CC BY
15
УДК 631.361.83
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ
А.В. Брусенков, кандидат технических наук А.В. Фетисов, магистрант
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» Е-mail: fetisov22mail [email protected]
Аннотация. Измельчение является сложным энергоемким процессом, на который оказывают большое влияние конструктивные и режимные параметры измельчающих аппаратов, а также прочностные свойства корнеклубнеплодов. При скармливании корнеклубнеплодов животным в сыром виде требуется их разрезать на ломтики различных форм и размеров с таким условием, чтобы из резки не выделялись и не терялись крахмал и влага, а сам ломтик оставался рыхлым, сочным и свежим. Поэтому показатели работы измельчающего устройства необходимо рассматривать только в соответствии с физико-механическими свойствами измельчаемого материала и применительно к конкретным технологическим условиям. Объектом исследований была выбрана кормовая свекла сорта «Авангард». Сырье для экспериментальных исследований извлекали из буртов сельхозпредприятия. В данной работе описывается устройство и принцип действия лабораторной установки по исследованию прочностных свойств сочных кормов с целью обоснования рациональных режимов и параметров работы измельчающих устройств, а также уточнение общих закономерностей процесса резания.
Ключевые слова: измельчение, резание, корнеклубнеплоды, прочностные свойства.
Животноводство играет одну из ведущих ролей в решении продовольственной безопасности страны. Одной из ключевых отраслей животноводства является скотоводство, которое оказывает существенное влияние на социально-экономическое развитие сельских территорий, выступает в качестве основного фактора развития аграрного сектора экономики и обеспечивает население полноценными продуктами питания. Говядина является незаменимым пищевым продуктом, содержащим все жизненно необходимые для человека питательные вещества. В соответствии с научно-обоснованными нормами питания удельный вес говядины в рационе человека должен составлять 40-45% от общего потребления мяса, поэтому необходимо расширение производства говядины в стране. Однако современный уровень производства мяса крупного рогатогоскота (КРС), хотя и постепенно возрастает, но пока еще не полностью удовлетворяет потребности в нем. В настоящее время потребление мяса и мясопродуктов на душу населения составляет 69-72 кг в год, что чуть меньше установленной медициной нормы потребле-
ния - 72,5 кг. Уровень самообеспеченности в мясе и мясопродуктах составляет 12-15% [1]. На конец 2015 года поголовье КРС во всех типах хозяйств составляло 19 млн голов. Увеличение производства скота и стабилизация его поголовья позволили в 2015 году сократить импорт мяса свежего и мороженого на 26,7% [2].
Как показывает мировая практика, опыт успешного ведения молочного и мясного скотоводства свидетельствует о необходимости обеспечения отрасли высококачественными кормами. Обеспечение мясного и молочного скотоводства высококачественными кормами позволяет сельхозпроизводителям организовать полноценное кормление и максимально реализовать генетический потенциал животных, повысить качество производимой продукции [3,4]. Получение максимального количества высококачественной дешевой говядины может быть достигнуто только на базе рационально организованного кормления. Одним из путей увеличения производства продукции животноводства является использование в рационах животных корнеклубнеплодов, обладающих высокой
кормовой ценностью и большой урожайностью. Однако широкому внедрению этих кормов в практику препятствует отсутствие проектных технологических решений и техники для подготовки их к скармливанию, соответствующему современным требованиям. Наибольшую отдачу от этих кормов можно получить, только применяя их в измельченном или запаренном виде. Однако применение запаренных кормов сдерживается высокой стоимостью источников энергии и постоянным ростом тарифов, в результате чего их скармливают в неподготовленном, то есть сыром виде с предварительным измельчением. Поэтому использование машин и оборудования для измельчения кормов, позволяющих повысить продуктивность животных при одновременном снижении затрат на их приготовление, является необходимым условием эффективного использования кор-непклубнеплодов в составе кормовых рационов. Большое значение на процесс измельчения оказывают конструктивные и режимные параметры кормоизмельчающих аппаратов, а также некоторые физико-механические свойства материалов. Отыскание условий и режимов работы машин с наименьшими затратами энергии является важным этапом экспериментальных исследований при соответствии качества получаемой продукции зоотехническим требованиям [5].
