CC BY
24
УДК 631. 353
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ПЛЮЩИЛКИ ЗЕРНА
П.А. Савиных, доктор технических наук, заведующий лабораторией ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» Е-mail: peter.savinyh@mail.ru
В.А. Казаков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.М. Мошонкин, аспирант ФГБОУ ВО Вятская ГСХА E-mail: alex2103 sandr@mail.ru
Аннотация. По результатам теоретических исследований движения зерновки в рабочей зоне плющилки зерна получены теоретические зависимости изменения величины и направления скорости движения зерновки в различных точках ее траектории, позволяющие разработать плющилку зерна с конструктивно -технологическими параметрами рабочих органов, при которых достигается минимальная энергоемкость процесса получения плющеного корма и наибольшая производительность. Определена скорость движения зерновки на входе в рабочую зону первой ступени плющения, обеспечивающая максимальную пропускную способность плющилки: V01 = Vmaxi = w-R. Проведены теоретические исследования движения зерновки по лопастям питающего вальца для двухступенчатой плющилки зерна, его рациональные конструктивно-технологические параметры составляют: го = 0,12 м, rH=0,135 м, ^вых = - = 0,523 рад, ш=20
6
рад/с, f=0,35, а наиболее удаленная от наружного края лопасти вальца зерновка выходит за периферию
вращающегося питающего вальца при ф = 0,474 < ^вых = - Установлено, что наибольшая производи-
6
тельность второй ступени плющения достигается минимальным значением угла а, образованным пересечением прямых, проходящих через центры вращения вальцов для плющения: а = 600 +ф 02max. С учетом результатов теоретических исследований предложены конструктивные решения рабочих органов плющилки зерна и их взаиморасположение - питающего вальца и криволинейной направляющей пластины, разработан эскизный проект машины и согласно ему изготовлен опытный образец двухступенчатой плющилки зерна ПЗД-6М.
Ключевые слова: двухступенчатое плющение, эффективность, корм, затраты, плющеное зерно.
Введение. Анализ научно-технической цесса получения плющеного корма возника-литературы и патентные исследования тех- ют и определенные проблемы, например, пе-нологий и технических средств получения риодически происходит сбой и потеря про-плющеного зерна (сухого или влажного), как изводительности двухступенчатого плюще-эффективного корма для различных групп ния вследствие переполнения поступающим сельскохозяйственных животных, показали, зерном рабочей зоны первой ступени плю-что наиболее экономически выгодным спо- щения, забивания предварительно измель-собом приготовления данного вида корма ченным зерном пространства между криво-является двухступенчатое плющение зерна линейной направляющей пластиной и ос-тремя вальцами и, если зерно влажное, кон- новным вальцом, вследствие чего плющилку сервирование с последующим герметичным зерна необходимо останавливать, что приво-хранением до скармливания животным. В дит к снижению пропускной способности и ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» разрабо- производительности исследуемой машины. тана двухступенчатая плющилка зерна с Для устранения этого и других недостатков, устройствами внесения консерванта в плю- присущих именно двухступенчатому плющеное зерно [1, 2]. Опыт эксплуатации ма- щению зерна тремя вальцами, возникает шин такого типа показывает, что при качест- необходимость в проведении теоретических венном исполнении технологического про- исследований для изучения технологическо-
го процесса получения корма и оптимизации конструктивно-технологических параметров технических средств, осуществляющих данное плющение.
Методика исследований. Исследуемый технологический процесс двухступенчатого плющения зерна тремя вальцами в общем виде представлен на рисунке 1. Процесс осуществляется двухступенчатой плющилкой зерна и заключается в следующем.
