CC BY
11
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631. 353
Исследования конструктивно-технологических параметров и режимов работы устройства для ввода зерна в плющилку кормов
Василий Алексеевич Сысуев, академик РАН, доктор техн. наук, директор, Пётр Алексеевич Савиных, доктор техн. наук, зав. лабораторией, Владимир Аркадьевич Казаков, кандидат техн. наук, ст. научный сотрудник ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока», Киров, Россия
Е-та11:ппзЬ|-зу@таП.ги
Анализ существующего уровня техники и патентные исследования позволили разработать конструктивно-технологическую схему устройства для ввода зерна в рабочую зону двухступенчатой плющилки кормов - питающего вальца с прямыми лопастями. Определены основные требования к эффективности его работы: обеспечение наибольшей пропускной способности процесса получения плющё-ного корма при минимальной энергоёмкости. Проведены теоретические исследования движения зерновки по лопастям питающего вальца для двухступенчатой плющилки зерна. Получено математическое выражение, которое позволяет с помощью компьютерной программы численно определять местоположение и скорость движения зерна по лопасти вальца в любой момент времени £ при задаваемых конструктивно-технологических параметрах. С помощью данного выражения проведена проверка функционирования питающего вальца со следующими показателями, определёнными ранее: г0 = 0,12 м, гн = 0,135 м, ж
фвых = = 0,523 рад, т = 20 рад/с, f = 0,35. Выявлено, что валец работает эффективно, так как всё подлежащее плющению зерно, поступающее в его межлопастные каналы из бункера, при вращении вальца выходит под воздействием различных сил в подводящий канал и через него в рабочую зону первой ступени
плющения двухступенчатой плющилки при прохождении межлопастными каналами сектора, не пре-
ж
вышающего образованного углом фвых = наиболее удалённая от наружного края лопасти вальца зер-
ж
новка выходит за периферию ротора при ф = 0,474 < фых= Результаты исследований позволяют на
стадии проектирования разработать питающее устройство с конструктивно-технологическими параметрами, обеспечивающее наилучшее протекание технологического процесса двухступенчатого плющения фуражного, сухого или влажного зерна.
Ключевые слова: двухступенчатое плющение, зерно, валец, траектория
Для двухступенчатой плющилки зерна, разработанной в НИИСХ Северо-Востока [1], выбрана подача зернового материала на первую ступень плющения из питательного бункера питающим вальцом с прямыми лопастями, установленным над межвальцовым зазором первой ступени плющения и соединённым с ним подводящим каналом. Питающий валец осуществляет верхнюю подачу зернового материала, количество которого регулируется заслонкой, расположенной в нижней части питательного бункера над питающим вальцом, и относится к устройствам, работающим по принципу сообщения кинетической энергии частицам зерна вращающимся рабочим органом. При этом валец должен отвечать следующим основным требованиям как один из узлов, обеспечивающих качест-64
венный технологический процесс получения плющёного зернового корма:
- осуществлять равномерную подачу подлежащего плющению фуражного зерна во времени и по ширине канала;
- вводить зерно в канал в нужном направлении и с определенной скоростью У0;
- обеспечивать необходимую пропускную способность плющилки.
Подводящий канал должен обеспечивать равномерную однослойную подачу зерна в рабочую зону первой ступени плющения с минимальным отклонением скорости зерновок от необходимого значения.
Рабочий процесс лопаточных валиков изучен достаточно подробно, но применительно к плющилкам зерна требуется проведение дополнительных исследований.
