Для досягнення поставленої мети - підвищення ефективності подрібнювача-змішувача безперервної дії - необхідно було дослідити і вирішити такі завдання:

- визначити перспективні напрямки вдосконалення подрібнювачів-змішувачів безперервної дії;

- обґрунтувати раціональну конструктивно-функціональну схему подрібнювача-змішувача;

- провести теоретичний аналіз процесу подрібнення-змішування кормів і виявити вплив основних параметрів подрібнювача-змішувача на ефективність його роботи;

в результаті експериментальних досліджень уточнити основні параметри подрібнювача-змішувача;

провести виробничу перевірку дослідного подрібнювача-змішувача і оцінити ефективність результатів проведених досліджень.

У другому розділі “Теоретичне обгрунтування параметрів подрібнювача-змішувача кормів” приводяться обгрунтування раціональної конструктивно-функціональної схеми подрібнювача-змішувача кормів, а також аналіз його пропускної здатності залежно від параметрів робочої камери та ротора.

Відповідно до існуючих технологій приготування кормових сумішок за допомогою подрібнювачів-змішувачів безперервної дії частину кормових компонентів подають у робочу камеру машини в натуральному вигляді (без попереднього подрібнення). Для одержання рівномірних часток необхідно мати достатній час перебування перероблюваної сировини в зоні подрібнення. А з метою сприяння подрібненню доцільно забезпечити поступове зменшення площі живого перерізу робочої камери. Кожух ротора циліндричної форми цим вимогам не відповідає.

Досягненню поставленої мети сприяє форма кожуха, наприклад, у вигляді зрізаного конуса, встановленого широкою основою до низу.

Розроблена конструктивно-функціональна схема установки для подрібнення-змішування кормів, в якій з метою зменшення споживаної потужності а також покращення якості подрібнення та змішування кормових компонентів на валу ротора подрібнювача-змішувача встановлено кожух, що має форму зрізаного конуса, вставленого широкою основою до низу, діаметр вивантажувальної та робочої камер рівні між собою. За рахунок вказаної форми кожуха робоча довжина ножів ротора поступово скорочується у зворотньо-пропорційній залежності до розширення конуса. За такою ж залежністю змінюється площа поперечного перерізу робочої камери. Це забезпечує поступове ущільнення подрібнювального матеріалу, сприяє подачі його до різальних елементів, подрібненню та витісненню крізь розвантажувальну горловину, а частіше стикання кормових компонентів з різальними елементами приводить до покращення рівномірності їх змішування.

Пропускну здатність удосконаленого варіанту установки для подрібнення кормів можна подати в вигляді системи рівнянь

; (1)

; (2)

; (3)

, (4)

де Dк - внутрішній діаметр робочої камери, м;

dр, Dр - діаметр відповідно верхньої та нижньої основи конуса ротора, м;

Fн - сумарна площа ножів, м2;

Fп - сумарна площа протирізів, м2;

b - задана довжина часточок, м;

zр - кількість ножів на роторі;

n - частота обертання ротора, с-1;

g - прискорення вільного падіння, м/с;

h - висота опускання сировини, м;

п к - щільність перероблюваної сировини відповідно початкова та кінцева, кг/м3;

- коефіцієнт заповнення сировиною прохідного перерізу робочої камери, знаходиться в межах = 0,2 - 0,4.

Високоефективна робота подрібнювача характеризується: забезпеченням продукту заданої крупності при зведенні до мінімуму перетирання його робочими органами; скороченням витрат енергії на подолання опору тертя кормових компонентів по робочих поверхнях машини. Вказані умови при сталому режимі роботи досягаються, якщо швидкість подачі Vп сировини в зоні дії ножів буде відповідати величині швидкості відведення Vв продукту з цієї зони:

Vп=Vв. (5)

Вказані швидкості, як відомо, визначаються параметрами різального апарату і режимами різання:

Vп = ; (6)

Vв = b zp n, (7)

де g - прискорення вільного падіння, м/с;

h - висота опускання сировини, м;

zр - кількість ножів на роторі: zр = z. і.

