CC BY
19
УДК 631. 363.23
РАЗРАБОТКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАЛОГАБАРИТНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ
КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ
П.А. Савиных, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией ГНУ НИИСХ Северо-Востока
С.Ю. Булатов, кандидат технических наук, доцент Р.А. Смирнов, преподаватель
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт» E-mail: petr.savinyh@mail.ru
В статье предложена конструкция измельчителя корнеклубнеплодов. Приведено описание методики проведения исследований, лабораторного оборудования для исследований. Получены уравнения регрессии, описывающие влияние исследуемых факторов на процесс измельчения. Двумерные сечения поверхностей откликов и их анализ. Ключевые слова: измельчитель, корнеклубнеплоды, модель регрессии, критерии оптимизации, факторы, эксперимент.
Обоснование актуальности. Известно, что преимуществами корнеклубнеплодов перед другими кормами являются: высокая удельная объемная энергия; высокая урожайность; хорошая усваиваемость.
Животными переваривается до 80...90% находящихся в корнеплодах питательных веществ [4]. При смешивании измельченных корнеклубнеплодов с другими компонентами корма повышается его поедаемость животными [4].
Однако чтобы питательные вещества более полно усваивались животными, необходимо провести правильную подготовку их к скармливанию, одной из операций в которой является измельчение.
Процесс измельчения корнеклубнеплодов требует достаточно больших затрат энергии и до конца не исследован, несмотря на большое количество работ, посвященных данной тематике. Главная цель любого измельчителя - обеспечить качественное приготовление
корма и минимизировать потери питательных веществ.
В настоящее время для малых фермерских предприятий и личных подсобных хозяйств требуются машины с невысокой производительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритами и низкой стоимостью. Поэтому задача по созданию новых и совершенствованию существующих измельчителей корнеклубнеплодов, обеспечивающих необходимое качество измельчения, является актуальной.
Цель исследований. Целью исследования является определение наиболее эффективной конструкции измельчающего аппарата измельчителя и анализ факторов, влияющих на его рабочий процесс.
Методика проведения исследований, приборы и лабораторные установки. Для изучения процесса измельчения нами разработан опытный образец измельчителя корнеплодов [3].
Измельчитель корнеклубнеплодов состоит из корпуса 1 (рис. 1), электродвигателя 2, ременной передачи 3, кронштейна крепления опорных подшипников 4, крышки 5, загрузочного бункера 6, дополнительной наклонной перегородки 7, выгрузной горловины 18, режущего диска 12 (рисунок 2), вертикальных 11 и горизонтальных ножей 9, которые крепятся к диску ножа 20 винтами 10, предохранительной муфты, состоящей из винта 15, прижимной 16 и посадочной 17 шайб.
Рис. 1. Измельчитель корнеклубнеплодов:
а - общий вид; б - конструктивно-технологическая схема; 1 - корпус; 2 - электродвигатель; 3 - ременная передача; 4 - кронштейн крепления опорных подшипников; 5 - крышка; 6 - загрузочный бункер; 7 - наклонная перегородка; 8 - загрузочное окно; 9 - горизонтальный нож; 10 - винт; 11 - вертикальный нож; 12 - режущий диск; 13 - отбойник; 14 -выгрузное окно; 15 -винт; 16 - прижимная шайба; 17 - посадочная шайба; 18 - выгрузная горловина;
19 - приводной вал; 20 - натяжное устройство
Измельчитель работает следующим образом. Корнеклубнеплоды загружаются в загрузочный бункер 6. Под собственным весом они скатываются по дополнительной наклонной перегородке 7 к загрузочному окну 8, расположенному на периферии режущего диска 12 и через него попадают в камеру измельчения, образованную режущим диском 12 и отбойником 13. По периферии в створе загрузочной горловины 8 вращаются ножи режущего диска 12. При подходе к корнеплоду вертикальные ножи 11 делают в нем вертикальные надрезы, а идущие следом горизонтальные 9 - отрезают стружку. Расстояние между вертикальными ножами 11 определяет толщину отрезаемого ломтика, а частота вращения режущего диска - его высоту. Отрезанные ломтики через радиально расположенные на режущем диске окна лопатками режущего диска перемещаются к выгрузному окну 14 и через выгрузную гор-
ловину 18 выводятся из камеры измельчения.
