CC BY
32
УДК 664.732.7
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛЮЩИЛКИ ЗЕРНА
В.В. Коновалов, доктор технических наук, профессор В.П. Терюшков, кандидат технических наук, доцент М.А. Терехин, аспирант ФБГОУ ВО Пензенская ГСХА E-mail: [email protected]
Аннотация. Снижение себестоимости животноводческой продукции возможно за счет удешевления рациона питания при повышении качества кормов; при этом надо отметить, что наиболее эффективно усваивается измельченное зерно, особенно хлопья плющеного зерна. При плющении разрушается структура зерновки и частично расщепляются сложные сахара, в результате питательные вещества, содержащиеся в кормах, становятся более доступными для ферментов желудочно-кишечного тракта, что способствует более полному усваиванию корма животными. Для выполнения операции по плющению зерна применяются различные конструкции как серийно выпускаемые, так и известные по патентам на изобретения и полезную модель, недостатком которых являются высокие энергозатраты и несоблюдение требований к получаемой продукции. Исходя из этого, нами предлагается перспективная конструкция плющилки зерна. Рабочий орган плющилки состоит из вертикальных плоского и конического дисков, вращающихся с одинаковой угловой скоростью. Плоский диск прижимается к коническому пружиной сжатия. Выявлено влияние частоты вращения дисков и усилия сжатия дисков на толщину хлопьев, производительность плющилки, энергоемкость плющения, а также скорректированную энергоемкость плющения с учетом толщины хлопьев. Указанные показатели описываются уравнениями второго порядка. Экстремальный характер имеет только частота вращения дисков. Обоснованы значения параметров: рационально усилие сжатия - не менее 900 Н, оптимальная частота вращения дисков 900...1000 мин-1. Ключевые слова: плющилка, конические диски, хлопья, толщина хлопьев, производительность плющилки.
Снижение себестоимости животноводческой продукции возможно за счет удешевления рациона питания при повышении качества кормов и, как следствие, их более полной перевариваемости животными [1-4]. Наиболее эффективно усваивается измельченное зерно [5-9], особенно хлопья плющеного зерна [10,11]. При плющении разрушается структура зерновки и частично расщепляются сложные сахара, в результате питательные вещества, содержащиеся в кормах, становятся более доступными для ферментов желудочно-кишечного тракта, что способствует более полному усваиванию корма животными [4,10].
Личные подсобные и фермерские хозяйства с малыми объемами потребления кормов составляют 48% отечественных производителей животноводческой продукции. Замена в данных хозяйствах дерти фуражного зерна на хлопья позволяет снизить потери от пыления пылевидных частиц корма, вре-
дящих дыхательным путям и желудочно-кишечному тракту животных из-за образования нарушающих пищеварение комков сухого корма, смоченных снаружи слюной [1-4].
Для приготовления сухих зерновых хлопьев разработана [12,13] плющилка фуражного зерна (рис. 1). Плющилка состоит из рамы 1, на которой в подшипниковых опорах установлен ведущий вал 2, состоящий из двух валов, соединенных шарниром. Вал 2, вращающийся через муфту от электродвигателя 3, передает крутящий момент через цепные передачи на валы 4 и 5 привода механизма измельчения. На валу 5 жестко установлен диск 6 диаметром 220 мм, имеющий коническую рабочую поверхность. Внутри трубчатого вала 4 устанавливается шлицевой вал-шток 7 с возможностью осевого перемещения. На данном валу-штоке с торца жестко установлен цилиндрический диск 8 диаметром 220 мм, имеющий вертикальную плоскую рабочую поверхность.
Рис. 1. Конструктивная схема плющилки фуражного зерна по пат. РФ №157265: 1 - рама; 2 - ведущий вал; 3 - электропривод; 4,5 - ведомые валы; 6,8 - рабочие диски; 7 - вал-шток; 9 - пружина;
10 - загрузочный бункер; 11 - питатель;
12 - выгрузной лоток; 13 - кожух
Плоский диск 8 прижимается к коническому диску 6 с помощью пружины сжатия 9. Прижимная сила дисков обеспечивается регулировочной гайкой. Сверху на раме 1 закреплен загрузочный бункер 10 с заслонкой, а также гравитационный питатель 11. Готовый продукт скапливается в лотке 12, размещенным под измельчающим аппаратом. Кожух 13 препятствует разбрасыванию готового продукта [12].