Прирівнявши праві частини виразів (6) та (7) знаходимо кількість площин різання, при якій забезпечується задана довжина часточок продукту:

. (8)

де z - кількість ножів в одному ярусі;

і - кількість площин різання (ярусів розміщення ножів).

Для спрощення конструкції та балансування ротора, а також системи кріплення ножів доцільно в кожному ярусі приймати парне число ножів. Частота ж обертання барабана обумовлюється раціональною швидкістю різання:

, (9)

де Vp - швидкість різання, м/с;

Rc- середній радіус ротора, м.

.

R - радіус ротора, м;

lпр - довжина протирізу, м.

Раціональна швидкість різання при подрібнені стеблових корнів та коренебульбоплодів за відомими літературними джерелами знаходиться в межах Vp = 20-30 м/c.

З урахуванням викладених залежностей та рекомендацій при заданій продуктивності подрібнювача-змішувача, діаметр ротора визначається рівнянням:

(10)

. (11)

Висота робочої камери обумовлюється принципом роботи подрібнювача в режимі змішування. Мінімальна висота (глибина) зони переробки корму визначається залежно від кількості ярусів розміщення ножів та їх товщини:

Нп = (Sн + (2Sп - Sп) + (2Тз - Тз)) і + ln(i - 1), (12)

де Sн - товщина ножа, м;

Sп - товщина протирізу, м;

Тз - технологічний зазор між ножем та протирiзом, Тз = 0,001- 0,002, м;

lп - відстань між ярусами протирiзiв, м.

У формулі (12) крім відстані між ярусами протирiзiв всі складові відомі. Для визначення lп розглянемо сили, що діють на елементарний об'єм корму при проходженні ним міжярусної зони у вертикальному напрямі при сталому режимі роботи подрібнювача-змішувача. В цей момент на нього діють

Напрям дії сили Fп зображено вертикально вниз і обгрунтовується тим, що лопатева кидалка засмоктує разом із повітрям кормові компоненти, які знаходяться в робочій камері.

З урахуванням вказаних допущень, диференційне рівняння руху виділеного елементарного об'єму при проходженні міжярусної зони (зазору між ярусами робочих органів) в проекції на вісь Y матиме вигляд:

m= Fт - Fп - mg, (13)

де m - маса елементарного об'єму корму, кг;

t - час, за який проходить часточка відстань між ярусами, с.

Після інтегрування виразу (13), при початкових умовах t = 0, стала інтегрування С2 = у = 0, будемо мати:

у = t , (14)

де f - коефіцієнт тертя кормових компонентів по металу;

Кп - коефіцієнт парусності, м-1;

Vпов - швидкість повітря, м/с;

Vк - швидкість кормової суміші, м/с.

Оптимальні параметри кожуха ротора обгрунтовуються зміною стану кормових компонентів, що подаються у подрібнювач-змішувач:

на вході -

; (15)

на виході -

, (16)

де , - відповідно початкова та кінцева щільність кормових компонентів, кг/м3.

Залежно від того, яку основу конуса визначаємо, в формули (15) (16) підставляємо початкову або кінцеву об'ємну масу і відповідну кількість площин різання. При визначенні діаметра верхньої основи i = 1, а стосовно нижньої основи кількість площин різання визначається за рівнянням (8).

В процесі роботи подрібнювача-змішувача споживана потужність приводу витрачається на подрібнення (Nпод) та переміщення матеріалу в робочій камері (Nпер), вентиляційну дію ротора (Nвен), а також вивантаження приготовленої кормової сумішки (Nроз) із камери змішування. Рівняння енергетичного балансу подрібнювача-змішувача має таку структуру:

(17)

а в розгорнутому вигляді -

+. (18)

де - к.к.д. клинопасової передачі;

С1і, С2і - постійні характеристики, що мають розмірність і фізичну суть питомої роботи, відповідно об'ємно-просторових змін у матеріалі та з матеріалом, що переробляється, а також утворення нових його поверхонь, кДж/ кг;

k - кількість кормових компонентів, що входять до складу сумішки;

l - ступінь подрібнення і-го компоненту;

