CC BY
24
УДК 631.363:636.086.5
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПРОРОЩЕННОГО ЗЕРНА НА ВИТАМИННЫЙ КОРМ СВИНЬЯМ
С.В. Вендин, доктор технических наук, профессор
Ю.В. Саенко, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО Белгородский государственный аграрный университет
E-mail: [email protected]
Аннотация. Современное свиноводство предполагает выращивание высокопродуктивных животных и обеспечение их полноценными кормами, содержащими все необходимые вещества. Как показывает практика, одним из простых, доступных и недорогих способов повышения витаминной полноценности рационов животных является использование пророщенного зерна ячменя. Предложены технология и оборудование для приготовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна. При приготовлении кормовой смеси из сухого комбикорма и пророщенного зерна последнее необходимо измельчить до размеров частиц 0,9-1,4 мм, а затем произвести перемешивание. Пророщенное зерно после сушки представляет собой неоднородную массу, состоящую из зерна, ростков и корешков. Зерно имеет форму эллипсоида и большую массу, а росток имеет меньшую массу, вытянутую по длине и сплющенную в поперечном сечении форму. Геометрические размеры, плотность и физико-механические свойства самого зерна и ростков неодинаковы, поэтому традиционные способы измельчения зерна не совсем применимы - измельчение пророщенного зерна молотковыми дробилками не позволяет получить нужный результат, т.е. ростки практически не измельчаются. Для эффективного измельчения пророщенного высушенного зерна предлагается конструкция дробилки, в которой дробление зерна осуществляется в дробильной камере молотками, а для резания ростков используется аппарат вторичного измельчения. Для обоснования конструктивных и режимных параметров режущего аппарата вторичного измельчения предложены теоретические модели, учитывающие влияние свойств материала и степени его измельчения на толщину лезвия ножа, угол заточки и угловую скорость ножа. Проведенный численный эксперимент и анализ результатов позволил определить рекомендуемые значения параметров для обеспечения качественных показателей резания высушенного пророщенного зерна.
Ключевые слова: пророщенное зерно, измельчение, угловая скорость, угол затачивания.
Современное свиноводство предполагает выращивание высокопродуктивных животных и обеспечение их полноценными кормами, содержащими все необходимые вещества. Как показывает практика, одним из простых, доступных и недорогих способов повышения витаминной полноценности рационов животных является использование пророщенного зерна ячменя [1]. Поэтому нами предложена технология и оборудование для приготовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна [2].
Пророщенное высушенное измельченное зерно - это продукт бежевого цвета с вкраплением зеленого (ростки), имеет приятный запах, напоминающий запах сенажа. Размер измельченных частиц составляет: для свиней 0,8-1 мм; для кур 1,5-2 мм [3].
При приготовлении кормовой смеси из сухого комбикорма и пророщенного зерна последнее необходимо измельчить до размеров частиц 0,9-1,4 мм, а затем произвести перемешивание. Пророщенное зерно после сушки представляет собой неоднородную массу из зерна, ростков и корешков. Зерно имеет форму эллипсоида и большую массу, а росток имеет меньшую массу, вытянутую по длине и сплющенную в поперечном сечении форму. Процессы измельчения зерна и средства их механизации изучены достаточно хорошо. В то же время следует отметить, что поскольку высушенное пророщенное зерно представляет собой неоднородную массу (геометрические размеры, плотность и физико-механические свойства самого зерна и ростков неодинаковы), традиционные спосо-
бы измельчения зерна не совсем применимы [4,5]. Установлено, что измельчение проро-щенного зерна молотковыми дробилками не позволяет получить нужный результат, т.е. ростки практически не измельчаются.
Известно, что измельчение стебельной массы в большинстве случаев осуществляет-
ся резанием. Поэтому для эффективного измельчения пророщенного высушенного зерна предлагается конструкция дробилки (рис. 1), в которой дробление зерна осуществляется в дробильной камере молотками, а для резания ростков используется аппарат вторичного измельчения [6].
3 - дробильная камера; 4 - дробильный барабан; 5 - электродвигатель; 6 - молоток; 7 - дека; 8 - полость для предварительно измельченного материала; 9 - всасывающий трубопровод; 10 - нагнетательный трубопровод; 11 - циклон; 12 - обратный трубопровод; 13 - фильтровальный рукав; 14 - возвратный трубопровод; 15 - шлюзовой затвор; 16 - аппарат вторичного измельчения; 17 - электродвигатель; 18 - ременная передача; 19 - раструб
Дробилка работает следующим образом. В загрузочный бункер 1 загружают проро-щенное высушенное зерно с ростками и корешками.
