CC BY
31
Рис. 6 - Поверхность отклика, характеризующая У в зависимости от высоты выхода готовой продукции и подачи:
С - подача, кг/сек; к - высота выхода готовой продукции, мм
Выводы
1. На основании анализа исследований по кормоприготовлению установлено, что наиболее эффективными для кормления животных являются термообработанные концентрированные корма с изменением их структуры на молекулярно-химическом уровне. Термообработка позволяет улучшить усваиваемость и питательность корма.
2. Классификация и анализ измельчителей позволил выявить наиболее перспективное конструктивное решение — молотковую дробилку с усовершенствованной конструкцией молотка. Установлено, что форма молотка с двумя режущими кромками и своевременная эвакуация измельчённого продукта из зоны действия молотков повышает эффективность измельчения.
3. Частными исследованиями установлено, что работа, затрачиваемая на разрушение сырого зерна, в 2 раза больше, чем термообработанного, скорость витания (-&в =10,5 м/с) сырого зерна на 5% больше, чем термообработанного (дв =9,9 м/с). Это свидетельствует о преимуществе технологий подготовки зерна с применением термообработки.
4. На основе экспериментального исследования установлены значимые факторы и оптимальные конструктивно-режимные параметры экспериментальной дробилки: частота вращения — 1750 об/мин, высота выхода готовой продукции — 147,5 мм, ширина лопатки (ворошителя) — 28 мм, подача материала в дробилку — 17,6 кг/сек. Срок окупаемости внедрения экспериментальной дробилки составляет 2,3 года.
Литература
1. Мельников С.В. Основание для проектирования молотковых дробилок // Земледельческая механика. 1965. Т. 14. С. 221-232.
2. Смирнов Н.М. Исследование процесса тонкого помола и разработка методики расчёта гранулометрического состава материала, измельчённого в мельницах ударно-отражательного действия: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Иваново, 1977. 24 с.
3. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, 1978. 560 с., ил.
4. Роторные дробилки (исследование, конструирование, расчёт и эксплуатация) / под ред. В.А. Баумана. М.: Машиностроение, 1973. 271 с.
5. Шахов В.А. Анализ функциональной специфики дробильных устройств с боковым расположением выгрузных зон / В.А. Шахов, Ю.А. Ушаков, А.А. Петров [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 181-184.
6. Айтбаев М.М. Конструкции и технология обработки кормов методом термоэкструдирования // Материалы научно-практической конференции Оренбургского государственного аграрного университета. Оренбург, 2004. С. 34-35.
7. Кукта Г.М. Технология переработки и приготовления кормов. М.: Колос, 1973. 240 с.
8. Леонтьев П.И., Золотарёв С.В. Пути снижения энергоёмкости процесса измельчения фуражного зерна // Проблемы промышленного животноводства в Алтайском крае / ВАСХНИЛ, Сиб. отд-е. Новосибирск, 1983. С. 59-63.
9. Павловский Г.Г. Очистка, сушка и активная вентиляция зерна. М.: Агропромиздат, 1986.
10. Асманкин Е.М. Кинематические и динамические аспекты взаимодействия ингредиентных частиц с функциональными элементами рабочей камеры измельчителя зернового материала / Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков, А.Ф. Абдюкаева [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (65). С. 87-89.
11. Айтбаев М.М., Успанов А.А. К обоснованию конструктивно-технологических особенностей молотковой дробилки при термоэкструдировании // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2004. № 2. С. 52-53.
12. Айтбаев М.М., Курманов А.К. Исследование рабочего процесса молотковой дробилки // Материалы XLIV международной научно-технической конференции / Министерство сельского хозяйства РФ. Ч. 2. Челябинск, 2005. С. 82-84.
13. Предв. пат. РК № 17350. Молотковая дробилка / М.М. Айтбаев, А.К. Курманов, Н.С. Умербеков; Опубл. 15.05.2006. Бюл. № 5 (45).
