Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

Національний науковий центр

„Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”

УДК 631.363[636.4:636.5

ОБҐРУНТУВАННЯ ПРОЦЕСУ РОБОТИ І ПАРАМЕТРІВ

ДВОСТУПЕНЕВОГО ПОДРІБНЮВАЧА ЗЕЛЕНИХ КОРМІВ

ДЛЯ СВИНЕЙ І ВОДОПЛАВНОЇ ПТИЦІ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

БРАТІШКО Вячеслав Вячеславович

Глеваха - 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук і в Інституті механізації тваринництва Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шацький Віктор Васильович, Інститут механізації тваринництва УААН, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Брагінець Микола Володимирович, Луганський національний аграрний університет, завідувач кафедри “Механізація виробничих процесів у тваринництві”

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дешко Віталій Іванович, Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, старший науковий співробітник

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет (кафедра механізації і автоматизації в тваринництві) Мінагрополітики України.

Захист відбудеться “06” червня 2007 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.358.01 в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 613.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного наукового центру “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” за адресою: 08631, Київська обл., Васильківський р-н, смт. Глеваха, вул. Вокзальна, 11, кімн. 205.

Автореферат розісланий “__” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Адамчук В.В.



АНОТАЦІЯ

Братішко В.В. Обґрунтування процесу роботи і параметрів двоступеневого подрібнювача зелених кормів для свиней і водоплавної птиці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, Глеваха, 2007 р. корм подрібнювач гравітаційний різання

Дисертацію присвячено питанням підвищення якості та ефективності подрібнення зелених кормів для свиней і водоплавної птиці.

В роботі обґрунтовано технологічну схему двоступеневого подрібнювача зелених кормів з гравітаційною подачею сировини, який реалізує різноплощинну схему різання. Теоретично та експериментально визначено вплив основних конструктивно-режимних параметрів двоступеневого подрібнювача зелених кормів та фізико-механічних властивостей подрібнюваного корму на показники продуктивності, якості та енергоємності робочого процесу.

Ключові слова: двоступеневий подрібнювач, зелений корм, різання, подрібнення, математична модель, енергоємність, різноплощинне різання.



АННОТАЦИЯ

Братишко В.В. Обоснование процесса работы и параметров двухступенчатого измельчителя зеленых кормов для свиней и водоплавающей птицы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Национальный научный центр “Институт механизации и электрификации сельского хозяйства” Украинской академии аграрных наук, Глеваха, 2007 г.

Диссертация посвящена вопросам повышения качества и эффективности измельчения зеленых кормов для свиней и водоплавающей птицы.

В работе определено, что перспективным направлением совершенствования рабочих органов измельчителей зеленых кормов является применение процесса разноплоскостного двухступенчатого измельчения с минимизацией затрат энергии на формирование и подачу сырья к режущим аппаратам. На этом основании обоснована технологическая схема двухступенчатого измельчителя зеленых кормов с гравитационной подачей сырья, реализующего разноплоскостную схему резания.

Разработана математическая модель производительности работы двухступенчатого измельчителя зеленых кормов, которая связывает между собой конструктивно-режимные параметры двухступенчатого измельчителя и физико-механические свойства исходного сырья.

Обоснованы параметры режущих пар второй ступени измельчителя.

Разработана математическая модель прогнозирования геометрических параметров измельченного корма, которая связывает между собой конструктивно-режимные параметры обеих ступеней измельчителя.

Получена аналитическая зависимость влияния конструктивных параметров двухступенчатого измельчителя зеленых кормов на энергоемкость рабочего процесса измельчения.

Уточнено значение коэффициента заполнения рабочей камеры измельчителя кормом для измельчителей комбинированного типа с гравитационной подачей сырья к рабочим органам.

Экспериментально подтверждена адекватность полученных математических моделей реальным условиям выполнения рабочего процесса.

Годовой экономический эффект от использования предложенного двухступенчатого измельчителя зеленых кормов составляет от 4652,08 до 13910,97 грн. Экономический эффект на 1 т измельченного зеленого корма составляет от 5,74 до 85,87 грн. Комплексная оценка конкурентоспособности предложенного измельчителя в сравнении с измельчителями КДУ-2,0 и ПК-2 показала, что коэффициент технического уровня двухступенчатого измельчителя зеленых кормов составляет соответственно 3,356 и 1,405, то есть он превышает аналоги.

Ключевые слова: двухступенчатый измельчитель, зеленый корм, резание, измельчение, математическая модель, энергоемкость, разноплоскостное резание.



ANNOTATION

Bratishko V.V. Ground of process of work and parameters of a two-level grinder of green forages for pigs and waterfowl. - Manuscript.

Dissertation on gaining of scientific degree of candidate of engineering sciences in speciality 05.05.11 - machines and means of agricultural production mechanization. - National scientific centre “Institute of Agricultural Engineering and Electrification”, Glevakha, 2007.

