CC BY
1
УДК 631.3:636
05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки)
РАСЧЁТ ПРОЧНОСТИ ПРИЖИМНОГО УСТРОЙСТВА МЕХАНИЗМА КРЕПЛЕНИЯ ВЕРХНЕГО АБРАЗИВНОГО ДИСКА ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ЗЕРНА
Класнер Георгий Георгиевич к.т. н., доцент
Scopus Author ID: 57209716710 РИНЦ SPIN-код: 8043-8389 egor.klasner.91@mail.ru
Кремянский Владислав Франтишекович к. т.н., доцент
Клиновицкий Андрей Андреевич Студент бакалавриата Klinovitskiyklinovitsky@yandex.ru Кубанский государственный аграрный университет, Россия, 350044, Краснодар, Калинина, 13
В настоящей статье будет рассмотрен вопрос запаса прочности механизма крепления верхней абразивной дисковой крышки разрабатываемого устройства для приготовления жидких, высокобелковых кормов. С учетом конструктивных особенностей представлен расчет винтового соединения, работающего на сложное сопротивление - кручение, растяжение и сжатие
Ключевые слова: СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ЗЕРНА, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ, АБРАЗИВНЫЙ КОНУС
DOI: http://dx.doi.org/10.21515/1990-4665-170-008
UDC 631.3:636
05.20.01 Technology and mechanization of agriculture (technical sciences)
CALCULATION OF THE STREINGTH OF CLAMPING SYSTEM OF MECHANISM OF UPPER ABRASIVE DISC OF CORN SHREDER
Klasner Georgy Georgiyevich Cand.Tech.Sci., docent Scopus Author ID: 57209716710 RSCI SPIN-code: 8043-8389 egor.klasner.91@mail.ru
Kremianskiy Vladislav Frantishekovich Cand.Tech.Sci., docent
Klinovitsky Andrey Andreevich Undergraduate student Klinovitskiyklinovitsky@yandex.ru Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
In this article we will consider the question of the strength reserve of the fasteners system mechanism of upper abrasive disc for high protein and liquid feed preparation. Considering design features, we present a calculation of a screw connection working on a hard resistance - torsion, tension and compression
Keywords: GRAIN MOTION SPEED, SHREDER PERFOMANCE, ABRASIVE TAPER
Введение. Соевые семена являются высокоэффективным кормовым продуктом. Они в своем составе содержат растительный белок, аминокислоты и микроэлементы, которые отлично подойдут в употребление в корм животным. Во время кормления сельскохозяйственных животных соей такой набор полезных веществ сильно повышает биологическую ценность рациона и обеспечивает повышение их продуктивности. Одно из самых перспективных направлений подготовки зернобобовых к скармливанию сельскохозяйственным животным - приготовление соевого молока, не
уступающему цельному по биологической ценности. Молоко из зернобобовых культур обладает ценным биохимическим составом, в нём содержится сырая клетчатка, что благоприятно влияет на работу пищеварительной системы животных.
Методика исследований. Соевые цельные зерна, мука, торты и другие продукты переработки сои могут быть использованы для кормления скота и птицы (таблице 1).
Таблица 1 - Состав и усваиваемость соевого зерна и продуктов его переработки
Показатели Вид корма
зерно мука жмых шрот
В 100 кг корма содержится: К. Е. кг. 130,8 145,7 125 118,2
Переваримый протеин, кг 29,3 34,2 34,7 36
На 1 К.Е. приход. первар. протеина, г 222 224 277 300
Состав в % влага 11,5 9,1 14,8 14,5
протеин 33,1 38,2 38,6 40,0
белок 28,2 33,3 38,3 38,3
жир 15,4 19,7 9,8 2,0
клетчатка 7,2 3,2 2,8 6,4
БЭВ 27,5 25,5 27,8 31,9
зола 5,3 4,3 6 5,2
К-т пер. %, протеина 89 89 90 90
белка 88 89 88 90
жира 85 90 89 95
клетчатки 82 39 78 94
Биологическая ценность белка зависит в большей степени от разрушаемости зерна при подготовке его к скармливанию сельскохозяйственным животным. Наиболее эффективно используется протеин, содержащий около 40-50% водорастворимых фракций (таблица 2).