Влияние частоты вращения мешалки и количества её лопастей на качество приготавливаемой смеси тихоходным смесителем
М.В. Борисова, аспирантка, В.В. Новиков, к.т.н., профессор, А.Ю. Титов, ФГБОУ ВО Самарский ГАУ; В.В. Коновалов, д.т.н, профессор, ФГБОУ ВО Пензенский ГТУ
Рост развития сельского хозяйства определяется не только увеличением объёмов продукции растениеводства, но и эффективным использованием произведённой продукции, позволяющим обеспечить население страны отечественными продуктами
животноводства. Для этого корма должны составлять полнорационные смеси, что невозможно получить без применения смесителей. Учитывая, что порядка 45% производимого в России фуражного зерна должно использоваться для производства комбикормов на животноводческих предприятиях, в основе которых покупные БВД и дерти собственного фуражного зерна, то разработка и использование отечественных смесителей является актуальной задачей [1, 2].
Одним из эффективных типов смесителей для приготовления сухих сыпучих смесей являются лопастные конструкции [3—5]. Среди них наиболее распространены горизонтальные смесители с рабочим органом в виде разнообразных лопастей, установленных на вращающемся валу. Они способны с невысокой энергоёмкостью за достаточно короткое время работы приготовить порцию качественной смеси [6—8].
Материал и методы исследования. На основании обзора литературы и анализа технологического процесса смешивания сыпучих смесей в Самарском ГАУ разработана конструкция смесительного агрегата сыпучих материалов [9, 10].
Методика исследования соответствовала СТО АИСТ 19.2-2008 и предусматривала экспериментальное определение числовых значений неравномерности смешивания. Повторность проведения замеров трёхкратная. При определении качества смеси контрольным компонентом были зёрна ячменя с долей 1% от массы смеси. Количество взятых проб — 15 шт. с массой пробы 100 г. Основным наполнителем смеси являлись дерти: пшеничная, ячменная и кукурузная. Длительность смешивания компонентов смеси была 6 мин. В качестве критерия качества приготовленной смеси использовался показатель неравномерность смеси V, как коэффициент вариации содержания контрольного компонента в пробах [5]. Обработка результатов исследования с целью получения регрессионных моделей осуществлялась компьютерной программой 81аИ811еа 5.5.
Результаты исследования. В результате проведения экспериментов по изучению неравномерности приготавливаемой смеси в соответствии с планом эксперимента по реализации дробной реплики по плану Бокса —Бенкина для трёх факторов (табл.) установлено влияние на качество смеси степени заполнения ёмкости бункера е (%), частоты вращения мешалки смесителя п (мин-1) и количества её лопастей Z (шт.).
Для анализа полученных результатов установлена парная корреляция факторов (рис. 1). Сравнивая угол размещения прямых (правый столбик) влияния факторов на неравномерность смеси, видим, что рост степени заполнения е ёмкости бункера повышает неравномерность смеси V. В то же время увеличение частоты вращения п и количества лопастей Z приблизительно одинаково уменьшают неравномерность смеси V. Парное влияние независимых факторов практически отсутствует.
Б
п
К--^ """ ■— '—^—« у Е—ШиЕэН—га
Рис. 1 - График корреляции факторов между собой и неравномерностью смеси V
Более точное влияние факторов на результат (неравномерность смеси V, %) показывает линейная модель для кодированных значений независимых факторов:
V = 25,85091 + 3,05• X, -
1 , (1) -2,73182 • X2 - 2,77636 • X3
где Х1 — кодированное значение степени заполнения е ёмкости (таблица); Х2 — кодированное значение частоты вращения п;
Х3 — кодированное значение количества лопастей Z
Множественный коэффициент корреляции составляет R = 0,97608406, доверительная вероятность результата по F-тест = 0,929109. Проверка сходимости расчётных и экспериментальных значений на нормальной бумаге для неравномерности смеси
Результаты реализации плана Бокса —Бенкина для трёх факторов
по определению неравномерности смеси
№ Х1 Х2 Х3 е, % п, мин-1 1, шт. V, %
1 1 0 0 75 30 6 23,8
2 0 0 0 50 30 6 17,7
3 -1 0 0 25 30 6 22,7
4 0 -1 0 50 20 6 28,9
5 0 1 0 50 40 6 23,6
6 1 1 1 75 40 8 28,1
7 -1 1 1 25 40 8 28,3
8 -1 -1 1 25 20 8 33,2
9 1 -1 1 75 20 8 22,2
10 0 0 1 50 30 8 27,2
11 0 0 -1 50 30 4 27,7
12 1 1 -1 75 40 4 25,5
13 1 0 -1 75 20 4 21,6
14 -1 1 -1 25 40 4 28,4
15 -1 0 -1 25 20 4 23,4
Рг «*««! у$_ ОЬгегуеЙ Уа1иеъ РзрепскяЛ адлаМе V
Ы<кггн1 РгоЬаЫИ£у РКЯ 0(
Ртвй1йес1 Уа11*5
. Иедиг®510п 95% сипН
а б
Рис. 2 - Результаты проверки сходимости расчётных и экспериментальных значений на нормальной бумаге: а - распределение значений неравномерности; б - распределение неучтённых отклонений
(рис. 2а) и неучтённых отклонений неравномерности смеси (рис. 2б) показывает хорошую сходимость модели и данных эксперимента. Таким образом, указанная линейная модель на исследуемом интервале изменения факторов адекватно описывает результаты замеров.