Рис. 1. Технологическая схема двухступенчатого плющения зерна тремя вальцами: 1- зерно, 2 - питательный бункер, 3 - окно, 4 - заслонка, 5 - питающий валец, 6 - подводящий канал, 7, 8, 9 - вальцы для плющения, 10 - межвальцовый
зазор первой ступени, 11 - криволинейная направляющая пластина, 12 - межвальцовый зазор второй ступени плющения, 13 - готовое плющеное зерно, 15 - направляющая пластина, 16 - форсунка
Зерновой материал 1 загружается в бункер 2 и при открытии окна 3 заслонкой 4 под действием силы тяжести попадает на питающий валец 5 и его лопастями подается через подводящий канал 6 в межвальцовый зазор первой ступени плющения 10, где захватывается вальцами для плющения 7, 8 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 прохождения которой плющеное зерно 13 попадает на направляющую пластину 15, и, двигаясь вдоль нее, обрабатывается консервантом (если зерно влажное) из форсунки 16, после чего выводится наружу. Проведены теоретические исследования движения зерновки в рабочей зоне двухступенчатой плющилки зерна: участка траектории ОНВ (движение зерновки по лопастям питающего вальца 5) [1] и участка CK (движение предварительно разрушенного зерна на вторую ступень плющения по криволинейной направляющей пластине) [2].
Результаты исследований. Ранее теоретически исследован процесс движения зерновки и определена ее скорость на входе в рабочую зону первой ступени, обеспечивающая максимальную пропускную способность плющилки:
Voi = Vmaxi = œR , (1)
где ю - угловая скорость вальцов для плющения, R - радиус данных вальцов.
Обеспечить данную скорость Voi должен конструктивный элемент питающего устройства двухступенчатой плющилки - питающий валец 5 (рис. 1).
На первом этапе своего движения частица зерна (зерновка) захватывается лопастями питающего вальца 5 в т. Он, которые придают ей скорость:
Vo = œnDn/2, (2)
где юп - угловая скорость питающего вальца, рад/с, Dп - диаметр питающего вальца по краям лопаток, м.
Затем зерновка движется вниз некоторое время toi под действием силы тяжести до точки захвата в т. В, достигая при этом величины Voi:
Voi = Vo + g-toi = œnDn/2+ g-toi, (3)
Предыдущие исследования показывают [1], что наиболее эффективное плющение первой ступени происходит при скорости зерновки в точке захвата В:
Voi = ю-£/2, (4)
где ю - угловая скорость вальцов для плющения, D - диаметр вальцов.
Следовательно, для наилучшего протекания технологического процесса плющения необходимо, чтобы скорость зерновки в т. В
уравнялась с окружной скоростью вальцов для плющения:
œnDn/2+g •toi = œD/2, (5)
где toi - время, затрачиваемое зерновкой на прохождение расстояния l. Находим ¿оь
+8gl ^ d2 +8gl-tónDn
tQ1 = 25 (3) с учетом (6): Voi = Vo+gtoi =
2 g
(6)
(7)
/У^ Р2 +8д1-шпРп\
Шпйп/2+д1-—-1=юп^п/2+
Следовательно, имеем выражение:
Юп £п/2+ (ММ^-^) = юБ/2 (8)
В выражении (8) величины ю и Б являются определяющими для плющильных вальцов и известны из ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а окружная скорость Ув вальцов составляет следующую величину: Ув = шБ/2 = 6-8 м/с. Величина I свободного падения зерновки после отделения ее от лопатки питающего вала до точки захвата выбирается наименее возможной для конкретной конструкции плющилки и составляет 0,2-0,4 м.
Исходя из этого, время прохождения расстояния I зерновкой составляет порядка 0,050,1 с; следовательно, приращение скорости g■í01 в точке В составляет 0,5-1,0 м/с, что существенно меньше Ув; как следствие, Уо: Ув = шР/2 >> =
(^Б^-щАп) ^ ^ = ЮпБп/2. (9)
Если (с учетом вышеуказанного) в (9) пренебречь величиной ^01 как значительно меньшей по сравнению с другими членами выражения (9), получаем следующее:
ШпОп/2 = шБ/2 (10)
или Уо = Ув . (11)
На следующем этапе проведены теоретические исследования движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна на участке ВК (рис. 1) [2]. Вращением вальцов 7 и 8 предварительно расплющенная зерновка выводится из рабочей зоны первой ступени
плющения со скоростью Vi= V0 =roR проходит расстояние CD = l = (R+2h\)^ sin фо (рис. 2) и попадает на криволинейную пластину 11 в точке D с начальной скоростью V0 = roR, движется по ней с замедлением до точки К, в которой происходит захват зерновки вальцами 7 и 9 для осуществления второй ступени плющения.
