CC BY
13
5. Veleckij I.N., Lysov A.K., Lepekhin N.S. i dr. Mekhanizaciya zashchity rastenij: Spravochnik. -M.: Agropromizdat, 1992. - 223 s.
6. Aniferov F.E., Davidson E.I., Domarackij P.I. i dr. Spravochnik po nastrojke i regulirovke sel'skohozyajstvennyh mashin. - L.: Kolos, 1980. - 256 s.
7. Lur'e A.B. Statisticheskaya dinamika sel'skohozyajstvennyh agregatov. - M.: Kolos, 1981. - 382 s.
8. Smelik V.A. Tekhnologicheskaya nadezhnost' sel'skohozyajstvennyh agregatov i sredstv eyo obespecheniya. - YAroslavl', 1999. - 230 s.
9. Postnikov N.M., Belyaev E.A., Kan M.I. Kartofeleposadochnye mashiny. - M.: Mashinostroenie, 1981. - 229 s.
10. Druzhinin G.V. Metody ocenki i prognozirovaniya kachestva. - M.: Radio i svyaz', 1982. - 160 s.
11. Evlanov L.G. Kontrol' dinamicheskih sistem. - M.: Nauka, 1979. - 432 s.
УДК 636.085.622; 631.363.21 DOI 10.24411/2078-1318-2020-13124
Доктор техн. наук М.С. ВОЛХОНОВ (ФГБОУ ВО Костромская ГСХА, vms72@mail.ru) Канд. техн. наук А.М. АБАЛИХИН (ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА, anton-abalikhin@yandex.ru) Ст. преподаватель А.В. КРУПИН (ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА, krupinav37@mail.ru)
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ НОВОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ФУРАЖНОГО ЗЕРНА
Продуктивность животных, являющаяся определяющим фактором результативности отрасли, зависит не только от количества потребляемых животными кормов, но и от качества подготовки кормов к скармливанию. Одним из важнейших показателей качества является размер частиц корма. Различные виды сельскохозяйственных животных, и даже отдельные половозрастные группы животных одного вида, нуждаются в кормах, имеющих существенные различия по гранулометрическим характеристикам [1, 2]. Измельчение фуражного зерна -обязательная операция процесса приготовления кормов, и при этом самая энергоемкая - до 70% от энергозатрат на весь технологический процесс [3, 4].
Основными машинами для измельчения фуражного зерна являются молотковые дробилки, которые, несмотря на повсеместное распространение и ряд несомненных достоинств, обладают и существенными недостатками. К основным недостаткам относят высокий удельный расход энергии - до 10 кВтч/т и более, а также неравномерный фракционный состав измельченного материала с содержанием пылевидной фракции до 30% при тонком измельчении, и до 20% недоизмельченных и даже цельных зерен при грубом измельчении [5, 6].
Перспективным направлением развития технических средств для измельчения фуражного зерна, по мнению ряда исследователей [7, 8, 9, 10], является разработка и изучение закономерностей работы центробежных измельчителей, обеспечивающих получение размола с более выровненным фракционным составом при меньшем удельном расходе энергии. Основным недостатком центробежных измельчителей является снижение качества измельчения при увеличении подачи зерна в камеру измельчения по причине слабой продувки решета воздушным потоком, приводящей к многократному ударному воздействию, последующему переизмельчению зерна, а также к снижению производительности процесса.
Нами усовершенствована конструкция ротора, деки центробежного измельчителя фуражного зерна [10] и загрузочной горловины.
Целью исследования является определение эффективности работы нового центробежного измельчителя фуражного зерна на различных режимах его работы.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- изучить влияние основных технологических факторов на производительность и потребляемую мощность разработанного измельчителя зерна;
- определить режимы работы нового измельчителя по параметрам получаемой дерти и её соответствию зоотехническим требованиям для различных групп животных.