Материал и методы. Выполняемый двухступенчатой плющилкой зерна технологический процесс в общем виде и траектория движения зерновой частицы (зерновки) внутри данного агрегата представлены на рисунке 1, а, а конструктивно-технологическая схема питающего вальца и подводящего канала для данной кормоприготови-тельной машины - на рисунке 1, б. Зерновой материал 1 загружается в бункер 2 и при открытии окна 3 заслонкой 4 под действием силы тяжести попадает в канал 17 питающего вальца 5, его лопастями 18 длиной I пода-
ется через подводящий канал 6 в межвальцовый зазор 10 вальцов 7 и 8, где захватывается ими и проходит первую ступень плющения, затем выводится из межвальцового зазора 10 и далее направляется по криволинейной пластине 11 в межвальцовый зазор 12 верхнего основного 7 и нижнего 9 вальцов на вторую ступень плющения, после прохождения которой плющёное зерно 13 попадает на направляющую пластину 14 и, двигаясь вдоль неё, обрабатывается консервантом 15 (если зерно влажное) из форсунки 16, после чего выводится наружу.
а б
Рис. 1. Технологическая схема двухступенчатой плющилки зерна с тремя вальцами и траектория движения зерновки в её рабочей зоне (а) и конструктивно-технологическая схема питающего вальца (б): 1 - материал зерновой; 2 - бункер; 3 - окно; 4 - заслонка; 5 - валец питающий; 6 - канал подводящий; 7 - валец основной; 8 - валец боковой; 9 - валец нижний; 10 - зазор межвальцовый первой ступени плющения; 11 - пластина криволинейная; 12 - зазор межвальцовый второй ступени плющения; 13 - зерно плющёное; 14 - пластина направляющая; 15 - консервант; 16 - форсунка; 17 - канал питающего вальца; 18 - лопасть питающего вальца
Питающий валец работает следующим образом. Зерновой материал 1 (рис. 1, а, б) из бункера 2 через окно 3 под действием силы тяжести попадает в межлопастные каналы 17 питающего вальца 5, некоторое время вращается вместе с вальцом со скоростью ¥а = юг и, пройдя некоторый угол
ф0 = ю1о начинает выходить из межлопастного канала питающего вальца по лопастям 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 плю-
щёного зернового корма, должна соответствовать следующим условиям его функционирования: всё подлежащее плющению зерно, поступающее в межлопастные каналы 17, при вращении питающего вальца должно выйти под воздействием центробежных сил в подводящий канал 6 при прохождении данными межлопастными каналами сектора, образованного углом фвых (рис 1, б), причём
величина фыа « Ж выбирается из конструк-
6
тивных соображений; скорость зерновок при входе в подводящий канал должна соответствовать следующей величине: V ~ юпл О/2 [2, 3], где юпл - угловая скорость вальцов для плющения, О - диаметр вальцов. Количество подаваемого на плющение питающим вальцом зерна (его подача) должно быть не меньше производительности самого плющения соответствующими вальцами.
Результаты и их обсуждение. Всё зерно выводится из межлопастного канала питающего вальца, находящегося в зоне, образованной углом фвых и поступает в подводящий канал 6 и через него на плющение, если частица зерна (зерновка) М0 (рис 1, б), находящаяся на лопасти вальца ближе всех к центру его вращения - на внутреннем диаметре вальца, т.е. на расстоянии г = г0= гн-I, и определяемая углом ф0, при вращении вальца, двигаясь вдоль лопатки, достигнет следующего положения: при ф = фвых, г > гн, т.е. выйдет на периферию и далее в подводящий канал. Чтобы выполнить вышеуказанное условие, необходимо найти нужные конструктивные и режимные параметры питающего вальца и применить их при его разработке, для чего проанализировать в общем виде движение зерновки по лопасти питающего вальца, которое определяется дифференциальным уравнением 2-го порядка с учетом всех действующих сил (рис. 2).
