Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса приготовления концентрированных кормов 11
1.1 Оценка объемов производства концентрированных кормов в России и ана лиз их качественных показателей 11
1.2 Анализ конструкций и краткая характеристика измельчителей концентрированных кормов .17
1.2.1 Ударно-центробежные измельчители 17
1.2.2 Жерновые измельчители 25
1.2.3 Измельчители скалывающего типа 29
1.2.3 Плющилки 31
1.3 Состояние исследований в области плющения фуражного зерна 43
1.4 Постановка цели и задач исследования 48
2 Теоретический анализ и обоснование параметров плющилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами 50
2.1 Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемы плющилки фуражного зерна 50
2.2 Теоретическое определение энергоемкости плющения зерна, производительности и затрачиваемой мощности плющилки 53
2.3 Условие захвата материала гладкими дисками 56
2.4 Условие движения материала между гладкими дисками 60
2.5 Результаты компьютерного расчета рабочего процесса плющилки 73
2.6 Выводы по разделу 79
3 Программа и методика экспериментальных и производственных исследований .80
3.1 Программа экспериментальных исследований 80
3.2 Общая методика экспериментальных исследований .84
3.3 Описание лабораторной установки плющилки фуражного зерна .86
3.4 Частные методики лабораторных исследований 89
3.4.1 Методика исследований физико-механических свойств фуражного зерна 89
3.4.2 Методика определения количественных и энергетических показателей работы плющилки 94
3.4.3 Методика определения качественных показателей работы плю щилки 96
3.4.4 Методика производственных исследований плющилки фуражного зерна 98
4 Результаты исследований плющилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами 100
4.1 Результаты исследований по уточнению физико-механических свойств исследуемого зерна 100
4.2 Результаты поисковых и интерполяционных лабораторных исследований плющилки зерна 1 4.2.1 Определение мощности на привод лабораторной дисковой плющилки зерна на холостом ходу 103
4.2.2 Результаты исследований плющилки при неустановившимся режиме ее работы 105
4.2.3 Обоснование соотношения частот вращения плоского и конического рабочих дисков .111
4.2.4 Результаты опытов по выявлению влияния влажности зерна на рабочий процесс плющилки 112
4.2.5 Обоснование угла при вершине конуса 114
4.2.6 Результаты опытов по выявлению влияния усилия поджатия дисков на рабочий процесс для некоторых видов зерна 116
4.3 Оптимизация параметров плющилки зерна 117
4.4 Определение значения коэффициента степени заполнения междискового зазора 123
4.5 Выводы по разделу 125
Производственная проверка работоспособности плю щилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами. экономическая оценка 126
5.1 Результаты производственных исследований плющилки фуражного зерна 126
5.2 Сравнительная оценка работы вальцовой плющилки и плющилки с дисковыми рабочими органами 127
5.3 Экономическая эффективность применения плющилки с дисковыми рабочими органами .131
Общие выводы 134
Литература .
- Анализ конструкций и краткая характеристика измельчителей концентрированных кормов
- Теоретическое определение энергоемкости плющения зерна, производительности и затрачиваемой мощности плющилки
- Методика определения количественных и энергетических показателей работы плющилки
- Результаты опытов по выявлению влияния влажности зерна на рабочий процесс плющилки
Введение к работе
Актуальность темы. В современных экономических условиях, сложившихся в животноводстве, важным условием является снижение себестоимости производства продукции. Этого можно добиться путем уменьшения и оптимизации затрат на содержание с.-х. животных. Известно, что более 70% этих затрат приходится на кормление, причем доля затрат на кормление зависит как от видов животных, так и от способов их кормления. Действенным способом снижения себестоимости получаемой продукции является удешевление рациона питания за счет повышения качества кормов и, как следствие, их более полной перевариваемости животными.
Наиболее оптимальными частицами, благотворно влияющими на процессы пищеварения животных, являются хлопья плющеного зерна. В процессе плющения происходит разрушение структуры зерновки и частичное расщепление сложных сахаров, благодаря чему питательные вещества, содержащиеся в кормах, становятся более доступными для пищеварительных ферментов желудочного сока, что приводит к более полному перевариванию и усваиванию корма животными.
В настоящее время 48% отечественных производителей продукции животноводства составляют личные подсобные и фермерские хозяйства со сравнительно небольшими объемами потребления кормов. Замена приготавливаемой дерти фуражного зерна на хлопья позволяет устранить потери от пыления пылевидных частиц корма, наносящих вред дыхательным путям животных и желудочно-кишечному тракту ввиду образования комков сухого корма, смоченных снаружи слюной, нарушающих пищеварение.