Материалы, методы и объекты исследований. Разработанный измельчитель [11] фуражного зерна содержит оперативный бункер 1 (рис. 1) с регулировочной заслонкой 2, перекрывающей выгрузное окно бункера, загрузочную горловину 3 с воздухозаборным отверстием 4, рабочую камеру 5, фильтр-мешок 6, станину 7 с виброопорами 8, привод 9. Привод включает в себя электродвигатель, клиноременную передачу и корпус подшипников, в котором вращается приводной вал ротора измельчителя. Подключение электродвигателя к сети 380 В осуществлено через измерительный комплект 10 и частотный регулятор 11. В рабочей камере располагаются решето 1 (рис. 2), ротор с радиальными лопатками 2, закрепленными под углом 100 по направлению вращения к радиусу ротора, и дека с отбойниками 3. Дека и решето крепятся к кронштейнам 4, при этом решето охватывает ротор на 2/3 окружности, а оставшаяся 1/3 приходится на деку.
Процесс измельчения зерна на разработанном измельчителе существенно отличается от процесса измельчения на широко распространенных молотковых дробилках. Основное отличие в том, что разрушение частиц осуществляется не ударом активного рабочего органа - вращающегося ротора, а в основном за счет удара движущихся частиц измельчаемого материала о пассивный рабочий орган - отбойник неподвижной деки. Лопатки вращающегося ротора нового измельчителя сообщают целым и частично измельченным зернам скорость вылета, необходимую для удара об отбойники деки, с силой, достаточной для разрушения.
а) б)
Рис. 1. Измельчитель фуражного зерна а) - измельчитель в лаборатории ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА: 1-бункер оперативный; 2-заслонка регулировочная; 3-горловина загрузочная; 4-отверстие воздухозаборное; 5-камера рабочая; 6-фильтр-мешок; 7-станина; 8-виброопора; 9-привод; 10-комплект измерительный; 11-регулятор частотный; б) схема камеры измельчения: 1-решето; 2-ротор; 3-дека; 4-кронштейн
Эвакуация частиц измельченного материала из рабочей камеры осуществляется за счет потока воздуха, создаваемого вращающимся ротором, который засасывается через воздухозаборное отверстие в загрузочной горловине. Частицы, размер которых велик для прохода сквозь отверстия решета, вращаются в воздушно-продуктовом слое, повторно взаимодействуя с лопатками ротора и отбойниками деки до тех пор, пока не измельчатся до требуемой величины.
Как показывает анализ теоретических исследований и литературных источников, основными факторами, влияющими на производительность Q, степень измельчения X, потребляемую мощность N являются частота вращения ротора п, диаметр отверстий решета d, площадь выгрузного окна бункера F.
С целью определения влияния выделенных факторов на вышеперечисленные параметры был поставлен многофакторный эксперимент. Основной задачей было получение уравнений регрессии, дающих возможность оценить математические модели. При анализе было отдано предпочтение трехуровневым почти ротатабельным планам второго порядка Бокса - Бенкина как более экономичным по числу опытов, позволяющие получить минимальную дисперсию коэффициентов регрессии математической модели и получить независимые оценки этих коэффициентов.
Математические модели запишутся следующим образом:
Q = f (п, ^ F). (1)
N = f (п, ^ F). (2)
X = f (п, ^ F). (3)
Уровни варьирования факторов и их кодированное обозначение представлены в таблице.
Таблица. Уровни варьирования факторов
Фактор Уровень варьирования
верхний нулевой нижний
Частота вращения ротора, п, мин-1 3500 3000 2500
Диаметр отверстий решета, ё, м 0,008 0,006 0,004
Площадь выгрузного окна бункера, F, м2 • 10-3 1,458 1,08 0,702
Значения факторов n и F выбраны на основании литературных данных, а также предварительных экспериментов и технических возможностей конструкции измельчителя, а для фактора d на основании технологических и зоотехнических требований к измельченному продукту.
Минимально необходимое количество повторений опытов определяли исходя из их надежности Рд=0,95 и относительной гарантийной ошибки тготн, не превышающей 10%.