Таблица 2 - Содержание растворимых фракций протеина и лизина в зерне различных
культур, %
Культура Сырого протеина Водо- и солерастворимых фракций Лизина к сырому протеину
Кукуруза 9-10 25-30 3,1-3,3
Пшеница 13-15 40-50 3,5-3,8
Ячмень 11-13 45-50 3,5-4,0
Овёс 11-14 55-60 4,1-4,5
Горох 18-24 80-85 3,5-5,7
Соя 32-45 80-90 7,5
В соевом белке содержится много аминокислот, таких как лизин, тронин, но метионина и цистина присутствует недостаточное количество.
Соевое молоко, приготовленное на ферме, подается ко всем видам сельскохозяйственных животных. Телята начинают пить с 20-дневного возраста. При этом им сначала дают двести граммов соево-белковой суспензии, а затем равномерно повышают суточное потребление молока. Дойные коровы суточный рацион предусматривает потребление до 10 литров соево-белковой суспензии. При этом суточный надой отдельно взятой дойной коровы возрастает в среднем на 15-20%, а жирность получаемого от коровы молока увеличивается на 1,45%.
Результаты исследований в Одесской агрохимической лаборатории показывают, что в 1 кг соевого молока содержится 2,5% жира, 0,5 г кальция; 0,7 фосфора; 1,3 лизина; 1,45 метиона; 1,6 изолейсина; около 1% сахара. На одну кормовую единицу соевого молока приходится более 200 г перевариваемого белка, что в два раза больше, чем содержание всего коровьего молока с содержанием жира 3-5%.
Установки для производства соевого молока производятся, в основном, за границей. В России существует несколько производителей
соевых машин. Это оборудование не обладает высоким конструктивным различием и примерно одинаково по производительности (500-1000 л/ч).
На рисунке 1 представлена "соевая корова", она производит соевое молоко в небольших объемах. Ее характерная черта заключается в том, что измельчаемый продукт обрабатывается многократно, это повышает себе стоимость 1 литра молока и на выходе получается качественный продукт, который применим даже в виде пищевой добавки общественного питания.
Рисунок 1 - Малая соевая корова
Исследовательская часть. Существует большое количество технических средств [2], позволяющих получить белковую суспензию. При этом основными технологическими операциями являются: измельчение, экстракция, разделение на жидкую и твердую фракции, термическая обработка, охлаждение и хранение. Этот многоэтапный процесс получения белковой суспензии ведет к необходимости приобретения целого комплекса оборудования, но зачастую это очень затратный и энергоемкий способ производства для предприятий малых форм.
Таким образом, возникает потребность в разработке универсального технического средства, совмещающего все этапы производства белковой суспензии.
На основании проведенного патентного поиска технических средств и технологий приготовления жидких белковых кормов, нами предлагается безотходная технологическая линия переработки зерна бобовых культур на корм животным и птице. Основным элементом предлагаемой технологии, является устройство для измельчения зернобобовых культур в замоченном виде. Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к устройствам для измельчения зернобобовых кормов.
Технический результат предлагаемой конструкции достигается тем, что в устройстве для измельчения зерна бобовых культур в замоченном виде, включающее корпус с патрубками для вывода готового материала, внутри которого установлено измельчающее устройство, конусообразное сито, обеспечивающее требуемую сепарацию, чистик для конусообразного сита и горловину в виде усеченного конуса для ввода обрабатываемого материала, дробящее устройство, установленное внутри горловины на валу привода согласно полезной модели дробящее устройство имеет шток, на который установлен нож с двумя противоположно направленными изогнутыми лезвиями, а измельчающее устройство выполнено из верхнего жернова с поджимной пружиной и нижнего жернова установленные друг над другом, с образованием зазора между ними, при этом верхний жернов неподвижен относительно нижнего жернова и на его периферии расположена съемная стальная перфорированная пластина в форме обода, на которой перфорация выполнена в виде рельефных насечек, с режущими кромками, позволяющие истирать частицы до мелкодисперсного состояния, причем для обеспечения направления движения окары и твердых остатков,
чистик расположен на верхнем краю конусообразного сита, а нож штока расположен между жерновами.
