Применение теории подобия и размерностей для исследования технологической линии очистки и плющения фуражного зерна Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

МЕХАНИЗАЦИЯ

УДК 631.17:631.536.6

Применение теории подобия и размерностей для исследования

технологической линии очистки и плющения фуражного зерна

Василий Алексеевич Сысуев, академик Россельхозакадемии, доктор техн. наук, профессор, директор, Алексей Юрьевич Исупов, младший научный сотрудник ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г. Киров, Россия

E-mail: [email protected]

В статье приведены результаты использования теории подобия и размерностей для исследования технологической линии очистки и плющения фуражного зерна, а также результаты ее технико-экономической и энергетической оценки.

Ключевые слова: фуражное зерно, плющение, устройство, очистка, исследование, испытание, критерии подобия

Основой укрепления и развития отрасли животноводства является создание прочной кормовой базы. В настоящее время доля кормов в себестоимости продукции животноводства составляет 60...75%, а на один килограмм расходуется 1,2.1,3 кормовых единицы, что в 1,5.2,0 раза больше, чем в передовых странах.

В сельскохозяйственном производстве в последнее время востребована технология плющения зерна, позволяющая получать высококачественные концентрированные корма для различных групп животных из зерна, убранного в фазу молочно-восковой спелости, а также снизить на 20.30% затраты на приготовление кормов и увеличить на 5. 10% привесы животных. К тому же плющилки позволяют перерабатывать и сухое зерно, заменяя дробилки кормов.

Негативно сказывается на качество получаемого продукта наличие минеральных и органических примесей (солома, семена сорных растений и т.п.) в зерновом ворохе, поступившем с поля на плющение, крупных инородных предметов (металлические детали, камни), появление которых может быть вызвано низкой культурой возделывания зерновых культур, значительного износа уборочной техники, приводящей к неисправности механизмов и вальцов плющилок зерна.

Цель исследований - совершенствование технологии плющения, рабочего процесса плющилок зерна и разработка новых

устройств с целью повышения пропускной способности, качества плющеного зерна и предохранения плющилок зерна от поломок.

В НИИСХ Северо-Востока разработана конструктивно-технологическая схема линии по приготовлению концентрированных кормов, состоящая из устройства для очистки от примесей зернового материала и плющилки зерна [1].

Современные тенденции экспериментальных методов исследования рабочего процесса машин и механизмов указывают на целесообразность объединения методов теории подобия и моделирования с методами планирования эксперимента.

Эти методы успешно применяются при оптимизации технологических процессов в химической, текстильной, горно-перераба-тывающей и других отраслях промышленности, а также при исследовании процессов кормоприготовления в животноводстве [2, 3].

Сущность этого направления состоит в том, что при изучении объекта исследования вначале между независимыми факторами устанавливается связь в критериальной форме с помощью теории подобия и анализа размерностей. Благодаря этому производится сокращение числа независимых переменных и представление их в форме, удобной для раскрытия физической сущности изучаемого процесса, с последующим перерасчетом по рабочим формулам при моделировании.

В общем виде зависимость, учитывающая все связи между факторами, дейст-

вующими в системе, в которой этот процесс протекает, может быть записана в виде:

ЯР, р2,...р, р) = о, (1)

где Р,....,Р - факторы, действующие в исследуемом процессе.

Уравнение (1) - однородное, поэтому входящие в него параметры можно выразить в относительных единицах, то есть в долях от некоторых выбранных величин р ,....,Р0„,

имеющих соответственно те же размерности, что ир Р .Тогда (1) можно записать:

1 ? • • • • "г- п 4 7

F (■

P P

P

(2)

P

1 n

PP 'P ' P

01 02 01 0n

Имея предварительную информацию о влиянии различных факторов на рабочий процесс технологической линии очистки и плющения фуражного зерна, зависимость пропускной способности решета P может быть представлена как функция ряда факторов:

P = F(k, m, vmp, lp ,T, Э / A, p, W, p, м), (3)

где Р - пропускная способность решета, кг/с; к - число семян, перемещаемых планками, шт.; m - масса 1000 зерен, перемещаемого планками материала, кг/шт.; v - скорость

г ' ' тр г

транспортирования, м/с; lp - длина решета, м; T - шаг установки планок транспортера, м; Э/А - удельные энергозатраты на подъем груза, (Вт-с2)^; Э - мощность, затрачиваемая на транспортирование материала, Вт; А = g(£cos« + sin«) - коэффициент сопротивления подъему груза, м/с2 [4]; g - ускорение свободного падения, м/с2; коэффициент сопротивления перемещению материала [4]; а - угол наклона решет установки,

град; р - вероятность прохождения частицы

через отверстие, %; Ж - относительная влажность зернового материала, %; ф - угол динамического откоса, град; р - коэффициент «живого сечения» решета.