Таким образом, приготовление качественных кормов в виде плющеного зерна является актуальной научной и практически значимой задачей для АПК России. Для реализации данной задачи в условиях малых фермерских предприятий необходимы плющилки зерна, отличающиеся высокой эффективностью работы, производящие качественное плющение зерна.
Степень разработанности темы. Основными машинами, используемыми для подготовки зернового материала к скармливанию, являются дробилки и плющилки. Например, дробилки роторно-молоткового типа, по сравнению с вальцовыми плющилками, имеют простую конструкцию, высокую надежность в работе, сравнительно малые габариты, являются универсальными и обеспечивают возможность использования при подготовке к скармливанию различных видов фуражного зерна. Но, несмотря на указанные преимущества, дробилкам присущи следующие недостатки: высокая энергоемкость процесса измельчения зерна, неравномерность гранулометрического состава готового продукта, высокое содержание пылевидной фракции, низкая абсорбция измельченного корма.
В отличие от дробилок, плющилки измельчают зерновой материал сдавливанием, и в качестве рабочих органов, как правило, имеют одну или две пары вальцов, вращающихся навстречу друг другу. В плющеном зерне содержится незначительное количество пылевидной фракции, хлопья зерна имеют высокую абсорбцию, благодаря чему плющеное зерно обладает хорошей доступностью питательных веществ для пищеварительных ферментов желудочного сока, и, как следствие, оно лучше переваривается и усваивается животными. При скармливании хлопьев увеличиваются привесы скота на откорме до 10%, повышаются надои молока, улучшаются качественные показатели молока и мяса, уменьшается стоимость одной кормовой единицы.
Однако, дальнейшее повышение качества плющения зерна сдерживается конструктивными недостатками вальцовых рабочих органов плющилок, т.к. сложные условия захвата зерновки вальцами приводят к увеличению размеров рабочих органов. Это существенно увеличивает металлоемкость и стоимость вальцовых плющилок. Кроме того, малое время воздействия вальцов на зерновку вызывает ударные деформации зерна. Предотвратить рассыпание хлопьев на части у плющилок с вальцовыми рабочими органами возможно за счет увеличения диаметра вальцов или снижения их частоты вращения. Однако это приводит к значительному увеличению энергетических затрат на плющение зерна и снижению производительности агрегата, и, как следствие, к увеличению стоимости произведенной продукции.
Для приготовления качественных концентрированных кормов в условиях фермерских хозяйств необходимо разработать плющилку фуражного зерна с дисковыми рабочими органами, обеспечивающими благоприятные условия захвата и плющения зерновок фуражного зерна.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА (тема №32 «Ресурсосберегающие технологии и технические средства для производства продукции растениеводства и животноводства») и в рамках конкурса инновационного проекта «У.М.Н.И.К.» по договору № 4892ГУ1/2014 от 25.12.2014 г. (тема «Разработка и исследование технического средства для плющения зерна»).
Цель исследований – повышение качества плющения фуражного зерна плющилкой с дисковыми рабочими органами.
Задачи исследований:
1. Разработать конструктивную схему плющилки фуражного зерна с
вертикально расположенными дисковыми рабочими органами.
2. Теоретически обосновать конструктивные, технологические и
кинематические параметры плющилки зерна с дисковыми рабочими органами.
-
Изготовить опытный образец плющилки зерна с дисковыми рабочими органами, провести исследования и экспериментально обосновать оптимальные и рациональные конструктивные, технологические и кинематические параметры плющилки.
-
Провести исследования опытного образца плющилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами в производственных условиях и оценить экономическую эффективность применения разработанной плющилки.
Объект исследований - технологический процесс плющения фуражного зерна плющилкой с дисковыми рабочими органами.
Предмет исследований – показатели рабочего процесса плющилки с дисковыми рабочими органами при плющении фуражного зерна.
Научную новизну работы представляют:
- конструкция плющилки зерна, в которой реализован продолжительный
процесс сжатия зернового материала рабочими органами с возможностью захвата
дисками более крупных зерновок;
- теоретическое обоснование производительности плющилки, затрачиваемой
мощности и энергоемкости плющения зерна, условия захвата зерна коническими
дисками, определение конструктивных параметров зоны загрузки, уточненное
значение поправочного коэффициента для определения степени заполнения зерном
междискового пространства;
- оптимальные и рациональные значения конструктивных, технологических и
кинематических параметров плющилки зерна с дисковыми рабочими органами (угол
при вершине конуса, усилие поджатия и частота вращения конусов).