По аналогии с первой ступенью плющения, наилучший захват зерна и наибольшая пропускная способность второй ступени плющения, определяющая производительность всей плющилки, будут обеспечены при подводе зерновок в точку К со скоростью, максимально приближенной к V = ro R. При движении зерновки массой т по криволинейной пластине радиусом R со скоростью V на нее действует сила тяжести тд, сила трения F-гр , нормальная реакция N (рис. 2).
Рис. 2. Движение предварительно расплющенной зерновки по криволинейной направляющей пластине двухступенчатой плющилки зерна
Уравнение движения зерновки по криволинейной направляющей пластине в общем виде будет иметь вид:
гШ = тд + Ртр + N . (12)
Дифференциальные уравнения движения частицы в проекции на касательную т и нормаль п с учетом (1) запишем в виде:
dV „
г:т — = тд eos ф — FTp n: m— = N
R
тд s/пф N.
(13)
Для нахождения скорости движения V частицы плющеного зерна необходимо решить эту систему уравнений.
С учетом того, что сила трения Fтр определяется как
Ртр = Щ (14)
решаем (12), (13) с учетом (14), получаем следующее:
V = ^С1е-2^ф + A cos ф + В sin ф, (15)
где: A =
В =
l+4f2' 2R&(1-2f2)
(1+4f2)
(16) (17)
C1 = е2Гф°(у2 - Асо5ф0-В5Ыф0) (18)
Выражение (15) с учетом (16), (17), (18) позволяет численно определять величину скорости V движения зерновки по криволинейной пластине в любой ее точке, определяемой углом ф (рис. 2) в зависимости от изменения следующих факторов, влияющих на ее движение: начальной скорости движения плющеной зерновой частицы V0 , скорости вращения вальцов плющения ю, коэффициента трения f зерновки о материал пластины и др. Например, попадая на криволинейную пластину со скоростью Vo1= 7,6 м/с, зерновка при движении начинает замедляться по всей длине пластины пропорционально коэффициенту трения f зерновки о материал пластины и углу ф: при ф = 700 и f = 0,2 скорость V падает с 7,6 до 6,29 м/с (на 17%), при f = 0,3 - до 5,68 м/с (на 25%), при f = 0,4 - до 5,12 м/с (на 33%), что ухудшает захват зерновки в точке К(рис. 2)и приводит к снижению пропускной способности второй ступени пропорционально уменьшению скорости.
Следовательно, наибольшая пропускная способность второй ступени плющения достигается при наименьшем падении скорости V в точке К (точке захвата предварительно измельченной зерновки): при минимальных ф и f Исходя из того, что величина угла ф, определяющего положение зерновки на пластине, должна быть минимальной, и конструктивных особенностей двухступенчатой плющилки зерна с тремя вальцами для плю-
щения, определяется угол а (рис. 2), образованный прямыми, проходящими через центры вращения вальцов для плющения, который не может быть меньше 600, а ф о2 - больше 100: а = 60° +ф огтах . Снижение величины другого рассматриваемого фактора - коэффициента трения / между частицей зерна и криволинейной пластиной, приводящего к повышению производительности второй ступени плющения, зависит от выбора материала, из которого изготовлена пластина.
С учетом результатов теоретических исследований предложена конструктивно-технологическая схема двухступенчатой плющилки зерна (рисунок 3, а) с питающим устройством (б) и криволинейной направляющей пластиной (б) [3] [4].