Такие параметры, как размеры частицы (зерновки), трение о поверхность решета и внутреннее трение (трение частиц между собой), форма отверстия решета были исключены как зависящие от выше принятых параметров.

Используя п-теорему [2], гласящую, что всякое полное уравнение физического процесса, записанное в определенной системе единиц, может быть представлено зависимостью между критериями подобия, т.е. уравнением, связывающим безразмерные величины, полученные из участвующих в процессе параметров; а также свойство критериев подобия любого явления преобразовываться в критерии другой формы, получаемые за счет операций перемножения или деления критериев, возведения их в степень или умножения на любой постоянный коэффициент С. Далее проводим определение критериев подобия на основе анализа размерностей (п - теоремы), выявляем параметры в качестве основных величин с независимыми друг от друга размерностями и характеризующие изучаемый процесс утг[м/с\,1р[м],т[кг]. Тогда остальные показатели можно представить через %[м/с\,1р[м\,т[кг\ и функциональную зависимость (3) процесса фракционирования запишем в виде уравнения, в котором все величины выражены в относительных единицах:

F [1,1,1,

Т

V х2 ly 2m vmpl р m

z 2 ■

V X 21У 2m vmpl p m

Э

z2

Avmpip 2mz 2

p,W ,р,м].

(4)

ж[= Е(ж2 М ,...М ). (5)

Значения критериальных показателей х, у,г1 определяем из анализа уравнений и величин с зависимыми размерностями. В результате получаем:

k

v x2ly 2 mz 2 тр p

kv m

mp

шт. • кг / шт. • м / с

Т

Э

v 111 m1

mp p

= n2 или

= кг / с;

м

i/3 ly3mz3

ТТ

= _ = Л или

v0 l1 m0 l 3

mp p p

м

= 1;

м

Э

Э

Вт

AvX 4iy 4mz 4 Av0llm0

= л. или —-—T Al 4 м2/с2

Н • м / с кг • м / с2 • м / с кг • м2 / с3

2 / 2 м /с

22 м /с

22 м /с

■ = кг / с.

l

В результате преобразований выражения (4) получим критериальное уравнение:

Критерий . _ 1 - величина, об-

ктутр Т Э Р = р (-тр, — ,—, р,Ж ц).

I I А1

р р р

(7)

Используя п - теорему, проверим правильность проведенных преобразований [2, 3]. Общее число всех критериев находим по формуле:

г = N - К, (8)

где N0 - число физических величин, N0 = 12; К - число величин с независимыми размерностями, К = 4; £ = 8

Наименьшее число критериев - ком-

плексов:

г = пп - К,

л 0 '

(9)

где п - число величин, имеющих неодинаковую размерность, п0 = 7; Л = 3.

Минимальное число критериев-симплексов:

х, = N0 - по = 5. (10)

Данные проверки подтверждают правильность проведенных преобразований к критериальному виду.

Установленные безразмерные комплексы учитывают наиболее существенные факторы, влияющие на процесс фракционирования и очистки зернового вороха.

Физический смысл критерия л = Р -производительность решета или количество зерна, разделенного за единицу времени;

количество (масса)

критерий , _ ктУтр -—

I

р

материала, перемещаемого за единицу времени, или производительность скребкового транспортера, а критерий п. = р - доля зернового материала, имеющего возможность попасть в отверстие и пройти через него, тогда уравнение (7) можно упростить, полу-

чив симплекс Л _

Р1

, котрый характе-

к^р

ризует полноту разделения материала на решете, определяемую как

В = -Р-, (11)

ОР

где Р - количество просеявшегося зерна, кг; О - количество поступившего на решето

зерна, кг; р - доля зерна, которое должно

просеяться.

