Российская сельскохозяйственная наука, 2021, № 2

УДК:631.363.7

DOI:10.31857/S2500262721020125

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ДВИЖЕНИЯ ИНГРЕДИЕНТОВ

ЛЕЧЕБНЫХ КОРМОВ В ШАРОВОМ СМЕСИТЕЛЕ

В.И. Сыроватка¹, академик РАН, Н.В. Жданова¹, А.Д. Обухов², аспирант

¹Институт механизации животноводства - научный агроинженерный центр Всесоюзный институт механизации,

108823, Москва, поселение Рязановское, поселок Знамя Октября, 31

E-mail: vniimzh@mail.ru

²Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ,

109428, Москва, 1-й Институтский проезд, 5

E-mail: vim@vim.ru

Исследования проводили с целью изучения возможности повышения однородности смеси лечебных комбикормов, с уче-

том кинетика движения (траектория, скорость, вектор) отдельных частиц ингредиентов в составе материально-воз-

душного потока в процессе смешивания лечебных препаратов, минеральных и витаминных добавок в смесителе со сфе-

рической камерой в поле центробежных, аэродинамических и инерционных сил, а также сил Кориолиса. При вращении

лопастей на их плоскости под действием центробежных сил происходит сепарация (разделение, сегрегация) состава

смеси по таким физико-механическим свойствам, как плотность, размер частиц, коэффициент трения, парусность

и др. При сходе с лопасти материально-воздушный поток ударяется в нижнюю цилиндрическую поверхность корпуса,

тормозится и меняет направление движения на 90°, а у крышки - на 180°. При этом для применяемых смесителей с

цилиндрическим вертикальным корпусом, работающих в режиме псевдоожижения, условия сегрегации не ограничены.

Выявлены технологические и конструктивные возможности повышения однородности смеси, реализация которых в

одной установке позволит повысить однородность смеси лечебных кормов до 95-98 %.

INVESTIGATION OF KINETICS OF INGREDIENTS MOVEMENT

TREATMENT FEEDS IN BALL MIXER

Syrovatka V.I.¹, Zhdanova N.V.¹, Obukhov A.D.²

Institute of livestock mechanization - Federal research center of agricultural engineering,

108823, Moskva, Ryazanovskoe poselenie, pos. Znamya Oktyabrya, 31

E-mail: vniimzh@mail.ru

2Federal Scientific Agroengineering Center VIM,

109428, Moskva, 1-i Institutskii proezd, 5

E-mail: vim@vim.ru

There are considered possibilities of increasing homogeneity of mixture of therapeutic feeds, in particular - motion kinetics

(trajectory, speed, vector) of individual particles of ingredients in the composition of material-no-air flow in the process of mixing

of therapeutic preparations, mine-real and vitamin additives in mixer with spherical chamber in field of centrifugal, aerodynamic,

inertial and Coriolis forces. It is noted that on the plane of the blades when they rotate from the drive shaft under the influence of

centrifugal forces, the composition of the mixture is separated (separation, se-gregation) by physical and mechanical properties:

specific weight, particle sizes, friction coefficients, sailing, etc. When leaving the blade, the material air flow strikes the lower

cylindrical surface of the body, brakes and changes the direction of movement by 90 °, and at the cover - by 180 °. At the same

time, for used mixers with a ciline-dric vertical body operating in the fluidization mode, segregation conditions are not limited. The

following technological and structural possibilities for increasing the homogeneity of the mixture were. Realization of the presented

possibilities in one installation will allow to increase homogeneity of the mixture of therapeutic fodders up to 95-98%.

Ключевые слова: однородность смеси, кинетика

Key words: homogeneity of the mixture, the kinetics of particle

движения частиц, сферическая камера, миграция частиц,

motion, spherical chamber, migration of particles, energy field

энергетическое поле

Интенсификация животноводства и птицеводства,

Введение кормолекарственных смесей в комби-

необходимость ветеринарной обработки в сжатые сро-

корма на заводах и систематическое их скармливание

ки большого поголовья, многократное повышение на-

в зависимости от эпизоотической ситуации, а также

грузки на ветеринарных специалистов вызывает необ-

возраста животных и птицы позволяет постоянно осу-

ходимость применения высокоэффективных способов

ществлять профилактику заболеваний и поддерживать

и технических средств приготовления и дачи лекар-

высокую продуктивность. При этом можно в 2-3 раза

ственных препаратов. В связи с этим получает широ-

сократить количество ветеринарных работников, об-

кое распространение групповое скармливание смесей

легчить и обезопасить их труд.