Наибольшее значение модуля коэффициентов формулы 1 имеет фактор Х1 — степень заполнения ёмкости, равный 3,05, а поэтому он наиболее значим. Несколько меньшие значения у других факторов Х2 и Х3 — 2,73182 и 2,77636 соответственно. Влияние количества лопастей несколько выше, но не существенно. Знак «+» перед коэффициентом Х1 указывает, что рост степени заполнения повышает неравномерность смеси (по сути ухудшая качество смеси). Знак «—» перед Х2 и Х3 показывает обратную тенденцию — улучшение качества смеси.
Влияние натуральных значений факторов на неравномерность смеси показано на рисунке 3:
V = 33,57667 + 0,122 Х-0,25• Х2-1,115• Х3. (2)
Коэффициент корреляции R=0,99510729, F-тест=0,929459 и графический анализ соответствия значений (рис. 4) свидетельствуют об адекватности модели с доверительной вероятностью 92%.
Однако известно, что при значениях равномерности смеси Ур = 90%, соответствующих зоотехни-
ческим требованиям (т.е. V =100 — ¥р =100—90=10%), указанные тенденции затухают, уменьшая свою интенсивность [4, 11].
Квадратичная модель (рис. 5) неравномерности смеси V (%) в натуральном виде запишется:
V = 37,8 + 0,247889 • е - 0,50917 • п - 2,28583 • г -
-0,00129 ее + 0,004444 • п • п + 0,098611 г • г --(7,8£)•п + 0,0005• е-г-0,00125• п • г. (3)
Коэффициент корреляции R=0,999981 и F-тест=0,999945 и графический анализ соответствия значений (рис. 6) свидетельствуют об адекватности модели. Доверительная вероятность более 0,99 говорит о лучшей адекватности модели по сравнению с линейной версией. Низкие числовые значения коэффициентов перед (е ■ п) и (е ■ 7) позволяют упростить выражение.
В квадратичной модели (3) подтверждаются сокращения прироста неравномерности по мере уменьшения числовых значений. В силу особенности уравнения полинома второй степени (неизбежность возникновения второй ветки параболы, нарушающей физическую логику процесса смешивания), это накладывает ограничение на интерполяцию выявленных зависимостей на со-
а б в
Рис. 3 - Результаты моделирования влияния натуральных значений факторов частоты вращения п, мин-1, и количества лопастей X, шт., на неравномерность смеси V, %: а - при степени заполнения ёмкости е = 25%; б - при е = 50%; в - при е = 75%.
Грефе!«! V&, ObHjrYHJ Valuta
□qientlenf УэгаМе' V
NvrrmJ pjcbabihcy PIci vf Resitfualü
S№CM(I
Preduted Vakjes
а
б
Рис. 4 - Результаты проверки сходимости расчётных и экспериментальных значений на нормальной бумаге: а - распределение значений неравномерности; б - распределение неучтённых отклонений
20 25 30 35 40 20 25 30 35 +0 20
V ■ Vn V
* mtn w 11 "г
а б в
Рис. 5 - Результаты моделирования влияния натуральных значений факторов частоты вращения n, мин-1,
и количества лопастей X, шт., на неравномерность смеси V, %: а - при степени заполнения ёмкости е = 25%; б - при е = 50%; в - при е = 75%
Otracfwd -—л'. Prcdidcd V4ÜK5
N«mal PiCiiubiüty Ptfl of R
а б
Рис. 6 - Результаты проверки сходимости расчётных и экспериментальных значений на нормальной бумаге: а - распределение значений неравномерности; б - распределение неучтённых отклонений
седние участки значений независимых факторов. Указанный недостаток устраняется при применении гиперболических (как разновидность степенных) или показательных функций [11—13].