Двухступенчатая плющилка зерна состоит из рамы 1, питательного бункера 2 с регулировочной заслонкой 3 и окном 21, подводящего канала 4, питающего вальца 5 с канавками, верхнего основного 6, бокового 7, нижнего 8 вальцов. Вальцы 6, 7, 8 установлены на опорах 9. Очищающие ножи 10, 11, 12 установлены у верхнего основного 6, бокового 7 и нижнего 8 вальцов. За очищающим ножом 10 смонтирована направляющая пластина 13, за очищающим ножом 12 - пластина 14, на которой установлены форсунки 15. Привод вальцов 7 и 8 осуществляется от электродвигателя 16 через клиноременные передачи 17, вальца 6 - через клиноремен-ную передачу 18 от электродвигателя 19, вальца 5 - от вальца 7 через клиноременную передачу 20.
Плющилка зерна работает следующим образом. Подлежащий измельчению зерновой материал (зерно) 24 загружается в питательный бункер 2. При открытии окна 21 регулировочной заслонкой 3, позволяющей регулировать пропускную способность вальцового станка, зерновой материал (зерно для плющения) 24, находящийся в питательном бункере 2, попадает в канавки питающего вальца 5 и подается его лопастями через окно 21 и подводящий канал 4 и через него в межвальцовый зазор 25 вальцов 6 и 7, где захватывается вальцами 6 и 7, проходит первую ступень плющения (измельчения), затем
выводится из межвальцового зазора 25. Далее предварительно измельченный зерновой материал направляется очищающим ножом 11 в межвальцовый зазор верхнего основного 6 и нижнего 8 вальцов на вторую ступень
4 18 19
1ч
1110 12 23 22
13
14
с
На плющеное зерно 23, вылетающее из межвальцового зазора, распыляется консервант форсунками 15, смонтированными на пластине Н. Установка питающего вальца 5 с конструктивно-технологическими параметрами, определенными теоретическими исследованиями, в питательном бункере 2 двухступенчнтой плющилки над регулируемым по выьоте окном 21 р^рыхляет поступающее в бункер на плющение зерно 24, что устраняет его зависание в б^кере 2,а такжн забивание зерном верхнего межвальцового пространства 25, тем самым обеспечивает непрерывность и равномерность е одачи зерна 24 на плющение, и, следовательно, непрерывность всего технологичеаколо процесса плющения зерна, что повышает производительность плющилки.
Техническое исполнение питательного бункера 2, установленного над межвальцовым зазором 25 первой ступени плющения и соединенного с ним подводящим каналом 4, с регулируемым по высоте окном 21 и шириной окна, равной длине вальцов для плющения, через которое зерно подается на плющение, и питающего вальца с числом канавок не менее 12, смонтированного в питательном бункере 2 над регулируемым по вы-
плющения. После второй ступени плющения плющеное зе1но 23 выводится из межвальцового зазора и подается в камеру смеш ива-ния 22, двигаясь вдоль направляюще1 пластины 13.
соть окном 21, диаметром Ап и имеющим соотношение с диаметром вальца для плющения (Аз-: £>п > 0,4Бо , с частотой вращения пп, нзходязцейся в зависимости от частоты вращения и- вальца для плющения: пп > п0, обеспечивает подлежащему плющению зерну 24 равномерное однослойное поступление в межвальцовый зазор 25 первой ступени с необходимой скорость и направлением, при которых происходит наилучший захват зерна 24 валь°ами для плющения первой ступени 6 и 7, обеспечивающий максимально возможную пропускную способность и, как следствие, производительность плющения. Из вышеуказанного следует, что за счет повышения надежности технологического процесса плющения и существенного улучшения захвата зерна вальцами для плющения значительно повышается производительность двухступенчатой плющилки, что в конечном итоге снижает себестоимость получаемого продукта.