Обработку результатов экспериментов проводили с использованием пакета прикладных программ STATGRAPHICS plus на персональном компьютере.
При проведении опытов устанавливалось решето с отверстиями требуемого диаметра, порция зерна, подлежащая измельчению, взвешивалась на весах, регулировочная заслонка устанавливалась в определенное положение, обеспечивая необходимую площадь выгрузного окна бункера, запускался электродвигатель, и частотным регулятором устанавливалась требуемая частота вращения ротора, контроль которой осуществлялся электронным лазерным тахометром по метке на ведомом шкиве клиноременной передачи.
Зерно из оперативного бункера самотеком поступало в рабочую камеру, измельчалось, полученная дерть, пройдя сквозь отверстия решета и выгрузную горловину, накапливалась в фильтр-мешке, сквозь ткань которого свободно выходил воздух. Производительность
измельчителя определялась методом отсечек, при этом секундомером замерялась продолжительность измельчения порции зерна, массу которой определяли на весах.
Дерть высыпалась из фильтр-мешка для отбора пробы массой 100 г и ее рассева на ситах с диаметром отверстий 5; 3; 2, 1; 0,5; 0,25 мм. Сход с каждого сита взвешивался на весах. По результатам ситового анализа определялись средний размер частиц полученной дерти и степень измельчения зерна.
Для определения потребляемой мощности использовался измерительный комплект
К-505.
Эффективность работы измельчителя определяли с учетом достигнутой степени измельчения по зависимости
т, N
E =- , (4)
Q-X
где Е - удельная энергоёмкость с учетом достигнутой степени измельчения, кВт • ч / (т • ед.ст.изм.).
Результаты исследований. Проведенный многофакторный регрессионный анализ по определению влияния частоты вращения ротора n, диаметра отверстий решета d, площади выгрузного окна бункера F на производительность измельчителя Q позволил получить значимую на 95 % уровне математическую модель:
Q = - 4711,75 - 75,14d2 - 473,10 F2 + 434,85 n +
(5)
+ 1055,87 d + 1037,93 F + 105,14dF - 23,98 dn.
Из дисперсионного анализа уравнения регрессии следует, что модель информационно способна, так как коэффициент детерминации параметра Q составляет 98,60%.
Наименьшая производительность измельчителя - 100-543 кг/ч (рис.2) наблюдается при использовании решета с диаметром отверстий 4 мм. Это объясняется тем, что для измельчения зерна до частиц, размер которых достаточен для прохода сквозь отверстия решета, требуется большее количество ударов зерновки о деку и, следовательно, времени на её измельчение, чем при использовании решет с большим диаметром. Поэтому при использовании решета с диаметром отверстий 4 мм рекомендуется открывать регулировочную заслонку бункера не более чем на среднее положение - F = 1,08 10-3 м2, для исключения «завала» рабочей камеры зерном и перегрузки электродвигателя.
Увеличение диаметра отверстий решета от 4 до 8 мм приводит к существенному увеличению производительности измельчителя. При увеличении частоты вращения ротора производительность измельчителя возрастает, так как возрастает скорость вылета частиц с лопаток ротора, а, следовательно, и сила удара зерна об отбойники деки, повышается частота соударений частиц с отбойниками, скорость движения смеси, что способствует более быстрому получению измельченных частиц нужного размера.
0,9
F , мм2
п, мин-10
,1,5
Р, мм2
Рис. 2. Зависимость производительности измельчителя: а - от площади выгрузного окна бункера и частоты вращения ротора; Ь - от диаметра отверстий решета и площади выгрузного окна бункера
Максимальная производительность измельчителя - 1422 кг/ч достигается при использовании решета с диаметром отверстий 6 мм, максимальной частоте вращения ротора и полностью открытой регулировочной заслонке выгрузного бункера.