Для исследования прочностных свойств корнеклубнеплодов в ФГБОУ ВО «ТГТУ» нами была разработана и изготовлена лабораторная установка, схема которой представлена на рисунке 1 [6]. Она состоит из станины 1 с нижним 2 и верхним 3 основаниями. Между основаниями 2 и 3 станины 1 расположены два винта 4 с наружной резьбой. Винты 4 вращаются в подшипниковых узлах, расположенных в основаниях 2 и 3. Привод винтов 4 осуществляется от вала электродвигателя 5 с регулируемой частотой вращения через ведущую 6 и две ведомые звездочки 7. Звездочки 6 и 7 имеют жесткую посадку на валу электродвигателя 5 и на винтах 4, соединены между собой приводной цепью 8 и закрыты кожухом. В нижней части основания 2 расположен силоизмерительный
датчик 9. По резьбовой части винтов 4 перемещается траверса 10, связанная через быст-розажимной патрон 11 со сменным рабочим органом 12. Рабочий орган 12 крепится к патрону при помощи зажима 13 с указателем угла наклона 14, причем зажим обеспечивает быструю установку и снятие рабочего органа. Угол наклона ножей относительно стола изменяется от 0 до 60° с шагом через 1°. Для исследований усилий резания были изготовлены одинарные и двойные плоские ножи с односторонними углами заточки 25, 30 и 35°. Расстояние между двойными ножами со-ставлет 6, 12 и 18 мм.
Рис. 1. Схема установки по исследованию прочностных свойств корнеклубнеплодов:
1 - станина; 2 - нижнее основание; 3 - верхнее основание; 4 - винт; 5 -электродвигатель; 6 - ведущая звездочка; 7 - ведомая звездочка; 8 - приводная цепь; 9 - силоизмерительный датчик; 10 - траверса;
11 - быстрозажимной патрон; 12 - сменый рабочий орган; 13 - зажим; 14 - указатель угла наклона;
15 - исследуемый образец; 16 - регистрирующая аппаратура
Устройство работает следующим образом. Предварительно с помощью зажима 13 закрепляем нужный рабочий орган 12 и через быстрозажимной патрон 11 крепим его к траверсе 10. Укладываем на рабочий стол сило-
измерительного датчика 9 по центру лезвия рабочего органа исследуемый образец 15 (корнеклубнеплод). С помощью вала электродвигателя 5 вращающий момент передается цепным приводом через ведущую 6 на две ведомые звездочки 7, затем от винтов 4 на траверсу 10. За счет усилия, создаваемого электродвигателем, происходит воздействие рабочего органа 12 на исследуемый образец 15 до его полного разрушения. Сигналы от датчиков, расположенных на валу электродвигателя, сменном рабочем органе и сило-измерительном датчике, передаются на регистрирующую аппаратуру 16, например, в виде аналого-цифрового преобразователя и програмного обеспечения «Power Graph 3.1 Professional».
Данное устройство за счет применения регистрирующей аппаратуры, электродвигателя 5 с регулируемой частотой вращения и силоизмерительного датчика 9 позволяет производить измерения и фиксировать усилие резания при различных скоростных режимах, а также при разных углах установки и заточки ножей, количестве ножей, толщине резки. Причем жесткая связь ведущией 6 и ведомых звездочек 7 исключает какое-либо проскальзывание при передаче вращательного движения, что обеспечивает надежность передачи и соответственно повышает точность и качество измерений.
Объектом исследований была выбрана кормовая свекла сорта «Авангард». Сырье для экспериментальных исследований извлекали из буртов сельхозпредприятия. По результатам экспериментов выявлены зависимости усилий резания от угла заточки ножа у 2 и угла наклона лезвия т ножа к противорежущей пластине. При увеличении угла у2 снижается удельная сила воздействия ножа, которая имеет нелинейный характер. Более интенсивное снижение наблюдается при у2 > 30°. Это связано с уменьшением усилия на деформацию корнеклубнеплодов. Максимальное значение удельная сила воздействия ножа имеет при угле наклона лезвия относительно противо-режущей пластины (стола) т = 0 . При увеличении угла т удельная сила воздействия ножа
^ снижается. Более интенсивное снижение удельной силы воздействия ножа наблюдается при угле наклона т > 25°. Это связано с кинематической трансформацией угла заточки лезвия.
Зависимость усилий резания корнеклубнеплодов двойными ножами с сопротивлением резанию 0б2, расстоянием между ножами Л2,
углом заточки ножей у2 представлена на рисунке 2. При увеличении расстояния от 6 до 12 мм сопротивление интенсивно снижается почти в 2 раза, а при увеличении от 12 до 18 мм - сопротивление резанию снижается менее чем на 20%, т.е. влияние на сопротивление резанию уменьшается. Это связано с тем, что при проталкивании между ножами корнеклубнеплоды интенсивно сжимаются и при величине относительной деформации е = 0,29 он (корнеклубнеплод) начинает разрушаться под действием усилий резания и напряжений деформации. При расстоянии И2 >15 мм будут нарушаться зоотехнические требования к измельчению корнеклубнеплодов. Поэтому при проектировании измельчающих аппаратов с ножевой решеткой величину Н2 необходимо выбирать в пределах от 12 до 15 мм.