Сущность модели поясняется чертежом (рисунок 2), где а) - общий вид устройства для измельчения зернобобовых кормов; б) - устройство для измельчения зернобобовых кормов вид сверху; в) - съемный стальной обруч с перфорацией в виде рельефных насечек с режущими кромками, сечение Б-Б.
а) Общий вид
б) Сечение Б-Б
в) Вид сверху
Рисунок 2 - Общий вид устройства для измельчения зерна бобовых культур в
замоченном виде:
1 - содержит корпус, 2 - патрубки вывода готового материала. 3 - конусообразное сито,
4 - чистик, 5 - горловина, 6 - вал, 7 - привод, 8 - шток, 9 - нож, 10 - верхний жернов, 11 - поджимная пружина, 12 - нижний жернов, 13 - съемная стальная перфорированная пластина в форме обода. 14 - рельефные насечки с режущими кромками.
Устройство для измельчения зерна бобовых культур в замоченном виде работает следующим образом. При включении электродвигателя привода начинают одновременно вращаться элементы которые расположены на валу 6, шток 8 с ножом 9, нижний жернов 12 и конусообразное сито 3. Замоченная масса подается через приемную горловину 5, одновременно с водой, и попадает в измельчающее устройство, где одновременно с подвижным нижним жерновом 12 работает шток 8 с ножом 9. Измельчение проходит ступенчато, жернова 10, 12 выставленны с требуемым зазором, нож 9 разрезает подаваемую массу, которая поступает в пространство между жерновами 10, 12, истирающие материал, и на их переферии происходит дополнительное мелкодисперсное истирание, благодаря съемной стальной перфорированной пластине 13. Полученная суспензия от истирания отбрасывается на конусообразное сито 3, расположенное по периметру измельчающей камеры, посредством которого происходит разделение на эмульсию и окару. Эмульсия стекает по выводному патрубку 2 в специальную ёмкость, а окара собирается чистиком 4 и посредством выводного патрубка собирается в другую ёмкость.
Предлагаемая конструкция по сравнению с прототипом (в качестве прототипа взята «Соевая корова» (рисунок 1) имеет следующие преимущества:
- увеличение производительности за счёт увеличения пропускной способности;
- увеличение качественных показателей процесса, а именно полная экстракция белка в суспензию за счёт ступенчатого измельчения зерна;
- повышение эксплуатационной надежности за счёт дополнительного измельчающего элемента - съемная стальная перфорированная пластина в форме обода.
В представленной установке основным техническим действием является истирание замоченного зерна до мелкодисперсного состояния. Это достигается благодаря работе истирающего диска, выполненного в форме усеченного конуса, с нанесенным абразивом по всей поверхности (рисунок 3).
и
С
б
О
Рисунок 3 - Общий вид. Схема подвижного абразивного диска с криволинейными бороздками
Рассмотрим кинематику зерна во время работы диска и найдём силы д и д (рисунок 4)
Рассчитаем влияние обобщенных сил дг.
дг
Р
Рисунок 4 - Силы, действующие на зерно при его перемещении в радиальном
Р - сила тяжести, действующая на зерно, её можно рассчитать по формуле: Р = mg ^ - ускорение свободного падения). Также на зерно действует сила нормального давления и центробежная сила. Разложим силу тяжести на скатывающую силу ^ск = mgcosP и на силу нормального давления N = mgsinp.
Центробежная сила направлена по горизонтали и находится по формуле:
Как и силу тяжести, разложим центробежную силу на две её составляющие: Рц$ sinp действует вдоль поверхности конуса, а Рц$ cosP, действует перпендикулярно поверхности конуса.
Из этого следует, что суммарная сила, действует вдоль образующей поверхности конуса и равна:
направлении
2 2 Fц6 = тш р = тш
(1)
Fr = mдcosв + тш гет в;
(2)
Сила нормального давления зерна на поверхность конуса, равна:
N = mgsine - mu2rsin20cos0- (3)
Отсюда, радиальная составляющая сил трения FTp равна:
^гр = - fN= - f(mgsin$ - mw2rsin0cos0J; (4)
где f - коэффициент трения
Сила нормального давления N не производит работы, поэтому элементарная работа SAr при перемещении зерна на расстояние Sr, при 80 = 0, находится как:
6Ап = (Fr+FTp )6r = (mgcose + mw2rsin2p)6r - f(mgsin0 - mw2rsinPcosP)6r. (5)
Элементарная работа SAr связана с обобщенной силой Qr равенством:
5АГ = Qr6r; (6)
Следовательно обобщенная сила равна:
Qr = mgcose + mw2rsin2p - fmgsinp + fmw2rsinPcosP; (7)
Из-за того, что сила N направлена перпендикулярно перемещению зерна, она не входит в обобщенную силу Qr.