Плющилка фуражного зерна работает следующим образом. Включают электропривод, который через муфту приводит во вращение валы с рабочими дисками 6 и 8, вращающимися с одинаковой угловой скоростью. Открыв заслонку в бункере 10, обеспечивают подачу зерна в зону плющения. Необходимую толщину хлопьев устанавливают, регулируя гайкой прижимающую силу между рабочими дисками. Из питающего устройства зерно попадает через питатель в сужающееся междисковое клиновое пространство. Под действием сил трения зерна о поверхности вращающихся дисков 6 и 8 и под действием сил тяжести зерно поступает вниз в зону захвата и далее в зону плющения. В результате воздействия на зерновку рабочих дисков происходит сдавливание зерна до толщины хлопьев без образования кор-
мовой пыли. Далее готовый продукт -хлопья под действием сил тяжести и центробежных сил собираются в лотке 12 [13]. Для обоснования параметров плющильного аппарата проведены исследования [14-17].
В результате реализации плана оптимизации параметров плющилки получены данные, обработка которых позволила получить уравнения, описывающие параметры как в закодированном виде, так и в натуральных значениях. Анализ полученных данных по целому ряду показателей позволяет объективно оценить изучаемый процесс.
В результате обработки данных получено выражение, описывающее толщину хлопьев в зависимости от частоты вращения дисков (п = 800 ... 1100 мин-1; Х1) и силы сжатия дисков (Ро=700.. .900 Н; XV) в кодированном виде (рис. 2):
а = 1,04998 + 0,025001X1 - 0,0467X2 --0,00502X1 • Х2 - 0,005Х12 (1)
Рис. 2. График зависимости толщины хлопьев от частоты вращения XI и усилия поджатия ков Х2
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(24)-2016
57
Коэффициент корреляции ^=0,99902. Данные Р-теста - 0,999037. Коэффициенты свидетельствуют об адекватности модели.
Наибольший коэффициент регрессии Х2 = -0,0467 говорит о влиянии силы сжатия на толщину хлопьев. Знак минус свидетельствует об уменьшении толщины хлопьев при росте силы сжатия. Вторично влияние частоты вращения - Х1 = +0,025001. С увеличением частоты вращения повышается и толщина хлопьев. Квадратичное влияние частоты вращения и парное влияние факторов уменьшают толщину хлопьев, однако их влияние незначительно. В результате обработки данных получено выражение, описывающее производительность плющилки в зависимости от частоты вращения дисков (п, мин-1; XV) и силы сжатия дисков (Р0, Н; Х2) в кодированном виде (рис. 3): С = 0,052669 + 0,005002X1 -
— ■
0,0015X2 — 4,4 • 10 X1
(2)
Коэффициент корреляции ^=0,99849. Данные Р-теста - 0,997582. Полученные коэффициенты свидетельствуют об адекватности полученной модели. Анализ коэффициентов говорит о наибольшем значении частоты вращения Х1 = 0,005002.
Знак плюс свидетельствует о увеличении производительности при повышении частоты вращения. Вторично влияние силы сжатия дисков - Х2 = —0,0015. С увеличением силы сжатия дисков снижается производительность. Квадратичное влияние частоты вращения незначительно.
В результате обработки данных получено выражение, описывающее энергоемкость плющения зерновок ячменя в зависимости от частоты вращения дисков (п, мин-1; Х1) и силы сжатия дисков (Р0, Н; Х2) в кодированном виде (рис. 4), Дж/кг: V = 15570,22 — 335,333X1 + 1717,667X2 + 368,5X1 • Х2 + 1788,667Х12 + 556,6667Х22 (3)
Коэффициент корреляции ^=0,98906. Данные Р-теста - 0,975946. Полученные коэффициенты свидетельствуют об адекватности полученной модели. Анализ коэффициентов говорит о наибольшем значении силы сжатия на энергоемкость - Х2 = +1717,667 и квадрата частоты вращения - Х12 = +1788,667. Знак плюс свидетельствует о повышении энергоемкости плющения при росте силы сжатия и частоты вращения в квадрате. Вторично влияние квадрата силы сжатия - Х22 = 556,6667.
Рис. 3. График зависимости производительности плющилки < от частоты вращения XI и усилия поджатия дисков Х2.
Рис. 4. График зависимости энергоемкости плющения У от частоты вращения и усилия поджатия дисков
2
Наименьшая энергоемкость соответствует частоте вращения Х1 = 0 — 0,5 (п=900... 1050 мин-1) при минимальной силе сжатия. Однако, учитывая, что толщина хлопьев при этом не удовлетворяет зоотребованиям, вынуждены искать компромиссное значение.