Степенная модель неравномерности смеси V (%) на основе полученных данных (рис. 7) выразится в виде:
V = 1922,13 + 105,3085 • е°,°446 +
+418,1623 • n
1440,902 • Z -
Коэффициент корреляции R=0,999946 и F-тест=0,999766 и графический анализ соответствия значений (рис. 8) свидетельствуют об адекватности модели. Доверительная вероятность более 0,99 говорит о хорошей адекватности модели. Числовые значения коэффициентов степени под-
тверждают ранее отмеченные тенденции влияния факторов.
Выводы. Проведённое экспериментальное исследование позволило установить выражения, описывающие неравномерность смешивания в зависимости от степени заполнения ёмкости, частоты вращения мешалки и количества её лопастей.
Наиболее простой является линейная модель, адекватно описывающая экспериментальные результаты с доверительной вероятностью 92%. Наибольшее влияние имеет степень заполнения ёмкости (+3,05), несколько меньшие значения у частоты вращения мешалки (-2,73182) и количества её лопастей (-2,77636). Рост степени заполнения ёмкости повышает неравномерность смеси (ухудшая качество смеси), а увеличение других факторов
Рис. 7 - Результаты моделирования влияния натуральных значений факторов частоты вращения п, мин-1, и количества лопастей X, шт., на неравномерность смеси V, %:
а - при степени заполнения ёмкости е = 25%; б - при е = 50%; в - при е = 75%; г - степени заполнения емкости е, %, и частоты вращения п, мин-1, при X =8 шт.
М[*гш1Г4<£йЫН[у РМ (У Ьеа^
0.02 0.02
а б
Рис. 8 - Результаты проверки сходимости расчётных и экспериментальных значений на нормальной бумаге: а - распределение значений неравномерности; б - распределение неучтённых отклонений
показывает обратную тенденцию — улучшение качества смеси.
Квадратичная модель неравномерности смеси адекватно описывает экспериментальные результаты с доверительной вероятностью 99%. Степенная функция адекватно описывает экспериментальные результаты с доверительной вероятностью 99%, при этом данная модель точнее отражает существующие тенденции реального процесса. На исследованных участках изменения независимых факторов рациональны: значения степени заполнения емкости — 25%, частота вращения мешалки — 40 мин-1, количество лопастей — 8 шт.
При доле контрольного (меньшего) компонента 1% зоотехнические требования на качество смеси
не выполняются. Вследствие этого приготовление смеси на основе премикса с долей 1—2% не допускается. Учитывая долю БВД в 10—20% от состава комбикормовой смеси, требуются дополнительные исследования для установления зоны работоспособности смесителя в зависимости от доли контрольного компонента.
Литература
1. Сыроватка В.И. Ресурсосбережение при производстве комбикормов в хозяйствах // Техника и оборудование для села. 2011. № 6. С. 22-26.
2. Сыроватка В.И., Обухова Н.В., Комарчук А.С. Новые технические решения приготовления комбикормов в хозяйствах // Кормопроизводство. 2010. № 7. С. 42-45.
3. Коновалов В.В. Оптимизация параметров барабанного смесителя / В.В. Коновалов, Н.В. Дмитриев, А.В. Чупшев [и др.] // Нива Поволжья. 2013. № 4 (29). С. 41-47.'
в
г
4. Коновалов В. В. Аналитические аспекты гравитационного смешивания барабанных устройств / В.В. Коновалов, Н.В. Дмитриев, В.П. Терюшков [и др.] // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2016. № 2. C. 40-46.
5. Хольшев Н.В. Совершенствование технологического процесса приготовления сухих рассыпных кормосмесей шне-колопастным смесителем: дис. ... канд. техн. наук. Тамбов: Тамбовский государственный технический университет, 2015. 209 с.
6. Chupshev, A. Optimization in work modeling of a mixer / A. Chupshev, V. Konovalov, M. Fomina // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. 2018. № 1084-012010.