Особенностью измельчителя является возможность резания корнеплодов ломтиками. Это достигается установкой горизонтального и вертикальных ножей, проходящих по периферии режущего диска в створе загрузочной горловины. Помимо того, в загрузочном бункере установлена дополнительная наклонная перегородка с наклоном в сторону загрузочного окна таким образом, что ее нижний конец расположен на краю загрузочного окна. Такое техническое решение позволяет измельчаемым корнеплодам непрерывно попадать в камеру измельчения установки без остатка в бункере. При проведении исследований оценивали влияние количества режущих ножей N (фактор х1) и скорости резания Ур (фактор х2) на качество готового продукта и удельные энергозатраты. Угол резания вертикальных ножей на обоих дисках составлял 45°. Расстояние между вертикальными ножами выбирали, исходя из зоотехнических требований к качеству измельчения, и оно составляло 20 мм.
Испытания проводили на картофеле со средним диаметром клубней 43...45 мм. Испытывали режущий диски с одним и двумя горизонтальными ножами (рис. 2). Скорость резания задавали равной 10,5; 11 и 12 м/с с помощью сменных шкивов. Качество работы измельчителя оценивали тремя критериями оптимизации: у1 - производительность установки, кг/ч; у2 - удельные затраты с учетом степени измельчения эпол, кВт-ч/(т-ед.ст.изм); у3 - средневзвешенный размер измельченных частиц, мм. Производительность установки определяли по известной формуле: 3,6 • О (!)
б =
где О - масса навески, кг; I - время измельчения навески, с.
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(16)-2014
117
а) б)
Рисунок 2. Режущие диски: а - с двумя горизонтальными ножами; б - с одним горизонтальным ножом
С целью определения энергоемкости процесса измельчения во время проведения опытов с помощью прибора М^есИ М82203 фиксировали мощность холостого хода и мощность на привод режущего диска при установившемся режиме работы.
После проведения опыта из готового продукта отбирали навеску, разделяли ее на фракции, каждую из которых взвешивали на весах ВК-300.01 с точностью до 0,01 г и подсчитывали их процентное соотношение по массе.
Фракции имели следующие размерности (мм): до 15; от 15,1 до 20; от 20,1 до 30; свыше 30. Разделение на фракции производили с помощью ручного классификатора. Средний размер измельченных частиц определяли согласно известной методике [1].
Результаты эксперимента. С целью определения влияния исследуемых факторов на критерии оптимизации реализован многоуровневый план эксперимента (х1 изменяли
на двух уровнях, х2 - на трех), план и результаты которого представлены в таблице 1.
После проведения исследований полученные данные были обработаны с помощью программы «Statgraphics Centurion 15.2.11.0». Уравнение регрессии в закодированном виде, характеризующее влияние скорости резания и числа ножей на энергоемкость процесса измельчения, выглядит следующим образом: у1 = 512,2 + 171,8 х1 + 114,5 х2 - 78,5 х1х2 (2)
Из анализа графика нормальностей и карты Парето определен статистически незначимый эффект - х22. Наибольшее влияние на производительность установки оказывает фактор х1 - количество ножей. При тестировании на статистическую значимость каждого эффекта путем сопоставления среднего квадратического отклонения с экспериментальной ошибкой выявлено, что 3 эффекта имеют значения p менее 0,05, указывая на то, что они существенно отличаются от нуля при 95,0%-м уровне значимости.
Степень достоверности аппроксимации полученной модели регрессии R2 составила 99,95 %. Статистика Дарбина-Уотсона DW = 2,17, следовательно, полученное уравнение может быть признано адекватным и принято для описания протекающего процесса. Максимальная производительность измельчителя составляет 723 кг/ч, при х1 = 1 и х2 = 1.