пз =у = -

I п

ратная числу одновременно находящихся на поверхности решета планок, шт. -1.

Критерий ^. _ Э - количество ма-

3=А1 ~О

р

териала, перемещаемого планками за единицу времени, или подача зернового вороха [4], определяемая из выражения:

Э = I ау А = 1рОтрА = 1ОА, (12)

р 1 тр р^ '

тр

где q - линейная плотность транспортируемого вороха, кг/м; Q - подача зернового вороха на решето, кг/с.

Критерий Л = ц - коэффициент "живого" сечения решета, определяемый:

, (13)

ц = -

р

где р - площадь отверстий решета с раз-

отв 11 1

мером отверстий dотв; Г - общая площадь решета.

Так как физико-механические свойства зернового материала на протяжении исследований остаются неизменными, то при обеспечении одинаковых условий симплексы Ж - влажность зернового материала, Ф - угол динамического откоса зернового материала исключены из рассмотрения.

Симплекс

п. =

I п

, 1, как входящий в

другие комплексы и незначительно влияющий на разделение зернового материала, исключаем из уравнения (7).

Таким образом, обусловленные безразмерные комплексы и симплексы величин определяют в общем виде сущность процесса фракционирования и очистки зернового вороха. Проведенный анализ критериальных отношений показывает, что обеспечить полное удовлетворение всем критериям уравнения (7) при моделировании рабочего процесса установки для фракционирования зернового материала не представляется возможным. В практике, когда невозможно достичь полного подобия процессов, применяют приближенное (частичное) моделирование, точность которого определяется экспериментом.

Фактор , , _ Э и критерий опти-

х, — л. —

А1

мизации у — л1 равноценно заменяем на

их физические величины, т.е. на подачу Q и полноту разделения решетом е зернового материала, а фактор — неудобный

для варьирования, с технической точки зрения заменяем на диаметр отверстия решета

С учетом вышеизложенного критериальное уравнение (7) запишется в виде:

у — е — Г&й^Ж). (14)

Считая в первом приближении, что зависимости

у — ЪШу — РМтХу — ^Ж). (15)

являются линейными, подбираем регрессионную модель, которая будет наилучшим образом связывать зависимую переменную

Таблица 1

Матрица плана 23 и результаты исследований

у — л с полученными критериями подобия функцией вида:

у — Ь0 + Ь1Х'+ Ь2 х2 + Ь3 х3.

(16)

где у — х1—л4 — 0 ; х2 — л8 — ёотв ;

1 1 л2л5

х — л — ж.

Для подтверждения теоретических выкладок после проведения поисковых исследований рабочего процесса установки реализована матрица полного факторного эксперимента типа 23 [5].

В качестве исследуемого зернового материала использовался фуражный ячмень, имеющий величину математического ожидания и среднеквадратического отклонения для ширины М = 3,44 мм, а = 0,44 мм, при этом длина решета составляла 615 мм. Результаты исследований представлены в таблице 1 .

Факторы и уровни варьирования Критерий оптимизации

х1 — Л — 0, т/ч х2 —л8 — йотв , мм х' —л — Ж, % 3 6 у

Верхний уровень (+) 7,00 4,0 30 Л у——е

Нижний уровень (-) 4,73 3,2 14

1 -1 -1 -1 0,196

2 1 -1 -1 0,233

3 -1 1 -1 0,592

4 1 1 -1 0,692

5 -1 -1 1 0,195

6 1 -1 1 0,137

7 -1 1 1 0,592

8 1 1 1 0,458

После реализации опытов и обработки экспериментальных данных получена математическая модель рабочего процесса у — 0,386 + 0,196х, - 0,041хх - 0,017х,х,. (17) Из анализа модели (17) видно, что наибольшее влияние на критерий оптимизации у оказывает фактор х' — йотв, с увеличением которого полнота разделения зернового материала у — е как критерия оптимизации возрастает.

Анализ двумерных сечений (рис.) показывает, что полнота разделения зернового материала е возрастает с увеличением диаметра отверстий решета йотв (х,) и уменьшением влажности зернового вороха Ж (х,). Из рисунков б и в следует, что с увеличением подачи зернового материла Q и его влажности х' — ж полнота разделения е вне зависимости от размера отверстий решет х — й уменьшается от 2 до 20%.