7. Борисова М.В., Новиков В.В., Титов А.Ю. Рациональное деформирование лопастей смесителя и его влияние на динамику процесса // Инновационные достижения науки и техники АПК: сб. науч. трудов. Кинель, 2018. C. 376-379.
8. Фомина М.В. Моделирование мощности вертикального лопастного смесителя на основе статистических выражений / М.В. Фомина, В.В. Коновалов, А.В. Чупшев [и др.] // Инновационная техника и технология. 2016. № 3 (8). С. 50-56.
9. Новиков В.В., Борисова М.В. Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемы зерновой смеси // Эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сб. науч. трудов. Пенза, 2017. C. 82—88.
10. Пат. 179164 Российская Федерация. Смеситель зерновой смеси / В.В. Новиков, М.В. Борисова, А.С. Грецов, Д.Н. Котов, В.В. Коновалов. № 2017136899; заявл. 19.10.2017; опубл. 03.05.2018. Бюл. № 13.
11. Коновалов В.В. Моделирование качества смешивания сыпучих материалов барабанным смесителем / В.В. Коновалов, Н.В. Димитриев, А.А. Курочкин [и др.] // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013. Т. 1. № 9 (13). С. 77-84.
12. Коновалов В.В. Аналитическое обоснование длительности цикла работы смесителя периодического действия / В.В. Коновалов, М.В. Фомина, В.П. Терюшков [и др.] // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. № 3. С. 10-15.
13. Коновалов В.В., Чупшев А.В., Фомина М.В. Моделирование изменения качества смеси лопастного смесителя на основе технологических параметров // Инновационная техника и технология. 2016. № 3 (8). С. 57-66.
Исследование напряжённо-деформированного состояния трубчатой стойки культиватора
С.П. Пирогов, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья, ФГБОУ ВО ТИУ; Д.А. Черенцов, к.т.н., ФГБОУ ВО ТИУ; С.Н. Кокошин, к.т.н, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
При возделывании сельскохозяйственных культур предпосевная обработка почвы оказывает влияние на структуру и физико-механические свойства почвы [1, 2]. Применение упругих стоек культиваторов позволяет снизить тяговое сопротивление агрегата [3, 4], но приводит к неравномерности глубины обработки почвы. С целью стабилизации необходимой глубины обработки почв с различными физико-химическими свойствами было предложено использовать гибкие трубчатые элементы (манометрические трубчатые пружины) в качестве упругих стоек культиваторов [5, 6].
Конструкции рабочих органов почвообрабатывающих и посевных машин должны обеспечивать оптимальные агротехнические требования при минимизации энергетических затрат. Добиться этого позволяет создание машин с управляемыми рабочими органами, способными точно соблюдать агротехнические требования и своевременно реагировать на изменяющиеся внешние условия. Так, в конструкции культиватора [7] в качестве рабочего органа предложено использовать гибкий трубчатый элемент (рис. 1).
Конструкция рабочего органа культиватора представляет собой рыхлительную лапу 1, закреплённую на С-образной стойке 2. Стойка выполнена из гибкого трубчатого элемента со штуцером 3, который позволяет изменять давление в полости внутри элемента. Кронштейн 5 предназначен для крепления стойки 2 к раме 4. Изменение давления во внутренней полости стойки заставляет попереч-
ные сечения деформироваться, и свободный конец с рыхлительной лапой 1 совершает перемещение. В процессе обработки почвы на рабочий орган культиватора оказывают влияние силы сопротивления почвы переменного характера, что вызывает колебания стойки. Подача рабочей жидкости через штуцер 3 в полость стойки 2 под переменным давлением приводит к колебательным движениям рыхлительной лапы с определённой амплитудой и частотой, которые зависят от параметров подаваемого давления. Обзор конструкций и области применения упругих трубчатых элементов (манометрических пружин), параметры затухающих колебаний трубок в вязкой среде исследованы, приводятся в ранее опубликованных работах [8-11].
Материал и методы исследования. Применение гибкого трубчатого элемента - манометрической трубчатой пружины (МТП) в культиваторе позволяет снизить тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин за счёт эффекта вибрации при взаимодействии с почвой, а также повысить
Рис. 1 - Рабочий орган культиватора