комбикормов с биологически активными веществами.

Сложность приготовления высокооднородных ле-

Огромный экономический ущерб, выражающийся

чебных кормов заключается в том, что соотношение ле-

миллиардами рублей, наносят животноводству гель-

карств и наполнителя, как правило, зернового компонен-

минтозы, под влиянием которых потери молока на

та, составляет 1:500; 1:1000; 1:10000, причем лекарства

корову могут достигать 110-120 кг в год, уменьшение

могут быть в форме таблеток, порошка или жидкости.

прироста массы тела молодняка - 7-9 кг [1]. Живая

Размеры частиц и плотность вносимых ингредиентов и

масса поросят, зараженных гельминтами, не превыша-

наполнителя может различаться в 8-10 раз. Кроме того,

ет 50-60 % величины этого показателя у здоровых [2].

применяемые смесители обеспечивают однородность

В птицеводстве и овцеводстве заболеваемость зача-

смеси на уровне 80-85 %, а у лечебных комбикормов

стую может доводить до массового падежа [3].

она должна находиться в пределах 95-98 % [4, 5].

Российская сельскохозяйственная наука, 2021, № 2

Известно [6], что во всех конструкциях лопастных

и шнековых смесителей процесс смешивания сыпучих

компонентов сопровождается их разделением (сепара-

цией, сегрегацией).

Цель исследования - изучить движение частиц

различной плотности и крупности в составе мате-

риально-воздушного потока в поле центробежных,

гравитационных и аэродинамических сил в шаровом

смесителе для изыскания возможности повышения од-

нородности смешивания компонентов при совместном

конвективном и диффузионном процессах.

Методика. В работе рассматривали изменение ско-

рости движения частиц по лопасти ротора (рис. 1, точ-

ка А), внутренней сферической поверхности шарового

смесителя (точка B), при изменении направления дви-

жения материально- воздушного потока сверху-вниз

(точка С), при диффузионном смешивании.

Для рассмотрения движения отдельной твердой ча-

стицы, находящейся на рабочей поверхности лопасти

смесителя (рис. 2, точка А) приняты следующие до-

пущения [7]: частицы считаем шарообразными и изо-

лированными одна от другой, скорость турбулентного

воздушного потока, создаваемого ротором в сфериче-

Рис. 2. Переносная X₁O₁Y₁ и относительная xoy системы

ском объеме и движение частиц по оси y не учитываем.

координат с формулами для расчета сил, приложенных

к частице массой m, расположенной на лопасти: Pц -

центробежная сила, Н; P_a - аэродинамическая сила, Н;

Р_к - сила Кориолиса, Н; Р_тр - сила трения по поверхности

лопасти, Н; N - сила реакции, Н; Q - сила тяжести, Н.

Движение единичной рассматриваемой частицы

можно описать уравнением:

где m - масса частицы;

- ускорение частицы;

∑_iF_i - равнодействующая сила, приложенная к частице

массой m.

Для составления уравнения движения частицы

примем переносную систему координат X₁O₁Y₁ [8], ко-

торую свяжем с вращательным движением лопасти, и

относительную систему xoy, которой обозначаем дви-

жение частицы относительно рабочей поверхности ло-

пасти. Используя схему сил (см. рис. 1 и 2) составим

дифференцируемое уравнение движения частицы мас-

сой m в принятых системах координат [8, 9]:

(1)

или

Рис. 1. Схема приложения сил на частицу массой m,

расположенную на лопасти ротора шарового смесителя

(2)

в точке А (P_ц - центробежная сила, Н;

- сила Кориолиса, Н;

P_a - аэродинамическая сила, Н; P_к

при этом P_тр= N ∙ f, тогда

P_тр - сила трения по поверхности лопасти, Н;

N - сила реакции, Н; Q - сила тяжести, Н);

точке B (P - сила на сферическую поверхность, Н;

P_к - касательная составляющая силы P, Н);

(3)

точке С (P_вак - сила вакуума, Н; mg - сила тяжести

частицы массой m, Н; P_a - сила воздушного потока, Н),

φ - угол положения частицы массой m, относительно

оси y, рад; α - угол положения частицы массой m

, рад; ρ - положение частицы

относительно оси x₁

где ω - угловая скорость, рад/с; V_отн - скорость дви-

массой m на лопасти в координатах xy, 1 - загрузочный

жения частицы по рабочей поверхности лопасти, м/с;

шлюз; 2 - направляющий обтекатель; 3 - шаровой корпус

смесителя; 4 - сферический объем смесителя;

f - коэффициент трения частицы смеси по стали; F -

5 - двухсторонняя лопасть; 6 - рабочий диск;

проекция частицы по направлению ее движения (ми-

7 - вал привода лопастей; 8 - рама смесителя.