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на полезную модель № 157265.
Практическая значимость работы. В сравнении с серийно-выпускаемыми вальцовыми плющилками зерна (на примере ПЗ-300) предлагаемая плющилка с дисковыми рабочими органами позволяет повысить качество плющения зерна (увеличение абсорбции хлопьев в среднем на 5%, обеспечив долю пылевидной фракции в плющенном зерне около 1%, что соответствует снижению порядка 3% данного показателя) за счет увеличения длительности сжимающего воздействия дисков на зерновку в 2…4 раза и снизить энергоемкость плющения зерна в среднем на 15% за счет уменьшения скорости сжатия и более равномерного распределения усилия сжатия на зерновку рабочими органами, снижения массы и радиуса вращающихся элементов конструкции.
Реализация результатов исследований. Экспериментальные исследования плющилки зерна с дисковыми рабочими органами проводились в условиях животноводческого кооператива «Новый» Пензенской области.
Методология и методы исследований. Теоретические исследования
выполнены с использованием основных положений в области механизации
приготовления кормов. Экспериментальные исследования проведены с
использованием стандартных и частных методик. Исследования в лабораторных и производственных условиях выполнялись с использованием метода планирования эксперимента. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением пакета прикладных программ Statistika, Microsoft Excel, MathCAD и др.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
конструкция плющилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами;
рациональные и оптимальные конструктивные, технологические и кинематические параметры предлагаемой плющилки;
уравнения, характеризующие зависимость производительности и мощности плющилки, а также энергоемкости процесса плющения от параметров плющилки с учетом условий движения зерна в междисковом пространстве;
числовые значения показателей качества плющения зерна плющилкой с дисковыми рабочими органами.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов подтверждается применением общепризнанных научных положений в
области механизации приготовления кормов и теоретической механики,
использованием метода планирования эксперимента, стандартными методиками исследований и современными техническими средствами измерений. Расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышают 6%.
Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2011…2014 гг.) и ФГБОУ ВПО «Пензенская ГТА» (2014 г.), на международной научно-технической конференции ВНИИМЖ, г. Подольск (2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 16 печатных работ, в т. ч. 7 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, пять без соавторов. Получен патент на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 3,2 п. л., из них автору принадлежит 1,4 п. л.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 144 наименований и приложения на 36 с. Общий объем диссертации с приложением составляет 185 с., содержит 63 рис. и 21 табл.
Анализ конструкций и краткая характеристика измельчителей концентрированных кормов
Как видно из технической характеристики измельчителей, все эти модели вполне подходят для измельчения фуражного зерна в фермерских и личных хозяйствах, но несмотря на большое количество преимуществ дробилок зерна перед измельчителями других видов и широкого модельного ряда дробилок ударно-центробежного действия, представленных на отечественном рынке, все они имеют одинаковые недостатки, а именно достаточно высокую энергоемкость процесса измельчения, неравномерность гранулометрического состава измельченного продукта, высокое содержание переизмельченной фракции, а также интенсивный износ рабочих органов [48,55,60].
При устранении вышеперечисленных недостатков возникают новые – сильное усложнение конструкции и высокая металлоемкость, повышение расхода энергии. Примером таких измельчающих машин могут послужить следующие конструкции [56…59].
Известна дробилка с разделительной камерой [56] по а. с. № 2380159 (рисунок 1.5), которая включает в себя бункер 1, установленный на корпусе 2, трубопроводы 3 и 4, разделительную камеру 5. В корпусе 2 расположена камера измельчения 6 с ротором 7, загрузочным 8 и выгрузным 9 окнами. Внутри камеры 5 горизонтально размещен конус с перфорированной поверхностью 10. Диаметры отверстий конусной перфорированной поверхности увеличиваются по мере возрастания радиуса Ri. Это обеспечивает одинаковые условия выхода частиц равного размера через перфорированную поверхность по длине конуса. Внутри усеченного перфорированного конуса вращается бичевой барабан 11, на котором со стороны входа измельченного продукта в разделительную камеру 5 жестко закреплен разбрасывающий конус 12 с лопастями, а со стороны выхода диск 13. Измельченный продукт подается в разделительную камеру по трубопроводу 3, а крупная фракция выводится по трубопроводу 4.
