Разработка средств механизации для измельчения пророщенного зерна на витаминный корм свиньям Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

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. 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 частиц размерами 0,9-1,4 мм, а затем произвести перемешивание. Пророщен-ное 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, так как 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 [2,3].

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 [4,5]. При приготовлении кормовой смеси из сухого комби-

корма 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 способы измельчения зерна не совсем применимы [6]. Установлено, что измельчение пророщенного

зерна молотковыми дробилками не позволяет получить нужный результат, т.е. ростки практически не измельчаются.

Известно, что измельчение стебельной массы в большинстве случаев осуществляется 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 [7].

15 10

Рис. 1. Дробилка для измельчения пророщенного зерна: 1 - загрузочный бункер; 2 - магнитный сепаратор; 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 пророщен-ное 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 т.ч. ростков и корешков.

Измельченный продукт под действием сил гравитации, через 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, явля-7ется результатом затрат энергии на сжатие продукта лезвием ножа АСЖ и на полезную работу Ап резания [8-11]:

аполн = асж + ап, 0)

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; 5 - толщина лезвия ножа, м; а - допустимое напряжение на сжатие, Па; кСЖ -высота слоя после сжатия, м.

(3)

АП = - ЬСЖ МЛ - ЬСЖ )

где т - допустимое напряжение на срез, Па; к - первоначальная высота слоя, м. С учетом (1), (2), (3) получаем:

аполн = /5оьсж +1 - ьсж)2 т, (4)

Оптимальные условия резания будут достигаться при наименьших затратах энергии

аполн ^ т1п .

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:

g = —, z4

(9)

где уЗ - толщина стачиваемого слоя у кромки лезвия ножа, м; zЗ - длина заточки лезвия ножа, м.

Рис. 2. Расчетная схема процесса резания:

1 - материал; 2 - нож

0,00012

и 0,0001 1 0,00008

0,00006 0,00004 0,00002 0

0,0005

Принимая во внимание, что затраты энергии при резании будут зависеть от степени сжатия материала (высоты сжимаемого слоя ЛСЖ), то теоретический минимум ДЛЯ ^подн условия:

А™ (¿СЖ )=0

или

15о - 2l(h - hC5K )т = 0 .

В этом случае условие выбора оптимальной толщины лезвия ножа:

0,002

0,0025

А

находится из

0,001 0,0015

Толщина слоя сжатия hсж, м Рис. 3. Качественная зависимость толщины лезвия ножа от высоты сжимаемого слоя

(5)

(6)

5 = 2(h - ¿сж ) -о

или

5 = 2hl 1 -

h

сж

h

1 о

(7)

(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; о =30 МПа; И= 2х10-3 м. На практике обеспечить достаточно малую толщину лезвия тоже довольно трудно, но для

Рис. 4. Схема для определения угла заточки ножа: 1 - нож; 2 - росток зерна

т

Если принять длину заточки лезвия 2З равной двойной толщине срезаемого слоя, получится:

А-А

№ = ■

5 - Д

(10)

2/Р

где 5 - толщина ножа, м; А - заданная толщина режущей кромки ножа, м; /Р -длина срезаемого слоя, м.

Угол заточки ножа определим по формуле:

5 - Д

У = • (11)

Расчеты показывают, что при 5 = 0,002 м; А = 20*10-6 м; /Р = 0,004 м угол у заточки ножа составит 14-17°.

В целом, можно заключить, что для измельчения ростков пророщенного 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 рис. 5.

Для теоретического обоснования угловой скорости ножей сделаем некоторые допущения. В аппарат вторичного измельчения движется пророщенное зерно со скоростью Уз, м/с; Я - максимальный радиус ножа, м; г - текущий радиус взаимодействия ножа и измельчаемого материала, м; го - минимальный радиус резания ножа, м; ю - угловая скорость ножа, обеспечивающая процесс резания, с-1.

Кинематика процесса режущего аппарата вторичного измельчения была рассмотрена в работе [12].