Таблица 1. Матрица плана и результаты эксперимента
Факторы Критерии оптимизации
Количество ножей Скорость резания Производи- Удельные энерго- Средневзвешен-
нормирован- ненормиро- нормированное ненорми- тельность, затраты с учетом ный размер
ное значение ванное зна- значение рованное кг/ч степени измельчения измельченных
чение значение э пол ,кВт-ч/(кг-ед.ст.изм) частиц, мм
X1 N X 2 Vp, м/с У1 У 2 У з
-1 1 -1 9 154 16,5 28
1 2 -1 9 648 62 29,4
-1 1 0 10,5 327 61 22,33
1 2 0 10,5 684 37,9 22,8
-1 1 1 12 540 43 20,56
1 2 1 12 720 22,9 18,2
Энергоемкость процесса измельчения корнеплодов, зависящая от исследуемых факторов, с 95%-ой доверительной вероятностью описывается уравнением: у2 = 0,05 - 0,02 XI - 0,04 х2 + 0,02 x1 X2 + 0,24 x 22 (3)
Степень достоверности аппроксимации модели регрессии R = 96,2 %. Наибольшее влияние на критерий оптимизации оказывает фактор х2. Увеличение скорости резания ведет к снижению затрат энергии на измельчение корнеплодов. Их минимальное значение наблюдается при Xl = 1, x2 = 0,4 и составляет у3 = 0,021 кВт-ч/(т-ед.ст.изм). Для третьего критерия оптимизации (средневзвешенный размер измельченных частиц) получена следующая модель регрессии: у3 = 22,6 - 0,08 Xl - 4,66 x2 - 0,94 Xl X2 + 1,45 X22 (4)
Анализ значимости отдельных эффектов выявил, что статистически значимым эффектом является только х2, и его увеличение вызывает значительное снижение значения критерия у3. Компромиссную задачу при трех критериях оптимизации решали наложением двумерных сечений (рис. 3) , в которой требовалось найти значения факторов, дающих минимум энергозатрат при высоком качестве измельчения и максимальной производительности установки. Анализ двумерных сечений показывает, что снижение энергозатрат и одновременное повышение производительности установки наблюдается с увеличением обоих факторов, т. е. необходимо увеличивать количество горизонтальных ножей (М = 2) и скорость резания (¥р = 11-12 м/с).
1
0,6
0,2 Х2 -0,2
-0,6
N 640 ^
«s V s 560 ч \ \ 4
^ s ^ 400 v s \ «4 480 " л V \\ \N \ 4
\s 4 \ \\ Ss\ ч \ v V 43 ч\ ч f
240 N Y -v 320 \ Д \ y00 Уч \ Vv *57j
0,6 0,2 -0,2 -0,6
**....... '"18....
........
-1 -0,6 -0,2 х 0,2 0,6
а)
-1
-1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 X 1 б) Рис. 3. Влияние исследуемых факторов на критерии оптимизации: а - у 1 и у 2; б - у 3
При данных значениях факторов средневзвешенный размер измельченных частиц будет соответствовать зоотехническим требованиям [2] и составит 18-20 мм, а производительность установки и удельные энергозатраты соответственно 640 кг/ч и 29 кВт-ч/ (кг-ед.ст.изм). Дальнейшие исследования необходимо провести при числе ножей 3-4, а увеличение скорости резания приведет к увеличению потери питательных веществ. В результате проведенных исследований определено, что с целью повышения производительности измельчителя корнеклубнеплодов и снижения энергозатрат на их измельчение необходимо установить не менее двух горизонтальных ножей, при этом скорость резания должна находиться в пределах 11-12 м/с.
Литература:
1. Кукта Г.М. Испытание с.-х. машин. М., 1964. 284 с.
2. Нормы и рационы кормления с.-х. животных. М., 2003. 456 с.
3. Измельчитель корнеклубнеплодов / П.А Савиных и др. // Сельский механизатор. 2013. Вып. 8. С. 40-41.
4. Сысуев В.А., Алешкин А.В., Савиных П.А. Кормо-приготовительные машины. Киров, 2008. Т. 1. 640 с.
The paper proposes a design chopper tuberous roots. Describes the methodology of research, laboratory equipment for research. The resulting regression equation describing the effect of the studied factors on the grinding process. Two-dimensional sections and response surface analysis.
Keywords: chopper, Root crops, the regression model, the criteria for the optimization of the factors, the experiment.
1
1
Journal of VNIIMZH №4(16)-2014
119