Взаиморасположение вальцов для плющения и криволинейной направляющей пластины в значительной мере определены результатами вышеуказанных теоретических исследований и представляют следующее: наибольшая пропускная способность второй
а б в
Рис. 3. Конструктивно-технологическая схема дв ухступенчатой плющилки зерна (а) с новым питающим устройством (б) и криволинейной направляющей пластиной (в)
ступени плющения, определяющая производительность всей плющилки, мере достигается установкой вальцов для плющения 6, 7 и 8 (рис. 3,в) на подшипниковые опоры следующим образом: центры вращения бокового 7 и нижнего 8 вальцов для плющения должны находятся на прямых, проходящих через центры вращения бокового 7 и нижнего вальцов 8 и через центр вращения основного вальца 6, и при пересечении образующих угол а = 600 + фо, где угол фо = Ф01 + Ф02 = 5...150 определяется из конструктивных соображений и должен стремиться к минимально возможному значению. При этом межцентровое расстояние для вальцов 6 и 7 составляет 2Я+к1, для вальцов 6 и 8 - 2К+И2. Криволинейная направляющая пластина 11 устанавливается под основным вальцом 6 и между боковым 7 и нижним 8 вальцами, имеет кривизну ^п= Я+Ивх с центром, совпадающим с центром вращения основного вальца 6 таким образом, что верхняя ее кромка (точка А) касается рабочей поверхности бокового вальца 7 с зазором от рабочей поверхности основного вальца 6: Авх=1,5Й1, нижняя кромка пластины 11 (точка В) максимально приближена к рабочей поверхности нижнего вальца 8, но не касается его и имеет зазор от рабочей поверхности основного вальца 6: ^вых= 2квх = 3И1. Такая конструкция и установка пластины 11 практически исключают забивание предварительно расплющенным зерном 23 пространства между криволинейной направляющей пластиной 11 и основным вальцом 6, технологический процесс двухступенчатого плющения фуражного зерна 24 не прерывается, поэтому пропускная способность и производительность машины остаются стабильными на оптимальном режиме. Таким образом, использование новой двухступенчатой плющилки зерна за счет конструктивно-технологического исполнения питающего вальца и питательного бункера, оптимального взаиморасположения вальцов для плющения, правильной установки криволинейной направляющей пластины приводит к повышению пропускной способности плющилки, обеспечивает стабильность
исполнения технологического процесса плющения зерна, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости получаемого продукта - плющеного зерна.
Область применения результатов. С учетом результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований в НИИСХ Северо-Востока совместно с ПКБ НИИСХ Северо-Востока разработан эскизный проект двухступенчатой плющилки зерна ПЗД-6М производительностью 6 т/ч и изготовлен опытный образец плющилки (рис. 4), техническая характеристика которого представлена в таблице.
Плющилка зерна может быть использована для приготовления плющеного зернового корма из сухого или влажного зерна различным группам животных сельскохозяйственных предприятий любой формы собственности. Применение разработанной машины снизит себестоимость приготовленного ею корма на 10-15%. Проведенные производственные испытания данной машины говорят о том, что двухступенчатая плющилка зерна ПЗД-6М качественно выполняет технологический процесс получения корма и подтверждает заявленную производительность.
Ь. Рис. 3. Общий вид опытного
образца двухступенчатой плющилки зерна ПЗД-6М
Таблица. Техническая характеристика
плющилки зерна ПЗД (-6М
Показатели Значение
Тип стационарный
Установленная мощность электродвигателей, кВт 17
Пропускная способность, т/ч до 7
Длина, мм 4650
Ширина, мм 1300
Высота до края бункера, мм 1750
Высота выгрузки, мм 3150
Масса, кг 1300
Окружная скорость вальцов, м/с 7...8
Ширина вальцов, мм 600
Диаметр вальцов, мм 275
Содержание в готовом продукте частиц размером менее 2,5 мм, % не более 8
Комплект оборудования для внесения консерванта НВУ-3
Выводы.
1. Определена скорость движения зерновки на входе в рабочую зону первой ступени плющения, обеспечивающая максимальную пропускную способность плющилки: V01= Vmax1=ю•R. Проведены теоретические исследования движения зерновки по лопастям питающего вальца для двухступенчатой плющилки зерна: его рациональные конструктивно-технологические параметры составляют: г0 = 0,12 м, гн=0,135 м, фвых=0,523 рад, ю=20 рад/с, ./=0,35.
2. Наибольшая производительность второй ступени плющения достигается минимальным значением угла а, образованным пересечением прямых, проходящих через центры вращения вальцов для плющения: а = 600 +ф а правильная установка криволинейной направляющей пластины повышает надежность технологического процесса двухступенчатого плющения зерна.