Для дополнительного выделения проходовой фракции нижняя часть трубопровода 4 выполнена перфорированной.
Для удаления избыточного воздуха из камеры 5 часть ее выполнена из фильтрующего материала 14 и соединена патрубком 15 с трубопроводом 4. Это позволяет направлять избыток воздуха, а также крупные непроходовые частицы в камеру 6.
Нижняя часть камеры 5 разделения образует со шлюзовым затвором 16 сборник готового продукта 17.
Молотковая дробилка для фуражного зерна с разделительной камерой работает следующим образом. Фуражное зерно поступает из бункера через загрузочное окно в камеру измельчения, где ударами молотков ротора разрушается. Под действием ударов молотков и воздушного напора, создаваемого ротором, измельченный продукт перемещается к разгрузочному окну и далее по трубопроводу на лопасти разбрасывающего конуса бичевого барабана. Лопасти разбрасывающего конуса увлекают измельченный продукт во вращательное движение, разгоняют его и равномерно подают на перфорированную поверхность, где он подхватывается бичами барабана и перемещается по перфорированной поверхности, имеющей одинаковую севкость по длине конуса, из-за одновременного изменения диаметров отверстий и окружной скорости движения продукта. Рисунок 1.5 – Дробилка с разделительной камерой по а. с. №2380159: 1 – бункер; 2 – корпус; 3,4 – трубопроводы; 5 – разделительная камера; 6 – камера измельчения; 7 – ротор; 8 – загрузочное окно; 9 – выгрузное окно; 10 – конус; 11 – бичевой барабан; 12 – разбрасывающий конус; 13 – диск; 14 – фильтрующий материал; 15 – патрубок; 6 – шлюзовой затвор; 17 – сборник готового продукта
Частицы, не прошедшие через перфорированную поверхность, поступают в трубопровод, по которому транспортируются в бункер для повторного измельчения. Частицы, прошедшие через перфорированную поверхность, поступают в сборник, откуда шлюзовым затвором выводятся наружу.
Дробилка данной конструкции направлена на повышение качества измельчения зерна, но она не решает проблем, связанных с переизмельчением зерна и имеет сложную конструкцию. Известна дробилка зерна по а.с. №2159535 [57] (рисунок 1.6), которая в своей конструкции имеет корпус 1, выполненный в форме улитки с установленной в нем соосно с ротором 2 ситовой обечайкой 3. Стержни 4, установленные вдоль внутренней поверхности обечайки 3, соединяют корпус 1 с крышкой 5, в верхней части которой имеется загрузочное устройство 6. Корпус 1 и крышка 5, соединенные между собой, образуют выгрузной патрубок 7. Рабочим органом дробилки является ротор 2, выполненный в виде крыльчатки с изогнутыми лопатками. Данная дробилка работает следующим образом. Измельчаемое зерно через загрузочное устройство попадает на крыльчатку вращающегося ротора, отбрасывается на ситовую обечайку и приводится в движение воздушным потоком, создаваемым вращающейся крыльчаткой ротора. При этом в зазоре, образованном между концами лопаток ротора и ситовой обечайкой образуется воздушно-зерновой поток. Измельчение зерна происходит за счет ударов зерна о ситовую обечайку и стержни, а также за счет трения о поверхность обечайки. Продукт измельчения под действием давления воздушного потока, а также сил инерции, проходит через отверстия ситовой обечайки в корпус, откуда затем выносится через выгрузной патрубок за счет вихревого воздушного потока в улитке корпуса.
Стержни, расположенные вдоль ситовой обечайки по всей высоте камеры измельчения повышают эффективность измельчения за счет большего числа ударов зерновок со стержнями, что приводит к росту производительности дробилки. Отсутствие контакта воздушно-зернового слоя с лопатками ротора достигается подбором числа лопаток ротора и их формы, и обеспечивает долговечность лопаток ввиду отсутствия их абразивного изнашивания, что в свою очередь делает возможным произвести и сохранить при эксплуатации балансировку ротора, что увеличивает надежность дробилки в целом.
Несмотря на высокую эффективность работы данной дробилки, продукт на выходе будет иметь низкие качественные показатели.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что молотковые дробилки продолжают совершенствоваться, но тем не менее качество приготовленного ими продукта остается на невысоком уровне с точки зрения гранулометрического состава и активного пыления при работе [39].