В дробильной камере 3 пророщенное высушенное зерно измельчается за счет взаимодействия с подвижными молотками 6, неподвижной декой 7 и решетом. Затем массу пропускают сквозь отверстия решета и подают в полость для предварительно измельченного материала 8.
После этого предварительно измельченное зерно с ростками и корешками направляют в аппарат вторичного измельчения 16, где в результате взаимодействия с подвижными ножами происходит полное измельчение пророщенного высушенного зерна, в том числе ростков и корешков. Измельченный продукт под действием сил гравитации, че-
рез раструб 19, подают на дальнейшие технологические операции. На качество резания значительное влияние оказывают такие факторы, как толщина режущей кромки ножа, угол заточки лезвия ножа и угловая скорость ножевого барабана.
Согласно теории В.П. Горячкина, работа АПОЛН (Дж), затрачиваемая на резание, является результатом затрат энергии на сжатие продукта лезвием ножа Асж и на полезную работу АП резания [6]:
аполн ~ асж + ап (1)
Если принять лезвие ножа прямоугольной формы, то, согласно рис. 2, составляющие равенства (1) при резании слоя материала могут быть представлены следующим образом:
Асж = , (2)
где I - длина слоя материала вдоль лезвия ножа, м; 3 - толщина лезвия ножа, м; а - допустимое напряжение на сжатие, Па; Исж -высота слоя после сжатия, м.
Рис. 2. Расчетная схема процесса резания:
1 - материал; 2 - нож.
Ап = 1{к - Исж )т(к - Исж), (3)
где т - допустимое напряжение на срез, Па; И - первоначальная высота слоя, м. С учетом (1), (2), (3) получаем:
аполн = 15акк + l(h - кк ) т •
ö = 2hl 1 -
h
h
F
а
(8)
Выражение (8) показывает, что с увеличением сжимаемости материала (высоты сжимаемого слоя) толщина лезвия ножа должна быть меньше. На рис. 3 представлена качественная зависимость толщины лезвия ножа от высоты сжимаемого слоя при значениях: т = 0,8 МПа; а =30 МПа; И= 2х10-3 м.
На практике обеспечить достаточно малую толщину лезвия тоже довольно трудно, но для этого применяют заточку кромки лезвия ножа. В нашем случае толщина кромки лезвия ножа должна быть не более 100 мкм для несжимаемого материала. Одной из основных характеристик ножа является угол заточки. Схема для определения угла заточки лезвия ножа представлена на рис. 4.
Тангенс угла заточки у определяется из выражения:
tgy =
Уз
(9)
(4)
Оптимальные условия резания будут достигаться при наименьших затратах энергии
аполн ^ mm .
Принимая во внимание, что затраты энергии при резании будут зависеть от степени сжатия материала (высоты сжимаемого слоя Ьсж), то теоретический минимум для АПОЛН находится из условия:
4L (¿СЖ)= 0 (5)
или
lSo-2l(h - Нсж )т = 0 . (6)
В этом случае вытекает условие выбора оптимальной толщины лезвия ножа: т
1СЖ )
где уЗ - толщина стачиваемого слоя у кромки лезвия ножа, м; 2З - длина заточки лезвия ножа, м.
Если принять длину заточки лезвия 2З равной двойной толщине срезаемого слоя получится:
tgr =
A-S ~2h~
(10)
где А - толщина лезвия ножа, м; 3 - заданная толщина режущей кромки ножа, м; И - первоначальная высота слоя, м.
S = 2(h - h^ )-,
а
(7)
или
0,001 0,0015
Толщина слоя сжатия Исж, м
Рис. 3. Качественная зависимость толщины лезвия ножа от высоты сжимаемого слоя
z
З
Рис. 4. Схема для определения угла заточки ножа:
1 - нож; 2 - росток зерна; 2З - длина заточки лезвия ножа, м; _уЗ - толщина стачиваемого слоя у кромки лезвия ножа, м; к - первоначальная высота слоя; Д - толщина лезвия ножа, м; д - заданная толщина режущей кромки ножа, м; у - угол заточки ножа, град.
Угол заточки ножа определим по форму-
ле:
у = агсХ% ■
А-8 ~2И~
(11)
Расчеты показывают, что Д = 0,002 м; д = 20*10-6 м; к = 0,004 м; угол у заточки ножа составит 14-170.
В целом, можно заключить, что для измельчения ростков пророщен-ного зерна до необходимых геометрических размеров наиболее подходящей является схема молотковой дробилки, в которой выполнены два аппарата измельчения.
