CC BY
11
УДК 631. 353
ДВИЖЕНИЕ ЗЕРНОВКИ В ПОДВОДЯЩЕМ КАНАЛЕ
ПЛЮЩИЛКИ ЗЕРНА
В.А. Сысуев, доктор технических наук, академик РАН
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор
В.А. Казаков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока»
E-mail: peter.savinyh@mail.ru
Аннотация. Разработана двухступенчатая плющилка фуражного зерна с тремя вальцами для плющения. Технологические операции получения плющеного корма условно разделены на механическое перемещение и преобразования. Проведены теоретические исследования параметров перемещения зерна в технологическом процессе получения корма: движение зерновки в подводящем канале питающего устройства плющилки на участке траектории от точки схода зерновки с лопасти питающего вальца до точки захвата в рабочую зону первой ступени плющения. Определена оптимальная величина скорости Vo = 7-7,45 м/с ввода зерна для плющения в подводящий канал питающего устройства плющилки и через него в точку захвата на первую ступень плющения, при которой для некоторых начальных условий: зерна с коэффициентом парусности k = 0,07-0,15 (горох, рожь, пшеница, ячмень, овес), сходящего с лопастей питающего вальца на высоте 0,5 м от точки захвата на первую ступень плющения, при окружной скорости вальцов для плющения шЯ = 8 м/с, наблюдается наибольшая пропускная способность первой ступени плющения при наименьшей энергоемкости процесса. Исследования позволяют на стадии проектирования разработать высокоэффективную двухступенчатую плющилку зерна с минимальной энергоемкостью рабочего процесса и наибольшей производительностью.
Ключевые слова: двухступенчатое плющение, эффективность, корм, затраты, плющеное зерно.
Введение. В настоящее время широкое распространение получили технологии получения зерновых кормов плющением как сухого, так и влажного зерна [1], и машины для осуществления данных технологий -плющилки зерна [2].
В ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого» разработана конструктивно-технологическая схема двухступенчатой плющилки зерна с тремя вальцами для плющения [3, 4].
Технологические операции получения плющеного корма данной машиной условно делятся на механические перемещения (транспортирование) и преобразования [5]. Первая группа включает в себя подачу фуражного зерна в рабочую зону первой ступени плющения в необходимом количестве с нужной величиной скорости и направления, подачу предварительно разрушенного (плющеного) зерна на вторую ступень плющения и направленную в межвальцовый зазор второй ступени плющения, подачу плющеного зерна
в зону его обработки консервантом и вывод из рабочей зоны машины. Вторая группа -преобразования - состоит из плющения первой ступени фуражного зерна, плющения фуражного зерна второй ступени, обработки зерна раствором консерванта.
При разработке двухступенчатой плющилки зерна для практического использования - получения зернового корма для различных групп сельскохозяйственных животных -возникает потребность в проведении теоретических исследований как механических перемещений, так и преобразований для их оптимального сочетания, определяющего наилучшее протекание технологического процесса любой машины, в том числе и двухступенчатой плющилки зерна.
Методика исследований. Конструктивно-технологическая схема двухступенчатой плющилки зерна с тремя вальцами для плющения и траектория движения зерновки (технологические операции перемещения) в ее рабочей зоне представлены на рисунке 1.
движения зерновки в ее рабочей зоне (б): °
1 - зерновой материал, 2 - бункер, 3 - окно, 4 - заслонка, 5 - питающий валец, 6 - подводящий канал, 7 - основной валец, 8 - боковой валец, 9 - нижний валец, 10 - межвальцовый зазор первой ступени плющения, 11 - криволинейная пластина, 12 - межвальцовый зазор второй ступени плющения, 13 - плющеное зерно, 14 - направляющая пластина, 15 - консервант, 16 - форсунка, 17 - канавка питающего вальца,
18 - лопасть питающего вальца
Технологический процесс получения зернового корма (плющеного зерна) данной машиной представляет следующее.