В настоящее время жерновые измельчители нашли широкое применение в мукомольном, крупяном производстве и других отраслях промышленности, хотя они могут также применяться и в фермерских хозяйствах для измельчения фуражного зерна, так как они имеют ряд положительных качеств, а именно простую и надежную конструкцию, которая не требует особых условий при эксплуатации и обслуживании, а также низкое энергопотребление при измельчении зерна [41,60].
Конструкция жернового измельчителя с вертикальной осью вращения жерновов [25,60] (рисунок 1.7) состоит из основания 1, на котором установлен электродвигатель 2, передающий вращение через механическую передачу 3 на приводной жернов 4. Измельчаемое зерно загружается в бункер 6, из которого самотеком поступает в зону захвата и далее в зону измельчения, образованную в зазоре между жерновами 4 и 5. Зерно интенсивно измельчается жерновами, перемещаясь под действием центробежной силы от центра к периферии, где оно подвергается одновременно деформациям сжатия, сдвига и среза. После измельчения готовый продукт под действием центробежных сил выводится через выгрузной патрубок 7. Степень измельчения зерна регулируется измене нием зазора между жерновами 4 и 5.
Теоретическое определение энергоемкости плющения зерна, производительности и затрачиваемой мощности плющилки
На основе приведенных выражений осуществлен компьютерный расчет рабочего процесса плющения зерна (Приложение 2), используя компьютерную программу MathCAD. При этом ряд показателей просто рассчитывался, а ряд показателей дополнительно был представлен в виде графиков, позволяющих устанавливать их численные значения.
Так в процессе численного моделирования плющения зерновки толщиной 3,0 мм минимальный рабочий радиус Ro составил 0,03 м, а угловая координата точки начала контакта частицы с конусами РОІ (рисунок 2.8) изменяется от 20 до 12 в зависимости от текущей координаты радиуса места контакта Ri (і - номер текущего участка). Характер зависимости - близкий к гиперболе. Рисунок 2.8 Зависимость угловой координаты точки контакта J30i (град.) частицы толщиной 3,0 мм от линейной координаты радиуса расположения частицы на конусном диске Rt (м)
При этом центральный угол точки начала контакта частицы с конусами 0ОІ (рисунок 2.9) также изменяется в интервале значений близких 20… 12 в зависимости от текущей координаты радиуса места контакта Ri (і - номер текущего участка). Характер зависимости - близкий к гиперболе. Близость значений указанных углов связана с величиной угла при вершине конуса (165), что накладывает несущественность различий Ро и 6о.
При этом текущая толщина частиц dj зависит от центрального угла расположения частицы 6oij. В процессе захвата частиц при повороте дисков (при моделировании центральный угол 6 изменяется от 6о до 0) происходит изменение толщины частицы. Согласно рисунку 2.10, меньший радиус R координаты точки контакта требует большего центрального угла координаты точки контакта р. Тогда (рисунок 2.11) при толщине частицы 3,0 мм центральный угол изменяется от 20 до 12 в зависимости от текущей координаты радиуса места контакта Ris (рисунок 2.9). При толщине частицы, равной 2,0 мм., центральный угол изменяется от 14 до 8, а при толщине частицы, равной 1,1 мм., центральный угол изменяется от 2,5 до 4,5. При толщине частицы, равной зазору, угол составит 0. Тем самым имеется также гиперболическая зависимость, при этом для периферийных участков график будет иметь более интенсивный характер (круче).
Получается, что чем больше радиус диска, тем меньше центральный угол захвата частицы 6, но тогда при постоянной угловой скорости дисков уменьшается время плющения. Это скажется на инерциальных силовых факторах и ударном воздействии на частицы при плющении. В силу грибообразной конструкции плющильных дисков, увеличение их радиуса требует существенного увеличения прочностных параметров элементов привода и самого диска. Это повлияет на величину зазора между дисками и, соответственно, на качество продукта. Рисунок 2.10 - Зависимость интервала изменения текущей толщины частицы dj (м) от угловой координаты точки контакта - центрального угла Ooij (град.) с учетом і-го радиуса расположения частицы на конусном диске
Зависимость угловой скорости движения частицы по конусу со"г (рад/с) в зоне плющения от линейной координаты радиуса расположения частицы на конусном диске R, (м) В силу проскальзывания и отставания частицы от поверхности дисков (к тому же скорости поверхности дисков в месте контакта с частицей имеют различный радиус и, соответственно, линейную скорость) линейная скорость зерна отлична от скорости поверхности диска. Соответственно изменяется и угловая скорость движения частицы. Поэтому изменение геометрических характеристик конусов повлияет и на окружную скорость движения частицы вокруг конуса в зоне плющения (рисунок 2.11). Так с ростом радиуса (линейной координаты точки контакта частицы с конусным диском) увеличивается и угловая скорость, прирост которой постепенно замедляется, стремясь к угловой скорости дисков. Наибольшее отставание у вершины конуса. При несоблюдении условия захвата частицы (менее Ro) угловая скорость частицы стремится к нулю.