Q - продуктивність подрібнювача-змішувача кормів, кг/с-1;

Ал, Ан - коефіцієнти лобового опору відповідно лопаті та ножа (для тіл прямокутної форми залежать від співвідношення сторін і знаходяться в межах 1,1 - 1,29);

Fл, Fн - площі лобових поверхонь відповідно лопаток та ножів, м2;

w - колова швидкість ротора, с-1;

gnов - щільність повітряного середовища в робочій камері, кг/м3;

lс та lл - середня довжина відповідно ножа та лопаті, м;

Rл, Rн - середні радіуси обертання лобових поверхонь відповідно лопаті та ножа, м;

f - коефіцієнт тертя;

Rс - радіус камери подрібнення, м;

Vк- швидкість корму в осьовому напрямі робочої камери, м/с;

- кут опускання гвинтової лінії руху кормового потоку;

- кут нахилу кожуха ротора до горизонту, град;

Т - час перебування корму в камері подрібнення, с;

dр, Dр - діаметр відповідно верхньої та нижньої основ ротора, м;

g - прискорення вільного падіння, м/с;

m - маса елементарного об'єму корму, кг;

R1 - зовнішній радіус кидалки, м;

Vр - результуюча швидкість руху кормових компонентів, м/с;

Vв - швидкості відведення продукту, м/с.

У третьому розділі “Програма та методика експериментальних досліджень” визначені питання цих досліджень, описані експериментальна установка та застосовувана вимірювальна апаратура, викладені методики проведення досліджень та обробки отриманих результатів.

Програмою експериментальних досліджень передбачено:

- обґрунтувати математичні моделі технологічного процесу переробки кормів за встановленими параметрами оптимізації (продуктивність, енергетичні та якісні показники процесів подрібнення та змішування);

- дослідити залежності продуктивності, якості і енергоємкості процесу переробки кормової сировини від основних параметрів подрібнювача (діаметр нижньої основи кожуха ротора, кількість ножів, товщина ножів, частота обертання ножового ротора).

- визначити за мінімальною енергоємкістю процесу із врахуванням зоотехнічних (нормативних) вимог щодо показників якості, раціональні конструктивні і кінематичні параметри подрібнювача-змішувача;

- на підставі результатів досліджень розробити і перевірити у виробничих умовах модельний зразок подрібнювача-змішувача, оцінити його ефективність.

Оптимізацію параметрів робочого процесу подрібнення-змішування здійснювали за методикою планування багатофакторних експериментів. Для проведення дослідів було прийнято план Бокса (В4) близький до D - оптимального. Кількість дослідів визначали за умови, щоб гранична помилка не перевищувала 5 % при коефіцієнті надійності 0,95.

Оцінку достовірності експериментальних даних проводили за допомогою критеріїв Кохрена і Фішера.

Основним критерієм оптимізації були питомі витрати електроенергії q процесу приготування кормової суміші

q = N/Q

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень та їх аналіз” приведені дані фізико-механічних показників кормових компонентів, математичні моделі процесу подрібнення-змішування кормів та їх аналіз.

В результаті реалізації плану багатофакторних експериментів і обробки одержаних даних на персональній ЕОМ отримані рівняння регресії, які адекватно описують процес подрібнення та змішування кормів і після розкодування з метою використання результатів досліджень у вигляді розрахункових формул, мають вигляд: питома енергоємність процесу q

q = 3,3560 D -2,0706 - 0,1591 z - 32,7055 Sн - 0,2255 n + 0,0063z2 + 322,4888 Sн2 + 0,0073 n2 - 5,0019 D2 + 0,0642 z D + 0,5961 Sн n + 76,6896 SнD + 0,0738 n D; (19)

кількість М часток заданого розміру, %

М = 10,1037 z - 955,4140 Sн + 15,8681 n - 48,9148 D - 0,3271 z2 + 10051,5550 Sн2 - 0,3448 n2 + 149,5574 D2 + 8,9733 z Sн - 0,0726 z n - 1,0666 z D + 39,5339 Sн n - 5,5468 n D - 98,5502; (20)