The dissertation is devoted to questions of improvement of quality and efficiency of crushing of green forages for pigs and waterfowl.

In work it is certain, that a perspective direction of perfection of working bodies of grinders of green forages is application of process different-plane two-level crushing with minimization of expenses of energy on formation and submission of raw material to cutting devices. On this basis the technological scheme of a two-level grinder of green forages with gravitational submission of a material realizing different-plane the scheme of cutting is proved.

As a result of lead theoretical and experimental researches influence of the basic constructive and regime parameters of a two-level grinder and physical and mechanical properties of a crushed forage on parameters of productivity, quality and power consumption of working process of crushing is certain.

Key words: two-level grinder, green forage, cutting, crushing, mathematical model, power consumption, different-plane cutting.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Існуючі в даний час подрібнювачі кормів не забезпечують необхідні ступінь і якість подрібнення зелених кормів для птахівництва та свинарства, або ж мають невиправдано високі витрати енергії на подрібнення зелених кормів за рахунок високої складності конструкції. Також, у зв'язку із зменшенням питомої ваги великотоварних підприємств у виробництві продукції тваринництва, існує незадоволена потреба у створенні подрібнювачів кормів меншої продуктивності.

У зв'язку з цим, однією з актуальних задач є удосконалення робочого процесу і конструкцій подрібнювачів зелених кормів для свиней і птиці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась в Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” (ННЦ “ІМЕСГ”) і в Інституті механізації тваринництва Української академії аграрних наук (ІМТ УААН) відповідно до планів науково-дослідних робіт на 2001-2006 рр. за темами: “Доробити технологію і технічні засоби для приготування кормів власного виробництва, утримання птиці та первинної переробки продукції птахівництва” (№ ДР 0101U007024) та “Розробити прогресивні технології і технічні засоби виробництва та первинної переробки продукції ферм водоплавної птиці” (№ ДР 0106U004732).

Мета роботи полягає в підвищенні якості та ефективності подрібнення зелених кормів для свиней та водоплавної птиці шляхом обґрунтування параметрів процесу роботи і конструкції подрібнювача зелених кормів.

Основні задачі досліджень полягають в наступному:

1. Визначити напрямки вдосконалення робочих органів подрібнювачів зелених кормів на основі аналізу наукових досліджень та існуючих конструкцій подрібнювачів, обґрунтувати технологічну схему двоступеневого подрібнювача зелених кормів для свиней та водоплавної птиці.

2. Визначити вплив конструктивних та режимних параметрів подрібнювача на показники продуктивності, якості та енергоємності процесу його роботи.

3. Обґрунтувати конструктивні та режимні параметри роботи подрібнювача на основі експериментальних досліджень.

4. Визначити економічну ефективність пропонованого подрібнювача кормів на основі практичного впровадження результатів досліджень.

Об'єкт дослідження - процес подрібнення зелених кормів для свиней та водоплавної птиці подрібнювачем. Предмет дослідження - математична модель та параметри процесу двоступеневого різноплощинного подрібнення зелених кормів для свиней і водоплавної птиці.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувались на аналізі взаємодії робочих органів подрібнювача з подрібнюваним матеріалом із використанням методів теоретичної механіки, диференціальних обчислень, теорії ймовірності та математичного моделювання. Експериментальні дослідження проводились в лабораторних та виробничих умовах і передбачали планування багатофакторних експериментів. Теоретичні розрахунки і аналіз експериментальних даних проводились з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Дістали подальшого розвитку аналітичні залежності для моделювання впливу параметрів робочого процесу на показники продуктивності та енергоємності процесу подрібнення зелених кормів подрібнювачами з комбінованими робочими органами.

2. Уточнено аналітичні залежності для прогнозування геометричних параметрів подрібненого корму та оптимізації конструктивно-режимних параметрів робочих органів обох ступенів подрібнення за умови ефективного виконання робочого процесу.

3. Дістали подальшого розвитку обґрунтування та оптимізація конструктивно-технологічних параметрів і режимів роботи подрібнювачів зелених кормів з комбінованими робочими органами.

На основі отриманих нових наукових положень розроблено двоступеневий подрібнювач зелених кормів, конструкційна новизна якого захищена патентами України на корисні моделі № 8459, № 18732.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень визначено раціональні конструктивно-режимні параметри двоступеневого подрібнювача зелених кормів, з використанням яких розроблено комплект конструкторської документації та виготовлено двоступеневий подрібнювач кормів.

Розроблений подрібнювач є складовою створеної в ІМТ УААН технології вирощування водоплавної птиці на відгодівельних майданчиках із застосуванням кормів власного виробництва. Результати досліджень передано до конструкторського відділу ІМТ УААН для використання при розробці дослідного зразка двоступеневого подрібнювача зелених кормів, а також впроваджено в навчальний процес Таврійської державної агротехнічної академії (м. Мелітополь).