Зерновой материал 1 загружается в бункер 2 и при открытии окна 3 заслонкой 4 под действием силы тяжести попадает на питающий валец 5, захватывается его канавками и подается через подводящий канал 6 в межвальцовый зазор 10 вальцов 7 и 8, где захватывается вальцами для плющения и проходит первую ступень плющения, затем выводится из межвальцового зазора 10 и далее направляется по криволинейной пластине 11 в межвальцовый зазор 13 верхнего основного 7 и нижнего 9 вальцов на вторую ступень плющения, после ее прохождения плющеное зерно 13 попадает на направляющую пластину 14, и, двигаясь вдоль нее, обрабатывается консервантом 15 (если зерно влажное) из форсунки 16, после чего выводится наружу.
Траектория движения зерновки в рабочей зоне двухступенчатой плющилки зерна (рис. 1, б) состоит из нескольких сменяющих друг
друга участков механических перемещений и преобразований.
Первая группа, которая включает в себя подачу фуражного зерна на первую ступень плющения (участок траектории движения зерновки ОНВ), подачу предварительно разрушенного (плющеного) зерна на вторую ступень плющения в количестве (1=(( со скоростью У\, направленную в межвальцовый зазор второй ступени плющения (участок СК), подачу плющеного зерна в количестве (2=( со скоростью V в зону его обработки консервантом (участок К2С2), если зерно влажное, вывод полученного корма из рабочей зоны плющилки наружу (участок С2П2), организует непрерывный технологический процесс получения плющеного корма.
Преобразования состоят из плющения первой ступени фуражного зерна (участок ВС - зона I); плющения фуражного зерна второй ступени (участок КК2, зона II); обработку зерна раствором консерванта (участок в области т. С2 на рис. 1,б - зона III) в необходимом количестве и распределением по массе зерна.
Конструктивно-технологическая схема питающего устройства, примененного на двухступенчатой плющилке, и характер движения зерновки в его подводящем канале под действием различных сил представлены на рисунке 2.
21-
а) - М
Рис. 2. Схема перемещения зерновки в питающем устройстве плющилки зерна (а) и действующие на нее силы при движении в подводящем канале (б)
Питающее устройство работает следующим образом. Зерновой материал 1 (рис. 1, рис. 2, а) из бункера 2 через окно 3 под действием силы тяжести попадает в межлопастные каналы 17 питающего вальца 5, некоторое время вращается вместе с вальцем со скоростью У0 = юпг, где юп - угловая скорость питающего вальца, г - его радиус, и, пройдя некоторый угол ^ = начинает выходить из межлопастного канала питающего вальца с лопастей 18 в подводящий канал 6 и через него в межвальцовый зазор 10, образованный вальцами 7 и 8. Работа питающего вальца, во многом определяющая эффективность всего технологического процесса получения плющеного зернового корма, должна соответствовать следующему условию его функционирования: зерно, поступающее в межлопастные каналы 17 (рис. 2, а),
при вращении питающего вальца должно выйти с его лопастей в подводящий канал с такой скоростью Уо, чтобы, преодолев некоторое расстояние 1о, прийти в точку В захвата на первую ступень плющения со скоростью, равной или незначительно меньшей окружной скорости вращения вальцов для плющения [6, 7]:
У<Упл~ шБ/2 = ш-Я, (1)
где ю - угловая скорость вальцов для плющения, Б - диаметр вальцов для плющения. Именно при выполнении соотношения (1) плющилка работает наиболее эффективно: при исполнении технологического процесса плющения наблюдается наибольшая производительность при наименьшей М удельной энергоемкости. Задачей теоретических исследований является определение величины УО, обеспечивающей при заданных конструктивно-технологических параметрах питающего устройства плющилки выполнение условия (1).