рівномірність змішування К, % -

К = 0,6095 z + 763,8390 Sн + 15,5105 n + 302,1338 D - 0,0179 z2- 36197,3300 Sн2 - 0,3429 n2 - 238,1820 D2 - 4,1666 z Sн - 0,0146 z n + 0,8980 z D - 4,5713 Sн n + 300,0700 Sн D - 3,5057 n D - 142,6380. (21)

Порівняння експериментальних графічних залежностей, а також побудованих на основі розрахункових даних за теоретичними рівняннями (18) вказує на задовільне сходження результатів (відхилення не перевищують 8 - 12 %).

Аналіз математичних моделей (19), (20) та (21) дозволяють встановити, що оптимальні умови процесів подрібнення та змішування кормів за різними критеріями не співпадають.

В результаті вирішення компромісної задачі методом двомірних перерізів поверхонь відгуку досліджуваних факторів встановлено їх раціональні значення: кількість ножів (лез) на подрібнювальному роторі z = 10; товщина ножів Sн = 0,0125 м; частота обертання ротора n = 16,16 с-1; діаметр конуса ротора при нижньому ярусі ножів D = 0,44 м. При цьому питомі витрати електроенергії будуть становити q = 0,88 кВт.год/т, кількість часток заданого розміру М = 86,79 %, а рівномірність змішування отриманого продукту К = 90,51 %.

У п'ятому розділі “Випробування у виробничих умовах та оцінка ефективності результатів досліджень приведені дані виробничої перевірки експериментального подрібнювача-змішувача кормів та порівняльна його оцінка.

Виробничі випробування подрібнювача-змішувача кормових компонентів, розробленого та виготовленого з урахуванням результатів досліджень, проводились в кормоцехах на фермах великої рогатої худоби агрофірми “Нива” Сквирського району Київської області та агрофірми “Нива” Чорнобаївського району Черкаської області в періоди листопад - грудень 1997, січень - лютий 1998 років. Порівняно із серійним подрібнювачем-змішувачем ИСК-3А запропонований варіант дозволяє знизити питомі енерговитрати в 1,4 - 1,8 рази і підвищити кількість часток заданої розмірної фракції з 85 % до 86,79 %, а рівномірність змішування - з 84,90 до 90,51 %. Економічна ефективність нової машини становить 8953,8 грн в рік.

Висновки

Аналіз процесів підготовки кормів до згодовування на фермах великої рогатої худоби показав, що серед подрібнювачів-змішувачів, які застосовуються для приготування кормових сумішок, найбільш ефективні - ножові з вертикальним розміщенням вала. Проте і вони, не в повній мірі відповідають вимогам енергозберігаючих технологій і потребують додаткових досліджень, та подальшого удосконалення.

В результаті проведеного теоретичного аналізу обґрунтовано раціональну форму кожуха ротора у вигляді зрізаного конуса, встановленого широкою основою до низу, і розроблено удосконалену конструктивно-функціональну схему подрібнювача-змішувача, яка сприяє інтенсифікації переробки кормових компонентів та вивантаженні готової кормової суміші.

Встановлено, що з метою підвищення якості приготовленої кормової суміші та зниження енергоємкості процесу подрібнення-змішування діаметр нижньої основи кожуха ротора повинен бути в межах 0,44-0,53 м при діаметрі робочої камери 0,8 м.

3. Одержані математичні моделі, які відображають залежність енергетичних та якісних показників процесу переробки кормів від основних параметрів подрібнювача-змішувача (кількість ножів на роторі, товщина ножа, частота обертання ротора, діаметр нижньої основи кожуха ротора).

Виявлено, що ступінь впливу на якість продуктів подрібнення, рівномірність змішування та енергетичні показники можна проранжувати за таким порядком: частота обертання ротора, діаметр нижньої основи кожуха ротора, кількість ножів.

В результаті вирішення компромісної задачі на екстремум стосовно критеріїв оптимізації визначені раціональні конструктивно-режимні параметри подрібнювача-змішувача кормів: кількість ножів 10-12, товщина ножа 0,01-0,013 м, частота обертання ротора 15-17 с-1.