15 20 25 30 у2, град
Рис. 2. Зависимость сопротивления резанию
двойными ножами от расстояния между ножами кг:
1, 2, 3 - экспериментальные зависимости; 4, 5, 6 -расчетные зависимости; 1, 4 - угол заточки ножей у2 = 25°; 2, 5 - угол заточки ножей у2 = 30°; 3, 6 - угол заточки ножей у2 = 35°
При увеличении угла у2 от 25 до 35° удельное сопротивление резанию двойными ножами снижается, что связано с кинематической трансформацией лезвия ножа (острота заточки лезвия).
Экспериментальные исследования усилий резания корнеклубнеплодов позволили выявить, что:
а) при резании одинарным плоским ножом при увеличении угла заточки _/2 от 25° до 35° удельная линейная сила ножа ^ возрастает на 18-22%, а при увеличении угла наклона т лезвия ножа от нуля до 35° удельная линейная сила ножа ^ снижается на 2834%;
б) при резании двойными плоскими ножами при увеличении расстояния й2 между ножами от 6 до 12 мм суммарное сопротивление резанию снижается в 2,9 раза; при увеличении расстояния й2 между ножами от 12 до 18 мм суммарное сопротивление резанию снижается на 27-35%, поэтому рациональное расстояние между ножами с учетом зоотехнических требований должно находится в пределах от 12 до 15 мм;
в) при увеличении угла заточки ножей ]2 от 25° до 35° суммарное сопротивление резанию снижается на 20-27%.
Литература:
1. Научно-информационное обеспечение инновационного развития АПК. М., 2014. 580 с.
2. Морозов Н.М. Факторы, влияющие на эффективность применения инновационной техники и ресурсосберегающих технологий в животноводстве // Вестник ВНИИМЖ. 2017. №1(25). С. 9-19.
3. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по механизации и автоматизации животноводства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2009. №1. С. 10-18.
3. Тихомиров И.А. Повышение эффективности производства продукции молочного и мясного скотоводства на основе совершенствования технологии кормления // Вестник ВНИИМЖ. 2017. №1(25). С.70.
4. Брусенков А.В. Экспериментальные исследования прочностных свойств корнеклубнеплодов // Вопросы современных научных исследований. Астана, 2017.
5. Пат. 2624097 РФ. Устройство для исследования прочностных свойств сочных кормов / А.В. Брусенков. Заяв. 04.05.16; Опубл. 30.06.17, Бюл. №19.
Literatura:
1. Nauchno-informacionnoe obespechenie innovacionno-go razvitiya APK. M., 2014. 580 s.
2. Morozov N.M. Faktory, vliyayushchie na ehffektiv-nost' primeneniya innovacionnoj tekhniki i resursosbere-gayushchih tekhnologij v zhivotnovodstve // Vestnik VNIIMZH. 2017. №1(25). S. 9-19.
3. Ivanov YU.A. Napravleniya nauchnyh issledovanij po mekhanizacii i avtomatizacii zhivotnovodstva // Sel'sko-hozyajstvennye mashiny i tekhnologii. 2009. №1. S. 1018.
3. Tihomirov I.A. Povyshenie ehffektivnosti proizvodst-va produkcii molochnogo i myasnogo skotovodstva na osnove sovershenstvovaniya tekhnologii kormleniya // Vestnik VNIIMZH. 2017. №1(25). S.70.
4. Brusenkov A.V. EHksperimental'nye issledovaniya prochnostnyh svojstv korneklubneplodov // Voprosy sov-remennyh nauchnyh issledovanij. Astana, 2017.
5. Pat. 2624097 RF. Ustrojstvo dlya issledovaniya prochnostnyh svojstv sochnyh kormov / A.V. Brusenkov. Za-yav. 04.05.16; Opubl. 30.06.17, Byul. №19.
LABORATORY INSTALLATION FOR ROOT- TUBEROUS ROOT VEGETABLES PROPERTIES'
STRENGTH RESEARCH A.B. Brusenkov, candidate of technical sciences A.V. Fetisov, magistrant
FGBOU VO "Tambov state technical university"
Abstract. Grinding is a hard energy-intensive process, which is greatly influenced by design and operating parameters of grinding machines, as well as the root-tuberous- roots vegetables properties' strength. At root-tuberous- roots vegetables feeding to animals in raw form, there are needed to cut them into slices of different shapes and sizes with the condition that the starch and moisture are not released and lost from the cutting, and the slice itself remains loose, juicy and fresh. Therefore, the grinding device performance should be considered only in accordance with the physical- and-mechanical properties of the crushed material and in relation to specific technological conditions. The object of research was chosen feed beet of «Avangard» sort. Raw materials for experimental studies were extracted from the burts of the agricultural enterprise. This paper describes the device and principle of operation of the laboratory installation for the study of succulent feed properties strength in order to justify the rational regimes and parameters of the grinding devices, as well as the general laws of the cutting process clarification. Keywords: grinding, cutting, root-tuberous- roots vegetables, strength properties.