Результаты исследований. Частица зерна (зерновка) М (траекторию ее движения определяет конструкция питающего устройства - рис. 2, а) в точке О сходит с лопасти питающего вальца и движется вертикально вниз вдоль подводящего канала по оси ОХ
под действием силы тяжести т£ , преодолевая сопротивление воздуха /?, до точки захвата на первую ступень плющения В (рис. 1, б; рис. 2). Характер движения зерновки на данном участке определяется дифференциальным уравнением 2-го порядка с учетом всех действующих сил.
Уравнение движения зерновки М в общем виде будет иметь вид:
тШ = т £ + Д. (2)
Проецируем (2) на ось ОХ, направленную вертикально вниз:
тх = - Я,
(3)
где т - масса зерновой частицы, кг; g -ускорение свободного падения,
м/с2; Я - сила сопротивления воздушной среды, Н.
Учитывая, что Я = ткх2, где к - коэффициент парусности частицы, получаем:
х(г) = g - кх(г)2.
(4)
2 = g — кг .
(6)
деляя переменные
g — кх<
руя уравнение, имеем:
1
1п
г —
г +
= г + с.
(7)
дим:
с = -
1п
У0Ук
(8)
Уо4к + ^
Тогда частное решение дифференциального уравнения выглядит следующим обра-
зом:
1п
Уо^к \\z4k + ^
(К л/к + ^ )• \г4к
2г^
или его можно записать в виде: ^ = а(г+Ь)
г - Ь '
где а = ^-^ >о; Ь = Л 5.
(9)
Заменяя г на х(), и решая уравнение (9) относительно х(), получаем дифференци-
Определение перемещения частицы за время : сводится к нахождению частного решения дифференциального уравнения второго порядка (3), удовлетворяющего следующим начальным условиям:
х(0) = 0 . (5)
х( о) = V
Порядок уравнения (4) можно понизить заменой переменной х(г) = г(г), и уравнение примет вид:
альное уравнение с разделяющимися переменными:
Ь(е2^к + а) хх = Ь\ ^ + а. (10)
Получили дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными, частное решение которого должно удовлетворять условию г(0) = Уо (X) . Раз-
йг
= —г и интегри-
При решении задачи Коши для уравнений высших порядков целесообразно определять значение произвольных постоянных С^ в процессе решения. Подставляя начальное условие г(0) = Уо (X) в уравнение (7), нахо-
2г!ек '
е ^ - а
А так как х = V (производная от перемещения есть скорость), то (10) позволяет определять скорость зерновки при ее движении в подводящем канале в любой момент времени г. Разделяя переменные и вводя обозначение 2Л/gk = р, приводим уравнение (10) к виду:
йх = Ь\ 1 + ■
2а
ерг - а.
\—г.
Интегрируя полученное уравнение, име-
ем:
х = Ьг + 2аЬ[——— .
• ерг - а
Для нахождения | —
(11)
ерг - а
вводим подста-
новку ер = у. Тогда получим:
С —г _ 1 г
•I ерг - а
—У
р • у(У - а)
Подынтегральную функцию раскладываем на простейшие дроби
1
У(У - а)
1
=--+ -
аУ а
1
(У - а)
получаем:
• =р (-а1'" м+>|у - а)+с = (12)
= — 'п|ерг - а - - + С,
ар
а
Подставляя (12) в уравнение (11), найдем общее решение уравнения (10):
Ь_ р
х = 2-1п\ерг - а - Ьг + С , где С = 2аЬС2 .
Удовлетворяя начальному условию х(о) = о, определим произвольную постоянную интегрирования С = -2 —/п| 1 - а|.
р
Тогда частное решение будет иметь вид:
о Ь ,
х = 2 — 1п р
ерг - а
1 - а
- Ьг.