3. Разработан эскизный проект двухступенчатой плющилки зерна ПЗД-6М производительностью 6 т/ч и изготовлен ее опытный образец. Проведены производственные испытания данной машины, которые говорят, что плющилка качественно выполняет технологический процесс получения корма и
подтверждает заявленную производительность. Применение разработанной плющилки снизит себестоимость приготовленного ею корма на 10-15%.
Литература:
1. Сысуев В.А., Савиных П.А., Казаков В.А. Исследования технологических параметров движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна // Энергообеспечение и энергосбережение в с. х. Ч. 3. М., 2014.
2. Исследования движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна / Сысуев В.А. и др. // Достижения науки и техники АПК. 2014. №14. С. 47-49.
3. Пат. 2477178 РФ. Способ плющения фуражного зерна и устройство для его осуществления / Сысуев В.А. и др. Заяв. 01.04.11; Опубл. 10.03.13, Бюл. №7.
4. Пат. 2557780 РФ. Вальцовая плющилка для ресур-соэнергосберегающей технологии производства зерновых кормов / Сысуев В.А. и др. Опубл. 27.07.15
Literatura:
1. Sysuev V.A., Savinyh P.A., Kazakov V.A. Issledovaniya tekhnologicheskih parametrov dvizheniya zernovki v dvu-hstupenchatoj plyushchilke zerna // EHnergoobespeche-nie i ehnergosberezhenie v s. h. CH. 3. M., 2014.
2. Issledovaniya dvizheniya zernovki v dvuhstupenchatoj plyushchilke zerna / Sysuev V.A. i dr. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2014. №14. S. 47-49.
3. Pat. 2477178 RF. Sposob plyushcheniya furazhnogo zerna i ustrojstvo dlya ego osushchestvleniya / Sysuev V.A. i dr. Zayav. 01.04.11; Opubl. 10.03.13, Byul. №7.
4. Pat. 2557780 RF. Val'covaya plyushchilka dlya resur-soehnergosberegayushchej tekhnologii proizvodstva zer-novyh kormov / Sysuev V.A. i dr. Opubl. 27.07.15
THEORETICAL STUDIES AND CONSTRUCTIVE DEVELOPMENT OF TWO-STAGE GRAIN FLATTENING
MACHINE
P.A. Savinyh, doctor of technical sciences, laboratory chief FGBNY "North-East NIISH"
V.A. Kazakov, candidate of technical sciences, senior research worker A.M. Moshonkin, post-graduate student FGBOY VO Vyatka GSHA
Abstract. According to the results of theoretical researches of a grain flow in the working area of the grain flattening machine the theoretical dependences of the magnitude changing and grains velocity directing at various points of its trajectory, allowing to develop a grain flattening machine with working bodies' constructive-and-technolo-gical parameter are obtained, at that the minimum energy consumption process obtaining flattened feed and the best performance is achieved. The grains speed at the working zone of the first flattening stage entering, provided maximum throughput conditioning of grain flattening machine as: V0,1 = Vmax1 = is determined. The theoretical studies of the motion of the grains on the blades of the feed drum for the two-stage grain flattening machine are conducted, his rational constructive-and-technological parameters are: r0 = 0,12 m, ru =0,135 m, youtlet = ~ = 0,523 rad, m=20 rad/s, f=0,35, and the most remote from the outer edge the blade waltz of grain flattening machine comes beyond the periphery of the rotating feed drum at q=0,474< ^outiet =n/6. It is found that the greatest performance of the second stage of flattening is achieved by the minimum value of the angle a formed by the intersection of the straight lines passing through the centers of waltzes rotation of rollers for flattening as: a = 600 + y 02max. Based on the theoretical research results the constructive solutions of grain flattening machine's working bodies and their relative positions - the feeding waltz and a curved guide blade are offered, the conceptual design of this machine and according its the prototype model of PZD-6M two-stage grain flattening machine is made. Keywords: two-stage flattening, efficiency, costs, flattening grain.