Дробильный барабан необходим для измельчения зерна, а режущий аппарат с вращающимися ножами предназначен для измельчения ростков и корешков пророщенного зерна.
Эффективность процесса измельчения будет зависеть от прочностных свойств материала, а также от конструктивных и кинематических параметров измельчающего аппарата (геометрических размеров и угловой скорости ножей).
Схема работы режущего аппарата вторичного измельчения показана на рисунке 5.
Для теоретического обоснования угловой скорости ножей сделаем некоторые допущения. В аппарат вторичного измельчения движется пророщенное зерно со скоростью УЗ, м/с; К - максимальный радиус ножа, м; г
- текущий радиус взаимодействия ножа и измельчаемого материала, м; г0 - минимальный радиус резания ножа, м; а - угловая скорость ножа, обеспечивающая процесс резания, с-1.
Кинематика процесса режущего аппарата вторичного измельчения была рассмотрена в работе [7]. Наибольший интерес для практики представляет оценка влияния угловой скорости ножей на степень измельчения материала. Для нашего случая эта зависимость определяется выражением:
(Я - Г ХУ>АЗР - Уз ), УЗ (12)
К (г -г0) + К , (12)
где К - радиус наружной точки режущей кромки, м; УЗ - поступательная скорость частиц пророщенного зерна, входящих в аппарат вторичного измельчения, м/с; г0 - минимальный радиус ножа, м; г - радиус внутренней точки режущей кромки ножа, м; УРАЗР
- разрушающая скорость ножа, м/с.
Рис. 5. Кинематическая схема аппарата вторичного измельчения: 1 - вал; 2 - нож
Разрушающая скорость ножа для измельчения пророщенного зерна может быть определена из выражения:
^Д&РАЗР 1п Р , (13)
разр
где кц - коэффициент динамичности; оРАЗР - предел усилия на разрыв, Па; р -плотность пророщенного зерна, кг/м3; X -степень измельчения ( Л = L /1, где L - размер пророщенного зерна до измельчения, м; l - размер пророщенного зерна после измельчения, м).
На основе уравнений (12), (13) был проведен анализ зависимости угловой скорости ножа œ от степени измельчения материала X.
На рисунке 6 представлены расчетные значения œ при различных значениях максимального радиуса ножа R.
Расчеты проводились при следующих значениях параметров: r0 - минимальный радиус ножа, 3х10- м; r - текущий радиус взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,055 м; аРАЗР - предел усилия на разрыв, 6^10 Па; L - длина ростка пророщенного зерна, 0,032 м; l - длина неизмельченной части ростка пророщенного зерна (после процесса измельчения), 0,0015-0,004 м; р -плотность пророщенного зерна, 585 кг/м ; V3 - поступательная скорость частиц проро-щенного зерна, входящих в аппарат вторичного измельчения, 0,15 м/с; кц - коэффициент динамичности, 1,6 [6]. Максимальный радиус ножа R изменялся в пределах от 7,5х10-2 до 12х10-2 м.
Рис. 6. Зависимость степени измельчения пророщенного зерна от угловой скорости ножа
Анализ полученных зависимостей показывает, что с увеличением степени измельчения пророщенного зерна с 8 до 21,33 единиц угловая скорость ножей, обеспечивающая резание материала, возрастает с 157,35 до 191,42 с-1. Это можно объяснить тем, что в камере измельчения происходит бесподпорное резание ростков, которое возможно за счет движущегося с высокой угловой скоростью ножа, взаимодействующего с ростком. При этом росток должен обладать необходимой упругостью и массой. Согласно полученным результатам, для уменьшения конечных размеров частиц необходимо повышать угловую скорость ножей, так как после некоторой длины частиц ростка дальнейшее их взаимодействие с ножом будет приводить не к перерезанию, а к отбрасыванию.
Расчеты показывают, что при начальной длине ростка пророщенного зерна 0,0032 м с измельчением до размеров частиц 0,0015 м угловая скорость ножа должна составлять œ=191,42 с-1 или n=1828 мин-1. Это следует учитывать при выборе размеров ножей и их привода. Для обеспечения степени измельчения материала 8 ед. при максимальном ра--2
диусе ножа 7,5х10- м угловая скорость ножа
должна составлять œ=343 с-1, а при макси-
-2
мальном радиусе ножа 12х10- м угловая скорость ножа должна составлять œ=143 с-1.
Заметим, что полученные выше теоретические результаты предполагают однократное взаимодействие ножа с измельчаемым материалом. В то же время на измельчающем барабане может быть установлено несколько ножей, что повысит эффективность измельчения.