Використання у сільськогосподарському виробництві двоступеневого подрібнювача з визначеними автором конструктивно-режимними параметрами забезпечує потрібну якість подрібнення зелених кормів для свиней та водоплавної птиці і зниження питомих енерговитрат в 1,5-1,7 рази у порівнянні із серійними машинами “Волгарь-5А” та ПК-5 “Случ”.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто: обґрунтовано технологічну схему двоступеневого подрібнювача зелених кормів для свиней та водоплавної птиці; розроблено модель процесу двоступеневого різноплощинного подрібнення; аналітично визначено вплив конструктивних та режимних параметрів подрібнювача на показники продуктивності, якості та енергоємності процесу його роботи; на основі експериментальних досліджень обґрунтовано раціональні конструктивні та режимні параметри роботи подрібнювача.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи були заслухані і схвалені на міжнародному науково-технічному семінарі “Сучасні технології і технічні засоби механізації виробничих процесів у вівчарстві та свинарстві” (м. Запоріжжя, 2004 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Наукове забезпечення сучасних технологій виробництва продукції тваринництва” (м. Запоріжжя, 2004 р.); всеукраїнській науково-практичній конференції молодих вчених і спеціалістів “Стан та перспективи розвитку агропромислового виробництва в сучасних умовах” (м. Кіровоград, 2005 р.); всеукраїнських науково-практичних семінарах “Екологічні проблеми у тваринництві” (м. Запоріжжя, 2005 р., 2006 р.); міжнародній науково-технічні конференції “Наукове забезпечення сучасних технологій виробництва продукції тваринництва” (м. Запоріжжя, 2005 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві” (смт. Глеваха, 2006 р.); міжнародній науковій конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Мелітополь, 2006 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 робіт, 3 з яких у фахових виданнях, в тому числі 2 деклараційні патенти на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел (включає 156 найменувань, з них 8 іноземними мовами) та 14 додатків. Робота викладена на 184 сторінках машинописного тексту, містить 39 рисунків та 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі досліджень, окреслено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів наукових досліджень.

У першому розділі “Стан питання щодо подрібнення зелених кормів та обґрунтування задач досліджень” проведено аналіз конструкцій подрібнювачів зелених кормів та науково-дослідних робіт, присвячених процесу подрібнення. Наведено характеристику основних фізико-механічних властивостей зелених кормів, як об'єкта обробки в подрібнювачі.

Дослідженням процесу подрібнення стеблових кормів займались В.П. Горячкін, В.А. Желіговський, І.І. Ревенко, І.І. Капустін, Н.В. Сабліков, Г.І. Бремер, А.А. Івашко, Т.І. Єгорова, В.А. Зяблов, С.В. Мєльніков, Н.Є. Рєзнік, Ю.Ф. Новіков, Ф.Д. Грязной і інші дослідники. Ними встановлено основні закономірності робочого процесу подрібнення, вплив конструктивно-режимних параметрів робочих органів подрібнювачів, а також фізико-механічних властивостей корму на показники якості та енергоємності процесу подрібнення.

На основі аналізу встановлено, що перспективним напрямком підвищення ефективності подрібнення зелених кормів для свиней і водоплавної птиці є застосування процесу різноплощинного подрібнення корму подрібнювачем комбінованого типу з вертикальним розташуванням ротора, послідовним розміщенням в одній робочій камері двох ступенів подрібнення з робочими органами різального типу та гравітаційною подачею сировини до робочих органів.

Визначено мету та сформульовано основні задачі наукових досліджень.

У другому розділі “Теоретичне обґрунтування основних параметрів процесу роботи та робочих органів двоступеневого подрібнювача зелених кормів” запропоновано нову конструкцію подрібнювача та розглянуто особливості процесу різноплощинного подрібнення зелених кормів подрібнювачем із двома ступенями подрібнення, розташованими послідовно в одній робочій камері.

На основі проведеного аналізу попередніх наукових досліджень та існуючих конструкцій подрібнювачів кормів обґрунтовано технологічну схему двоступеневого подрібнювача зелених кормів, основною конструктивною особливістю якого є послідовне розміщення двох ступенів подрібнення в одній робочій камері із застосуванням гравітаційної подачі сировини до робочих органів. А також застосування зустрічного обертання циліндричної камери та ротора подрібнювача, що призводить до зменшення витрат енергії на тертя маси корму по стінці робочої камери і на вентилюючу дію робочих органів та дозволяє збільшити кількість зустрічей в різальних парах, що, у свою чергу, позитивно відбивається на показниках якості та питомої енергоємності роботи подрібнювача.