4. Питомі енергетичні затрати в процесі роботи подрібнювача-змішувача залежать від ступеня подрібнення перероблюваної кормової сировини та її здатності до подрібнення, а також лобової площі лопатевої кидалки, радіусу робочої камери і частоти обертання ротора.

5. Аналіз структури енергетичних затрат залежно від основних параметрів подрібнювача-змішувача свідчить, що в результаті їх раціоналізації можна зменшити вентиляційну дію ротора з 60 % (в існуючому варіанті ИСК-3А) до 20-30 % від загального балансу споживаної потужності. В результаті створюються передумови підвищення коефіцієнт корисної дії машини та зниження питомої енергоємкості процесу приготування кормів в 1,3 - 1,4 разу.

6. При виробничій перевірці подрібнювача-змішувача кормів, розробленого з урахуванням результатів виконаних досліджень, продуктивність на приготуванні кормової суміші становила 15-20 т/год, а при подрібнені грубих кормів - 4-6,5 т/год; питомі енерговитрати відповідно - 1,25-2,67 та 2,1-3,25 кВт-год/т; критерії подрібнення і змішування кормів відповідали зоотехнічним вимогам.

Річний економічний ефект подрібнювача-змішувача становить 8953,8 грн. (за цінами 1998 року).

Список опублікованих праць

Хмельовський В.С. Зниження енергозатрат на приготування кормосумішок в цехах безперервної дії / Механізація сільськогосподарського виробництва // Зб. наук. праць. - К.: НАУ, - 1997. - Том 3. - С. 33-35.

Ревенко І.І., Хмельовський В.С. Аналіз енергомісткості подрібнювача-змішувача кормів // Науковий вісник НАУ. - К.: НАУ. - 1998. - Вип. 10. - С. 182-186.

Ревенко І.І., Хмельовський В.С. Удосконалення та обгрунтування параметрів подрібнювача-змішувача кормів // Механізація сільськогосподарського виробництва. - Київ: - НАУ. - 1999. - Том 4. - С. 139-142.

Ревенко І.І., Хмельовський В.С. Визначення відстані між ярусами ножів подрібнювача-змішувача кормів // Вісник Сумського державного аграрного університету. - Суми: - СДАУ. - 2000. - вип. 5. - С. 79-82.

Пат. № 17825 А (Україна). Подрібнювач-змішувач кормів / І.І.Ревенко, В.С.Хмельовський, Ю.І.Ревенко. - Опубл. 03.06.1997.

Ревенко І.І., Хмельовський В.С., Рибка Ю.М. Раціональні принципи компоновки обладнання кормоприготувальних цехів // Тези доповідей ювілейної наукової конференції викладачів, наукових співробітників та аспірантів, присвяченої 65-річчю факультету МСГ. - Київ: НАУ. - 1994. - С. 69.

Ревенко І.І., Хмельовський В.С. До розробки конструктивно-функціональної схеми кормоприготувального агрегату для малих ферм /Проблеми АПК: пошук, дослідження // Матеріали наукової конференції. - К.: НАУ, - 1995. - С. 34.

Анотація

Хмельовський В.С. Інтенсифікація технологічного процесу подрібнення-змішування кормів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.20.01 - механізація сільськогосподарського виробництва. - Національний аграрний університет, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності використання технічних засобів для приготування кормових сумішок великі рогаті худобі. У роботі обґрунтовано конструктивно-функціональну схему подрібнювача-змішувача кормів. Розглядається взаємодія конструктивно-режимних факторів та подано їх вплив на питомі витрати електроенергії та якісні показники (кількість часток заданого розміру, рівномірність змішування) кормової суміші.

Ключові слова: кормові компоненти, подрібнювач-змішувач, процес, кормова суміш, критерій оптимізації, продуктивність, раціональність.