Проведенный многофакторный регрессионный анализ по определению влияния частоты вращения ротора п, диаметра отверстий решета d, площади выгрузного окна бункера F на потребляемую мощность N позволил получить математическую модель:
N = 5122,51 -25,79 ё2 -2524,4 Р - 1037,76 п-- 621,13-ё + 5902,15-Б +165,62-^ + 205,79 ёп.
(6)
Из дисперсионного анализа уравнения регрессии следует, что модель информационно способна, так как коэффициент детерминации параметра N достаточно велик и составляет 97,37%. Модель значима, существует статистически значимое отношение между переменными на уровне 95%.
Потребляемая мощность в эксперименте изменялась от минимального значения 4100 Вт - при диаметре отверстий решета 8 мм, минимальной подаче и частоте вращения ротора 3000 мин-1 до 5868 Вт - при диаметре отверстий решета 4 мм, максимальной подаче и частоте вращения ротора 3000 мин-1 (рис. 3).
Увеличение частоты вращения ротора приводит к увеличению потребляемой мощности, поскольку возрастает интенсивность циркуляции материала в рабочей камере и производительность измельчителя.
N Вт/т
N Вт/т 6000 5700 5400 5100 3 7 4800 3 I3,4 ' 4500 2,5— ' °,7 0,9 1,1 13
п, мин-10"3 * , мм2
Ь
3,7
1,5
3,4
п, мин-10"3
а
Рис. 3. Зависимость потребляемой мощности: а - от диаметра отверстий решета и частоты вращения ротора; Ь - от площади выгрузного окна бункера и диаметра отверстий решета
При увеличении диаметра отверстий используемого решета потребляемая мощность уменьшается, так как требуется меньшая кратность циркуляции материала в рабочей камере для измельчения частиц до размера, при котором обеспечивается их проход сквозь отверстия решета. Меньшие значения потребляемой мощности наблюдаются при минимальной подаче зерна, когда площадь выгрузного окна бункера составляет 0,702 • 10-3 м2 для всех исследуемых решет.
Проведенный многофакторный регрессионный анализ по определению влияния выделенных факторов на степень измельчения X позволил получить математическую модель:
А, = -1,10-0,056- d2-0,85- F2-0,58• п +
(7)
+ 0,92-d + 2,162-F-0,02-d • F + 0,02-d • п.
Полученная модель информационно способна, так как коэффициент детерминации X составляет 98,60%. Модель значима, существует статистически значимое отношение между переменными на уровне 95%.
Наибольшее влияние на степень измельчителя оказывают диаметр отверстий решет и частота вращения ротора.
X, мм 2,5
X, м: 2,9
3,4
2,6 2,3 2 1,7 3,7 1,4 1,1
п, мин-10":
67 d, мм
3,7
п, мин-10":
Ь
Рис. 4. Зависимость степени измельчения: а - от площади выгрузного окна бункера и частоты вращения ротора; Ь - от диаметра отверстий решета и частоты вращения ротора
Большие значения степени измельчения наблюдаются при использовании решета с диаметром отверстий 4 мм, максимальное значение - 3,205 достигается при минимальной площади выгрузного окна бункера и частоте вращения ротора 3000 мин-1 (рис. 4).
При использовании решета с диаметром отверстий 6 мм максимальная степень измельчения - 2,2199 достигается при минимальной подаче и максимальной частоте вращения ротора, при этом производительность измельчителя составляет 797 кг/ч. При максимальной частоте вращения ротора и максимальной подаче зерна производительность измельчителя составляет 1422 кг/ч, достигнутая степень измельчения на 8,7% ниже и составляет 2,0278.
Минимальное значение степени измельчения - 1,4252 получено при использовании решета с диаметром отверстий 8 мм и при минимальной частоте вращения ротора.
При проведении эксперимента удельная энергоемкость с учетом достигнутой степени измельчения изменялась в широких пределах в зависимости от величины варьируемых факторов. Минимальные значения удельной энергоемкости для каждого решета составили: 4,2542 кВт • ч/(т • ед.ст.изм.) - при использовании решета с диаметром отверстий 4 мм; 1,9887 кВт • ч/(т • ед.ст.изм.) - при использовании решета с диаметром отверстий 6 мм; 2,4877 кВт • ч/(т • ед.ст.изм.) - при использовании решета с диаметром отверстий 8 мм.