Для забезпечення ефективного виконання робочого процесу для даної конструкції подрібнювача повинна виконуватись наступна умова:

Q₂ ? Q₁ ? Q₀, (1)

де Q₀, Q₁, Q₂ - відповідно продуктивність зони подачі сировини, зони подрібнення горизонтальними ножами і протирізами (перший ступінь подрібнення) та зони доподрібнення і вивантаження корму (другий ступінь подрібнення), кг/с.

Для визначення продуктивності відповідних зон подрібнювача, ґрунтуючись на результатах досліджень В.І. Передні та А.К. Цейтлера, складали та вирішували диференційні рівняння руху часточки корму в напрямку руху кормового потоку в робочій камері подрібнювача.

Рівняння руху часточки корму масою m в напрямку руху кормового потоку відносно осі z (рис. 1) в зоні подачі сировини має вигляд:

,(2)

де D_зг - внутрішній діаметр завантажувальної горловини, м; D_к - діаметр подавального конуса, м; с_п - густина повітря, кг/м³; n_Р - частота обертання ротора, с^-1; D_цк - внутрішній діаметр циліндричної камери, м; н_п - швидкість руху повітря, м/с; g - прискорення вільного падіння, м/с²; t - час, с. Відповідно, продуктивність зони подачі сировини становитиме:

,(3)

де с₀ - об'ємна маса корму в зоні подачі сировини, кг/м³; k_з0 - коефіцієнт заповнення робочої камери подрібнювача кормом в зоні подачі сировини; h₀ - висота зони подачі сировини подрібнювача, м.

На першому ступені подрібнення на часточку корму масою m діють такі сили сила ваги G, вентилююча сила F_в, відцентрова сила F_вц, сила тертя часточки об внутрішню поверхню робочої камери F_тер і сила опору повітря F_оп.

Відповідно, для першого ступеня подрібнення рівняння руху часточки корму матиме вигляд:

(4)

де f_цк - коефіцієнт тертя корму по матеріалу циліндричної камери подрібнювача; m_тер - маса часточки корму, що треться об стінку циліндричної камери подрібнювача, кг; n_к - частота обертання циліндричної камери подрібнювача, с^-1; е - кут опускання гвинтової лінії руху кормового потоку, град.

Продуктивність першого ступеня подрібнення становитиме:



де с₁ - об'ємна маса корму на першому ступені подрібнення, кг/м³; k_з1 - коефіцієнт заповнення робочої камери подрібнювача кормом на першому ступені подрібнення; S_нож - площа перетину першого ступеня подрібнення, що припадає на горизонтальні ножі, з урахуванням перекриття, м²; S_прр - площа перетину першого ступеня подрібнення, що припадає на протирізи, м²; h₁ - висота першого ступеня подрібнення, м.

На другому ступені подрібнення на часточку корму масою m діють такі сили: сила ваги G, відцентрова сила F_вц, сила тертя часточки корму по подавальній лопаті-протирізу F_терл, сила тертя часточки корму по горизонтальному диску F_терд, сила вакууму F_в і сила Коріоліса F_кор.

Рівняння руху часточки корму для другого ступеня подрібнення відносно осі x матиме вигляд:

де x_i - поточна відстань між часточкою корму та центром горизонтального диска, м; V_л - швидкість відносного руху часточки корму, м/с; в -кут між віссю симетрії горизонтального диска і лінією, що з'єднує часточку корму з центром диска, град.; f_д - коефіцієнт тертя корму по матеріалу горизонтального диска; f_л - коефіцієнт тертя корму по матеріалу подавальної лопаті-протиріза.

Продуктивність другого ступеня подрібнення становитиме:

де с₂ - об'ємна маса корму на другому ступені подрібнення, кг/м³; k_з2 - коефіцієнт заповнення робочої камери подрібнювача кормом на другому ступені подрібнення; n_в - кількість вивантажувальних вікон, шт.; a_в - ширина вивантажувальних вікон, м; h₂ - висота вивантажувальних вікон, м.

Швидкість відносного руху часточки корму по подавальній лопаті-протирізу V_л та швидкість її руху в напрямку вивантажувального вікна V₂ зв'язані залежністю: V₂ = V_лcosв.

По аналогії з подрібнювальними апаратами дискового типу вираз продуктивності другого ступеня подрібнення із урахуванням заданого середньозваженого розміру подрібнених часточок корму l_потр можна записати так:

, (8)

де k_ор - коефіцієнт, що враховує орієнтацію стеблових часточок корму при проходженні вивантажувальних вікон та конструктивні особливості другого ступеня подрібнення (для значень х_л = ±0,02 м значення коефіцієнту k_ор змінюються в межах від 0,51 до 0,67); n_л-п - кількість подавальних лопатей-протирізів, шт.