делево сечение тела), м²; γ_в - плотность воздуха, кг/м³;

Российская сельскохозяйственная наука, 2021, № 2

g - ускорение силы тяжести, м/с²; С - коэффициент аэ-

Процесс смешивания в смесителе со сферическим

родинамического сопротивления, зависящий от формы

корпусом происходит следующим образом. Вращаю-

и размера тела, который является функцией критерия

щиеся лопасти образуют и выбрасывают материаль-

Рейнольдса (Re) [8].

но-воздушный поток на нижнюю вогнутую сфериче-

Результаты и обсуждение. Для коэффициента C,

скую поверхность корпуса смесителя с усилием P (см.

который входит в формулу (3), известны три наиболее

рис. 1, точка B), где оно распределяется на нормаль-

характерные области зависимости [10]:

ное - P_н= mω² ρcosα, которое достигает максимально-

при значении Re= 0,1-1,0 (частицы размером не бо-

го значения на уровне 90°, и касательное - P_(кас.)= mω²

лее 0,1 мм)

ρsinα,равное на этом уровне нулю, где α - угол падения,

(4)

образованный горизонтальной осью сферы и радиусом

из центра сферы к точке B (см. рис. 1).

Кинетика (траектория, вектор, скорость) движения

(5)

отдельных частиц с различными физико-механически-

ми свойствами материально-воздушного потока в объ-

где d - диаметр частицы, мм; V - скорость частицы,

еме сферической камеры во многом зависит от величи-

м/с; Υ - коэффициент кинематической вязкости м²/с;

ны, приложенной к ним, силы Кориолиса (P_к). Под ее

при Re= 10-1000 (частицы диаметром 0,1-2,5 мм)

влиянием частицы потока перемещаются снизу-вверх

под различным углом к линии меридиана сферы с раз-

ной скоростью и вектором движения. Поэтому в объ-

(6)

еме сферической камеры образуется многообразная

кинетика перемещения, происходит взаимное проник-

при Re= 1000 и более (частицы диаметром 2,5-80,0 мм)

новение смешиваемых компонентов, что обусловлива-

коэффициент C равен в среднем 0,45.

ет оптимизацию процесса конвективного смешивания.

В связи с непостоянством коэффициента С, а, сле-

В верхней полусфере обрабатываемый поток пе-

довательно, и силы аэродинамического сопротивления,

ремещается к вершине сферы, где направляющий об-

действующей на частицу массой m, уравнение (3) не

текатель изменяет траекторию движения потока сни-

имеет общего решения. Оно возможно только числен-

зу-вверх на обратное - сверху-вниз (см. рис. 1, точка

ным интегрированием для каждого частного случая с

C). Каждая частица массой m в составе воздушного

использованием начальных условий [11].

потока под влиянием силы тяжести mg, воздушного по-

Аналогичную задачу для движения единичной ча-

тока (P_a) и силы вакуума (P_вак.) с различной скоростью

стицы массой m, находящейся на рабочей поверхности

устремляется вниз к оси вала привода лопастей; попа-

молотка ротора дробилки зерна, мы решили численным

дает на лопасти и процесс повторяется. Известно, что

методом интегрирования Рунге-Кутты. По результатам

максимальный вакуум образуется у вертикальной оси

расчетов [12] построен график (рис. 3), из которого вид-

сферической камеры, а максимальное давление на вну-

но, что материальные частицы различных размеров и

тренней поверхности сферы. Нейтральная линия - ли-

плотности перемещаются по стальной рабочей поверх-

ния разграничения вакуума от давления - параллельна

ности вращающейся лопасти ротора с разной скоростью.

меридиане сферы и находится на расстоянии 2/3R_cф от

Как и следовало ожидать, на крупные и плотные части-

вертикальной оси [14].

цы доминирующее влияние оказывает центробежная

Известно [15], что при диффузионном смешива-

сила (P_ц), на мелкие и легкие - аэродинамическая (P_а).