Уравнение движения зерновки с учётом действующих на неё сил имеет вид:
т№г = т§ + Фе + Фс + N + Ртр- (1) т1
где
- сила тяжести, действующая на
частицу примесей, где g - ускорение свободного падения, м/с2; Ф = т ю2г = т ю2 х -
центробежная сила, а с - частота вращения питающего вальца, рад/с; г = х - расстояние от центра вращения вальца до частицы на
лопасти, м; Ф = 2т юу = 2т ю г = 2тюх -
1 Ч ^ с ' г
сила Кориолиса, где у - относительная скорость движения частицы по лопасти, м/с; г = х - первая производная расстояния от центра вращения ротора до исследуемой частицы, м, г =Уг; ртр = / N - сила трения
частицы о лопасть вальца, где / -коэффициент трения, N - сила, прижимающая зерновку к лопасти питающего вальца; № - абсолютное ускорение зерновки, является второй производной от г = х - расстояния от центра вращения до частицы зерна.
Z
Рис. 2. Схема движения зерновки по лопасти питающего вальца и действующие на неё силы
Проецируем силы на оси координат x и y (плоскость лопасти и перпендикуляр к ней):
^: (тх = mg cosр + фе - Fmp, (2)
У: \ my = mg sin р + N - Фс.
С учётом p = mt, а y = 0 - при безотрывном скольжении по лопатке выражение (2) принимает следующий вид:
mx = mg cosa t + x - Fmp;
0 = mg sin at + N — 2ma x.
Из (3) с учётом f = Nf получаем:
N = —mg sin at + 2ma x; F
тр
m
= -g f sin at + 2 fax..
(3)
(4)
(5)
Тогда, (3) с учётом (5) и при N > 0 принимает следующий вид:
x = g cosat + a)2 x + g f sin at — 2 faxe; (6)
x + 2 faxe — a2 x = g cosat + g f sinat. (7)
Имеем уравнение:
х = х + ~,
где ~ - произвольное частное решение неоднородного дифференциального уравнения, х - общее решение однородного уравнения.
~ = A cosat + B sinrnt, (9)
x : x + 2f rnx-a2x = 0. (10)
Характеристическое уравнение с кор-
нем к.
к + 2 f aÀ-a2 = 0. Решая (11), находим:
k=-fa + a (f2 +1) ;
к = -fa-aJ (f2 +1).
(11)
(12) (13)
Корень действительный, поэтому:
x = CleXi' + C2eX2'. (14)
Находим частное решение дифференциального уравнения:
х = -Aa sin at + Bacosa t;
x = -Aa cosat-Ba sinat. Подставляя (15) и (16) в (7), имеем:
2 2
- Aa cosot - Ba sin a t +
2 2 (17)
+ 2 fa A sin at (-1) + Aa2 cosat - v 7 2
- Ba sin a t = g cosa t + g f sin at. Решая (17), находим коэффициенты А
(15)
(16)
и В.
B =
A =
g f
- 2a2 - 2fa2 + g f
gf 2___g_
-2a2 -2fa2 + g f 2a2'
(18) (19)
Общее решение неоднородного дифференциального уравнения:
x = C1ekl ' + C2ek ' + A cosa t + B sin at; x = À1C1eÀ11 + k1C2eXl t - Aa sin at + + Ba cosa t.
Коэффициенты С и С2 находим из начальных условий: при £ = 0, - х = г=г0, а х = 0; подставляя их в (20), получаем:
„ кг-кA+Ba C1 = r --1-1--A;
к -к2
кг - к A + Ba
c2 =-.
к -к2
Выражение (20) с учётом (12), (13), (8) (18), (19) и (21) численно определяет параметры движения зерновки по лопасти питающего вальца: местоположение и скорость в любой момент времени £ при заданных ранее конструктивно-технологических параметрах; также с помощью данного выражения возможна проверка условия эффективного функционирования питающего вальца: всё подлежащее плющению зерно, поступающее в межлопастные каналы, при вращении питающего вальца должно выйти под воздействием различных сил в подводящий канал при прохождении межлопастными каналами сектора, образованного углом фвых. Условие считается выполненным, если частица зерна, находящаяся на лопасти вальца ближе всех к центру вращения - на внутреннем диаметре вальца, при его вращении, двигаясь вдоль лопасти, достигает следующего положения, определяемого координатами ф и г:
при ф-фвых, г > гн. (22)
Предыдущими экспериментальными и теоретическими исследованиями установлены следующие конструктивно-технологические показатели питающего вальца (находятся в зависимости от параметров вальцов
для плющения двухступенчатой плющилки):
ж
Го = 0,12 м; Гн = 0,135 м; фвых = 6 = 0,523 рад;
ю = 20 рад/с; / = 0,35 [2, 3]. Подставляя данные значения в выражения (12), (13), (18), (19), (20) и (21), получаем следующее: зерновка, двигаясь по лопасти питающего вальца при его вращении с внутреннего диаметра вальца го достигает периферии (гн) в момент времени £ = 0,0237 с, что соответствует её координатам: ф = 0,474 рад - Фвых = 0,523 рад,
при г = 0,13506 м > гн = 0,135 м - условие (22) выполняется.