Отже, умова ефективного виконання робочого процесу (1) для даної конструкції подрібнювача матиме вигляд:



Із застосуванням залежності (9) визначали продуктивність кожної зони подрібнювача в залежності від конструктивно-режимних параметрів його роботи.

Геометричні параметри різальних пар другого ступеня подрібнення х_л та б_л обґрунтовували, виходячи з умов мінімізації зусилля різання при забезпеченні защемлення матеріалу в різальній парі (10) та мінімізації питомих непродуктивних витрат енергії на тертя часточки корму по стінці циліндричної камери і по горизонтальному диску і подавальній лопаті-протирізу.

де б_л - кут нахилу подавальної лопаті-протиріза до поверхні горизонтального диска, град.; х_л - відстань між нижнім ребром подавальної лопаті-протиріза та віссю симетрії горизонтального диска, м; h_л - висота різальної крайки подавальної лопаті-протиріза, м.

Ліва частина залежності (10) уявляє собою значення кута защемлення ч в різальних парах другого ступеня подрібнення.

Для визначення раціональних значень параметрів розташування подавальної лопаті-протиріза на горизонтальному диску проводили графоаналітичні дослідження залежності (10).

Для цього будували графіки залежності кута защемлення в різальній парі вертикальний ніж - подавальна лопать-протиріз ч від параметрів б_л та х_л.

Очевидно, що показник енергоємності роботи подрібнювача на другому ступені подрібнення набуде мінімальних значень у випадку, коли сумарні питомі витрати енергії на переміщення маси корму по стінці циліндричної камери E_тер1/m та по горизонтальному диску і подавальній лопаті-протирізу E_тер2/m будуть мінімальними, тобто:

де k_защ - коефіцієнт, що враховує защемлення матеріалу в різальній парі; k_л - коефіцієнт, що враховує кут встановлення подавальної лопаті-протиріза та коефіцієнт тертя маси корму по її поверхні.

З аналізу залежностей (10) та (11) можна зробити висновок, що найбільш доцільним є варіант встановлення подавальної лопаті-протиріза на горизонтальному диску, представлений на рис. 3 (б). Раціональні значення параметрів розташування подавальної лопаті-протиріза на горизонтальному диску при цьому становитимуть: х_л = -0,01 - -0,04 м; б_л = 45 - 65 град.

Середньозважений розмір часточок корму l_р1, подрібненого на першому ступені подрібнювача, визначали, приймаючи, що він знаходиться в залежності від відношення об'єму корму, приведеного до щільності об'єму корму, що надійшов на перший ярус ножів, до сумарної площі різання всіх різальних пар першого ступеня.

Відношення сумарного приведеного об'єму корму U до сумарної площі різання S_різ на першому ступені подрібнення матиме вигляд:



,

де V₀ - швидкість руху часточки корму в зоні подачі сировини, м/с; z_i - кількість горизонтальних ножів на i-му ярусі, шт.; V_i - швидкість проходження кормом i-го ярусу горизонтальних ножів, м/с; h_1i - висота i-го ярусу горизонтальних ножів, м.

Математичне очікування середньозваженого розміру часточок корму, подрібненого на першому ступені подрібнення, з урахуванням вирішення задачі “голки Бюффона” становить:

. (13)

Для другого ступеня подрібнення розрахункове значення середньозваженого розміру часточок подрібненого зеленого корму становить:

, (14)

де k_ст - коефіцієнт, що враховує конструктивні особливості двоступеневого подрібнювача кормів; V₂ - швидкість руху часточки корму по подавальній лопаті-протирізу, м/с.

Для теоретичного визначення значення коефіцієнту k_ст уявімо, що кормовий потік рухається по подавальній лопаті-протирізу в напрямку вивантажувального вікна, а площа перетину кормового потоку дорівнює площі перетину вивантажувального вікна.

Розглянемо шар корму, що перерізається, шириною L_р прийнявши умовно, що часточка належить шару, якщо центр її мас належить шару, розподіл маси часточки корму за її довжиною є постійним, а центр її мас m ділить часточку корму навпіл.

Очевидно, що положення часточки корму однозначно описується показниками та ц, значення яких рівномірно розподілені в інтервалах: 0 ? ? L_р, 0? ц ? 0,5 р.

З аналізу ґрунтуючись на вирішенні задачі „голки Бюффона” та знаючи диференційні закони розподілу показників та ц, можемо записати умову гарантованого перерізування часточки корму: .

Відомо, що найбільша ефективність виконання робочого процесу спостерігається при перерізуванні часточки корму за одну взаємодію з різальними парами та подальшим негайним виведенням її із зони різання. Це буде можливо за умови, коли .