Используя числовые значения экспериментальных исследований (раздел 4) и данные компьютерного расчета (Приложение 2), получили сводную таблицу сходимости расчетных и экспериментальных значений производительности, представленные в таблице 2.1
Числовые расчетные значения производительности плющилки отличаются от опытных значений не более 6%, данные х2-теста - 0,989861; F-теста -0,972286. Полученные данные по сходимости расчетных и экспериментальных значений производительности плющилки представлены на рисунке 2.12.
Таким образом, произведенный компьютерный расчет показателей рабочего процесса плющилки с дисковыми рабочими органами позволяет осуществить расчет основных показателей с достаточной точностью.
Методика определения количественных и энергетических показателей работы плющилки
С целью реализации разработанной программы проведения экспериментальных исследований производился анализ методов исследований, изготовление лабораторной установки, подбор средств измерения [115,116].
Общая методика экспериментальных исследований заключается в анализе существующих методик проведения экспериментальных исследований, разработке частных методик экспериментальных исследований, разработке и изготовлении лабораторной установки плющилки зерна с дисковыми рабочими органами, подготовке технических средств измерения, подготовке исходного зернового материала, проведении лабораторных исследований, анализе результатов исследований, подготовке производственного образца плющилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами с оптимальными значениями конструктивных, кинематических и технологических параметров и внедрения его в кормоприготовительный процесс в условиях животноводческого кооператива.
Экспериментальные исследования выполнялись с требованиями РД 10.19.2-90 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов. Методы испытаний» и СТО АИСТ 19.2-2008 «Сельскохозяйственная техника. Машины и оборудование для приготовления кормов. Порядок определения функциональных показателей» [112…114].
Экспериментальные исследования плющилки зерна с дисковыми рабочими органами производились на фуражном зерне пшеницы, ячменя, овса, ржи.
За оценочные показатели работы плющилки зерна приняты производительность плющилки (кг/с, кг/ч, т/ч), мощность (Вт) на привод плющилки, энергоемкость процесса плющения (Дж/кг, кВтч/т) [60,89,117…125]. За оценочные показатели качества готового продукта приняты средняя толщина хлопьев (а, мм), коэффициент абсорбции хлопьев (G), средний модуль помола (M, мм) и доля пылевидной фракции (частиц размерами менее 0,25 мм) в готовом продукте (, %).
Обработка полученных результатов проводилась с помощью компьютерных программ Statistika 6 [126…128], подготовка данных к статистической обработке – программой Microsoft Office Excel 2010. Построение двумерных сечений поверхности отклика полученных регрессионных моделей при числе факторов более двух осуществляли математическим пакетом MathCAD 2001 [129].
В ходе проведения экспериментальных исследований использовалось контрольно-измерительное оборудование, представленное в таблице 3.2. Для обеспечения точности замеров предпочтение отдавалось электронному цифровому оборудованию.
На основе теоретических расчетов нами был изготовлен лабораторный образец плющилки фуражного зерна, общий вид и внутреннее устройство которого представлены на рисунке 3.4.
Лабораторный образец плющилки фуражного зерна состоит из рамы 1, ведомого вала 2, электродвигателя 3, ведущих валов 4 и 5, приводимых в движение цепными передачами, защитного кожуха 6, загрузочного бункера 7, питающего устройства 13 с заслонкой, выгрузного лотка 8. Рабочими органами являются плоский диск 9 диаметром 220 мм, установленный на штоке 11 и поджатый пружиной 12 и конический плющильный диск 10 диаметром 220 мм. Мощность электродвигателя, установленного на лабораторном образце плющилки, составляет 2,2 кВт, частота вращения вала составляет 1500 мин-1.