нии, которое осуществляется в результате взаимного

Скорость движения крупных частиц в центробежном

внедрения компонентов при совместном смятии, из

силовом поле больше, чем мелких. В материально-воз-

нескольких гетерогенных (неоднородных) материа-

душном потоке они сортируются и постоянно соударя-

лов образуется гомогенный (однородный) продукт,

ются, при этом происходит обмен скоростями: меньшие

не разделяющийся при последующем смешивании на

частицы ускоряются, а большие - замедляются [13].

составляющие. Диффузионное смешивание - это про-

цесс взаимного проникновения молекул смешиваемых

материалов, который приводит к выравниванию их

концентрации по всему занимаемому объему. При этом

происходит перенос вещества с мест высокой концен-

трации в места низкой концентрации и наоборот. Мо-

лекулы соприкасающихся материалов перемешивают-

ся при совместном смятии на грани рабочих органов.

По результатам изучения процесса смешивания и

качества работы смесителей, выявлены следующие

технологические и технические возможности повыше-

ния однородности смеси лечебных кормов [15, 16]:

создание на поверхности и в объеме сферы мак-

симальной турбулентности материально-воздушного

потока и хаотичности движения частиц в нем, как не-

обходимое условие повышения однородности смеси в

поле пересекающихся траекторий аэродинамических,

гравитационных и центробежных сил [17];

дополнение конвективного способа смешивания

диффузионным;

приготовление лечебных комбикормов в три ста-

дии - первичный премикс, вторичный премикс и ле-

Рис. 3. Скорость перемещения частиц различных разме-

чебные корма.

ров по рабочей поверхности лопасти ротора.

Исходя из изложенных возможностей предложена

Российская сельскохозяйственная наука, 2021, № 2

линия приготовления лечебных кормов (рис. 4) [18].

этом одновременно происходит смешивание конвектив-

Работает она следующим образом. В лабораторную

ным способом и сегрегация (разделение). При диффузи-

мельницу 1 с устройства ввода препаратов 2 помеща-

онном смешивании, которое осуществляется путем со-

ют лечебный премикс, из бункера 3 добавляют напол-

вместного смятия и взаимного внедрения смешиваемых

нитель в соотношении 1:3. После этого компоненты

материалов из нескольких гетерогенных (разнородных)

измельчают ударным воздействием и смешивают в те-

систем, образуется гомогенный (однородный) продукт,

чение 60 с. Образовавшийся первичный премикс через

который уже не распадается на составляющие.

шлюз 4 выгружают в измельчитель-смеситель 5 для

Предложена линия приготовления лечебных кор-

приготовления вторичного премикса; в него из бункера

мов, витаминных и минеральных премиксов, в которых

3 добавляют 15-20 % дозы наполнителя в лечебном ком-

смешивание компонентов осуществляется в три этапа,

бикорме. Включают в работу вал привода 10 измельчи-

одновременно конвективным и диффузионным спосо-

теля-смесителя и закрепленную на нем двухстороннюю

бами, что значительно повышает однородность смеси.

лопасть 11, лопасть, прилегающая к рабочей поверхно-

сти диска 9, закрепленного на раме 8, срезана под углом

Литература.

естественного откоса смеси α = 23-31° (рис. 4, вид Б).

1. Крюков В.С. Проблемы биохимии и технологии ис-

При вращении лопасти смесь зажимается наклонной

пользования селена в питание птиц // Проблемы био-

ее стороной в зазоре 0,6-1,2 мм, который регулируется

логии продуктивных животных. 2017. №4. С. 24-38.

прокладками 12, между лезвием лопастей и насечкой на

2. Сосипатров Г.В. Гельминтозы и рекомендации по

рабочей стороне диска в форме Архимедовой спирали,

их профилактике в хозяйствах специализированных

под постоянным углом β = 18-20° (рис. 4, вид А). При

по откорму свиней // Труды всесоюзного институ-

совместном смятии компонентов происходит процесс

та гельминтологии. 1974. Т 21. С 61-66.

взаимной диффузии - механическое вдавливание одно-

3. Кибакин В.В. Основные гельминтозы кур и меры

го в другой. Двухсторонняя лопасть равномерно выбра-

борьбы с ними в условиях Алтайского края и Вос-

сывает смесь измельчаемой массы с воздухом на 360°

точной Сибири: дисс. на соискание уч. степени

внутренней сферической поверхности корпуса 6 из-

доктора наук. Красноярск, 2006. 245 с.