Отже, для випадку двоступеневого подрібнювача умова ефективного виконання робочого процесу за середньозваженим розміром подрібнених часточок корму, що зв'язує між собою конструктивно-режимні параметри обох ступенів подрібнення, буде мати вигляд:

. (15)

З Середнє значення (математичне очікування) довжини часточок корму, подрібненого на другому ступені подрібнення, буде дорівнювати:



.

Співставлення залежностей (14) та (16) дає змогу записати теоретичне значення коефіцієнту k_ст:

.

Отримані залежності (13), (16) дають змогу прогнозувати вплив конструктивно-режимних параметрів двоступеневого подрібнювача кормів на геометричні розміри і ступінь подрібнення корму.

При складанні балансу потужності двоступеневого подрібнювача кормів виходили з того, що потужність двигуна N, необхідна для приводу подрібнювача, може бути представлена як сума наступних складових: потужності подрібнення корму N_подр, потужності переміщення маси корму всередині робочої камери N_пер, потужності на подолання опору повітря робочими органами подрібнювача N_пов, потужності вивантаження маси корму з робочої камери N_вв, потужності холостого ходу подрібнювача N_хх.

В розгорнутому вигляді баланс потужності двоступеневого подрібнювача зелених кормів запишеться так:



де з - к.к.д. приводу подрібнювача; k_п.різ. - коефіцієнт, що враховує вплив конструктивно-режимних параметрів двоступеневого подрібнювача кормів на енергоємність процесу подрібнення; a, b - емпіричні коефіцієнти (за Жабком В.О.); Q - продуктивність двоступеневого подрібнювача кормів, кг/с; н_п.вив. - швидкість руху повітря у вивантажувальному патрубку подрібнювача, м/с; S_в.п. - площа перетину вивантажувального патрубку, м²; D_кож - діаметр внутрішньої поверхні кожуха, м; f_кож - коефіцієнт тертя маси корму по матеріалу внутрішньої поверхні кожуха.

Із залежності (18) випливає, що на потужність, необхідну для приводу подрібнювача, впливають конструктивні і режимні параметри роботи подрібнювача, продуктивність його роботи, а також фізико-механічні властивості подрібнюваного корму.

З аналізу залежності (18) можна зробити висновок, що при відношенні частот обертання ротора та циліндричної камери n_р/n_к = 1,4 функція потужності N має мінімум в діапазоні значень швидкості різання V_різ=52 - 56 м/с, що відповідає результатам відомих досліджень процесу різання кормів.

Отже, в результаті аналітичних досліджень процесу роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів було отримано залежності, що зв'язують конструктивно-режимні параметри обох ступенів подрібнення та фізико-механічні властивості сировини з показниками продуктивності, якості та енергоємності його роботи.

Для підтвердження результатів теоретичних досліджень процесу подрібнення та визначення емпіричних коефіцієнтів було розроблено програму і методику та проведено експериментальні дослідження процесу роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів.

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень процесу роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів” викладено програму експериментальних досліджень, описано експериментальну установку та використовуване вимірювальне обладнання, наведено методику проведення досліджень та обробки результатів експериментів.

Програмою досліджень було передбачено виконання наступних завдань: визначити деякі фізико-механічні та геометричні параметри сировини та подрібненого корму; визначити значення емпіричних коефіцієнтів, що є складовими математичних моделей робочого процесу подрібнення зеленого корму двоступеневим подрібнювачем; провести оптимізацію конструктивно-режимних параметрів подрібнювача, визначити залежність критеріїв оптимізації від: швидкості різання V_різ (фактор х₁, межі варіювання фактора V_різ=45 - 55 м/с), відношення частоти обертання ротора до частоти обертання циліндричної камери подрібнювача n_р/n_к (х₂, n_р/n_к=1,0 - 1,4), кількості ярусів горизонтальних ножів n_яр (х₃, n_яр=0 - 2), величини подачі сировини q_под (х₄, q_под=0,16 - 0,24 кг/с), кута нахилу подавальної лопаті-протиріза до поверхні горизонтального диска б_л (х₅, б_л=45 - 90 град.), місця розташування подавальної лопаті-протиріза на горизонтальному диску х_л (х₆, х_л=±0,02 м), ширини вивантажувальних вікон a_в (х₇, a_в=0,005 - 0,015 м); визначити раціональні конструктивні та режимні параметри подрібнювача.

Експериментальні дослідження подрібнювача проводилися на установці, яка складалася із експериментального зразка подрібнювача, спеціального устаткування для зміни параметрів робочого процесу подрібнення та контрольно-вимірювальної апаратури.

При визначенні впливу факторів на критерії оптимізації використовували методику оптимального планування експериментів. В якості критеріїв оптимізації було обрано два критерії, які мають ясний фізичний зміст і достатньо повно характеризують об'єкт дослідження: коефіцієнт однорідності k_як (кількість часточок заданого розміру у подрібненому кормі) та питома енергоємність процесу подрібнення q.

