CC BY
25
УДК 636.2.084.74+631.171
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ ПРИ РАЗДАЧЕ КОРМОВ КОРМОРАЗДАТЧИКОМ МИР-10
В.П. Карпов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Н.В. Повалихин, инженер-исследователь
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Е-шаП: у8когкт@ашаП. сот
Аннотация. Представлен анализ затрат энергии при выполнении технологических операций многофункциональным измельчителем-раздатчиком кормов МИР-10. Установлены три основные составляющие этих затрат: вентиляторная, направленная на создание воздушного потока; кинетическая, связанная с разгоном корма и приданием ему определенной скорости; гравитационная, обеспечивающая смешивание компонентов корма за счет естественного, под действием силы тяжести, пересыпания корма во вращающемся цилиндрическом бункере. Для проверки теоретических зависимостей были проведены исследования на опытном образце раздатчика МИР с емкостью бункера 10 м3 в стационарных условиях с приводом ротора от электродвигателя мощностью 55 кВт, а бункера - от специальной гидравлической станции. Показатели по вентиляторной составляющей мощности получены двумя способами: по прямым замерам силы тока в режиме холостой прокрутки ротора и по замерам параметров воздушного потока: расхода и напора. Оба метода замеров показали достаточно близкое совпадение и существенный рост мощности при увеличении скорости ротора. Кинетическая составляющая мощности представляет линейную зависимость от производительности раздатчика и квадратичную зависимость от скорости ротора и представлена расчетными показателями в достаточно широких пределах. Для определения гравитационной составляющей дан анализ сил и процессов, происходящих во вращающемся бункере цилиндрической формы, установлена линейная зависимость мощности от конструктивных и кинематических параметров процесса смешивания кормов, в частности, от плотности корма (силос-сенаж) и размеров бункера. Анализ формулы общего баланса мощности, включающего все составляющие, показывает более чем двукратное снижение общей потребной мощности для привода раздатчика МИР-10 по сравнению с зарубежными аналогами.
Ключевые слова: кормораздатчик, затраты энергии, вентиляторная, кинетическая, гравитационная.
Введение. Приготовление и раздача кормов крупному рогатому скоту с использованием современной техники сопровождается значительными затратами энергии.
Особенно заметно это стало в последние годы, когда на фермах КРС появились раз-датчики-смеси-тели нового типа - так называемые «миксеры». Удовлетворительно выполняя основную задачу смешивания и раздачи кормов, они являются существенно, примерно на порядок, более энергоемкими по сравнению с машинами прошлого поколения, например, битерными раздатчиками КТУ-10.
Высокая энергоемкость таких машин не только снижает общую эффективность их использования за счет, например, повышенных расходов на дизельное топливо для трактора-буксировщика, но и вынуждает из-
готавливать их более массивными, тяжелыми и, соответственно, дорогими. Анализ имеющейся коммерческой информации продукции зарубежных фирм показывает, что удельная металлоемкость «миксеров» более чем вдвое выше, чем у обычных раздатчиков. В связи с этим при разработке новой многоцелевой машины МИР-10 вопросам энергетики уделялось особое внимание.
Методология. Многофункциональный измельчитель-раздатчик кормов МИР-10 представляет собой бункер в виде горизонтального вращающегося барабана, в крышке которого установлен ротор в виде многолопастной крыльчатки для дозирования, измельчения и выдачи кормов [ 1].
Мощность, необходимая для выполнения технологического процесса раздачи корма, складывается из следующих составляющих:
Лоигпа! оГ УШТ^Н №3(19)-2015
139
- на вращение ротора и создание воздушного потока, назовем это вентиляторной составляющей;
- на выгрузку корма и придание массе корма определенной скорости, это будет составляющая кинетической энергии корма;
- на вращение бункера;
- поскольку в бункере происходит только естественное пересыпание корма под действием силы тяжести, это составит гравитационную составляющую.
Остальные составляющие в режиме раздачи корма, когда линейная скорость элементов ротора относительно невелика, не являются существенными. Например, при этом практически не происходит измельчения кормов. Вентиляторная составляющая определяется методами, известными в теории сельскохозяйственных вентиляторов [2]:
^вент = ^ ^ (1)
где #вент - вентиляторная составляющая мощности, кВт; Q - расход воздуха, м/с; H -напор воздуха, Па; цм - механический к.п.д. передачи; ц - примерный усредненный общий аэродинамический к.п.д. вентилятора.
