Обоснование параметров многофункционального малогабаритного мобильного агрегата для малых ферм крупного рогатого скота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование параметров многофункционального малогабаритного мобильного агрегата для малых ферм крупного рогатого скота

Технология транспортировки и раздачи кормов, в зависимости от местных условий применения, может иметь три поточных технологических линии: со стационарными средствами механизации, с мобильными и смешанными средствами механизации раздачи кормов.

При этом наиболее универсальной является технология раздачи кормов мобильными раздатчиками, которые в состоянии обслужить большое количество животных, размещенных в удаленных друг от друга помещениях, а также способны за один цикл выполнить операции по транспортировке и раздаче кормов без их перевалки. Сфера применения мобильных кормораздатчиков шире, чем стационарных, так как они могут использоваться при заготовке кормов, транспортировке зеленой массы и как питатели-дозаторы кормов.

Таким образом, для повышения уровня механизации процессов производства и раздачи кормов на малых фермах, а также снижения затрат на выполнение данных процессов, необходим универсальный кормоприготовительно-раздающий агрегат, совмещающий в себе функции погрузчика, измельчителя, смесителя и раздатчика, а также питателя-дозатора кормов, обеспечивающий в то же время и получение кормовых смесей требуемого качества.

Общим методологическим подходом к проведению исследований является системный подход [2]. Физико-механические показатели исходного сырья определялись в соответствии с существующими ГОСТами.

Анализ поточных технологических линий приготовления и раздачи кормов на фермах крупного рогатого скота, с точки зрения наличия в них функционально необходимых структурных элементов, а также конструктивных особенностей применяемых технических средств, показал, что они металлоемки и энергоемки. При этом, наиболее эффективным с точки зрения снижения данных показателей, особенно для условий малых ферм, является использование многофункциональных агрегатов, совмещающих в себе две и более операции технологического процесса.

Данные машины, совмещая как минимум три операции (доставку кормов, смешивание и их раздачу), позволяют значительно уменьшить затраты труда и средств и тем самым снизить себестоимость продукции.

Предварительным анализом также установлено, что за рубежом используются машины, которые в той или иной степени позволяют совмещать до пяти операций, таких, как погрузка, измельчение, доставка, смешивание и раздача. Вполне очевидно, что с точки зрения снижения трудовых и энергетических затрат данные технические решения являются наиболее эффективными.

В то же время эффект от снижения затрат энергии по процессу измельчения и распределения кормовых компонентов (?Э_N) можно представить в виде условия:

кормовой ферма скот малогабаритный

(1)

где N_б, N_пр - соответственно, затраты энергии по базовому и предлагаемому вариантам;

Q_б, Q_пр - производительность по базовому и предлагаемому вариантам;

л_б, л_пр - степень измельчения по базовому и предлагаемому вариантам.

При переходе к стоимостным показателям эффективности имеем, что

(2)

где Ц_э - стоимость единицы энергии (кВт·ч);

t_б, t_пр - время работы по базовому и предлагаемому вариантам.

Выражение (2) можно представить как

(3)

где ?N_э - разность по затратам энергии между базовым и предлагаемым вариантами.

На основе проведенного анализа разработана структурная схема многофункционального малогабаритного мобильного агрегата, выполняющего следующие операции:

- погрузку кормов или кормовых компонентов в бункер МММА;

- измельчение с одновременным распределением кормовых продуктов в бункере МММА;

- транспортировку к месту выдачи кормов и обратно;

- смешивание послойно расположенных кормовых компонентов в бункере МММА в процессе раздачи смеси;

- дозированную подачу кормовых продуктов в кормоприготовительные машины (грануляторы, пресс-брикетировщики и т.д.).

Потребность в разработке МММА для малых ферм КРС вызвала необходимость создания универсального измельчающе-распределяющего устройства, позволяющего измельчать и распределять по объему бункера агрегата грубые корма, силос, тыкву или корнеплоды. Поисковыми исследованиями установлено, что наиболее полно поставленным требованиям отвечает измельчающий аппарат молоткового типа с шарнирно закрепленными Н-образными молотками, который, наряду с процессом измельчения различных видов кормов, обеспечивает и равномерное распределение измельченных кормовых продуктов в бункере МММА (рис. 1).

