\text{т}}$ при (t_с →∞); α – удельная интенсивность смешивания кормов, ч^-1; τ – коэффициент, учитывающий инертность системы, ч.

Рассматривая формально в (4) время t_с как случайную величину [5] и пренебрегая в установившемся режиме работы смесителя произведением $\tau \left(1-e^{-\frac{{}_{t_{\text{с}}}}{\tau }}\right)$, можно построить обратную функциональную зависимость:

$t_{\text{с}}=-\frac{1}{\alpha }\cdot \ln \frac{E_{\text{т}}-E_{\text{тп}}}{1-E_{\text{тп}}}$. (5)

В системе координат t_с и $x=\ln \frac{E_{\text{т}}-E_{\text{тп}}}{1-E_{\text{тп}}}$, при 1> Е_т> Е_тп зависимость (5) выражается линейной функцией.

Согласно существующей методике [6], среднее значение (математическое ожидание) случайного параметра t_с можно представить следующим образом:

$t_{\text{с}}=-\frac{1}{\alpha }\cdot \underset{x_{\min }}{\overset{x_{\max }}{\int }}x\cdot f\left(x\right)\cdot dx$, (6)

где $f\left(x\right)$ – дифференциальный закон распределения параметра х; х_mах и х_min – минимальное и максимальное значения параметра х в данный момент времени.

Если предположить, что исходный параметр х в процессе смешивания изменяется по закону нормального распределения [6], то

$t_{\text{с}}=-\frac{1}{\alpha \sigma \sqrt{2n}}\cdot \underset{x_{\min }}{\overset{x_{\max }}{\int }}x\cdot e^{\frac{{\left(x-x_{\text{ср}}\right)}^2}{2{\sigma }^2}}\cdot dx$, (7)

где σ – среднее квадратическое отклонение параметра х; х_ср – среднее значение параметра.

Интеграл в этой формуле не выражается через элементарные функции, поэтому для его вычисления введем функцию – нормальную [7]. Тогда

$t_{\text{с}}=-\frac{1}{\alpha }\cdot \Phi \left(\frac{\epsilon }{\sigma }\right)\cdot \ln \frac{E_{\text{т ср}}-E_{\text{тп}}}{1-E_{\text{тп}}}$, (8)

где $E_{\text{т ср}}$ – среднеарифметическое значение безразмерного критерия качества смеси; $\Phi \left(\frac{\epsilon }{\sigma }\right)$ – нормированная функция Лапласа; ε – максимальное отклонение в данный момент времени значений параметра х от центра рассеивания.

3. При работе смесителей неизбежны потери времени из-за остановок по технологическим причинам, проведения технического ухода и устранения технологических отказов. Эти потери устанавливаются по хронометражным данным и с некоторым допущением принимаются как линейные функции чистого рабочего времени [8], т. е.

$\sum _{i=1}^n{t}_i=t_{\text{с}}\cdot \sum _{i=1}^n{\delta }_i$, (9)

где ${\delta }_i$ – коэффициент пропорциональности, равный отношению времени выполнения i-й внецикловой операции ко времени смешивания.

Подставим полученные зависимости в выражение (2), тогда

$Q=\frac{\psi V\mu \cdot \left[1+\frac{2\cdot {\displaystyle \sum _{i=1}^n{\delta }_i}}{T\alpha }\cdot \Phi \left(\frac{\epsilon }{\sigma }\right)\cdot \ln \frac{E_{\text{т ср}}-E_{\text{тп}}}{1-E_{\text{тп}}}\right]}{\psi V\mu \cdot \left(\frac{1}{A_{\text{з}}}+\frac{1}{A_{\text{в}}}\right)-\frac{2}{\alpha }\cdot \Phi \left(\frac{\epsilon }{\sigma }\right)\cdot \ln \frac{E_{\text{т ср}}-E_{\text{тп}}}{1-E_{\text{тп}}}}$. (10)

В качестве примера рассмотрим влияние изменения емкости смесителя на его производительность. Представим (10) как функцию объема:

$Q=\frac{a\cdot V\cdot \left(1+b\cdot C_V\right)}{d\cdot V-C_V}$ , (11)

где $a,b,d$ – постоянные коэффициенты; $C_V$ – коэффициент, численное значение которого зависит от емкости смесителя.

Пусть емкость смесителя увеличена в m раз (m >1), тогда

$Q_m=\frac{a\cdot m\cdot V\cdot \left(1+b\cdot C_{Vm}\right)}{d\cdot m\cdot V-C_{Vm}}$. (12)

Степень изменения производительности смесителя

$\frac{Q_m}{Q}=\frac{m\cdot \left(1+b\cdot C_{Vm}\right)\cdot \left(d\cdot V-C_V\right)}{\left(d\cdot m\cdot V-C_{Vm}\right)\cdot \left(1+b\cdot C_V\right)}$ . (13)

Производительность смесителя увеличится, если

$m\cdot \left(1+b\cdot C_{Vm}\right)\cdot \left(d\cdot V-C_V\right)>\left(d\cdot m\cdot V-C_{Vm}\right)\cdot \left(1+b\cdot C_V\right)$,

или

$C_{Vm}>\frac{C_V\cdot m\cdot \left(1+d\cdot V\cdot b\right)}{1+m\cdot d\cdot V\cdot b-m\cdot b\cdot C_V+b\cdot C_V}$. (14)

Выполнение этого условия обеспечивается в основном коэффициентами b и $C_V$. Особенно велика роль коэффициента b. При b→0 $C_{Vm}>m{C}_V$. Однако для большинства распространенных смесителей $C_{Vm}=m{C}_V$ [9].

Таким образом, установлено, что с конструктивно-технологической точки зрения емкость смесителя вертикального кормосмесителя периодического типа не всегда служит основным фактором, повышающим их производительность.

Определено, что максимальная производительность смесителя вертикального кормосмесителя периодического типа в основном обеспечивается количеством циклов шнека, периодической принудительной подачей смеси, а качество перемешивания – углом наклона ребер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что с конструктивно-технологической точки зрения емкость смесителя вертикального кормосмесителя периодического типа не всегда служит основным фактором, повышающим их производительность.
2. Определено, что максимальная производительность смесителя вертикального кормосмесителя периодического типа в основном обеспечивается количеством циклов шнека, периодической принудительной подачей смеси, а качество перемешивания – углом наклона ребер.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Э.А. Агаев ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, редактирование текста рукописи, оформление рисунков, создание изображений; Б.М. Багиров ― редактирование текста рукописи, уточнение выводов, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют 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. E.F. Agaev ― search for the publications relevant to the article subject, writing the text of the manuscript, editing the text of the manuscript, formatting images, creating drawings; B.M. Bagirov ― editing the text of the manuscript, clarification of conclusions, expert opinion, approval of the final version. 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, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of 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

Эмил Фикрат оглы Агаев

Автор, ответственный за переписку.
Email: a_emil114@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0314-538X

диссертант

Байрам Магомедов оглы Багиров

Email: bayram-bagirov@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-3636-4602

д-р техн. наук, профессор кафедры автоматики и информационных технологий

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Шнековый смеситель: 1 – бункер цилиндроконической формы; 2 – вертикальный шнек; 3 – кожух, охватывающий шнек; 4 – привод; 5 – рассеиватель; 6 – приемник; 7 – горизонтальный шнек-транспортер; 8 – лопастной разрыхлитель; 9 – привод горизонтального шнека; 10 – выходное окно; 11 – часовой механизм.

Скачать (68KB)

Метаданные