Результаты исследований. Для получения общих данных по энергетике были проведены исследования на опытном образце раздатчика МИР с емкостью бункера 10 м3. Исследования проводились на стационаре, вращение ротора раздатчика осуществляли карданным валом от приводной станции с электродвигателем мощностью 55 кВт и частотным преобразователем Altivar 71 фирмы Schneider Electric, а вращение бункера - от гидродвигателя РПГ-10.000 Липецкого завода «Гидропривод». Управление рабочими органами раздатчика и питание гидродвигателя производилось от насосной станции СВ-М1с-80 производства Грязинского ОАО «Гидравлик».
Необходимо отметить, что как энергетические, так и все технологические показатели раздатчика напрямую зависят от скорости вращения основного рабочего органа - ротора, поэтому данные исследований приведены в функции этого показателя и представляют собой развернутую скоростную характери-
стику показателей раздатчика. Для получения более достоверных показателей вентиляторная составляющая мощности определялась двумя способами: по формуле (1) на основании замеров параметров воздушного потока Q и H и по замерам силы тока, выполняемым частотным преобразователем в режиме холостой прокрутки ротора. Мощность в фазе определялась как:
(2)
.. Vsi-u _ = --кВт,
1000
где I - ток, А; U - напряжение питания двигателя, U = 380 В.
Расход воздуха Q подсчитывался на основе замеров скорости воздушного потока в выгрузных окнах ротора с помощью трубки Прандтля, показания которой предварительно тарировались термоанемометром ТТМ-2/4-06 (изготовитель ООО «Эксис»). Напор H, создаваемый между атмосферным давлением и давлением в герметичном бункере, измерялся ^образной трубкой.
Результаты исследований представлены на графике, рис. 1. Как видно из графиков, результаты замеров достаточно близки и показывают существенный рост мощности при увеличении скорости ротора.
Вторая составляющая отражает ту часть мощности, которая используется для выгрузки корма и придания ему определенной скорости. По физическому смыслу это кинетическая энергия, которая определяется как:
Е =
(3)
где m - масса корма; V - линейная скорость конца лопасти ротора, м/с.
600
750
Рис.
100 150 300 450
Скорость ротора, об/мин. 1. Вентиляторная составляющая мощности привода ротора
Если рассматривать процесс за единицу времени, то мощность численно равна приросту кинетической энергии корма: Е=Лгкин, а масса - секундной выдаче. В этом случае
.. т^у2
можно принять Л/кин =-.
В данном случае т = — , (4)
где Q - производительность выдачи, кг/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Подставив в равенство 4 реальные значения режимов работы, можно подсчитать кинетическую составляющую мощности для ротора МИР-10 диаметром 1 м, рис. 2.
О е
- Про изо 2 -61015- эдитсльиость выдачи, кг/с / # /
---- / /
f . /
/ / / Ж
-- —■ __
100 200 300 500 1000
Скорость вращения ротора, об/мин
Рис. 2. Кинетическая составляющая мощности привода
Для определения гравитационной составляющей мощности рассмотрим поперечное сечение бункера кормораздатчика и действующие при этом силы (рис. 3).
Осыпанне
0.42R
Направление вращения
Сопротивление вращению бункера зависит от его заполнения. У полностью заполненного бункера пересыпания не происходит, центр тяжести корма совпадает с осью бункера, поэтому затраты энергии на вращение минимальны. То же самое у пустого бункера. Поэтому наибольшие затраты энергии на вращение наблюдаются у бункера, заполненного наполовину. В этом случае гравитационная составляющая мощности составит:
№грав = М • ш = в • е — кгс-м/с, (5)
1рав 60 зч/
где М - момент сопротивления вращению бункера, кгс-м; а - угловая скорость вращения бункера, 1/с; е - плечо действия силы веса корма, м; G - вес корма в бункере, кг; п - скорость вращения бункера, об/мин.
Положение центра тяжести корма заполненного на У бункера определяется как координата центра тяжести половины сечения бункера круглой формы и по справочным данным составляет 0,42 Я. Приняв угол естественного откоса равным в среднем 45о, получим:
е = 0,42йсо545° = 0,3Й (6)
где й - радиус бункера, м.
Если учесть, что G = - q ,
(7)
Рис. 3. Схема сечения бункера
где V - емкость бункера, м , ц - насыпная плотность корма, кг/м3, и проведя соответствующие преобразования и числовые расчеты, получим:
Мграв = -кгс-м/с . (8)
грав 1000 V !