Выводы. Все варьируемые факторы оказывают существенное влияние на производительность, потребляемую мощность и степень измельчения зерна и их необходимо учитывать при настойке измельчителя.
Определены следующие основные режимы работы разработанного измельчителя.
Частота вращения ротора 3500 мин-1, решето с диаметром отверстий 4 мм, площадь выгрузного окна бункера 0,702 10-3 м2. В этом режиме достигается максимальная степень измельчения зерна - 3,205, средний размер частиц дерти - 1,24 мм, производительность 410 кг/ч, удельная энергоемкость с учетом достигнутой степени измельчения - 4,2542 кВт ч/(т • ед.ст.изм.). Полученная дерть соответствует зоотехническим требованиям для свиноматок, хряков и свиней на откорме, так как требуемый размер частиц 1-1,4 мм [1].
Частота вращения ротора 3500 мин-1, решето с диаметром отверстий 6 мм, площадь выгрузного окна бункера 1,458 10-3 м2. В этом режиме достигается максимально возможная производительность измельчителя - 1422 кг/ч, степень измельчения составляет 2,0278, удельная энергоемкость с учетом достигнутой степени измельчения - 1,9887 кВт • ч/(т • ед.ст.изм.). Получаемая дерть со средним размером частиц 1,98 мм соответствует зоотехническим требованиям для КРС - требуемый размер 1,5-3 мм.
При использовании решета с диаметром отверстий 8 мм с площадью выгрузного окна бункера 1,458 10-3 м2 при частоте вращения ротора 3000 мин-1 достигается производительность измельчителя 1385 кг/ч, средний размер частиц дерти 2,45 мм, что также соответствует зоотехническим требованиям для КРС, однако удельная энергоемкость с учетом достигнутой степени измельчения составляет 2,4877 кВт • ч/(т • ед.ст.изм.), что выше в 1,25 раза по сравнению с предыдущим режимом.
Литература
1. Макарцев Н.Г. Кормление сельскохозяйственных животных. - Калуга: ГУП «Облиздат», 1999. - 646 с.
2. Савиных П.А., Палицын А.В., Иванов И.И. Исследование измельчителя фуражного зерна роторно-центробежного типа с различными рабочими органами // Молочнохозяйственный вестник. - 2017. - № 2(26). - С. 119-129.
3. Лебедев А.Т., Валуев Н.В., Искендеров Р.Р. Экспериментально теоретические подходы к оценке эффективности процесса измельчения зерновых материалов // Вестник АПК Ставрополья. - 2014. - № 2 (14). - С. 61-64.
4. Максимов М.М., Дугин П.И., Голубева А.И., Шаталов М.П., Смелик В.А. и др. Планирование, экономика и организация производства на предприятиях АПК (нормативно-справочные материалы) / под ред. М.М. Максимова. - Ярославль, 2004. - 468 с.
5. Шагдыров И.Б., Балданов М.Б., Петинова Н.Р., Шагдыров Б.И. Анализ конструктивно-режимных и технологических параметров многоступенчатой дробилки фуражного зерна по степени измельчения // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. - 2015. - № 3 (40). - С. 95-99.
6. Булатов С.Ю., Нечаев В.Н., Шамин А.Е. Результаты оценки качества измельчения зерновых дробилкой ДЗМ-6 // Вестник НГИЭИ. - 2020. - № 3 (106). - С. 21-36.
7. Нанка О.В. Способы механического воздействия при измельчении фуражного зерна и их энергетическая оценка // Агротехника и энергообеспечение. - 2014. - № 1 (1). - С. 204-209.
8. Абалихин А.М., Крупин А.В., Кувшинов В.В. Центробежный измельчитель фуражного зерна // Сельский механизатор. - 2019. - № 1. - С. 24-25.