Рис. 5. Кинематическая схема аппарата вторичного измельчения: 1 - вал; 2 - нож

Наибольший интерес для практики представляет оценка влияния угловой скорости ножей на степень измельчения материала. Для нашего случая эта зависимость определяется выражением:

т = (Я - Го ХУРАЗР - V ) , ^ (12)

где Я - радиус наружной точки режущей кромки, м; УЗ - поступательная скорость частиц пророщенного зерна, входящих в аппарат вторичного измельчения, м/с; го - минимальный радиус ножа, м; г - радиус внутренней точки режущей кромки ножа, м; УРАЗР - разрушающая скорость ножа, м/с.

Разрушающая скорость ножа для измельчения пророщенного зерна может быть определена из выражения:

У-АЗР =7£Д°РАЗР 1П Х/Р , (13)

где кд - коэффициент динамичности; сРАЗР - предел усилия на разрыв, Па; р -плотность пророщенного зерна, кг/м3; X -степень измельчения (X = Ь / /, где Ь - размер пророщенного зерна до измельчения, м; / - размер пророщенного зерна после измельчения, м).

На основе уравнений (12), (13) был проведен анализ зависимости угловой скорости ножа ю от степени измельчения материала X.

На рис. 6 представлены расчетные значения ю при различных значениях максимального радиуса ножа Я. Расчеты проводились

при следующих значениях параметров: го -минимальный радиус ножа, 3*10" м; r - текущий радиус взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,055 м; оРАЗР - предел усилия на разрыв, 6*10 Па; L - длина ростка пророщенного зерна, 0,032 м; l - длина неизмельченной части ростка пророщен-ного зерна (после процесса измельчения), 0,0015-0,004 м; р - плотность пророщенного зерна, 585 кг/м3; V3 - поступательная скорость частиц пророщенного зерна, входящих в аппарат вторичного измельчения, 0,15 м/с; кд - коэффициент динамичности, 1,6 [7].

Максимальный радиус ножа R изменялся в 2 2 пределах от 7,5*10 до 12*10 м.

" 390

g 290

240

Расчеты показывают, что при начальной длине ростка пророщенного зерна 0,0032 м, с измельчением до размеров частиц 0,0015 м, ножа должна составлять

должна

или n=1828 мин-1. Это следует

190

12 14 16

Степень измельчения материала

-R=0,095

-Степенной (R=0,075) ■

-R=0,085

-Степенной (R=0,085) ■

-R=0,075

-Степенной (R=0,095) ■

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.

угловая скорость ю=191,42 с-1 учитывать при выборе размеров ножей и их привода. Для обеспечения степени измельчения материала 8 ед. при максимальном ра--2

диусе ножа 7,5* 10- м угловая скорость ножа

должна составлять ю=343 с-1, а при макси-

-2

мальном радиусе ножа 12*10-2 м угловая скорость ножа должна составлять ю=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. и др. Заяв. 02.04.14; Опубл. 27.07.15, Бюл. №21.

3. Технологические требования к новым техническим средствам в животноводстве / Иванов Ю.А. и др. М., 2010.

- R=0,12

-Степенной (R=0,12)

440

340

40

4. Шейко И.П. Свиноводство. Мн., 2005. 384 с.

5. Технологическое и техническое переоснащение свиноводческих ферм на современном этапе / Иванов Ю.А. и др. М., 2009.

6. Физико-механические свойства пророщенного зерна / С.А. Булавин и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. №4. С. 32-33.

7. Пат. 2493918 РФ. Дробилка пророщенного высушенного зерна / Саенко Ю.В. и др. Заяв. 29.03.12; Опубл. 27.09.13, Бюл. №27.

8. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л., 1978. 560 с.

9. Иванов Ю.А., Морозов Н.М. Основные положения стратегии развития механизации и автоматизации животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №2. С. 4.