Для этого используем обобщенный показатель - корректированное значение энергоемкости У с учетом толщины хлопьев, Джмм/кг:
Ъ = (4)
В результате обработки данных получено выражение, описывающее скорректированную энергоемкость плющения зерновок ячменя в зависимости от частоты вращения дисков (п, мин-1; Х1) и силы сжатия дисков (Го, Н; Х2) в кодированном виде (рис. 5), Джмм/кг:
Уд. = 16336,556 + 75,33333X1 + 1010,167X2 + 351X1 • Х2 + 1794,6667Х12 + 496Д667Х22. (5)
Коэффициент корреляции ^=0,97925, коэффициент детерминации 95,893%. Данные Г-теста - 0,954157. Полученные коэффициенты свидетельствуют об адекватности полученной модели. Анализ коэффициентов регрессии говорит о наибольшем значении квадрата частоты вращения - Х12 = + 1794,6667 и силы сжатия на толщину хлопьев - Х2 = +1010,167.
XI
Рис. 5. График зависимости скорректированной энергоемкости плющения от частоты вращения и усилия поджатия дисков
Знак плюс свидетельствует о повышении энергоемкости плющения при росте квадрата частоты вращения и силы сжатия. Вторично влияние квадрата силы сжатия - Х22 = +496,1667. Внешний вид графиков энергоемкости и скорректированной энергоемкости (рис. 4,5) позволяет говорить о том, что их тенденции совпадают. А следовательно, попытка отыскания компромиссного критерия оптимизации не удалась.
Вынуждены использовать граничные условия и на участке соблюдения технологических требований (толщина хлопьев) отыскивать параметры с меньшими значениями энергоемкости, т.е. находить рациональное значение параметров. Минимальная энергоемкость (независимо от силы сжатия дисков) соответствует частоте вращения дисков 900.1000 мин-1 (Х1 = —0,2 ... + 0,5). Меньшая толщина хлопьев соответствует наибольшей силе сжатия дисков и по возможности меньшей частоте вращения. С ростом частоты вращения возрастает производительность плющилки. Тем самым, для обеспечения толщины хлопьев 1,0 мм требуется частота вращения дисков около 900 мин-1 при силе сжатия дисков 900 Н. При частоте вращения 1000 мин-1 и сохранении силы сжатия толщина хлопьев составит 1,1 мм, а производительность плющилки по сравнению с предыдущим значением увеличится на 10% при равной энергоемкости.
Таким образом, рациональны следующие значения: сила сжатия 900 Н, обеспечивающая толщину хлопьев 1,1 мм, и производительность плющилки на ячмене 0,053 кг/с (190 кг/ч) при оптимальной частоте вращения дисков 1000 мин-1 с энергоемкостью около 18000 Дж/кг (5 кВт-ч/т).
Литература:
1. Механизация приготовления кормов / В.И. Сыро-ватка и др. М., 1985. 368 с.
2. Сыроватка В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. М., 2010.
3. Курдюмов В.И., Некрашевич В.Ф. Результаты исследования процесса смешивания в измельчителе -смесителе вертикального типа // Инновационные технологии в аграрном образовании, науке и АПК России. Ульяновск, 2003.
4. Механизация приготовления кормов. Саратов, 1994.
Лоигпа! оГ VNIIMZH №4(24)-2016
59
5. Савиных П.А. Зернодробилка с ротором-вентилятором // Сельский механизатор. 2012. №9. С. 9.
6. Безрешетная дробилка материалов / Сысуев В.А. и др. // Строительные и дорожные машины. 2007. №3.
7. Тишанинов Н.П. Новые направления совершенствования процессов измельчения компонентов кормов // Достижения науки и техники АПК. 2007. №3. С. 46.
8. Иванов Ю.А. Направления технической модернизации при производстве продукции животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №1. С. 3-8.
9. Пат. 2536623 РФ. Измельчитель фуражного зерна / В.В. Коновалов и др. Заяв. 31.05.13; Опубл. 27.12.14.
10. Технология двухступенчатого плющения фуражного зерна // Достижения науки и техники. 2012. №6.
11. Результаты исследований вальцовой и дисковой плющилок зерна // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №4(16).
12. Пат. 157265 РФ. Дисковая плющилка зерна / М.А. Терёхин и др. Заяв. 24.02.15; Опубл. 27.11.15.
13. Дисковая плющилка зерна / В.В. Коновалов и др. // Сельский механизатор. 2014. №11. С. 7.
14. Аналитическое обоснование показателей рабочего процесса дисковой плющилки / М.А. Терёхин и др. // Нива Поволжья. 2015. №4(34). С. 55-60.
15. Анализ данных лабораторных исследований дисковой плющилки зерна / М.А. Терёхин и др. // Нива Поволжья. 2014. №4. С. 110-116.