Обобщенная сила Qr поясняется следующим:
Во-первых, при ю = 0, обобщенная сила находится как разность двух ее составляющих:
= mgcose - fmgsin0; (8)
Отличие от обычного выражения лишь в том, что для скатывающей силы угол наклона плоскости отсчитывается от вертикали, а не от горизонтали.
Во-вторых, при:
получаем условие отрыва зерна от поверхности конуса. Критичное значение кривой при заданной геометрии устройства равно:
На нижнем краю конуса достигается максимальное значение координаты г, равное:
что дает для критической скорости вращения ю величину около 200 рад/с.
Таким образом, выбранная скорость вращения является оптимальной: снижение или увеличение скорости приведет к ухудшению качества изготавливаемого продукта или снижению эффективности установки.
В опытном образце измельчителя зерна в замоченном виде (рисунок 4), на базе которого проведен ряд многофакторных экспериментов с целью экспериментального обоснования конструктивно-режимных параметров измельчителя, механизм крепления верхней абразивной дисковой крышки выполнен в форме болт-гайка.
2
д - ш г^в = 0;
(9)
(10)
(11)
Рисунок 5 - Общий вид измельчителя замоченного зерна сои
Рисунок 6 - Абразивные диски
Механизм крепления верхней абразивной дисковой крышки выполнен в форме болт-гайка. Наиболее частой причиной того, что болты и гайки выходят из строя, является износ их канавок. Поэтому основным критерием работоспособности является износостойкость. Другим критерием работоспособности является прочность. При проектном расчете винта и гайки на износостойкость пользуются формулой:
(12)
=
2Р
[Л+[Р]
где
<с - средний диаметр резьбы;
Р - осевая сила, N - нормальное давление, действующее на винт и
гайку;
N = тд, где
(13)
т - масса;
д - ускорение свободного падения;
" = # - отношение высоты гайки Н к среднему диаметру резьбы <1с;
йс
[%] - допускаемое удельное давление для резьбы. Значение " принимается в пределах 1,2 — 2,5 для целых гаек. Допускаемое удельное давление [%] рекомендуется принимать: для закаленной стали по бронзе [%] = 10 — 14 Мпа; для незакаленной стали по чугуну [%] = 5 — 7 МПа.
По величине используя соответствующий ГОСТ для стандартной резьбы принимаются все остальные размеры и параметры резьбы: . - наружный диаметр п - высота профиля 0 - шаг резьбы
Винты работают на сложное сопротивление - на кручение и растяжение или сжатие.
Винт, работающий на растяжение (сжатие) и кручение, проверяется на прочность исходя из □ теории прочности:
1п=Ш)2+4Ш2^ где (14)
Сп - приведенное напряжение по □ теории прочности [С]р - допускаемое напряжение на растяжение (сжатие) Т= - крутящий момент винта
Для трапецеидальной и треугольной резьбы по формуле:
Тк = 0,5асР>д(@ + А) (15)
А - угол трения определяется по формуле
гду = С, где (16)
С - коэффициент трения в резьбе при смазке для стали по бронзе 0,1; по чугуну 0,15.
@ - угол наклона резьбы, принимается по среднему диаметру резьбы йс
= где (17)
мс
0 — шаг резьбы И — высота профиля резьбы
0 = 2К
(18) гд@ = 0,7
Исходя из конструктивных особенностей устройства измельчения зерна осевая сила %с — действующая в передаче винт - гайка.