1
Далее заменяем параметры а, Ь, р их выражениями и получаем частное решение уравнения (4), удовлетворяющее начальным условиям (5):
(13)
м/с 10
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 t,ceK
x = -М-^- +
+ 1ln
k
Итак, решая уравнение движения зерновки в воздушной среде (3), получили выражение (10), позволяющие находить значение скорости V ее движения в подводящем канале в любой момент времени
V = X =
b(e2t^k + a)
e2t^k - a
где a = -
Vn4k -jg
>0, b =
К^к + ^ ^
При этом выражение (13) определяет расстояние / = х, пройденное зерновкой в подводящем канале:
0,4 0,2
0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 t,ceK
l = X = -tj-^- +
■ k=0,15;
- k=0,1;
- k=0,07.
+ Iln
k
Ztjgkl
(v04k+yg)- YoVk + yg
Полученные выражения (10) и (13) позволили разработать методику расчета скорости и перемещения зерновой частицы и реализовать ее в виде компьютерной программы в Microsoft Ехсе1 с некоторыми исходными величинами параметров данного движения: начальная скорость движения зерновой частицы Уо = 7, 8, 9 и 10 м/с с коэффициентами парусности к = 0,1 (ячмень, рожь, пшеница); 0,07 (горох); 0,15 (овес). Максимальная величина перемещения (падения) зерновки определена конструктивно: l < lmx = x^ = 0,5 м (величина, пройденная зерном от точки О отрыва от лопасти питающего вальца до точки B - ввода зерна на первую ступень плющения). Величина вскорости подвода зерновки к точке B определяется задачей исследований (1): V < Vnn « wD/2 = 8 м/с. Полученные результаты представлены в виде графиков зависимости перемещения зерновки l от времени t и скорости Vот времени t на рис. 3.
Рис. 3. Движение зерновки в подводящем канале двухступенчатой плющилки зерна
Анализ графических зависимостей показывает следующее. Частица зерна с коэффициентом парусности, например, £=0,1 (пшеница, ячмень, рожь), попадая в подводящий канал (точка О - рис. 1, б) с некоторой начальной скоростью Уо= 8 м/с, под действием силы тяжести и преодолевая сопротивление воздуха пролетает расстояние /=0,5 м за время ¿=0,062 с, при этом скорость ее возрастает в точке захвата В до V=8,3 м/с; при £=0,07 -V=8,42 м/с, при £=0,15-V=8 м/с. Из проведенных ранее исследований известно, что плющилка работает наиболее эффективно при скорости подвода зерна в точку захвата на первую ступень плющения, равной или меньшей окружной скорости вальцов для плющения: V< <$Я = 8 м/с (1): при скорости подвода, большей вышеуказанной, возможен срыв технологического процесса плющения зерна вследствие завала зерном подводящего канала и зоны захвата (точки В), при значительно меньшей - наблюдается уменьшение пропускной способности первой ступени
,
плющения. Проанализировав характер изменения скоростей движения зерновок при различных к, делаем вывод, что, придавая зерновке скорость на входе в подводящий канал Ю=7-7,45 м/с, будем иметь в точке B ее захвата на первую ступень плющения ¥=8 м/с (к =0,07), К=7,85 м/с (к =0,1), К=7,6 м/с (к = 0,07), что удовлетворяет У<шЯ=8 м/с и обеспечивает эффективную работу плющилки.
Вывод. Разработана конструктивно-технологическая схема двухступенчатой плющилки фуражного зерна, новизна которой подтверждена патентом РФ №2399420. Проведены теоретические исследования параметров движения зерновки в рабочей зоне данной машины, позволившие определить оптимальную величину скорости ¥0 ввода зерна для плющения в подводящий канал питающего устройства плющилки и через него в точку захвата на первую ступень плющения: для зерна с коэффициентом парусности зерновок к = 0,07-0,15, сходящего с лопастей питающего вальца на высоте 0,5 м от точки захвата на первую ступень плющения, при окружной скорости вальцов для плющения <$Я = 8 м/с величина начальной скорости ¥0= 7-7,45 м/с. При скорости ¥0 наблюдается наибольшая пропускная способность первой ступени плющения, следовательно, двухступенчатая плющилка зерна работает наиболее эффективно: с минимальной энергоемкостью рабочего процесса и максимально возможной пропускной способностью для выбранной конструктивно-технологической схемы.