а)

1 - бункер; 2 - подающий транспортер; 3 - битера; 4 - ходовая часть; 5 - рама; 6 - манипулятор; 7 - захват; 8 - кормопровод; 9 - распределяющий козырек; 10 - измельчитель; 11 - ротор.

б)

Рис. 1. Общий вид МММА - (а) и расчетная схема его измельчающе-распределяющего устройства - (б) с конструкцией Н-образного молотка-лопасти

В результате теоретического анализа рабочего процесса ИРУ получена зависимость, характеризующая его пропускную способность:

(4)

где Z_pi - длина части ротора, обусловленная шириной молотка-лопасти; ?Z_pi - толщина пластины решетки; R_z - число молотков, идущих по одному следу; щ - угловая скорость ротора; с_n - плотность кормового продукта; S_i - площадь поперечного сечения отделяемой порции корма, которая, согласно рис. 1 (б), равна сумме площадей S₁+S₂=S_i.

Первую составляющую определили как:

(5)

где l - длина дуги, равная рR₁·ш/180^°;

а - длина хорды, равная 2 (h_c·R₁-h_c²)^0,5;

h_c - стрелка, равная выходу рабочей части Н-образного молотка-лопасти над решеткой (h_c=?).

Площадь S₂, согласно второй составляющей и рис. 1 (б), равна:

(6)

Для системы «кормовой продукт - измельчающий ротор» составили соответствующее уравнение баланса

(7)

где m - число молотков-лопастей; ш_с - коэффициент, учитывающий степень плотности размещения стеблей в поперечном сечении, равном S_i; л - степень измельчения продукта; R_c - количество стеблей; l_j - длина измельченных частиц; d_y - усредненный диаметр частиц.

Согласно данному равенству, степень измельчения имеет вид:

 (8)

На основе принципа равенства работ, с учетом степени измельчения, получена формула для определения диаметра ротора измельчающе-распределяющего устройства МММА.

(9)

где С₁, С₂, ш, f_сл - эмпирические коэффициенты, определяемые по методу наименьших квадратов; L_p - длина ротора; х_отн - скорость движения молотков относительно циркулирующего слоя.

Длину ротора измельчающе-распределяющего устройства МММА определили с учетом коэффициента - R_изм, характеризующего выход готового продукта с одного квадратного метра площади диаметрального сечения измельчающей камеры (кг/с·м²)

(10)

Параметр R_изм зависит от высоты циркулирующего слоя продукта Н_сл, его плотности - с_n и концентрации продукта в слое - г_ц (R_изм=0,5-0,8).

Кратность циркуляции воздушно-продуктового слоя в камере ИРУ равна

(11)

где М_ц - масса воздушно-продуктового слоя высоты Н_сл.

При «рабочей» фазе молоток воздействует на массу корма, производя работу по отделению некоторой ее части от основной массы.

Отделяемая часть массы корма определяется шириной молотка В и площадью S_i=S₁+S₂, заключенной между линией А₁А₂ и траекторией конца молотка при прохождении его через массу корма (рис. 1 (б)). На отделение этой части массы требуется затратить работу А_изм, которая по своей сути равна изменению кинетической энергии за промежуток времени между моментом входа молотка в массу корма в точке А₁ и моментом выхода молотка из массы корма в точке А₂ и которая может быть определена суммой, представленной числителем выражения (9).

Мощность, затрачиваемая на процесс отделения массы кормового продукта молотками ИРУ, определяется по формуле

(12)

где А_изм - работа измельчения, определяемая по известной формуле Мельникова С.В. [3], с учетом выражения (8).