а б в

Рис. Двумерные сечения поверхностей отклика, характеризующие влияние полноты разделения е (у) от: а) влажности зернового материала W (х'3) и диаметра отверстий решет Лотв (х'); б, в) влажности W (х[) и подачи зернового материала Q (х[).

После экспериментальных исследований проведена производственная проверка технологической линии очистки и плющения фуражного зерна с использованием плющилки ПЗ-1.

Зерно, подлежащее плющению, подавалось в плющилку зерна для получения корма: в первой серии опытов - без предварительной очистки от примесей, во второй-после предварительной очистки от примесей. Исходным материалом для проведения испытаний являлся фуражный ячмень влажностью 9,8% и чистотой 93% урожая 2011 г. По результатам испытаний установлено, что

после предварительной очистки зернового вороха производительность плющилки увеличивается на 20% (табл. 2) [6].

Ведомственные испытания технологической линии очистки с использованием плющилки ПЗД-3, проведенные в 2012 года на озимой ржи сорта Фаленская 4 при влажности 20,9...26,3% и общей засоренности не менее 5,6%, показали, что качество очистки зерна составило 97,1.97,8%, а потери в отходы 0,05..0,14%. Солома длиной более 50 мм отсутствовала. Производительность составила 3,42 т/ч.

Таблица 2

Результаты производственной проверки технологической линии очистки и плющения фуражного зерна с использованием плющилки ПЗ-1

Наименование показателя С предварительной очисткой зерна Без предварительной очистки зерна

1. Пропускная способность при плющении зерна плющилкой ПЗ-1, т/ч 0,7 0,56

2. Средневзвешенная толщина хлопьев, мм 1,2.1,3 1,2.1,3

3. Количество целых зерен в готовом продукте, шт. Нет Нет

4. Наличие в готовом корме соломистых примесей, % Нет До 1

Технико-экономический расчет (табл. 3) по сравнению технологической линии, состоящей из устройства для очистки зернового вороха и плющилки ПЗД-3, с технологической линией без этого устройства показал, что годовой экономический эффект составит 16866 руб. При этом стоит отметить, что в расчете не учитывается эффект от увеличения выхода продукции жи-

вотноводства (надой молока, привес), полученной за счет повышения качества корма, а также решения проблемы снижения засоренности посевов.

Для оценки эффективности рабочего процесса разработанного устройства для очистки зернового вороха используется энергетический анализ, методика расчета которого представлена в пособии [7]. По ре-

зультатам расчета (табл. 4) разработанное устройство для очистки зернового вороха имеет совокупные затраты энергии на 33,2% меньше, по сравнению с зерноочиститель-

ной машиной предварительной очистки ОВС-25, а при использовании технологической линии с плющилкой ПЗД-3 совокупные энергозатраты уменьшатся на 7,99%.

Таблица 3

Исходные данные для расчета технико-экономической эффективности технологической линии для очистки и плющения фуражного зерна (в ценах 2012 г.)

Показатели пзд-з ПЗД-З + устройство для очистки

Цена оптовая, руб. 250000 250000/25000

Коэффициент перевода 1,2 1,2

Годовая загрузка, т 1000 1000

Производительность, т/ч 2,4 3/3,42

Часовая ставка, руб./ч 40 40

Затраты на хранение, руб./ч 0,15 0,15

Мощность, кВт 17,5 17,5/1,2

Стоимость электроэнергии, руб./кВтч 2,3 2,3

Амортизационные отчисления, % 16,7 16,7

Отчисления на ремонт и техническое об-луживание, % 14 14

Коэффициент готовности 1 1

Таблица 4

Исходные данные для расчета энергетической эффективности технологической линии для очистки и плющения фуражного зерна

Технические средства Технологические линии

Показатели устройство для очистки зернового вороха ОВС-25 ПЗД-З + устройство ПЗД-З

Масса, кг 100 2065 650 550

Пропускная способность, т/ч 3,42 25 3,4 2,8

Установленная мощность, кВт 1,2 9,5 18,7 17,5

Обслуживающий персонал, чел. 1 1 1 1

Занимаемая площадь, м2 0,8 3,2 2 1,2

Выводы

1. Совместное применение методов планирования эксперимента и теории подобия для изучения и моделирования рабочего процесса технологической линии предварительной очистки зерна позволило значительно сократить объем экспериментальной работы с более глубоким раскрытием физической сущности объекта исследования.