Рисунок 3.4 – Общий вид и внутреннее устройство лабораторного образца плющилки фуражного зерна: 1 – рама; 2 – ведущий вал; 3 – электродви-гатель;4,5 – ведомые валы; 6 – защитный кожух; 7 – загрузочный бункер; 8 – выгрузной лоток; 9,10 – плющильные диски; 11 – шток; 12 – пружина; 13 – питающее устройство
Коммутационным устройством электродвигателя в лабораторной установке являлся частотный преобразователь «Веспер». Замер потребляемой электродвигателем мощности осуществлялся измерительным комплексом К-505.
Исследования процесса плющения зерна производилось на установке, схема которой представлена на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Схема лабораторной установки: 1 - ваттметр; 2 - частотный преобразователь; 3 - лабораторный образец плющилки
Для обеспечения варьирования конструктивных, кинематических и технологических параметров в конструкции лабораторной установки были предусмотрены такие конструктивные решения, как сменные рабочие органы, цепные передачи ведущего и ведомых валов со сменными звездочками, возможность регулирования усилия поджатия дисков в широких пределах посредством передачи винт-гайка.
Частота вращения ротора двигателя изменялась посредством частотного преобразователя и замерялась лазерным тахометром (рисунок 3.6), соотношение частот вращения рабочих дисков изменялось сменой звездочек цепной передачи, передающей вращение от ведущего вала к ведомым валам, величина усилия поджатия дисков изменялась вращением гайки, производя затяжку заранее протарированной пружины сжатия. а) б)
Чтобы исследовать процессы, происходящие с зерновым материалом во время лабораторных исследований, а также для оценки качественных показателей готового продукта, необходимо знать основные физико-механические свойства исследуемых материалов.
При проведение экспериментальных исследований определялись физико-механические свойства зерна различных культур, влияющие на количественные, качественные и энергетические характеристики работы плющилки. Уточненные значения данных величин применялись в выражениях, написанных во второй главе. Физико-механических свойств материалов определяли по существующим методикам и ГОСТам [130…134].
Частицы фуражного зерна имеют различные размеры по длине, ширине и толщине.
Состояние поверхности семян зависит от культуры, спелости, влажности и влияет на характер их движения в различных условиях. Обычно у полновесных спелых зерен поверхность гладкая, у неполновесных — сморщенная, шероховатая.
Плотность материала зерна у различных культур бывает разной и зависит от химико-биологических особенностей, спелости и влажности семян. С повышением спелости зерен она возрастает.
Абсолютная масса зерен или масса 1000 шт зерен в граммах характеризует заключенный в них запас питательных веществ. Поскольку этот показатель характеризует свойства не отдельных зерновок, а их совокупность, он дает представление о средней массе зерен.
Объемная масса (насыпная масса, натура) — масса зерен в единице объема. Она зависит от плотности семян и плотности их укладки, на которые, в свою очередь, влияют влажность, размеры, форма и состояние поверхности зерен.
Результаты опытов по выявлению влияния влажности зерна на рабочий процесс плющилки
Производственные исследования плющилки фуражного зерна проводились в животноводческом кооперативе «Новый» Кузнецкого района Пензенской области [142].
Результатом производственных исследований являлось нахождение оптимальных и рациональных режимов работы плющилки в производственных условиях, получение технической характеристики разработанной плющилки, внедрение плющилки предлагаемой конструкции (рисунок 3.13) в процесс приготовления кормов для крупного рогатого скота в условиях фермерского хозяйства и сбор данных для расчета экономической эффективности.
Предлагаемая плющилка зерна с дисковыми рабочими органами обеспечивает технологический процесс плющения зерна, а значит делает возможным плющение сухого фуражного зерна разных видов (ячмень, пшеница, рожь, овес, просо, гречиха), зерноотходов, а также зерновых смесей в кормоприго-товительном процессе в производственных условиях. Продукт, полученный в результате плющения зерна плющилкой и дисковыми рабочими органами, полностью соответствует зоотехническим требованиям, предъявляемым к кормам, и может быть скормлен сельскохозяйственным животным как в виде монокорма, так и в виде комбикорма или кормосмеси с рецептурой, оптимальной для рациона кормления крупного рогатого скота, свиней или птицы.
Плющилки зерна входят в комплекс машин для подготовки фуражного зерна к скармливанию и зарекомендовали себя как надежные машины, способные производить высококачественные корма с низкой энергоемкостью процесса плющения. Использование разработанной плющилки с дисковыми рабочими органами также позволяет получать высококачественные корма для сельскохозяйственных животных. За время проведения исследований разработанная плющилка показала себя как надежная машина, не требующая особых приемов эксплуатации и частого технического обслуживаний.