мельчителя-смесителя вторичных премиксов, создается

4. Спесивцев А. Процесс смешивания при производстве

устойчивый поток - псевдоожиженный слой, в котором

комбикормов // Комбикорма. 2016. № 3. С. 37-41.

компоненты равномерно распределяются в режиме по-

5. Клычев Е. М., Сыроватка В. И. Исследование про-

вышенного давления. Обтекатель 7 через кольцевой

цесса смешивания сыпучих кормов в псевдоожижен-

зазор l направляет поток смеси вниз, где в объеме сфе-

ном слое // Науч. тр. ВИЭСХ. 1973. Т. 34. С. 95-129.

рического экрана 13 с радиусом r продолжается смеши-

Горячкин В.П. Собрание сочинений. М.: Колос, 1963.

вание в псевдоожиженном слое в режиме пониженного

720 с.

давления. Сферический экран через зазор δ направля-

7. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики.

ет поток смеси к оси двухсторонней лопасти и далее в

М.: Изд-во физико-математической литературы,

зазор между лезвиями лопастей и насечкой на рабочей

1963. 478 с.

стороне диска 9. Вакуум в зоне вертикальной оси сферы

8. Василенко П.М. Теория движения частиц по шерохо-

способствует устойчивой подаче смеси в зону диффу-

ватым поверхностям сельскохозяйственных машин.

зии. Достигается замкнутый устойчивый процесс одно-

Киев: изд-во Академия с-х наук УССР, 1960. 180 с.

временного совместного смятия компонентов со смеши-

9. Смирнов В. И. Курс внешней математики, М.: Изд-во

ванием на вогнутой поверхности шара и сферического

физико-математической литературы, 1958. 542 с.

экрана. Процесс смешивания в измельчителе-смесите-

10. Лачуга Ю. Ф., Ксендзов В. А. Теоретическая меха-

ле для вторичных премиксов продолжается 100-120 с.

ника. М.: Колос, 2005. 575 с.

Далее смесь через патрубок 14 и шлюз 26 высыпают

11. Березин И.С., Жидков И.П. Методы вычислений. М.:

в большой смеситель 16 и добавляют остальное коли-

Госиздат физико-технической лит., 1962. 142 с.

чество наполнителя. После этого включается в работу

12. Сыроватка В. И. Основные закономерности про-

вал привода 20 и двухсторонняя лопасть 19, которая при

цесса измельчения зерна в молотковой дробилке. //

вращении захватывает смешиваемую массу и равномер-

Научные труды ВИЭСХ. 1964. Т. XIV. С. 89-155.

но выбрасывает материально-воздушный поток по всей

13. Кильчевский Н. А. Теория соудорения твердых тел.

вогнутой поверхности (360°) сферы шара 17, поднимая

М.: Ростехиздат., 1953. 269 с.

его вверх. Здесь направляющий обтекатель 18 плавно

14. Сыроватка В. И. Машинные технологии приготов-

переводит направление движения псевдоожиженного

ления комбикормов в хозяйствах. М.: Типография

слоя снизу-вверх в движение сверху-вниз, и по вогну-

Россельхозакадемии, 2010. 247 с.

той поверхности направляющего сферического экрана

15. Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. По-

23, образующая линия которого соответствует радиусу

лимерные композиционные материалы. СПб: Хи-

2/3 R_бш, поток слоя направляется в центр лопастей. Зазор

мия, 2008. 560 с.

между рабочей частью диска 29, закрепленного на раме

16. Тодес О. М., Цитович О. Б. Аппараты с кипящим

21 и двухсторонней лопастью 19 регулируется проклад-

зернистым слоем. Ленинград: Химия, 1986. 281 с.

ками 22. Процесс смешивания продолжается 120-180 с,

17. Гаврилов Д. М., Лебедев И. Ф. Поведение матери-

после чего готовые лечебные комбикорма через выгруз-

альных частиц в потоке на искривленной поверхно-

ной патрубок 24 подаются в тару.

сти // Горный информационно-аналитический бюл-

Таким образом, частицы смешиваемых ингредиен-

летень. 2007. №3. С. 368-372

тов с различными физико-механическими свойствами,

18. Сыроватка В. И., Жданова Н. В., Обухов А. Д. Линия

находясь на плоскости вращающейся лопасти от вала

приготовления лечебных кормов. Патент №273050

ротора, перемещаются с различными скоростями. При

Ru 273051 C1. 2020. Бюл. №24

Поступила в редакцию 25.11.2020

После доработки 28.01.2021

Принята к публикации 18.02.2021