2. Результаты испытаний линии очистки и плющения фуражного зерна показали, что с устройством для очистки и фракцио-

нирования зернового вороха плющилки зерна имеют большую на 20% производительность, чем без предварительной очистки.

3. Технико-экономический и энергетический анализ выявил, что предварительная очистка зернового вороха перед плющением позволяет снизить совокупные энергозатраты на 8% и получить годовой экономический эффект не менее 16866 руб. при годовой загрузке 1000 т; устройство для предварительной очистки имеет на 33,2% меньшие энергозатраты, чем ОВС-25.

Список литературы 1. Вальцовая плющилка для зерна: пат. 2399421. Рос.Федерация, № 2009101533/03; заявл. 19.01.2009; опубл. 20.09.2010; Бюл. №26. 5 с.

2. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976. 479 с.

3. Сысуев В.А. Энергосберегающие машины и оборудование для кормоприготовле-ния: исследование методами планирования эксперимента. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 1999. 294 с.

4. Ерохин М.Н. Проектирование и расчет подъемно-транспортирующих машин сельскохозяйственного назначения. М.: Колос, 1999. 228 с.

5. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Ро-щин П.М. Планирование эксперимента в ис-

следованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос, 1980. 168 с.

6. Сысуев В.А., Казаков В.А., Исупов А.Ю. Технологическая линия очистки и плющения фуражного зерна//Проблемы интенсификации животноводства с учетом пространственной инфраструктуры сельского хозяйства и охраны окружающей среды [монография]: под науч. ред. проф. д-ра. Вацлава Романюка. Фаленты-Варшава, 2012. С. 266-269.

7. Методическое пособие по определению энергозатрат при производстве продовольственных ресурсов и кормов для условий Северо-Востока европейской части Российской Федерации / Мухамадьяров Ф.Ф. [и др.]. Киров: НИИСХ СВ, 1997. 62 с.

Usage of theory of similarity and dimension for studying of technological line for cleaning and crushing of forage grain

Sysuev V., Isupov A.

The results of the use of theory of similarity and dimension for study of the technological line for cleaning and crushing of forage grain, as well as results of its technical-economic and energy estimation are presented in the article.

Ключевые слова: forage grain, crushing, device, cleaning, experiment, test, criterion of likeness

УДК 631.312: 631.51

Модернизация плуга для безотвальной обработки почвы и его использование при возделывании яровой пшеницы

Василий Леонидович Андреев, доктор техн. наук, зав. лабораторией, Людмила Михайловна Козлова, доктор с.-х. наук, зав. лабораторией, Сергей Леонидович Дёмшин, кандидат техн. наук, вед. научный сотрудник, Фёдор Александрович Попов, младший научный сотрудник

ГНУ НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии, г. Киров, Россия

E-mail: [email protected]

Представлены результаты исследования по разработке комбинированного орудия со сменными рабочими органами для вспашки и безотвальной с лущением поверхностного слоя обработки почвы и результаты его использования при возделывании яровой пшеницы.

Ключевые слова: почва, вспашка, безотвальная обработка, яровая пшеница, комбинированное орудие, плуг, плоскорез, лапа плоскорезная

В качестве основной зяблевой обработки почвы большинство хозяйств Евро-Северо-Восточного региона России ежегодно применяют вспашку на глубину 20...22 см, что не всегда оправдано из-за ряда существенных недостатков: ускоряется разложение органического вещества в почве, образовывается «плужная подошва», усиливается водная эрозия. Частично устранить эти нега-

тивные явления возможно при использовании вместо вспашки безотвальной обработки почвы.

Исследования [1] свидетельствуют, что на дерново-подзолистых суглинистых и супесчаных почвах плоскорезная обработка способствует накоплению в её верхнем слое органического вещества, улучшает водный режим, уменьшает энергозатраты на основ-