Литература:
1. Рекомендации по заготовке и использованию высоковлажного фуражного зерна / В.И. Сыроватка и др. М., 2006. 130 с.
2. Кормоприготовительные машины / Сысуев В.А. и др. Киров, 2009. Т. 2.
3. Марсов В.И., Славуцкий В.А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии. Л., 1975. 287 с.
4. Пат. 2399420. Вальцовый станок / Сысуев В.А. и др. Заяв. 11.01.09; Опубл. 20.09.10
5. Пат. 2477178. Способ плющения фуражного зерна и устройство для его осуществления / Сысуев В.А. и др.
6. Андрианов А.М., Елисеев В.А. Влияние окружной скорости и диаметра валков на производительность и удельный расход энергии зерноплющилки // Механизация с.-х. производства. Воронеж, 1972. Т. 53.
7. Исследования движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна / Сысуев В.А. и др. // Достижения науки и техники АПК. 2014. №14. С. 47-49.
Literatura:
1. Rekomendacii po zagotovke i ispol'zovaniyu vysoko-vlazhnogo furazhnogo zerna / V.I. Syrovatka i dr. M., 2006. 130 s.
2. Kormoprigotovitel'nye mashiny / Sysuev V.A. I dr. Kirov, 2009. T. 2.
3. Marsov V.I., Slavuckij V.A. Avtomaticheskoe upravle-nie tekhnologicheskimi processami na predpriyatiyah stroitel'noj industrii. L., 1975. 287 s.
4. Pat. 2399420. Val'covyj stanok / Sysuev V.A. I dr. Za-yav. 11.01.09; Opubl. 20.09.10
5. Pat. 2477178. Sposob plyushcheniya furazhnogo zerna i ustrojstvo dlya ego osushchestvleniya / Sysuev V.A. i dr.
6. Andrianov A.M., Eliseev V.A. Vliyanie okruzhnoj sko-rosti i diametra valkov na proizvoditel'nost' i udel'nyj ras-khod ehnergii zernoplyushchilki // Mekhanizaciya s.-h. proizvodstva. Voronezh, 1972. T. 53.
7. Issledovaniya dvizheniya zernovki v dvuhstupenchatoj plyushchilke zerna / Sysuev V.A. i dr. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2014. №14. S. 47-49.
THE MOVEMENT OF GRAIN IN THE INFLOW CHANNEL OF FLATTENING MACHINE V.A. Sysuev, doctor of technical sciences, RAN academician P.A. Savinyh, doctor of technical sciences, professor V.A. Kazakov, candidate of tech. Sciences, senior research worker FGBNY "NIISH of North-East"
Abstract. The two-stage forage grains' flatting machine with three rollers for fitting is developed. Technological operations of obtaining flattened feed tentatively divided into mechanical movement and transformation. The theoretical investigation of the grain mo-ving's parameters in the technological process of food obtaining are hold: grains movement in the inflow channel of the flatting machine power supply device on the trajectory area from the point of grains leaving down the blade of the roller power supply device till the point of capture in the working area of the first stage of flattering. There the optimal velocity's value is defined as Vo = 7-7.45 m/s of grains for flattering's input in the inflow channel of the flattering machine's power supply device and through it to the point of capture on the first stage of flattering, in which for some initial conditions: grains sail coefficient is k = 0,07-0,15 (peas, rye, wheat, barley, oats), leaving down the power supply roller's blades at a height of 0,5 m from point of capture on the first stage of flattering, when the peripheral speed of the flattering rolls is wR = 8 m/s, it is observed the highest throughput capacity of the first stage of flattering at the lowest power of energy consumption of the process. This research allows at the engineering stage to develop high-efficiency two-stage grains' flattering machine with minimum of workflow's energy intensity and maximum productivity. Keywords: two-stage flattening, efficiency, feed, costs, flattering grain.