У четвертому розділі “Експериментальне обґрунтування конструктивних і режимних параметрів роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів” представлено аналіз обробки даних факторних експериментів. Дано аналіз взаємозв'язків між досліджуваними факторами. Співставлення результатів теоретичних та експериментальних досліджень показало їх задовільне сходження.

Попередні одно- та двофакторний експерименти дозволили з'ясувати раціональні значення факторів х₅-х₇ та підтвердили результати теоретичних досліджень щодо впливу геометричних параметрів другого ступеня подрібнення на показники процесу роботи двоступеневого подрібнювача кормів.

Отримана математична модель впливу факторів х₁-х₄ на критерії оптимізації мала вигляд для коефіцієнту однорідності подрібнення:

для питомої енергоємності подрібнення:

Для визначення раціональних значень факторів вирішували компромісну задачу пошуку оптимуму для двох критеріїв. Завданням вирішення компромісної задачі була мінімізація критерію питомої енергоємності подрібнення q при значенні коефіцієнту однорідності подрібнення k_як не менше 0,8.

Отримані раціональні значення факторів у натуральному вигляді становили: швидкість різання V_різ = 56,38 м/с; відношення частоти обертання ротора до частоти обертання циліндричної камери подрібнювача n_р/n_к = 1,4; кількість ярусів горизонтальних ножів на першому ступені подрібнення n_яр = 1; масова подача сировини q_под = 0,21 кг/с. За таких параметрів коефіцієнт однорідності та питома енергоємність процесу подрібнення становили відповідно k_як = 0,8982; q = 6352,2 Вт·с/кг.

Для співставлення результатів теоретичного та експериментального визначення середньозваженого розміру часточок подрібненого корму за результатами чотирифакторного експерименту отримали залежність середньозваженого розміру часточок подрібненого корму l_сер.зв. від досліджуваних факторів х₁-х₄:

З урахуванням експериментально визначених значень емпіричних коефіцієнтів середні відхилення розрахованих теоретично значень параметрів процесу роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів від експериментальних становили: 7,16% для питомої енергоємності процесу подрібнення; 1,23·10^-3 м або 20,84% для середньозваженого розміру подрібнених часточок корму; 14,35% для продуктивності подрібнення. Таким чином, експериментальні дослідження підтвердили результати теоретичних досліджень процесу роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів.

У п'ятому розділі “Реалізація результатів досліджень” наведено методику інженерного розрахунку параметрів двоступеневого подрібнювача зелених кормів, надано результати виробничих випробувань подрібнювача та визначено економічну ефективність від його використання. Проведено порівняльну характеристику пропонованого та існуючих подрібнювачів кормів аналогічного призначення та зроблено комплексну оцінку конкурентоспроможності подрібнювача.

Виробничі випробування підтвердили результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів. Питома енергоємність подрібнення становила: для зелених кормів від 1,8 до 2,0 кВт·год/т; для соковитих кормів від 1,6 до 1,8 кВт·год/т; для силосу кукурудзяного від 1,9 до 2,1 кВт·год/т. Продуктивність подрібнення при цьому становила: для зеленої маси та силосу кукурудзяного від 0,6 до 0,8 т/год; для соковитих кормів від 0,9 до 1,1 т/год. Подрібнені корми відповідали зоотехнічним вимогам щодо кормів для свиней та водоплавної птиці. Відхилення отриманих даних від експериментальних становило 6,48% для коефіцієнту однорідності подрібнення та 4,56% для питомої енергоємності процесу подрібнення, від теоретичних - 14,54% (для питомої енергоємності процесу подрібнення).

Порівняльна характеристика техніко-економічних показників виконання робочого процесу пропонованого подрібнювача та аналогів відповідного призначення довела, що пропонований подрібнювач кормів кращий за аналоги за показниками питомих витрат енергії, питомої матеріалоємності та однорідності подрібнення, що свідчить про вищу ефективність процесу його роботи.

Розрахунки свідчать, що коефіцієнт технічного рівня пропонованого подрібнювача кормів у порівнянні із КДУ_2,0 та ПК-2 становить відповідно 3,356 та 1,405, тобто він перевищує аналоги. Річний економічний ефект від використання запропонованого двоступеневого подрібнювача становить від 4652,08 до 13910,97 грн. Економічний ефект в розрахунку на 1 т подрібненого зеленого корму становить від 5,74 до 85,87 грн.