10. Морозов Н.М., Алиев А.А. Направления научно-технического прогресса в животноводстве // АПК: Экономика, управление. 2001. №10. С. 23-30.

11. Иванов Ю.А. Направления технической модернизации при производстве продукции животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №1(17). С. 3-8.

12. 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 I Bulavin S.A. i dr. Zayav. 02.04.14; Opubl. 27.07. 15, Byul. №21.

3. Tekhnologicheskie trebovaniya k novym tekhniches-kim sredstvam v zhivotnovodstve I Ivanov YU.A. i dr. M., 2010.

4. SHejko I.P. Svinovodstvo. Mn., 2005. 3S4 s.

5. Tekhnologicheskoe i tekhnicheskoe pereosnashchenie svinovodcheskih ferm na sovremennom ehtape I Ivanov YU.A. i dr. M., 2009.

6. Fiziko-mekhanicheskie svojstva proroshchennogo zerna I S.A. Bulavin i dr. II Mekhanizaciya i ehlektrifi-kaciya sel'skogo hozyajstva. 2012. №4. S. 32-33.

7. Pat. 249391S RF. Drobilka proroshchennogo vysushen-nogo zerna I Saenko YU.V. i dr. Zayav. 29.03.12; Opubl. 27.09.13, Byul. №27.

S. Me/'nikov S.V. Mekhanizaciya i avtomatizaciya zhivot-novodcheskih ferm. L., 197S. 560 s.

9. Ivanov YU.A., Morozov N.M. Osnovnye polozheniya strategii razvitiya mekhanizacii i avtomatizacii zhivotno-vodstva // Vestnik VNIIMZH. 2015. №2. S. 4.

10. Morozov N.M., A/iev A.A. Napravleniya nauchno-tek-hnicheskogo progressa v zhivotnovodstve II APK: EHko-nomika, upravlenie. 2001. №10. S. 23-30.

11. Ivanov YU.A. Napravleniya tekhnicheskoj moderni-zacii pri proizvodstve produkcii zhivotnovodstva II Vestnik VNIIMZH. 2015. №1(17). S. 3-S.

12. Obosnovanie chastoty vrashcheniya nozhej drobilki proroshchennogo zerna I S.V. Vendin i dr. II Mekhanizaciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2015. №4.

THE MECHANIZATION'S MEANS FOR THE PIGS' VITAMIN FEED BY GERMINATED GRAINS GRINDING

DEVELOPMENT S.V. Vendin, doctor of technical sciences, professor Y.V. Saenko, candidate of technical sciences, associate professor FGBOY VO Belgorod state agricultural university

Abstract. As the practice shows, one of the simple, accessible and inexpensive ways of the animal rations vitamin value increasing is the barley germinated grains using. The technology and equipment of feed mixtures preparation with germinated grains using are proposed. At the feed mixture with dry fodder and germinated grains' preparation the last must be crushed till 0,9-1,4 mm particles, and then mixing to produce. The germinated grains after drying is a heterogeneous mass consisting of grains, germs and roots. Grain has an ellipsoid form, and a large mass, but germ has less mass, elongated in length and flattened in cross-section form. The grain and germ geometrical sizes, density and physic-and-mechanica! properties are not the same, therefore the grain refinement's traditional methods are not quite applicable - germinated grain grinding by hammer crushers doesn't allow to get the desired result, so as the germs practically aren't crushed. For the efficient crushing of the germinated dried grain it offers the design of crusher in which the grain crushing is carried out in the crushing chamber by the hammers, and for germs cutting are used the secondary crushing machine. To justify the secondary crushing cutting machine's constructive and regime parameters, the theoretical model considering the material properties and its grinding's degree influence on the knife blade thickness, the sharpening angle and the angular velocity of the knife was proposed. The held numerical experiment and the analysis of its results allowed to determine the recommended parameters values to ensure the dried germinated grains quality cutting indicators.

Keywords: germinated grain, grinding, angular velocity, angle of sharpening.