В результате проведенных в производственных условиях исследований предлагаемой плющилки с дисковыми рабочими органами определены следующие основные технические характеристики: производительность – от 76 кг/ч (овес) до 216 кг/ч (пшеница), при среднем значении 180…200 кг/ч, энергоемкость плющения – от 4,54 кВтч/т (пшеница) до 11,5 кВтч/т (овес), при среднем значении 5 кВтч/т. Данные представлены в таблицах 5.1, 5.2 и на рисунках 5.1, 5.2, 5.3 [140,141] (Приложение 6).
Для сравнительной оценки качественных, количественных и энергетических показателей работы исследуемых плющилок в качестве материала использовались озимая пшеница и рожь, яровой ячмень, овес, гречиха и просо влажностью 12…14%.
Качественные показатели плющеного зерна, полученного в результате его плющения вальцовой плющилкой и предлагаемой плющилкой с дисковыми рабочими органами, представленной на рисунке 3.13, с оптимальными конструктивными, кинематическими и технологическими параметрами, такие как толщина хлопьев, коэффициент абсорбции, модуль помола и доля пылевидной фракции в плющеном зерне представлены в таблице 5.1 [140,141].
Анализируя визуально хлопья плющеного зерна ячменя, пшеницы и ржи, полученные на выходе из предлагаемой плющилки можно сделать вывод, что по сравнению с продуктом, полученным на выходе из вальцовой плющилки они имеют более однородную и ярко выраженную структуру хлопьев, они меньше рассыпаются на части, т.е. обладают меньшей крошимостью и поэтому содержат в своем составе меньшее количество мелкодисперсной фракции. Хлопья, полученные при плющении сравниваемыми плющилками фуражного овса, визуально не отличаются друг от друга.
Анализируя графические данные (рисунок 5.3), можно сделать вывод, что минимальную энергоемкость процесса плющения фуражного зерна имеет плющилка с дисковыми рабочими органами. Энергоемкость плющения зерна предлагаемой плющилкой в среднем по четырем фуражным культурам имеет значение ниже на 15…25 % по сравнению с вальцовой плющилкой модели ПЗ-300, что обусловлено особенностями конструкций сравниваемых плющилок, а именно большими энергетическими затратами на привод рабочих органов вальцовой плющилки зерна в первую очередь ввиду их больших размеров и массы.
На основании проведенного сравнительного анализа вальцовой плющилки и предлагаемой плющилки с дисковыми рабочими органами, следует сделать вывод, что применение последней в процессе приготовления кормов в условиях фермерского хозяйства экономически целесообразно как за счет повышения качества кормов, так и за счет снижения энергетических затрат.
Оценка экономической эффективности внедрения плющилки фуражного зерна с дисковыми рабочими органами в кормоприготовительный процесс в условиях животноводческого кооператива «Новый» определялась сравнением предлагаемой плющилки с серийно-выпускаемой плющилкой модели ПЗ-300 [142].
Показатели экономической эффективности определялись согласно требованиям ГОСТ Р 53056-2008 [143], общероссийским, отраслевым методикам и нормативно-справочным материалам [144]. Расчет экономических показателей эффективности внедрения плющилки зерна с дисковыми рабочими органами проводился из условия, что для приготовления кормов в качестве сырья использовался фуражный ячмень и пшеница, полученные хлопья использовались в качестве монокорма для крупного рогатого скота при среднегодовом поголовье стада фермерского хозяйства в количестве 50 голов (Приложение 5).
Основные показатели экономической эффективности для предлагаемой плющилки зерна с дисковыми рабочими органами и базовой вальцовой плющилки рассчитывались на основании данных сравнительных исследований плющилок [86,141]. При сравнительных расчетах принимались значения производительности и энергоемкости для предлагаемой плющилки при оптимальных конструктивных, кинематических и технологических параметрах, для базовой плющилки – при параметрах, установленных заводом-изготовителем.
Величина балансовой стоимости предлагаемой плющилки зерна с дисковыми рабочими органами рассчитывалась на основании расходов на изготовление производственного образца плющилки с учетом стоимости материалов заготовок, заработанной платы рабочих, занятых на изготовлении и сборке плющилки и общепроизводственных расходов. Для базовой плющилки балансовая стоимость определялась как средняя розничная стоимость машины на начало 2015 года.