9. Крупин А.В., Абалихин А.М. Перспективный измельчитель для фуражного зерна // Качественный рост российского агропромышленного комплекса: возможности, проблемы и перспективы: материалы деловой программы XXVII международной агропромышленной выставки «Агрорусь-2018». - СПб: СПбГАУ, 2018. - С. 318.
10. Савиных П.А., Исупов А.Ю., Иванов И.И. Результаты исследований центробежно-роторного измельчителя зерна // Вестник НГИЭИ. - 2019. - № 8 (99). - С. 18-33.
11. Патент РФ 189365, B02C 13/00. Центробежный измельчитель / А.М. Абалихин, А.В. Крупин, Т.А. Жукова, Е.А. Долгова; опубл. 21.05.19. Бюл. № 15.
Literatura
1. Makarcev N.G. Kormlenie sel'skohozyajstvennyh zhivotnyh. - Kaluga: GUP «Oblizdat», 1999. -646 s.
2. Savinyh P.A., Palicyn A.V., Ivanov I.I. Issledovanie izmel'chitelya furazhnogo zerna rotorno-centrobezhnogo tipa s razlichnymi rabochimi organami // Molochnohozyajstvennyj vestnik. - 2017. - № 2(26). - S. 119-129.
3. Lebedev A.T., Valuev N.V., Iskenderov R.R. Eksperimental'no teoreticheskie podhody k ocenke effektivnosti processa izmel'cheniya zernovyh materialov // Vestnik APK Stavropol'ya. - 2014. - № 2 (14). - S. 61-64.
4. Maksimov M.M., Dugin P.I., Golubeva A.I., SHatalov M.P., Smelik V.A. i dr. Planirovanie, ekonomika i organizaciya proizvodstva na predpriyatiyah APK (normativno-spravochnye materialy) / pod red. M.M. Maksimova. - YAroslavl', 2004. - 468 s.
5. SHagdyrov I.B., Baldanov M.B., Petinova N.R., SHagdyrov B.I. Analiz konstruktivno-rezhimnyh i tekhnologicheskih parametrov mnogostupenchatoj drobilki furazhnogo zerna po stepeni izmel'cheniya // Vestnik Buryatskoj gosudarstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii im. V.R. Filippova. - 2015. - № 3 (40). - S. 95-99.
6. Bulatov S.YU., Nechaev V.N., SHamin A.E. Rezul'taty ocenki kachestva izmel'cheniya zernovyh drobilkoj DZM-6 // Vestnik NGIEI. - 2020. - № 3 (106). - S. 21-36.
7. Nanka O.V. Sposoby mekhanicheskogo vozdejstviya pri izmel'chenii furazhnogo zerna i ih energeticheskaya ocenka // Agrotekhnika i energoobespechenie. - 2014. - № 1 (1). - S. 204-209.
8. Abalihin A.M., Krupin A.V., Kuvshinov V.V. Centrobezhnyj izmel'chitel' furazhnogo zerna // Sel'skij mekhanizator. - 2019. - № 1. - S. 24-25.
9. Krupin A.V., Abalihin A.M. Perspektivnyj izmel'chitel' dlya furazhnogo zerna // Kachestvennyj rost rossijskogo agropromyshlennogo kompleksa: vozmozhnosti, problemy i perspektivy: materialy delovoj programmy XXVII mezhdunarodnoj agropromyshlennoj vystavki «Agrorus'-2018». - SPb: SPbGAU, 2018. - S. 318.
10. Savinyh P.A., Isupov A.YU., Ivanov I.I. Rezul'taty issledovanij centrobezhno-rotornogo izmel'chitelya zerna // Vestnik NGIEI. - 2019. - № 8 (99). - S. 18-33.
11. Patent RF 189365, B02C 13/00. Centrobezhnyj izmel'chitel' / A.M. Abalihin, A.V. Krupin, T.A. ZHukova, E.A. Dolgova; opubl. 21.05.19. Byul. № 15.