Выводы. Проведены теоретические исследования движения зерновки по лопастям питающего вальца для двухступенчатой плющилки зерна. Получено математическое выражение, которое позволяет численно оп-(21) ределять местоположение и скорость движения зерна по лопасти вальца в любой момент времени £ при определённых ранее конструктивно-технологических парамет-
рах. С помощью данного выражения проведена проверка функционирования питающего вальца со следующими показателями: г0 = 0,12 м; гн = 0,135 м; фвых =—= 0,523 рад;
ю = 20 рад/с; / = 0,35. Выявлено, что всё подлежащее плющению зерно, поступающее в межлопастные каналы из бункера, при вращении питающего вальца выходит в подводящий канал и через него в рабочую зону первой ступени плющения двухступенчатой плющилки при прохождении лопастными каналами сектора, образованного углом Фвых = —. Условие соблюдается - питающий
валец работает эффективно, полностью обеспечивая производительность плющилки кормов.
Список литературы
1. Сысуев В.А., Алёшкин А.В., Савиных П.А. Кормоприготовительные машины. Теория, разработка, эксперимент: В двух томах. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2009. Т. 2. 496 с.
2. Сысуев В.А., Савиных П. А., Алёшкин А.В., Казаков В.А. Исследования движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна // Достижения науки и техники АПК. 2014. №14. С. 47-49.
3. Сысуев В.А., Савиных П.А., Алёш-кин А.В., Казаков В.А. Исследования технологических параметров движения зерновки в двухступенчатой плющилке зерна // Тр. 9-й Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2014. С. 136-142.
Researches of constructive-technological parameters and operating modes of the device for grain
input in forage's crusher
Sysuev V., Savinykh P., Kazakov V.
The analysis of existing level of technics and patent researches have allowed to develop the constructive-technological scheme of the device for grain input in a working zone of two-stage forage's crusher - feeding roller with direct blades. The basic requirements to efficiency of its work are defined: maintenance of the greatest throughput of process of reception of crushed forage at minimum power consumption. Theoretical researches of grain movement on blades of feeding roller for two-stage grain crusher are conducted. Mathematical expression which allows to define numerically by means of the computer program a site and speed of movement of grain on the roller blade at any moment t at set of constructive-technological parameters is received. By means of the given expression check of functioning of feeding roller with the following
7
parameters defined earlier is spent: r0 = 0.12 m, rM=0.135 m, qout = ^ = 0.523 rad, w = 20 rad/s, f = 0,35. It
is revealed that roller works effectively as all grain subject to crushing arriving in it inter-blade channels from the bunker, at rotation of roller leaves it under the influence of various forces in bringing channel and through it in a working zone of the first stage of crushing of two-stage crusher at passage of inter-blade
channels of the sector which are not exceeding formed corner qout = 77; grain most remote from external
7
edge of the roller blade leaves for rotor periphery at q = 0,474 <qout = ^. Results of researches allow to develop feeding device with the constructive-technological parameters, providing best course of technological process of two-stage crushing of fodder, dry or damp grain on a design stage.
Key words: two-stage crushing, grain, roller, trajectory