%с = 10500 Н, подставив найденное значение в формулу прочности, определим <с
(19)
, 2Р$ 2-10500
<с = К . г 1 = I-т = 29,86 мм
с -^ЯЕ[Р] л] 3,14-1,5-5-10б
<с = 2,98 - 10_2м. <с = 3 - 10_2м. Принимаем по ГОСТ 9484-81 <с = 30мм. Высота гайки Р = 30 - 2 = 60мм. Проверим прочность по □ теории прочности:
1п = >2+4т2 < [а]; (20)
4%
а =
Я<2'
т=
0,2<2'
7= = 0,5 - 3 - 10"2 -10500 - 0,85 = 133,8 Нм.
= /^^ч2 + 4 р^у < [1]: < 160 МПа.
ап = 1,4Мпа< 160Мпа. Прочность устройства будет обеспечена.
Выводы.
1. На основании проведенного патентного поиска технических средств и технологий приготовления жидких белковых кормов, нами предлагается безотходная технология переработки зерна бобовых культур
на корм животным и птице, с возможностью объединения основных технологических операций.
2. Предложена конструкция устройства для переработки зерна на корм сельскохозяйственным животным и птице. Благодаря конструктивным особенностям объединены такие технологические операции как: измельчение зерна до мелкодисперсного состояния, смешивание измельченных частиц с коагулянтом (с водой), разделение полученной суспензии на фракции.
3. Рассмотрена кинематика движения зерна сои в замоченном виде по абразивной поверхности конуса с нанесенными криволинейными бороздками. Представлена расстановка сил действующих на зерно сои при его перемещении в радиальном направлении по поверхности конуса. Получено уравнение движения отдельного зерна по боковой поверхности конусного абразива. С учетом конструктивных особенностей представлен расчет винтового соединения, работающего на сложное сопротивление -кручение, растяжение и сжатие. В результате проеденных расчетов механизма крепления верхней абразивной дисковой крышки
4. Проведенные расчеты запаса прочности винтового соединения, механизма крепления верхней абразивной дисковой крышки работающего на сложное сопротивление - кручение, растяжение и сжатие, подтверждают, что прочность устройства будет обеспечена.
Литература
1. Фролов В.Ю. Ресурсосберегающая, безотходная технология глубокой переработки сои / Фролов В.Ю., Сысоев Д.П., Класнер Г.Г// В сборнике: Актуальные вопросы ветеринарной и зоотехнической науки и практики - 2015. с. 344-350.
2. Класнер Г.Г. Аналитические аспекты приготовления высокобелковых кормов /В.Ю. Фролов, Д.П. Сысоев // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс]. -Краснодар: КубГАУ, 2014. -№99(05). -Шифр Информрегистра: IDA [article ID]: 0991405058. -Режим доступа: http://ei.kubagro.ru/a/viewaut.asp?id=3699.
3. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. 11-е изд., стереотипное, М.: Изд-во «Лань», 2009, 736 с.
4. Класнер Г.Г. Теоретическое обоснование процесса приготовления кормов на основе зерна сои / Класнер Г.Г., Тумаев Е.Н., Фролов В.Ю., Сысоев Д.П.// Научное обозрение. 2017 № 5 с. 78-82.
References
1. Frolov V.Ju. Resursosberegajushhaja, bezothodnaja tehnologija glubokoj pererabotki soi / Frolov V.Ju., Sysoev D.P., Klasner G.G// V sbornike: Aktual'nye voprosy veterinarnoj i zootehnicheskoj nauki i praktiki - 2015. s. 344-350.
2. Klasner G.G. Analiticheskie aspekty prigotovlenija vysokobelkovyh kormov /V.Ju. Frolov, D.P. Sysoev // Nauchnyj zhurnal KubGAU [Jelektronnyj resurs]. -Krasnodar: KubGAU, 2014. -№99(05). -Shifr Informregistra: IDA [article ID]: 0991405058. -Rezhim dostupa: http:// ej .kubagro.ru/ a/viewaut. asp?id=3 699.
3. Butenin N.V., Lunc Ja.L., Merkin D.R. Kurs teoreticheskoj mehaniki. 11-e izd., stereotipnoe, M.: Izd-vo «Lan'», 2009, 736 s.
4. Klasner G.G. Teoreticheskoe obosnovanie processa prigotovlenija kormov na osnove zerna soi / Klasner G.G., Tumaev E.N., Frolov V.Ju., Sysoev D.P.// Nauchnoe obozrenie. 2017 № 5 s. 78-82.