Полный расход мощности и энергоемкость ИРУ составят:

(13)

В результате анализа движения частиц кормового продукта установлено, что в процессе работы ИРУ поверхность формируемого кормового монолита в бункере определяется вертикальной координатой

(14)

где g - ускорение свободного падения; x_i, x_o - значения горизонтальной координаты; х_от - скорость отражения частицы от распределяющего козырька; б_о - угол между векторами скоростей х_от и х_n; у_о - высота профиля монолита; Н_i - значение высоты монолита по длине бункера.

С учетом данного подхода получена модель оценки неравномерности распределения высоты кормового монолита по длине бункера МММА

(15)

где n - число участков, «размещенных» по длине бункера МММА.

Таким образом, проведенный анализ с использованием новых методологических подходов позволил получить аналитические модели оценки энергетических и качественных показателей МММА, учитывающие его конструктивные и режимные параметры.

При обосновании параметров измельчителя-распределителя в качестве критериев оптимизации приняты: Э_N - энергоемкость, кВт·с/кг; д_q - неравномерность распределения массы корма в бункере, %.

Зависимость энергоемкости Э_N и неравномерности распределения корма в бункере д_q от конструктивных параметров ИРУ в раскодированной форме имеет следующий вид:

Э_N=19,20-0,20щ+0,03?-0,02n_к+5,8·10^-3щ²+2,35·10^-3 n_к²> min; (16)

д_q=452,0-4,40щ-1,30?-0,06n_к+6,60·10^-2щ?+0,01щ²> min (17)

В результате решения задачи по определению оптимальных условий выполнения процесса измельчения и распределения корма в МММА установлены оптимальные значения факторов, соответствующих экстремуму функции отклика: угловая скорость вращения ротора равная, щ=190,0-195,0 с^-1; выход рабочей части Н-образных молотков, равный ?=8,0-10,0 мм; частота колебаний распределяющего козырька, равная n_к=60-65 мин^-1.

При данных параметрах энергоемкость ИРУ составила Э_N=2,5 кВт·с/кг, а неравномерность распределения корма по длине бункера д_q=4,20%.

На третьем этапе экспериментальных исследований установлены зависимости однородности получаемой смеси и и неравномерности ее дозирования агрегатом д_р:

и = 0,886 + 0,471Н_сл - 0,675л + 2,119в - 2,75·10^-3·Н_сл·в + 0,011в -

- 7,084·10^-4·Н_сл² - 2,109·10^-2·в²> 100%; (18)

д_р = 222,19 - 0,647Н_сл - 4,822л - 0,198в - 1,250·10^-3·Н_сл·в + 1,742·

·10^-3 · Н_сл² + 4,018·10^-2·л² + 6,312·10^-3·в²> min, (19)

где Н_сл - высота слоя кормового компонента в бункере, равная Н_сл=204-235 мм; л - степень измельчения, равная л=5-6; в - угол наклона ограничительной решетки, равный в=5°.

При данных значениях параметров искомые показатели равны и=87,7% и д_р=11,07%, что соответствует зоотехническим требованиям.

Проведенным анализом установлена целесообразность и возможность повышения эффективности работы линии приготовления и раздачи кормов путем использования в ее составе МММА с измельчающе-распределяющим устройством.

Теоретическим и экспериментальным путем обоснованы параметры работы ИРУ и МММА для использования при создании технических средств данного типа.

Для практического использования МММА предложено два рациональных варианта: в линии раздачи кормов и в линии приготовления кормового гранулята.

Список использованных источников

1. Резник Е.И. Малым фермам - современную кормоприготовительную технику / Тракторы и с.х. машины. - 1986, №8. - С. 16-20.

2. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. / Колос. - 1978. - 560 с.

3. Патент РФ №2555578 Способ приготовления гранулированного кормового продукта / Доценко С.М., Широков В.А., Школьников П.Н. и др. // Опубл. 10.07.2015, Бюл. №19.

4. Патент РФ №2555581 Способ приготовления гранулированного кормового продукта / Доценко С.М., Широков В.А., Школьников П.Н. и др. // Опубл. 10.07.2015, Бюл. №19.

Размещено на Allbest.ru