Как видно из формулы (8), гравитационная составляющая мощности в значительной степени зависит от веса и плотности корма, от размеров кормораздатчика (его общего объема и радиуса) и скорости вращения.
На рис. 4 представлены расчетные зависимости гравитационной составляющей мощности от размеров кормораздатчика типа МИР-10 и плотности корма при скорости вращения бункера 10 об/мин. Изменения потребной мощности для любого типоразмера кормораздатчика от зоны низкой плотности, характерной главным образом для сенажа, до зоны повышенной плотности, характерной для силоса, составляют более трех раз.
Journal of VNIIMZH №3(19)-2015
141
Насыпная плотность корма, кг/н3
Рис. 4. Гравитационная составляющая мощности раздатчика МИР-10
Общий баланс мощности на привод МИР-10 при работе в режимах раздачи кормов и разбрасывании подстилки (но без измельчения кормов) можно представить, суммировав равенства (1, 2, 5) в виде:
м = ^ОвоздЯ + Окорм^ + ВУ-^ ПЛ ^т (9) 102 V Пм'Л 2д 1000 / ' 4 '
Уравнение (9) позволяет определять потребную мощность и ее структуру в различных режимах работы как для конструкторской разработки, так и для экономической оценки. В табл. 1 представлены усредненные показатели составляющих мощности и общие данные в сравнении с показателями зарубежных аналогов. Последние получены путем анализа более 70 моделей зарубежных раздатчиков-смесителей («миксеров») по данным коммерческой и рекламной информации.
Таблица 1. Общий баланс мощности при раздаче
кормов и разбрасывании готовой подстилки _раздатчиком МИР-10 _
Составляющие баланса мощности Режим работы Средний показатель зарубежных аналогов
Смешивание и раздача кормов Разбрасывание подстилки
Вентиляторная 1 18 58
Кинетическая 1 5
Гравитационная 3 2
Общая 5 25
Данные показывают, что затраты энергии даже самых энергоемких процессов у раздатчика МИР-10 более чем вдвое ниже зарубежных «миксеров». А если учесть, что основная сфера использования МИР-10 - это все-таки раздача кормов, то здесь разница будет еще больше, примерно в 10 раз. При наличии экспериментального материала подобный анализ предполагается выполнить применительно к другим процессам, в частности, к процессам измельчения кормов.
Литература:
1. Карпов В.П., Повалихин Н.В. Расчет процесса раздачи кормов // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №1. С. 51.
2. Справочник конструктора с.-х. машин. М., 1967.
3. Кухлинг Х. Справочник по физике. М., 1983.
Literatura:
1. Karpov V.P., Povalihin N.V. Raschet processa razda-chi kormov // Vestnik VNIIMZH. 2013. №1. S. 51.
2. Spravochnik konstruktora s.-h. mashin. M., 1967.
3. Kuhling H. Spravochnik po fizike. M., 1983.
THE MIR-10 CATTLE FEEDER'S ENERGY COSTS IN FORAGE DISTRIBUTION V.P. Karpov, candidate of technical sciences, leading research worker N.V. Povalihin, engineer- researcher All-Russian research Institute of animal husbandry mechanization
Abstract. The Mir-10 multifunctional shredder-feeder's energy consumption in technological operations performing analysis is presented. There three main components of their expenses are detected: fan aimed at the air flow creation; kinetic associated with the feed dispersal and giving it a certain speed; gravity, providing feed components mixing through natural, under the action of gravity, feed pouring into a rotating cylindrical hopper. To verify the theoretical dependencies there studies were conducted on the Mir feeder's experimental sample with the 10 m3 bunker capacity in stationary conditions with the 55 kW rotor drive motor power, and of the bunker - from special hydraulic station. The fan power component's indicators were obtained in two ways: by current strength direct measurements in blank scroll rotor and in measurements of the air flow parameters: the expense and pressure. Both of measurements showed a fairly close match and a significant power increase with rotor speed increasing. The power kinetic component is linear dependent on the sensor performance and a quadratic dependence on the rotor speed and is presented in estimate indicators within a rather wide range. To determine the gravity component is shown the forces and processes' analysis occurring in the cylindrical shape's rotating hopper, a power linear dependence from constructive and kinematic parameters of the feed mixing process, in particular, the forage density (silage-haylage) and the size hopper are established.The power overall balance formula's analysis, including all the components, shows more than a double reduction in the total required power for the MIR-10 feeder's drive in comparison with foreign analogues.
Keywords: cattle feeder, the energy cost, fan, kinetic, gravitational.