Выводы. Предложена эффективная конструкция дробилки для измельчения пророщенного зерна, в которой дробление зерна осуществляется в дробильной камере молотками, а для резания ростков используется аппарат вторичного измельчения.
Установлено, что для получения заданных размеров частиц измельченного проро-щенного высушенного зерна в пределах 0,91,4 мм необходимы две ступени измельчения: дробление молотками и резание полученной массы ножами. Толщина кромки лезвия ножа на второй ступени измельчения должна быть не более 100 мкм. При радиусе ножей 0,095 м частота вращения режущего барабана должна составлять 1800-2000 мин-1.
Литература:
1. Эффективность откорма свиней с использованием пророщенного зерна ячменя в их рационах / Г.С. По-ходня и др. // Вестник Курской ГСХА. 2012. №9.
2. Пат. 2558219 РФ. Технологическая линия для проращивания и введения в комбикорм пророщенного зерна / Булавин С.А. Заяв. 02.04.14; Опубл. 27.07.15.
3. Шейко И.П. Свиноводство. Мн., 2005. 384 с.
4. Физико-механические свойства пророщенного зерна / С.А. Булавин и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. №4. С. 32-33.
5. Сыроватка В.И., Обухова Н.В., Комарчук А.С. Новые технические решения приготовления комбикормов в хозяйствах // Кормопроизводство. 2010. № 7.
6. Пат. 2493918 РФ. Дробилка пророщенного высушенного зерна / Саенко Ю.В. и др. Опубл. 27.09.13.
7. Обоснование частоты вращения ножей дробилки пророщенного зерна / С.В. Вендин и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. №4.
Literatura:
1. EHffektivnost' otkorma svinej s ispol'zovaniem proro-shchennogo zerna yachmenya v ih racionah / G.S. Pohod-nya i dr. // Vestnik Kurskoj GSKHA. 2012. №9.
2. Pat. 2558219 RF. Tekhnologicheskaya liniya dlya pro-rashchivaniya i vvedeniya v kombikorm proroshchennogo zerna / Bulavin S.A. Zayav. 02.04.14; Opubl. 27.07.15.
3. SHejko I.P. Svinovodstvo. Mn., 2005. 384 s.
4. Fiziko-mekhanicheskie svojstva proroshchennogo zerna / S.A. Bulavin i dr. // Mekhanizaciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2012. №4. S. 32-33.
5. Syrovatka V.I., Obuhova N.V., KomarchukA.S. Novye tekhnicheskie resheniya prigotovleniya kombikormov v hozyajstvah // Kormoproizvodstvo. 2010. № 7.
6. Pat. 2493918 RF. Drobilka proroshchennogo vysushen-nogo zerna / Saenko YU.V. i dr. Opubl. 27.09.13.
7. Obosnovanie chastoty vrashcheniya nozhej drobilki proroshchennogo zerna / S.V. Vendin i dr. // Mekhanizaciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2015. №4.
THE DEVELOPMENT OF GERMINATED GRAINS GRINDING MECHANIZATION TOOLS
FOR PIGS' VITAMIN FEED S.V. Vendin, doctor of technical sciences, professor Y.V. Saenko, candidate of technical sciences, professor associate FGBOY VO Belgorod state agrarian university
Abstract. Modern pig farming involves the highly productive animals raising and feeding them with complete forage containing all essential nutrients. As practice had shown, one of simple, accessible and inexpensive ways of animal rations vitamin value increasing is germinated grains of barley using. The technology and equipment for feed mixtures preparation at sprouted grains using are proposed. At the feed mixture from dry combined feed and germinated grain preparation the last should be crushed till a particle size of 0,9-1,4 mm, and then mixing to produce. Germinated grains after drying is heterogeneous mass consisting of grains, shoots and roots. Grain has an ellipsoid form, and a large mass, and the shoot has lesser mass, elongated in length and tapered in cross-section form. The geometrical sizes, density and physical-and-mechanical properties of grain itself and shoots are not the same, therefore, traditional methods of grain grinding are not quite applicable - grinding of germinated grain by hammer's crusher doesn't allow to get the desired result, i.e. shoots aren't practically crushed. For the germinated dried grain's efficient crushing is offered the crusher's design in which the grain crushing is carried out in the crushing cylinder with the hammers, and for germs cutting are used the secondary crushing machine. To justify the design and operating regime parameters of the secondary crushing cutting machine the theoretical models accounting the material properties and its grinding level influence on the knife blade thickness, sharpening angle and knife angular speed are proposed. Hold numerical experiment and analysis of results had allowed to determine the recommended values of parameters to provide the quality indicators of dried germinated grains cutting. Keywords: germinated grain, grinding, angular speed, angle of sharpening.