16. Численное компьютерное моделирование рабочего процесса дисковой плющилки / В.В. Коновалов и др. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2015. №02. С. 29-34.
17. Влияние частоты вращения дисков на работу плющилки зерна / М.А. Терёхин и др. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2014. №01.
Literatura:
1. Mekhanizaciya prigotovleniya kormov / V.I. Syrovatka i dr. M., 1985. 368 s.
2. Syrovatka V.I. Mashinnye tekhnologii prigotovleniya kombikormov v hozyajstvah. M., 2010.
3. Kurdyumov V.I., Nekrashevich V.F. Rezul'taty issledo-vaniya processa smeshivaniya v izmel'chitele-smesitele vertikal'nogo tipa // Innovacionnye tekhnologii v agrar-nom obrazovanii, nauke i APK Rossii. Ul'yanovsk, 2003.
4. Mekhanizaciya prigotovleniya kormov. Saratov, 1994.
5. Savinyh P.A. Zernodrobilka s rotorom-ventilyatorom // Sel'skij mekhanizator. 2012. №9. S. 9.
6. Bezreshetnaya drobilka materialov / Sysuev V.A. i dr. // Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2007. №3.
7. Tishaninov N.P. Novye napravleniya sovershenstvova-niya processov izmel'cheniya komponentov kormov // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2007. №3. S. 46.
8. Ivanov YU.A. Napravleniya tekhnicheskoj modernizacii pri proizvodstve produkcii zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2015. №1. S. 3-8.
9. Pat. 2536623 RF. Izmel'chitel' furazhnogo zerna / V.V. Konovalov i dr. Zayav. 31.05.13; Opubl. 27.12.14.
10. Tekhnologiya dvuhstupenchatogo plyushcheniya furazhnogo zerna // Dostizheniya nauki i tekhniki. 2012. №6.
11. Rezul'taty issledovanij val'covoj i diskovoj plyushchi-lok zerna // Vestnik VNIIMZH. 2014. №4(16).
12. Pat. 157265 RF. Diskovaya plyushchilka zerna / M.A. Teryohin i dr. Zayav. 24.02.15; Opubl. 27.11.15.
13. Diskovaya plyushchilka zerna / V.V. Konovalov i dr. // Sel'skij mekhanizator. 2014. №11. S. 7.
14. Analiticheskoe obosnovanie pokazatelej rabochego processa diskovoj plyushchilki / M.A. Teryohin i dr. // Niva Povolzh'ya. 2015. №4(34). S. 55-60.
15. Analiz dannyh laboratornyh issledovanij diskovoj ply-ushchilki zerna / M.A. Teryohin i dr. // Niva Povolzh'ya. 2014. №4. S. 110-116.
16. CHislennoe komp'yuternoe modelirovanie rabochego processa diskovoj plyushchilki / V.V. Konovalov i dr. // XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus. 2015. №02. S. 29-34.
17. Vliyanie chastoty vrashcheniya diskov na rabotu plyu-shchilki zerna / M.A. Teryohin i dr. // XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchego plyus. 2014. №01.
THE RESULTS OF GRAIN FLATTENING MACHINE STUDYING V.V. Konovalov, doctor of technical sciences
V.P. Terushkov, candidate of technical sciences, associate professor M.A. Terehin, post graduate student FBGOU VO Penza GSHA
Abstract. The livestock products cost reducing is possible due to lower cost of feed ration when feed quality will be improved; it should be noted that the most effectively the crushed grain is digest, especially the cereal of flattening grain. At flattening the grains structure is destroyed and partially complex sugars are broken down, in the result of it the nutrients contained in the feed become more accessible for gastrointestinal tract enzymes, which contributes to feed more complete digestion by animals. To perform the grains' flattening work there are different constructions so serially available as well- known by the invention patents and useful model, the lack of its are the high energy consumption and the non-compliance of the received products requirements. On this base, we propose a grain flattening machine promising construction. The flattening machine working body consists of a vertical flat and conical disks, rotating with the same angular velocity. A flat disc is pressed against a conical spring of clenching. The discs rotation frequency's and its clenching force effect on the flakes' thickness, flattening machine productivity, flattening energy capacity, as well as the flattening machine corrected energy capacity taking into account the flakes thickness are identified. These giving indicators are described by the second order equations. The extreme character has only the discs rotation frequency. The values of the parameters: rational force of clenching is not less than 900 H, the discs rotation optimal frequency is 900...1000 min-1 are justified.
Keywords: flattening machine, conical discs, flakes, flakes thickness, the flattening machine performance.