Аннотация

Хмелёвский В.С. Интенсификация технологического процесса измельчителя-смесителя кормов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства. - Национальный аграрный университет, Киев, 2000.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности использования технических средств для приготовления кормовых смесей крупному рогатому скоту. Сравнительная оценка измельчителей-смесителей по конструкции и принципам работы дала возможность обнаружить, что они имеют высокую энергоемкость процесса приготовления кормовой смеси, а качество смеси не всегда отвечает зоотехническим требованиям. Для уменьшения энергоемкости процесса приготовления кормовых компонентов и улучшения качества кормовой смеси возникла необходимость усовершенствования измельчителя-смесителя кормов для КРС. На основании анализа технических решений разработана усовершенствованная конструктивно-функциональная схема измельчителя-смесителя кормов, которая даёт возможность улучшить качественные показатели кормовой смеси и снизить энергоемкость процесса. Новизной разработки является то, что на вал ротора установлен кожух, который имел форму конуса направленного широкой основой к низу. За счет этого кормовые компоненты постоянно поджимаются в зону взаимодействия ножей и противорезов, а в зоне выгрузки кормовая смесь вытесняется за пределы машины.

Произведены теоретические расчеты усовершенствованного измельчителя-смесителя и определены его конструктивно-режимные параметры. С помощью спроектированной экспериментальной установки проверена и подтверждена адекватность теоретической модели измельчителя-смесителя. Разработан алгоритм определения параметров измельчителя-смесителя на персональном компьютере в операционной среде Windows с использованием пакета программ (Matched Microsoft Excel). С целью установления характера изменения энергоемкости процесса приготовления кормовых компонентов и качественных показателей кормовой смеси от конструктивно-режимных параметров измельчителя-смесителя изучались поверхности отклика с помощью двумерных сечений, решалась компромиссная задача, при этом были найдены рациональные параметры машины. Наибольшее влияние на энергоемкость процесса, длину частиц заданного размера и равномерность смешивания имеют: частота вращения ротора, количество ножей на роторе и диаметр нижнего основания кожуха ротора. В ходе производственной проверки подтвердились результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Ключевые слова: кормовые компоненты, измельчитель-смеситель, процесс, кормовая смесь, критерий оптимизации, производительность, рациональность.

Annotation

Khmelovskyy V.S. Intensification of technological process of the fodder shredder-mixer. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on specialty 05.20.01 - mechanization of agricultural production. - National Agricultural University, Kyiv, 2000.

The thesis is devoted to problems of efficiency increasing of fodder mixtures preparation hardware usage for cattle. The comparative estimation of shredder-mixers on a construction and principles of operation has enabled to detect, that they have high power consumption of fodder mixture preparation process, and the quality of mixture not always suit zootechnik requirements. For decreasing of fodder preparation process power consumption and improving of fodder mixture quality there was a necessity of improvement of the fodder shredder-mixer for cattle. On a base of the analysis of the engineering solutions the improved constructive-functional scheme of the fodder shredder-mixer is designed, which enables to improve qualitative indexes of fodder mixture and to lower process power consumption. The novelty of development is that on the shaft the cover is installed, which had the shape of a cone directional wide basis to a bottom. Due to it, fodder components permanently draw in a zone of interaction of knifes and contradictory knifes, and in a zone of unloading the fodder mixture is displaced outside of the machine.

The theoretical calculations of the improved shredder-mixer are made and its constructive-regime parameters are defined. Using the designed experimental assembly, the adequacy to theoretical model of the shredder-mixer is checked and confirmed. The algorithm of shredder-mixer parameters definition on the personal computer in operation system Windows with usage of software package (Matcad, Microsoft Excel) is designed. With the purpose of ascertainment of character of fodder preparation process power consumption changes and qualitative indexes of fodder mixture from constructive-regime parameters of the shredder-mixer the surfaces of response with the help of two-dimensional sections were studied and the compromise problem was solved. The rational parameters of the machine were obtained. The greatest influence to process power consumption, length of particles of the given size and uniform of mixing have: rotor rotational speed, amount of knifes on a rotor and diameter of the rotor lower base. During industrial inspection the results of experimental and theoretical investigations have proved to be true.

Keywords: fodder components, shredder-mixer, process, fodder mixture, optimization criterion, productivity, rationality.

Размещено на Allbest.ru