ВИСНОВКИ

1. Встановлено, що перспективним напрямком вдосконалення робочих органів подрібнювачів зелених кормів, який забезпечує підвищення якості та ефективності подрібнення корму для свиней і водоплавної птиці, є застосування процесу різноплощинного двоступеневого подрібнення з мінімізацією витрат енергії на формування та подачу сировини до різальних апаратів. Обґрунтовано технологічну схему подрібнювача, яка дозволяє реалізувати процес двоступеневого різноплощинного різання в одній робочій камері із застосуванням гравітаційної подачі сировини.

2. Продуктивність роботи двоступеневого подрібнювача зелених кормів може визначатись за залежністю для визначення продуктивності подрібнювачів дискового типу із використанням додаткового множника - коефіцієнта k_ор, що враховує орієнтацію стеблових часточок корму при проходженні вивантажувальних вікон та конструктивні особливості другого ступеня подрібнювача, значення якого знаходяться в межах від 0,51 до 0,67.

3. Кут нахилу подавальної лопаті-протиріза до поверхні горизонтального диска повинен становити від 45 до 65 градусів, а відстань від осі симетрії горизонтального диска до нижнього ребра подавальної лопаті-протиріза повинна становити від 0,01 до 0,04 м в напрямку його обертання, що забезпечує ефективне виконання процесу різання та мінімізацію питомих непродуктивних витрат енергії на другому ступені подрібнення.

4. Аналітично одержано математичну модель прогнозування геометричних параметрів подрібненого корму, яка зв'язує між собою конструктивно-режимні параметри обох ступенів подрібнення. Експериментально визначено значення коефіцієнту k_ст - складового моделі прогнозування геометричних параметрів подрібненого корму. Відхилення теоретичних та експериментальних значень середньозваженого розміру часточок подрібненого корму при значеннях коефіцієнту k_ст від 0,73 до 0,84 становить 1,23·10^-3 м.

5. Встановлено основні раціональні конструктивно-режимні параметри двоступеневого подрібнювача, які у натуральному вигляді становлять: швидкість різання - 56,38 м/с, відношення частоти обертання ротора до частоти обертання циліндричної камери подрібнювача - 1,4, кількість ярусів горизонтальних ножів на першому ступені подрібнення - 1, масова подача сировини - 0,21 кг/с. Використання вказаних параметрів дозволило одержати подрібнений зелений корм необхідної якості (k_як = 0,8982) та низькі питомі енерговитрати на подрібнення (q = 6352,2 Вт·с/кг).

6. Значення коефіцієнту заповнення робочої камери подрібнювача кормом для подрібнювачів комбінованого типу із застосуванням гравітаційної подачі сировини становить від 0,13 до 0,20.

7. Одержано аналітичну залежність впливу конструктивно-режимних параметрів двоступеневого подрібнювача зелених кормів на енергоємність робочого процесу подрібнення, визначено значення складового коефіцієнту одержаної залежності k_п.різ. = 0,52, при якому середнє відхилення експериментальних та теоретичних значень питомої енергоємності робочого процесу для досліджуваного діапазону значень параметрів процесу роботи подрібнювача складає 7,16%, що вказує на адекватність отриманої залежності.

8. Визначено річний економічний ефект від використання запропонованого двоступеневого подрібнювача зелених кормів, який становить від 4652,08 до 13910,97 грн. Економічний ефект на 1 т подрібненого зеленого корму становить від 5,74 до 85,87 грн. Комплексна оцінка конкурентоспроможності запропонованого подрібнювача у порівнянні з подрібнювачами КДУ_2,0 та ПК-2 показала, що коефіцієнт технічного рівня двоступеневого подрібнювача зелених кормів становить відповідно 3,356 та 1,405, тобто він перевищує аналоги.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Братішко В.В. Шляхи зменшення енергоємності різання зелених рослин // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Вип. 28. - Мелітополь: ТДАТА. - 2005. - С. 191-197.

2. Братішко В.В. Пошук раціональної конструкції подрібнювача зелених кормів // Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини ім. С.З. Ґжицького. - Том 7, № 4 (27). Частина 1. - Львів: ЛКТ ЛНАВМ. - 2005. - С.3-9.

3. Братішко В.В. Метод прогнозування ступеня подрібнення стеблових кормів // Вісник степу. Науковий збірник. - Кіровоград: Центрально-Українське видавництво. - 2005. - С. 51-53.

4. Братішко В.В. Подрібнювач зелених кормів для свиней та птиці // Механізація та електрифікація сільського господарства. - Випуск 90. - Глеваха: ННЦ „ІМЕСГ”. - 2006. - С. 354-358.

5. Патент 18732 України МКИ A 01 F 29/00 Подрібнювач кормів / Братішко В.В.; Заявл. 30.05.2006; Опубл. Бюл. № 11, 2006 р.

6. Патент 8459 України МКИ A 01 F 29/00 Подрібнювач / Братішко В.В.; Заявл. 22.11.2004; Опубл. Бюл. № 8, 2005 р.

Размещено на Allbest.ru

...